曲曉坤 邱浩峰 何武劍 尹沼臣 孫俊巧 趙 怡

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222；2.天津市高端智能數(shù)控機床工程研究中心，天津 300222）

0 引言

在當(dāng)今形式下，智能小車正朝著無人化、工業(yè)化方向發(fā)展，其常用于固定路線的物品運輸，如無人快遞車、倉庫運輸車等?，F(xiàn)如今，智能小車主要用于在一個環(huán)境里的自動運作，通過預(yù)先設(shè)定的模式，不用人為管理，可實現(xiàn)科學(xué)勘探等。

本研究通過設(shè)計一種具有更加穩(wěn)定的多功能智能小車，來解決其在實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，如在使用的過程中存在使用范圍受地形限制、視頻傳輸畫面抖動、換向方式復(fù)雜等問題。

1 智能小車硬件系統(tǒng)的設(shè)計

本研究設(shè)計了一種多功能智能小車，智能小車的整體結(jié)構(gòu)尺寸為L×B×H=536 mm×460 mm×320 mm。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，為解決現(xiàn)有視頻智能小車運動場景受限制、視頻畫面抖動、換向方式復(fù)雜等問題［1］，設(shè)計出一種能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的智能小車，如圖1所示。

圖1 智能小車結(jié)構(gòu)圖

1.1 智能小車運動系統(tǒng)設(shè)計

在車身與輪胎的連接處有獨立的懸掛裝置，該獨立懸掛裝置與車身鉸接，使車身底盤升高，并使車輪可小幅度地上下擺動，從而提高小車的越障性能和減震效果。在遇到高低不平的地面時，獨立懸掛裝置一方面通過可轉(zhuǎn)動的連接與地面自動匹配相對轉(zhuǎn)角，另一方面懸掛裝置的減震器可通過物理平衡的方式對車身進行回正，從而實現(xiàn)復(fù)雜地形的穩(wěn)定移動，提高智能小車的機動性。動力系統(tǒng)由驅(qū)動機和萬向軸組成。萬向軸一端與主控芯片連接，另一端與車輪連接輸出動力，由此產(chǎn)生運動［2］。獨立懸掛裝置如圖2所示。

圖2 智能小車獨立懸掛裝置

1.2 智能小車平衡裝置設(shè)計

平衡裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括陀螺儀傳感器、加速度傳感器、第四驅(qū)動電機、水平臺和轉(zhuǎn)輪。陀螺儀傳感器和加速度傳感器安裝在水平臺的背面［2］，并與主控芯片連接。第四驅(qū)動電機安裝在水平臺背面正中部位，其與轉(zhuǎn)盤、主控芯片連接。

圖3 智能小車的平衡裝置

現(xiàn)有的智能小車在翻越較高的障礙物時，會出現(xiàn)運動不穩(wěn)的情況。因此，本研究通過陀螺儀和加速度傳感器來自動檢測運行過程中水平臺的偏轉(zhuǎn)角度和偏轉(zhuǎn)速度，并將檢測信號傳輸至主控芯片，主控芯片通過內(nèi)置算法來控制穩(wěn)定裝置內(nèi)的驅(qū)動電機對角度進行修正，從而提高視頻傳輸畫面的穩(wěn)定性。

1.3 智能小車通信系統(tǒng)設(shè)計

通信系統(tǒng)的硬件包括二維舵機云臺、高清攝像頭，二者均與主控芯片相連。高清攝像頭傳輸視頻影像到遠程控制終端，遠程控制終端設(shè)有配套的APP，可用來接收高清攝像頭傳輸?shù)囊曨l影像，還可將遙控信號傳輸至二維舵機云臺，并控制其運動，云臺舵機安裝在水平臺上。

1.4 智能小車換向結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究在小車換向方式上也有改進，如圖4所示。換向機構(gòu)包括機架、連架桿、連桿、第三驅(qū)動電機、面齒輪和直齒輪。機架兩端分別與兩個連架桿鉸接，連桿分別與兩連架桿的另一端鉸接，機架與連桿等長，第三驅(qū)動電機與直齒輪連接，直齒輪安裝時與面齒輪軸線呈90°夾角，面齒輪側(cè)面有延長桿，延長桿與兩小連桿鉸接，小連桿與連架桿鉸接，面齒輪安裝在機架中線處，小連桿對稱安裝。小車采用平行四邊形的換向機構(gòu)，這是因為平行四邊形的特性使得換向速度更快，過程更加平穩(wěn)。與傳統(tǒng)的改變馬達轉(zhuǎn)速換向相比，新的方式更加便捷和高效。

圖4 智能小車的換向結(jié)構(gòu)

1.5 智能小車傳感器設(shè)計

傳感器的設(shè)計包括避障模塊、循跡模塊和超聲波模塊。

1.5.1 避障模塊。避障模塊采用紅外避障傳感器ZY101，如圖5所示。該傳感器模塊對環(huán)境光線的適應(yīng)能力強，并具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，在檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號到主控芯片，主控芯片內(nèi)的置邏輯代碼通過調(diào)用代碼來實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向避障功能［3］。

