基于EV3教育機(jī)器人的全地形車應(yīng)用與研究

摘? 要：EV3全地形車機(jī)器人融合了全地形車可以在任何地形上行駛的優(yōu)秀越野性能和機(jī)器人自動(dòng)執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的智能系統(tǒng)，使其功能多樣化和現(xiàn)代化。文章以EV3機(jī)器人的全地形車為研究方向，利用EV3套件搭建全地形車模型，在沙地、山地及林地模擬等模擬地形上進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)EV3全地形車機(jī)器人的通過能力，并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為EV3全地形車機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：EV3;全地形車;越障

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）16-0041-04

Application and Research of All-terrain Vehicle Based on EV3 Education Robot

ZHOU Yingyi

（Lingnan Normal University， Zhanjiang? 524048， China）

Abstract： EV3 all-terrain vehicle （ATV） robot combines the excellent off-road performance of ATV that can run on any terrain with the intelligent system that the robot can automatically perform scheduled tasks， so that it’s functions are diversified and modernized. This paper takes EV3 robot all-terrain vehicle as the research direction， using EV3 kit to build all-terrain vehicle model， test on sand， mountain and woodland and other simulated terrains，， test the passing ability of EV3 all-terrain vehicle robot， optimization and adjustment are carried out to provide reference for the design of EV3 all terrain vehicle robot.

Keywords： EV3; all-terrain vehicle; obstacle crossing

0? 引? 言

全地形車是指可以在所有地形上行駛的車種，適用于各種復(fù)雜的地形環(huán)境，可以方便地穿越溝壑、沼澤和山坡，具有越野性能好、成本低、對(duì)環(huán)境危害小等優(yōu)點(diǎn)。常用于森林防火、勘測(cè)、建筑工地等特殊領(lǐng)域，還可以按照預(yù)定程序來取代或協(xié)助人類危險(xiǎn)、復(fù)雜和重復(fù)性的工作優(yōu)點(diǎn)，具有十分樂觀的發(fā)展前景。

EV3是第三代MINDSTORMS機(jī)器人，該套件配有EV3智能主機(jī)、各類傳感器、電動(dòng)馬達(dá)、積木零件（齒輪、輪軸、橫梁、插銷）等，利用EV3設(shè)計(jì)全地形車，使用者可根據(jù)個(gè)人需求搭建不同的機(jī)器人，通過編寫程序使機(jī)器人按指令執(zhí)行任務(wù)。

1? EV3全地形車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

EV3全地形車應(yīng)具有穿越沙地、爬坡越壕、避開障礙物等功能。本課題研究選取具有代表性的沙地、山地和林地三種模擬地形進(jìn)行測(cè)試。如果EV3全地形車機(jī)器人能自主順利通過這三種模擬地形，則說明全地形車的越野性能強(qiáng)大，也能通過其他地形。

沙地的地形特點(diǎn)主要是沙地和沙丘。平整沙地沙量少會(huì)減少履帶的抓地力，導(dǎo)致打滑，而沙量多的地面更松軟，會(huì)使履帶打滑空轉(zhuǎn)或下陷;起伏的沙丘會(huì)導(dǎo)致車兩側(cè)的高度不同，使全地形車發(fā)生側(cè)滑或方向偏轉(zhuǎn)，影響全地形車前進(jìn)的方向。針對(duì)打滑下陷的問題，可以加長(zhǎng)全地形車的履帶，安裝防滑墊增加對(duì)地面的摩擦力。

山地的地形特點(diǎn)是坡度大和溝壑多。爬坡時(shí)電機(jī)馬力不足會(huì)使全地形車原地打滑空轉(zhuǎn)，采用雙電機(jī)設(shè)計(jì)可以解決這個(gè)問題。越長(zhǎng)的履帶能跨越越寬的溝壑，盡可能設(shè)計(jì)出長(zhǎng)度更長(zhǎng)的履帶。車身重量不均衡容易出現(xiàn)翻車的問題，在設(shè)計(jì)時(shí)要保證車頭與車尾重量均衡。利用觸碰傳感器觸發(fā)抬起裝置，使全地形車在遇到難以跨越的溝壑時(shí)進(jìn)行尾部抬升，使其順利通過。

