光電設(shè)計(jì)競(jìng)賽的尋光小車方案設(shè)計(jì)及研究

瞿志二，袁良祺，吐魯遜江·克熱木，顧淑琪，夏潤(rùn)秋

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程系，北京100192）

0 引言

由于當(dāng)前不斷興起的汽車無(wú)人駕駛技術(shù)，相應(yīng)的智能車實(shí)驗(yàn)也更加受業(yè)內(nèi)人士青睞[1]，由此應(yīng)運(yùn)而生的各種智能小車比賽也接踵而至。智能小車的功能建立在使用者模塊使用上，通常具有自動(dòng)尋跡、尋光、跟蹤、顯示、避障、紅外控制、語(yǔ)音控制等功能，智能小車不需要使用者實(shí)時(shí)的操控，可以根據(jù)既定的程序執(zhí)行設(shè)置的要求。智能小車的出現(xiàn)代替了人們很多復(fù)雜而繁重的勞動(dòng)，也運(yùn)用在許多危險(xiǎn)且人類無(wú)法出現(xiàn)的領(lǐng)域。隨著智能小車智能化、模塊化、通用化、普及化的實(shí)現(xiàn)，智能小車將運(yùn)用在人類生活生產(chǎn)的方方面面。

2018 年7 月在北京理工大學(xué)舉辦全國(guó)大學(xué)生光電設(shè)計(jì)競(jìng)賽（“光電尋的競(jìng)技車”）要求制作一款“智能小車”要求完成自動(dòng)尋找探測(cè)并追蹤熄滅信標(biāo)燈。因此基于OpenMV 和Arduino Teensy 開發(fā)出一套針對(duì)第六屆全國(guó)大學(xué)生光電設(shè)計(jì)競(jìng)賽要求，使用尋光小車對(duì)12個(gè)同樣形狀、同樣顏色、同樣亮度、不同位置的信標(biāo)燈進(jìn)行熄滅作業(yè)。

Arduino 平臺(tái)特點(diǎn)主要有：①成本廉價(jià)。②跨平臺(tái)性。③圖形化編程方式。④開源的硬件及軟件[2]，而且Arduino 只需要了解各個(gè)端口的作用和使用方法即可，不需要了解它的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也不需要自己編寫復(fù)雜的底層代碼，使用方面很簡(jiǎn)單。

1 光電小車方案選型分析

光電小車使用單片機(jī)作為主控模塊，控制光電小車轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制光電小車行走與制動(dòng)，還需要控制滅燈擋板的舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使光電小車完成滅燈的功能，同時(shí)還需要控制測(cè)距模塊，實(shí)現(xiàn)近距離的測(cè)距功能。并且需要使單片機(jī)與圖像處理系統(tǒng)建立良好的通信環(huán)境，接收處理圖像處理系統(tǒng)傳遞的方位信號(hào)，使光電小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤功能。光電小車的大體工作框架如圖1 所示。

圖1 光電小車工作框圖

1.1 競(jìng)技車舵機(jī)選型

競(jìng)技車比賽常用舵機(jī)一般有兩種如圖2 所示，一種是飛思卡爾小車的普通輪舵機(jī)如圖2（a）所示，一種是麥克納姆輪小車的舵機(jī)如圖2（b）所示。本系統(tǒng)所選用的是麥克納姆輪小車的舵機(jī)。

圖2 競(jìng)技車舵機(jī)選型

相比于飛思卡爾小車的普通輪舵機(jī)，麥克納姆輪小車的舵機(jī)更加靈活，麥克納姆輪是一種全向輪，能夠使競(jìng)技車進(jìn)行全方位的移動(dòng)，可以在行進(jìn)時(shí)節(jié)省很多時(shí)間，例如：對(duì)于側(cè)方向的信標(biāo)燈的追蹤，理論上可以直接橫向追蹤，無(wú)需調(diào)轉(zhuǎn)車頭；探測(cè)信標(biāo)燈時(shí)，飛思卡爾小車的普通輪舵機(jī)需要后輪鎖死，前輪舵機(jī)控制方向，在通過(guò)前輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)車身轉(zhuǎn)動(dòng)，尋找信標(biāo)燈；而麥克納姆輪舵機(jī)可以直接原地轉(zhuǎn)彎，尋找信標(biāo)燈，控制方法上更為簡(jiǎn)單、執(zhí)行上更為快速。因此本文中選用麥克納姆輪小車舵機(jī)作為競(jìng)技車的舵機(jī)。

