全地形履帶式越野尋跡六輪智能小車設(shè)計

施敏虎， 莊曙東， 黃金海

（河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州213000）

0 引 言

履帶式六輪智能小車（輪式機(jī)器人）是一個涉及到多學(xué)科的綜合系統(tǒng)，包括傳感器、電子技術(shù)、人工智能、機(jī)械工程、計算機(jī)科學(xué)等[1]，目前正朝著高級智能的機(jī)器人方向進(jìn)展。本設(shè)計采用基于AVR的智能小車來實現(xiàn)對比賽設(shè)定的11種障礙環(huán)境（柵格地形、小型階梯、大型階梯、防滑帶、凹形隧道、U形隧道、窄橋、柔軟草地、石塊地形、減速帶、高臺）進(jìn)行設(shè)計制作。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

智能小車采用懸掛式結(jié)構(gòu)，6個驅(qū)動力以適應(yīng)特殊障礙環(huán)境下的行走需求。采用鉚釘履帶輪來增強(qiáng)小車的抓地能力，能在上坡或者比較濕滑的路面上正常行走。小車前置折疊輪可以由主控板控制、上下運(yùn)動。當(dāng)小車輪子陷入復(fù)雜環(huán)境卡死時，能夠及時幫助小車脫離險境。采用對稱布置，懸掛機(jī)構(gòu)，重心在中線偏后的位置，使得小車在復(fù)雜斜坡上前進(jìn)時不易失穩(wěn)翻車。底盤經(jīng)過加高處理，使得小車在崎嶇道路上也能平穩(wěn)行駛。小車在多種賽道中，雖然偶爾會出現(xiàn)進(jìn)入死角的現(xiàn)象，但是通常都能平穩(wěn)通過，表明設(shè)計方案具有一定的實際應(yīng)用價值。車體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 場地解析

小車自主順利通過各種模擬障礙賽道，小車在發(fā)車后無需人為遙控或者輔助，通過自身傳感器采集信號，燒錄的程序做出相應(yīng)的處理，控制相應(yīng)的舵機(jī)或電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而安全地通過各種障礙賽道。場地圖如圖2所示（圖中柵格地形易卡輪；大、小階梯、窄橋表面為砂面黑色防滑層，在上樓梯時小車的結(jié)構(gòu)及重量易干涉小車運(yùn)動；凹型隧道、U形隧道入口難，死角多，必須保證小車靈活轉(zhuǎn)向；柔軟草地易卡履帶；石塊地形、減速帶與尋跡線同為黑色，易擾亂尋跡路線；高臺離地面21 cm高，必須借助其他障礙物登上去）。

圖2 場地解析圖

1.U形隧道 2.窄橋 3.柵格 4.防滑帶5.高臺 6.減速帶 7.小型階梯 8.柔軟草地 9.石塊地形 10.大型階梯 11.凹型隧道

圖1 屢?guī)搅喼悄苄≤嚱Y(jié)構(gòu)圖

2.2 創(chuàng)新點與設(shè)計概述

1）設(shè)計一個六輪驅(qū)動的折疊車，主體部分采用四輪車，前輪需良好的攀爬能力——鉚釘履帶輪，履帶外表加裝螺釘，前輪增加墊片，擴(kuò)大輪子直徑，增強(qiáng)爬坡能力的同時提高了移動速度。

2）主體后輪需要在平直賽道部分得到足夠的驅(qū)動力，來保證小車的速度，同時在管道行駛過程中，由于壁面非常光滑，鉚釘履帶輪反而防滑能力極弱，不適合用來實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，將履帶纏繞棉花，增大地面摩擦，小車在管道中能靈活控制方向，行駛更平穩(wěn)。

3）懸掛式結(jié)構(gòu)，折疊車前部采用兩個較大獨立的履帶輪，利用兩標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)與小車主體相連，在通過階梯時有效避免振動及卡頓。