林地地形的特點(diǎn)主要問題是高大樹木多，會(huì)擋住全地形車的前進(jìn)方向，利用超聲波傳感器發(fā)出超聲波識(shí)別障礙物并反射回接收器，判斷障礙物與全地形車的距離，使車輛繞過障礙物，繼續(xù)前行。

經(jīng)過上述不同地形的分析，將車身設(shè)計(jì)如表1所列。

1.1? 行走方式

全地形車的行車方式一般分為輪式、履帶式、氣墊式、多足行走式等類型。全地形車最常使用的行車方式是履帶式。它的優(yōu)點(diǎn)是可以爬陡坡、拓寬壕、涉深水、攻克豎墻、穿越沼澤和田地，不怕各種路況，能適應(yīng)大部分地形。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集和部分車身測(cè)試，全地形車采用履帶驅(qū)動(dòng)方式，履帶式行車方式行走可以增加對(duì)地面的摩擦，穩(wěn)定性和安全性更高。因?yàn)槁膸У慕拥孛娣e相對(duì)更大，可以很大程度地增加全地形車在松軟、泥濘路面上的通過能力，下陷量大大降低。履帶板上獨(dú)特的花紋和履帶板安裝的防滑墊，都可以增加對(duì)地面的附著力，不容易打滑。根據(jù)不同的履帶接地長(zhǎng)度，全地形車能輕易通過一定的溝壑寬度和克服一定高度的垂壁。

1.2? 底盤設(shè)計(jì)

全地形車的底盤高低直接影響到車輛的通過性。選用履帶式底盤是因?yàn)樵摰妆P結(jié)構(gòu)的牽引力大，抓地能力強(qiáng)，在爬坡越壕方面的能力更強(qiáng);機(jī)動(dòng)性能大，轉(zhuǎn)彎半徑小，更適于行走在沙地、泥濘沼澤和崎嶇山地上。

1.3? 懸架結(jié)構(gòu)

車輛懸架結(jié)構(gòu)可以起到緩沖震動(dòng)、傳遞扭矩并支撐車身的作用。懸掛結(jié)構(gòu)一般分為兩類：非獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu)和獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu)。獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu)的左右履帶通過彈性結(jié)構(gòu)分別懸掛在車架或車身上若全地形車行駛過程中一側(cè)履帶受到崎嶇路面的影響，其狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)不會(huì)影響到另一側(cè)履帶的情況。而非獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)的履帶由一根車橋連接在一起，兩側(cè)履帶狀態(tài)變化會(huì)互相影響。

1.4? 抬升裝置

抬升裝置是一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，利用了觸碰傳感器檢測(cè)傳感器紅色按鈕何時(shí)被按壓何時(shí)被松開，通過對(duì)觸碰傳感器進(jìn)行編程，使其對(duì)按壓、松開或碰撞作出反應(yīng)。把一個(gè)類似梯子的結(jié)構(gòu)與一個(gè)受觸碰傳感器控制的中型電機(jī)連接，當(dāng)車子爬升時(shí)觸發(fā)到觸碰傳感器，放下抬升裝置，把全地形車抬升到溝壑豎直面上，使全地形車順利翻越溝壑。