麥克納姆輪如圖3 所示是瑞典麥克納姆公司設(shè)計(jì)的一款能夠?qū)崿F(xiàn)前后移動(dòng)、左右橫移、斜前、斜后、原地旋轉(zhuǎn)的輪胎，三個(gè)或以上的麥克納姆輪之間的組合可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的全方位自由移動(dòng)。它的外形結(jié)構(gòu)與常見的普通輪胎有所區(qū)別，麥克納姆輪輪胎的外部輪廓是由許多傾斜成45 度角的小輥?zhàn)咏M合而成的，雖然看上去這些小輥?zhàn)又g有所間斷，但它實(shí)際的外形上又符合理論圓周的形狀，因此能夠正常旋轉(zhuǎn)。而車輪上的每個(gè)小輥?zhàn)右部梢宰杂尚D(zhuǎn)，通過(guò)輥?zhàn)拥呐c輪子整體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，再由多個(gè)輪子之間組合實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的全向運(yùn)動(dòng)。

在電機(jī)選擇方面有兩種不同的方案，直流有刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)這兩種。直流有刷電機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速性能，控制電路簡(jiǎn)單，在自動(dòng)化控制設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用[3]且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用成熟、運(yùn)行平穩(wěn)、調(diào)速范圍廣、響應(yīng)速度快、起動(dòng)扭矩大、起制動(dòng)效果好、成本低、過(guò)載能力強(qiáng)，因此系統(tǒng)中選用的是直流有刷電機(jī)。

圖3 麥克納姆輪

1.2 競(jìng)技車舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選型

競(jìng)技車的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊本文中設(shè)計(jì)了兩種驅(qū)動(dòng)方案。一種是用L298 芯片作為驅(qū)動(dòng)模塊，另一種是用TB6612FNG 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片作為驅(qū)動(dòng)模塊。

TB6612FNG 是一種基于MOSFET 的H 橋集成電路。每個(gè)通道具有600 毫安的平均輸出電流和1.2A峰值電流，這使其輸出負(fù)載容量加倍。而且TB6612FNG 不需要外部散熱片，外圍電路搭建簡(jiǎn)單。只需要外部電源和濾波電容就可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這有利于減小系統(tǒng)尺寸和設(shè)計(jì)難度。對(duì)于PWM 信號(hào)，它支持高達(dá)100KHz 的頻率，優(yōu)于L298N 芯片。因此，本文中選用TB6612FNG 作為競(jìng)技車的驅(qū)動(dòng)模塊。

1.3 競(jìng)技車主控模塊選型

競(jìng)技車主控模塊采用單片機(jī)控制，本系統(tǒng)所選用的是Arduino Teensy 3.2 單片機(jī)如圖4 所示作為競(jìng)技車的主控模塊。

圖4 Arduino Teensy 3.2單片機(jī)

一般的Arduino 單片機(jī)在使用時(shí)都需要安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，而Arduino Teensy 3.2 單片機(jī)是不用安裝驅(qū)動(dòng)的，直接進(jìn)行擦寫、編程、調(diào)試即可，節(jié)省了部分操作。并且相較于常用的Arduino Mega 2560 單片機(jī)，Arduino Teensy 3.2 單片機(jī)的主頻提升到了72MHz，Mega 2560僅為16MHz。而且較為重要的是Teensy 3.2 的內(nèi)存提升到了64KB，Mega 2560 的內(nèi)存僅為8KB，內(nèi)存太小，可能會(huì)不夠用。在程序方面Teensy 3.2 與Mega 2560的庫(kù)文件兼容，編寫上同樣簡(jiǎn)單，因此選用內(nèi)存更大的Arduino Teensy，如圖5 所示是Arduino Teensy 3.2 引腳圖。

圖5 Arduino Teensy3.2引腳圖

1.4 競(jìng)技車測(cè)距模塊選型

由于這一屆光電競(jìng)賽要求競(jìng)技車停在LED 燈外圍10 厘米的黑線外，不允許碰撞信標(biāo)燈，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)距系統(tǒng)。測(cè)距模式通常情況下分為超聲波測(cè)距與紅外測(cè)距。本系統(tǒng)選用的是HC-SR04 超聲波傳感器，外部形狀如圖6 所示。

圖6 HC-SR04超聲波傳感器

HC-SR04 模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。采用I/O 口TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給至少10μs 的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8 個(gè)40KHz 的方波，并自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)，回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比[4]。超聲波探測(cè)器測(cè)距的計(jì)算公式：

式中L 為探測(cè)到的前方距離，T 為信號(hào)脈沖寬度，v 為聲速，由此公式經(jīng)過(guò)計(jì)算便可得到超聲波探測(cè)器測(cè)量距離。