4）小車前輪從動，后輪驅(qū)動，但小車在上坡時，動力不足，在柵格板行駛時出現(xiàn)卡死現(xiàn)象?；谶@些實驗現(xiàn)象，將小車主體驅(qū)動的模式改為四驅(qū)，增強(qiáng)驅(qū)動力，在一個輪子出現(xiàn)卡頓時，其他3個輪子仍在運(yùn)轉(zhuǎn)，有效緩解小車卡死現(xiàn)象。在小車前部折疊輪的選擇上，為減輕整體重量，第一代小車采用單個從動輪形式，但在實際運(yùn)行中，前置折疊輪帶來的阻力過大，使得小車行駛緩慢，使用單個主動輪會使小車重心偏移，易發(fā)生側(cè)翻，實驗后，采用6個圓周舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，重心更加平穩(wěn)，動力大，速度快。車體前后用黑膠布鉸接，增強(qiáng)車體靈活轉(zhuǎn)動

5）采用三黑標(biāo)多線路的方法，避免使用顏色傳感器簡化了程序。黑標(biāo)位置位于車中心靠前端的位置，有效避免了由于車身過長而引發(fā)的環(huán)境死角。安裝一個LED照明燈，根據(jù)亮度不同，來作為控制三套程序的指示燈。

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計如表1所示。

表1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 軟件設(shè)計

障礙根據(jù)程序流程劃分為三大類：1）循跡類（柵格、減速帶、石塊地形、U形隧道、凹形隧道、窄橋、柔軟草地），在翻越此類障礙時，所采用的算法是在到達(dá)障礙前調(diào)整車身姿態(tài)，使其側(cè)邊行平行于黑色線，以便能夠垂直進(jìn)入障礙區(qū)域；而在U形、凹形隧道內(nèi)主要采用循跡思想順利通過隧道。2）抬升類（大、小型階梯、防滑帶），基于第一類障礙通過算法思想，利用標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，使小車前輪抬起，從而使小車順利攀上障礙。3）高臺類（高臺），利用單獨一套程序?qū)崿F(xiàn)，小車依次通過柵格，到達(dá)窄橋處開始延遲，達(dá)到窄橋頂部，機(jī)器人右轉(zhuǎn)90°抬升前輪，改變車體結(jié)構(gòu)，提升車體整體高度，使其能夠順利爬上高臺。

越障機(jī)器人主要功能包括循跡、越障及完成指令操作。循跡部分包括巡線，在黑線的十字路口、丁字路口、斜線、直角等復(fù)雜路線下控制前進(jìn)方向。利用3個黑標(biāo)8種組合方式，通過采集、傳送、分析，完成巡線功能。越障是本次研究的機(jī)器人的特點，在結(jié)構(gòu)上具有獨特的創(chuàng)新性、先進(jìn)性。越障機(jī)器人沒有人類的獨立思考能力，完全依賴單片機(jī)的控制，而單片機(jī)則是依賴程序、算法來完成從信息的采集、信息的分析到命令的發(fā)送的一個過程。單片機(jī)性能雖好卻比不上CPU，所以，精簡、高效的算法是保證單片機(jī)執(zhí)行指令的一個強(qiáng)有力的關(guān)鍵因素。

流程圖如圖3所示。

圖3 流程圖

4 系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試

利用3個黑標(biāo)，傳回3個1信號，將觸發(fā)越障機(jī)器人的后退程序，將在系統(tǒng)運(yùn)行的前13 s內(nèi)，3個黑標(biāo)傳回1值時，執(zhí)行直行程序，不僅可以順利走出出發(fā)區(qū)，還能越過黃色減速帶，13 s后，再遇到三黑標(biāo)傳回1值情況，將執(zhí)行后退指令，退回線內(nèi)，繼續(xù)循跡。

越障機(jī)器人循跡依靠左右輪相對反轉(zhuǎn)，加延時命令，使其能夠原地調(diào)整車體方向，而不改變車體三黑標(biāo)中間黑標(biāo)位置進(jìn)行高效轉(zhuǎn)彎。在循跡過程中車體重心直接決定機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎中心，若不在黑線上，將直接導(dǎo)致車體調(diào)整中，3個黑標(biāo)移位，觸發(fā)其他指令。解決方案為：1）在安裝過程中，使車體左右兩側(cè)對稱，方便確定車體的重心所在，減輕工作量；2）在車身上不同區(qū)添加配重，改變車體重心。在轉(zhuǎn)彎過程中，可以通過調(diào)節(jié)左右輪速度，改變黑標(biāo)位移量。改變延遲命令的大小也是提高轉(zhuǎn)彎效率的一個重要方法，延遲過小，車體無法及時調(diào)整，延遲過大，車體將偏向另一側(cè)，只有合適的延遲量，才能提升車體轉(zhuǎn)彎效率。