1.5.2 循跡模塊。循跡模塊（見圖6）安裝在車頭下端，通過紅外線探頭來判斷前方是否存在物體。當(dāng)探測到物體時，會產(chǎn)生對應(yīng)的感應(yīng)信號，并將其傳遞給主控芯片，主控芯片調(diào)用內(nèi)置代碼來控制小車跟隨前方物體，并通過遠程控制終端來實現(xiàn)控制循跡功能的開啟或關(guān)閉。循跡模塊能感應(yīng)地面是否有預(yù)設(shè)的軌跡，并產(chǎn)生對應(yīng)的感應(yīng)信號，通過預(yù)設(shè)的軌跡使小車按規(guī)定路線行駛，從而實現(xiàn)更加智能化的操作。當(dāng)中間的紅外傳感器ht6221檢測到黑線后，小車在軌道中間，直流電機正轉(zhuǎn)，兩個輪子保持前進。當(dāng)左邊的紅外傳感器檢測到黑線時，這說明小車要進行左拐彎，左邊的第一驅(qū)動電機停止轉(zhuǎn)動，右邊的第二驅(qū)動電機保持轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎。當(dāng)右邊的紅外傳感器檢測到黑線時，這說明小車要進行右拐彎，右邊的第二驅(qū)動電機停止轉(zhuǎn)動，左邊的第一驅(qū)動電機保持轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)右轉(zhuǎn)彎。

圖6 循跡傳感器

1.5.3 超聲波模塊。超聲波模塊通過發(fā)射和接收超聲波信號，并將接收到的超聲波信號發(fā)送至主控芯片，以此來提高避障功能和循跡功能的精準(zhǔn)度［4］。當(dāng)超聲波模塊產(chǎn)生超聲波后，單片機的計時器開始計時。超聲波在遇到障礙物后會被反射，超聲波模塊在接收到反射波后，單片機的計時器停止計時。根據(jù)收發(fā)超聲波的時間差，便可計算出超聲波模塊與障礙物的距離。超聲波模塊在接收超聲波時存在能量轉(zhuǎn)化，當(dāng)接收到反射波后，聲信號會轉(zhuǎn)換為電信號，從而使單片機停止計時。

1.6 智能小車遠程控制裝置設(shè)計

遠程控制裝置包括Wi-Fi模塊、藍牙模塊和物聯(lián)網(wǎng)遠程遙控模塊［2］，分別連接主控芯片和所適配的傳感器，主控芯片包括Arduino控制板和功能轉(zhuǎn)接板，傳感器包括循跡模塊、避障模塊和超聲波模塊。Arduino控制板與功能轉(zhuǎn)接板連接，用于接收和處理各種傳感器所傳達的信號，并編譯程序進行控制。功能轉(zhuǎn)接板通過和各類傳感器進行連接，傳輸各類傳感器信號到Arduino控制板，并擴展其功能。而對于傳感器，則要將感應(yīng)到的信息發(fā)送至主控芯片中，主控芯片根據(jù)不同的感應(yīng)信號來傳輸不同的信息。

1.7 智能小車移動組件設(shè)計

移動組件包括第一驅(qū)動電機、第二驅(qū)動電機、萬向軸接頭、萬向軸、主動輪和從動輪。第一驅(qū)動電機的輸出軸與萬向軸接頭連接，萬向軸的一端與萬向軸接頭連接，另一端與主動輪連接，第一驅(qū)動電機還連接至主控芯片，主控芯片被配置為基于遠程遙控終端控制啟動、關(guān)閉或反轉(zhuǎn)第一驅(qū)動電機。移動組件安裝在車身底部后端，并在其懸掛裝置上安裝主動輪和從動輪的支架，主控芯片根據(jù)移動指令來控制第一驅(qū)動電機和第二驅(qū)動電機的工作，第一驅(qū)動電機和第二驅(qū)動電機驅(qū)動主動輪轉(zhuǎn)動，主動輪帶動從動輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)小車移動。

2 智能小車軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件設(shè)計是指智能小車控制系統(tǒng)內(nèi)的編寫和算法，要實現(xiàn)科學(xué)的程序設(shè)計，確?？刂葡到y(tǒng)能實現(xiàn)及時維護、可調(diào)試的功能。首先，系統(tǒng)主控芯片的軟件設(shè)計是在Arduino UNO主控板內(nèi)預(yù)設(shè)一段程序，與遠程遙控器手機進行匹配，匹配連接完成后，手機可通過互聯(lián)網(wǎng)遠距離對Arduino UNO主控板發(fā)出操作指令。而避障系統(tǒng)軟件的設(shè)計，則是通過發(fā)射管來接收外界信號，主控芯片內(nèi)置邏輯代碼通過調(diào)用代碼來實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向避障的功能。循跡系統(tǒng)是利用激光發(fā)射機來實現(xiàn)信息傳播，并通過激光發(fā)射器發(fā)射和接收信號，以此來對小車軌跡進行檢測，為小車行駛的安全性提供基礎(chǔ)保障。

3 結(jié)語

以往的智能小車受地理環(huán)境的影響較大，在復(fù)雜的環(huán)境工作時，很容易受到外界因素的影響。因此，本研究從硬件及軟件兩方面入手優(yōu)化小車整體工作能力，讓其在完成軍事巡邏、搜索、監(jiān)視等工作的同時，能傳送更為清晰可靠的畫面。另外，在車身結(jié)構(gòu)方面也進行了優(yōu)化設(shè)計，通過對獨立懸掛裝置的進一步優(yōu)化，大大提高小車對不同地形的適應(yīng)能力及行駛過程中的平穩(wěn)性。解決傳統(tǒng)智能小車在不規(guī)則地形工作時晃動大、不穩(wěn)定的缺陷，從而讓小車能更好地適應(yīng)各種不規(guī)則的地形。此外，對小車的轉(zhuǎn)向裝置也進行了創(chuàng)新設(shè)計，采用平行四邊形換向機構(gòu)，使換向速度更快，換向過程更加平穩(wěn)、更為高效，讓其在多種地形參與探測、運輸?shù)裙ぷ鲿r更為高效。