表1 HC-RS04 超聲波測(cè)距模塊電氣參數(shù)表

1.5 競(jìng)技車擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選材

這一屆光電競(jìng)賽要求不能直接碰撞信標(biāo)燈，需要在信標(biāo)燈外10 厘米用擋板將信標(biāo)燈擋滅，并且擋板伸出車體部分不得超過(guò)15 厘米。擋板設(shè)計(jì)方面有創(chuàng)意加分。經(jīng)過(guò)多方查詢，初步設(shè)計(jì)了三種方案。

方案一：水平方向旋轉(zhuǎn)擋板。通過(guò)一個(gè)舵機(jī)控制，在水平方向向車頭方向旋轉(zhuǎn)出一定角度，實(shí)現(xiàn)滅燈。這種擋板可覆蓋范圍廣，角度自由，可通過(guò)程序方面調(diào)整角度，以增大擋板覆蓋面積，十分方便。

方案二：翻轉(zhuǎn)擋板。由一個(gè)舵機(jī)控制，像風(fēng)車一樣從后向車頭方向翻轉(zhuǎn)至水平，實(shí)現(xiàn)滅燈。這種擋板覆蓋面積比較固定，基本上是由擋板自身面積決定，難以更改。并且由于競(jìng)技車車身高度有所限制，只能向后水平放置，占用競(jìng)技車空間較大。

方案三：水平方向伸縮擋板。由一個(gè)舵機(jī)和傳送帶控制，水平向車頭伸縮，實(shí)現(xiàn)滅燈。這種擋板和翻轉(zhuǎn)擋板一樣，覆蓋范圍由擋板本身大小決定。并且在設(shè)計(jì)上，相比于前兩種擋板，這個(gè)方案的設(shè)計(jì)制作較為復(fù)雜。占用車體空間也不小。

水平伸縮擋板結(jié)構(gòu)上先比方案一、方案二的擋板要復(fù)雜，并且如果信標(biāo)燈坐標(biāo)標(biāo)定由偏差，水平伸縮擋板覆蓋面積較小，可能會(huì)發(fā)生信標(biāo)燈在覆蓋面積外的情況，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)滅燈功能；翻轉(zhuǎn)擋板占的位置較大，在具體實(shí)施中會(huì)影響車身上的單片機(jī)、鏡頭，所以最后決定采用水平旋轉(zhuǎn)擋板。占用面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制作較為方便。由于是旋轉(zhuǎn)控制，可通過(guò)程序上改變舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，以增加其覆蓋面積，如圖7 所示。

擋板設(shè)計(jì)安裝在競(jìng)技車車頭位置，在超聲波探測(cè)器側(cè)方，因?yàn)槿绻诔暡ㄌ綔y(cè)器正上方，理論上想要滅燈就需要至少旋轉(zhuǎn)90 度，而安裝在競(jìng)技車側(cè)方一些，就可以減小滅燈所需的旋轉(zhuǎn)角度，較少滅燈所需時(shí)間。

圖7 擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

在擋板的外形設(shè)計(jì)上，本文中設(shè)計(jì)了幾款不同的能夠適應(yīng)水平旋轉(zhuǎn)的擋板形狀。分別是：圓形擋板、T形擋板和扇形擋板。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)圓形擋板最為合適，T 形擋板在信標(biāo)燈坐標(biāo)探測(cè)有所偏差，導(dǎo)致競(jìng)技車停在信標(biāo)燈側(cè)方時(shí)，會(huì)有無(wú)法擋住信標(biāo)燈的情況；而扇形擋板在其他競(jìng)技車中使用較多，所以最終選用圓形擋板，如圖8 所示。

圖8 擋板形狀設(shè)計(jì)圖

擋板驅(qū)動(dòng)舵機(jī)采用的是輝盛MG90 微伺服舵機(jī)（圖9）進(jìn)行控制。伺服舵機(jī)具有制動(dòng)迅速、旋轉(zhuǎn)慣量小、啟動(dòng)力矩大等特點(diǎn)，且可以使得擋板轉(zhuǎn)動(dòng)遮擋信標(biāo)燈角度更加精確、快速。因此在擋板舵機(jī)選擇上，采用了微伺服舵機(jī)。

圖9 Mg90s微伺服舵機(jī)

2 軟件設(shè)計(jì)