在攀爬階梯的過程中易出現(xiàn)無法攀爬、車體歪斜等問題。無法攀爬直接決定無法翻越障礙，車體歪斜易導(dǎo)致機(jī)器人從障礙側(cè)身通過，也易導(dǎo)致通過障礙后傳感器不在黑線上，即循線丟失。無法攀爬、車體歪斜的原因：1）左右速度不一致；2）重心不在車體軸線上，在車體抬起瞬間就產(chǎn)生偏斜。通過調(diào)節(jié)左右輪速率及改變車體重心能夠有效改善此種情況。

在通過防滑帶及柵格的過程中，三黑標(biāo)的狀態(tài)易受凹槽、空格的影響，產(chǎn)生信號紊亂，觸發(fā)程序的左右轉(zhuǎn)指令，除此之外，車體依然易斜，致使車體通過障礙后循線丟失。解決方案為：在車體前安裝觸須，在接近防滑帶時，觸須傳回信號，此時越障機(jī)器人發(fā)送抬起前輪并執(zhí)行直行程序，并添加適量的延遲，屏蔽三黑標(biāo)的信號紊亂。

對于石塊地形，車體底盤較低，石塊間距離落差較大，黃、黑色石塊交叉構(gòu)成，易影響黑標(biāo)，觸發(fā)不必要的指令。須屏蔽三個黑標(biāo)的信號輸入，選擇執(zhí)行直行指令，通過石塊地形。

對于高臺，直接攀上，車體結(jié)構(gòu)必然復(fù)雜、龐大，難以控制，且不易通過隧道這類障礙。如選擇在窄橋或大型階梯的基礎(chǔ)上跨過高臺與此之間的空隙，可行性較高，但須路過石塊，難度又增加，故放棄大型階梯，故通過窄橋而攀上高臺。在此路過柵格，到達(dá)窄橋頂部，右轉(zhuǎn)90°，直行通過高臺。疑難問題：1）如何通過丁字路口；2）如何保證車體能夠垂直通過窄橋；3）如何判斷越障機(jī)器人已到達(dá)窄橋頂部；4）如何順利通過15 cm的間隙，攀上依然有4.5 cm高度的高臺。多次模擬試驗后：1）在出發(fā)時給越障機(jī)器人一定時間的直行程序，使其直接忽略丁字路口、進(jìn)入循跡階段；2）采用最優(yōu)化的轉(zhuǎn)彎算法、在最短的時間內(nèi)調(diào)整好車體姿態(tài)、垂直進(jìn)入窄橋；3）采取超聲波這類傳感器、監(jiān)測車體到地面的距離，達(dá)到窄橋頂部時，超聲波傳感器傳回一個固定的距離值與窄橋高度進(jìn)行比較，或當(dāng)越障機(jī)器人到達(dá)窄橋底部時，觸發(fā)相關(guān)傳感器，此時開始計時，一定時間后，越障機(jī)器人到達(dá)窄橋頂部，右轉(zhuǎn)90°，此種方法簡單可行，如遇上坡打滑等易發(fā)生意外；4）抬升前輪，攀上高臺，車體的重心也尤為重要，否則翻下窄橋與高臺的間隙之間。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計一款智能小車采用懸掛式結(jié)構(gòu)，六驅(qū)動力以適應(yīng)特殊障礙環(huán)境下的行走需求,3個黑標(biāo)實現(xiàn)尋跡，一個觸碰實現(xiàn)程序切換，在實際使用中得到了驗證，在大賽中也取得了好成績，此設(shè)計保證了全地形機(jī)器人的越野性能，同時又保證了小車的靈活尋跡功能。