經(jīng)測(cè)試與優(yōu)化調(diào)整，本課題研究的EV3全地形車機(jī)器人的最終設(shè)計(jì)方案采用的行走方式為倒梯形履帶結(jié)構(gòu)，主要有主動(dòng)輪、誘導(dǎo)從動(dòng)輪、托帶輪、負(fù)重輪和履帶五個(gè)部分。車身的懸架結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)穩(wěn)定性和緩沖性，對(duì)全地形車在穿越各種特殊地形時(shí)能起到穩(wěn)固、防震的作用，減少車輛受損情況。雙電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪相互獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，方便小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向、拐彎等功能，同時(shí)為小車提供足夠動(dòng)力爬陡坡、越壕溝，更適合行駛在各種復(fù)雜地形。抬升裝置的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便有效，主機(jī)接收到觸碰傳感器被觸發(fā)的信號(hào)，啟動(dòng)連接抬升裝置的中型電機(jī)，放下裝置，將車身從地面抬升到臺(tái)階豎直面上，車子可輕松攀爬翻越上臺(tái)階。超聲波避障裝置展現(xiàn)實(shí)用性與設(shè)計(jì)感。整車布局合理美觀，傳感器使用恰當(dāng)，實(shí)用性強(qiáng)。

綜合以上分析及測(cè)試結(jié)果，最終將全地形車外觀設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。

2? EV3全地形車的程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用可編程主機(jī)EV3作為核心，為車輛的識(shí)別與驅(qū)動(dòng)提供控制。采用程序方塊化的方式進(jìn)行測(cè)試，利用不同的傳感器檢測(cè)各種數(shù)據(jù)，根據(jù)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)全地形車機(jī)器人的智能化識(shí)別，最終達(dá)到全地形車機(jī)器人在行駛過程中完全自動(dòng)通過各種地形。本課題研究設(shè)計(jì)的EV3全地形車機(jī)器人系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)分為控制、識(shí)別和執(zhí)行三個(gè)部分，如表2所列。

（1）控制系統(tǒng)。由EV3智能主機(jī)，內(nèi)置揚(yáng)聲器、USB接口、迷你SD卡讀卡器接口、四個(gè)輸入端口和四個(gè)輸出端口，可使用六節(jié)AA電池或原裝2050毫安時(shí)的鋰電池。使用EV3智能主機(jī)作為控制器，只需要在主機(jī)內(nèi)編程好程序或用電腦編程后導(dǎo)入，一旦啟動(dòng)便可使全地形車機(jī)器人按既定程序執(zhí)行任務(wù)，無須人為操控。

（2）識(shí)別系統(tǒng)。識(shí)別系統(tǒng)由陀螺儀傳感器、超聲波傳感器和觸碰傳感器進(jìn)行檢測(cè)、上傳數(shù)據(jù)。

陀螺儀傳感器主要作用是使全地形車在一個(gè)軸方向上行駛，當(dāng)傳感器檢測(cè)到全地形車前進(jìn)方向發(fā)生改變時(shí)，上傳數(shù)據(jù)到主機(jī)，控制系統(tǒng)根據(jù)程序下發(fā)指令糾正方向，使全地形車始終保持在一個(gè)方向上行駛。

超聲波傳感器通過向外發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物會(huì)被反射回來，當(dāng)發(fā)射的聲波被超聲波接收器接收到，停止計(jì)時(shí)，根據(jù)發(fā)射與接收的時(shí)間差與超聲波的傳播速度來計(jì)算全地形車離障礙物的距離，數(shù)據(jù)傳送至主機(jī)，由主機(jī)發(fā)送下一步指令。

觸碰傳感器主要在全地形車需要攀爬臺(tái)階的情況下被觸發(fā)，觸碰傳感器連接到全地形車尾部的抬升裝置，當(dāng)傳感器觸碰到臺(tái)階的垂直面時(shí)，傳感器控制裝置抬升，將車身從地面抬升到臺(tái)階豎直面上，全地形車能夠爬上臺(tái)階。