競(jìng)技車電路部分由競(jìng)技車舵機(jī)模塊、超聲波測(cè)距模塊、擋板舵機(jī)模塊這三部分組成。

通過(guò)上一章競(jìng)技車的選材，最終確定了由Arduino Teensy 3.2 單片機(jī)作為競(jìng)技車的主控，分別控制這三個(gè)模塊的運(yùn)行。Arduino Teensy 3.2 單片機(jī)通過(guò)PWM 控制競(jìng)技車舵機(jī)模塊的運(yùn)行；超聲波測(cè)距模塊與Arduino Teensy 3.2 單片機(jī)的SDA 和SCL 端口相連；擋板舵機(jī)模塊由Arduino Teensy 3.2 單片機(jī)的伺服電機(jī)控制端口控制。

根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則，小車采用采用Arduino 做驅(qū)動(dòng)，OpenMV 做圖像處理。OpenMV 找到裁判燈并把中心坐標(biāo)發(fā)給Arduino，Arduino 驅(qū)動(dòng)電機(jī)找到裁判燈并控制舵機(jī)進(jìn)行滅燈。Arduino 用了最新版本的Teensy 開發(fā)板，運(yùn)行速度快。車輪為麥克納姆輪，此輪的好處就是可以讓小車不僅前后運(yùn)行，還能左右平移，大大減少了小車在轉(zhuǎn)彎時(shí)的時(shí)間，如圖10 為小車尋的程序流程圖。

圖10 小車尋的程序流程圖

2.1 Arduino程序的設(shè)計(jì)

競(jìng)技車控制方面本文中設(shè)計(jì)如下方案：開始時(shí)，給競(jìng)技車通電，Arduino 單片機(jī)控制競(jìng)技車開始原地旋轉(zhuǎn)，直至Arduino 單片機(jī)接收到圖像處理系統(tǒng)傳輸方位信號(hào)后，并對(duì)方位信號(hào)進(jìn)行處理，在使競(jìng)技車在短時(shí)間內(nèi)加速到最大速，朝向解析出的坐標(biāo)方位行駛；超聲波探測(cè)器同時(shí)開始工作，在超聲波探測(cè)到距離信標(biāo)燈50厘米時(shí)，競(jìng)技車開始迅速減速到設(shè)定運(yùn)行速度，在超聲波探測(cè)到距離信標(biāo)燈10 厘米時(shí)，競(jìng)技車剎車，輪胎抱死，同時(shí)滅燈擋板復(fù)位，在競(jìng)技車停穩(wěn)后，滅燈擋板伸出滅燈，停留1 秒，滅燈擋板再收回，競(jìng)技車再次啟動(dòng)，向后退一小段距離（大約50 厘米，防止競(jìng)技車做后續(xù)動(dòng)作時(shí)碰撞信標(biāo)燈），競(jìng)技車再次原地旋轉(zhuǎn)，尋找下一個(gè)信標(biāo)燈，重復(fù)以上動(dòng)作，直到比賽結(jié)束。

2.2 OpenMV程序的設(shè)計(jì)

OpenMV 程序的設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面一個(gè)是色塊的尋找，一個(gè)是數(shù)據(jù)的發(fā)送。在色塊尋找方面，通過(guò)找到色塊中心位置來(lái)判斷裁判燈的位置。在競(jìng)賽場(chǎng)地，人眼看到裁判燈為紅色，但是OpenMV 看到的不是紅色，并且在場(chǎng)地也會(huì)有很多因素影響會(huì)影響色塊的尋找。在尋找裁判燈是可以采用閾值來(lái)尋找色塊再判斷出色塊中心位置x，y 的坐標(biāo)。在發(fā)送數(shù)據(jù)方面，OpenMV 有兩個(gè)串口通信接口，可以同時(shí)發(fā)送x，y 坐標(biāo)的值。如果采用一個(gè)串口發(fā)送坐標(biāo)的話，第一速度慢了，第二需要先將數(shù)據(jù)打包再發(fā)送，在Arduino 里也需要進(jìn)行解壓讀數(shù)據(jù)。在Arduino 里也有兩個(gè)串口，可以同時(shí)接收兩組數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)第六屆全國(guó)大學(xué)生光電設(shè)計(jì)競(jìng)賽，基于本設(shè)計(jì)的光電尋的小車在47 秒內(nèi)滅燈5 盞符合競(jìng)賽要求完成比賽獲得二等獎(jiǎng)。由于比賽時(shí)間緊任務(wù)重，小車還有用很多可以改進(jìn)的地方，例如圖像質(zhì)量，電機(jī)扭力，車身在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中顛簸導(dǎo)致圖像不清晰，色塊尋找算法本身存在的問(wèn)題等。

圖11 競(jìng)賽小車及硬件