全地形機器人小車設計

南京林業(yè)大學機械電子工程學院 強璐亞 馬 帥 陸袁博 王皖君

1 引言

2 結構設計

全地形機器人采用六輪懸掛式車身結構，將車身分成兩段，以前四輪為整體，后兩輪懸掛，車身兩部用套筒連接。機器人利用加寬并附有螺帽的車輪，配合獨立供電的四臺直流電機、兩臺360°旋轉的圓周舵機，其攀爬和穩(wěn)定性顯著提高。機器人核心控制器采用探索者創(chuàng)新平臺的BigFish主控板，它能夠連接多種傳感器，使得機器人能夠高效的采集處理外部信息。為保證機器人平穩(wěn)尋跡和正確轉彎，機器人配置兩個灰度傳感器和一個近紅外傳感器；為提高機器人在彎道中行駛速度，除配備轉向輪外，機器人前兩輪加載兩個標準舵機，輔助機器人在彎道中調整轉彎半徑，機器人整體結構如圖1所示。

圖1 全地形機器人總體結構

圖1中機器人小車采用懸掛式結構防止車輛的傾覆同時提高車輛的攀爬能力，混合驅動保證機器人的動力，能夠平穩(wěn)快速的通過各個障礙；六輪式機器人具有越障能力高、承載能力強、結構和控制簡單、轉向靈活、工作效率高等優(yōu)勢[2]。加寬的車輪可以降低機器人輪對地面接觸面的壓力，起到防陷效果；設計限位轉向裝置，避免機器人軸距過長導致轉彎半徑過大的缺陷。六輪懸掛式車身設計成后兩輪懸掛，前四輪一體使得機器人可以平穩(wěn)攀爬高矮坡、快

機器人控制系統(tǒng)的結構如圖2所示，工作原理是通過灰度傳感器和近紅外傳感器獲取外界環(huán)境信息，然后主控板處理、加工，讓其循著黑線依次通過窄橋、U形管、樓梯、柵格等地形。主控板采集處理灰度傳感器反饋的信號，并利用程序控制轉向舵機，使機器人能夠不斷調整方向，實現(xiàn)尋跡行駛。近紅外傳感器用來輔助機器人在U形管中調整適當?shù)霓D彎半徑，提高機器人在彎道中行駛速度，減少在轉彎過程中的因碰撞導致的動能損失。

機器人的驅動由四個直流電機和兩個圓周舵機相互配合實現(xiàn)。當機器人在爬坡過樓梯時懸掛式車身能夠保證至少四個輪子著地，保證機器人通過率，微控制器對傳感器采集的信息進行處理后，對轉向和行駛驅動機構實時控制，保證機器人平穩(wěn)行駛。

圖2 全地形機器人系統(tǒng)結構

3 軟件設計

控制軟件是整個機器人小車的核心，實現(xiàn)尋跡、轉向、行駛等控制功能。主控制板上電后首先給各個模塊初始化，并使得轉向舵機處于中位，直流電機啟動，圓周舵機開始工作保證機器人能夠直線行駛。在系統(tǒng)定時器的作用下以10Hz的頻率傳感器讀取尋跡和外界信息，并以TTL電平的形式傳遞給主控制器[3]?；叶葌鞲衅鳈z測到黑線時或者近紅外傳感器檢測到進入管道時，立刻產生一個低電平信號傳遞給主控制器，主控制器綜合傳感器信息產生執(zhí)行機構的控制信號，系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制軟件流程圖

3.1 傳感器信號處理模塊

灰度傳感器可以識別白色背景中的黑色區(qū)域或懸崖邊緣，并將識別信號處理傳送給控制器實現(xiàn)尋跡行進的功能，灰度傳感器可以提供穩(wěn)定的輸出信號，使得尋跡更加穩(wěn)定準確，它的有效距離在0.7cm～3cm之間；工作電壓為4.7～5.5V。近紅外傳感器可以發(fā)射并接收反射的近紅外信號，它的有效檢測范圍在20cm以內，工作電壓 4.7V～5.5V，頻率38KHz?；叶葌鞲衅髯詣尤印⒆詣佑嬎慊叶绕骄?，而當前灰度值與灰度平均值進行比較，輸出控制信號，機器人在循跡前進時，依靠控制信號自動進行換向，實現(xiàn)自主控制，使得機器人能夠更精確地循跡前進，調節(jié)簡單[4]。

3.2 舵機驅動輪控制

圓周舵機的旋轉速度和旋轉方向采用PWM控制方式，脈沖周期為20ms，脈寬為500-1500us時正轉，值越小，旋轉速度越快；脈寬為1500-2500us反轉，值越大，旋轉速度越快。脈寬為1500us停止，轉向舵機的旋轉角度，采用PWM控制方式，脈沖周期為20ms，脈沖寬度500-2500us對應控制舵機轉動0-180度。機器人動力舵機機構由兩個圓周舵機構成，圓周舵機的+5V和GND分別接在控制板自帶的舵機驅動口上，信號線與控制口D7、D8相連，主控制器接收傳感器數(shù)據(jù)后，經(jīng)過判斷，產生指令，使得機器人加速或減速。機器人的轉向舵機的信號線與主控板的D11、D12輸出口相連。主控板產生左轉或右轉指令后，轉向舵機得到一個占空比固定的PWM電信號，轉向舵機動作，轉到相應的位置。

4 結束語

機器人參考月球車和全地形四驅車設計而成，懸掛式車身和混合式驅動提高了機器人對整體賽道的通過性，并能夠從容應對各類復雜地形，更好的適應環(huán)境。機器人能夠適用于不同的工作環(huán)境中，為進一步的全地形賽車的設計和創(chuàng)新提供了很好的思路，具有一定的實際應用價值。

[1]張韜懿,王田苗,吳耀,等.全地形無人車的設計與實現(xiàn)[J].機器人,2013,35(6):657- 664.

[2]王福德.一種新型六輪全地形移動機器人的設計與研究[D].沈陽理工大學,2012.

[3]楊俊駒,睿,王振華,等.輪式移動機器人運動控制系統(tǒng)研究與設計[J].現(xiàn)代電子技術,2016,39(2):22-27.

[4]楊小莉,謝欽福.一種灰度傳感器及一種基于灰度傳感器的循跡控制方法,CN 103970136 B[P].2017.