（3）執(zhí)行系統(tǒng)。執(zhí)行系統(tǒng)的直接執(zhí)行者是履帶輪和電機(jī)，該車采用履帶輪設(shè)計(jì)，主要分為主動(dòng)輪、導(dǎo)向從動(dòng)輪、皮帶支承輪、承重輪和履帶五部分。驅(qū)動(dòng)輪通過齒輪與軌道嚙合，將電機(jī)的動(dòng)力傳遞給軌道，使全地形車輛運(yùn)動(dòng);導(dǎo)向從動(dòng)輪起導(dǎo)向和支撐作用，具有調(diào)整履帶松緊的功能;托帶輪用于托舉履帶。左右驅(qū)動(dòng)輪相互獨(dú)立，由主機(jī)EV3發(fā)送指令使電機(jī)實(shí)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)履帶輪，實(shí)現(xiàn)行走功能，兩輪的速度差則實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。

2.1? 利用陀螺儀傳感器使車子保持方向

陀螺儀傳感器利用“當(dāng)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸不受外力影響時(shí)，方向不變”的原理來保持方向，調(diào)試時(shí)可以知道陀螺儀傳感器向左偏時(shí)是負(fù)值，向右偏時(shí)是正值;而電機(jī)的移動(dòng)轉(zhuǎn)向模塊偏轉(zhuǎn)數(shù)值為負(fù)時(shí)，方向向左，數(shù)值為正時(shí)，方向向右。在這部分的程序中使用了數(shù)學(xué)模塊中的乘法，如圖3所示。

2.2? 利用超聲波傳感器避障

超聲波傳感器的發(fā)射器向外發(fā)射超聲波，遇到障礙物時(shí)被反射。根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)差和超聲波的傳播速度，計(jì)算出全地形車輛與障礙物之間的距離。

小車?yán)贸暡▊鞲衅鞅苷蠒r(shí)，需要考慮的是避開障礙物后如何回到原來的行走方向上。通過制定程序，當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到50厘米內(nèi)有高大障礙物，電機(jī)往右45度前進(jìn)，繞開障礙物后電機(jī)向左45度，回到原來的行走方向上。

全地形車在直行過程中，利用超聲波傳感器等待模塊，若檢測(cè)到前方50厘米處有高大障礙物，移動(dòng)模塊開啟指定度數(shù)使全地形車往右轉(zhuǎn)向45度，再把移動(dòng)模塊的指定度數(shù)調(diào)為-45度，使全地形車向左轉(zhuǎn)，回到原來的行走方向上（如圖4所示）。

2.3? 利用觸碰傳感器放下抬升裝置

觸碰傳感器是一種模擬傳感器，利用了觸碰傳感器來檢測(cè)傳感器的紅色按鈕何時(shí)被按下和釋放，通過對(duì)觸碰傳感器進(jìn)行編程，它可以對(duì)不同的狀態(tài)作出反應(yīng)。

在車輛尾部安裝觸碰傳感器，當(dāng)車子爬升時(shí)觸發(fā)到觸碰傳感器，放下抬升裝置，車子可以順利爬升。程序需要用到等待模塊，當(dāng)觸碰傳感器被按壓—松開后，中型電機(jī)啟動(dòng)，放下抬升裝置，等待3秒讓全地形車順利爬升或跨越溝壑，中型電機(jī)再反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，把抬升裝置收起。最后添加循環(huán)模塊便可。此過程需要注意收放抬升裝置和車子爬升或跨越溝壑的時(shí)間。程序設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.4? EV3全地形車機(jī)器人總程序設(shè)計(jì)

總程序把各個(gè)部分的傳感器的程序組合起來，需要用到切換模塊的數(shù)字模塊。全地形車一般狀態(tài)下為直行，觸發(fā)了不同的傳感器便執(zhí)行對(duì)應(yīng)的程序，如圖6所示。

3? 結(jié)? 論

本文通過對(duì)全地形車的性能結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，設(shè)計(jì)一款適于行駛在沙地、沙地和林地的EV3全地形車機(jī)器人，通過多次測(cè)試與優(yōu)化完成了EV3全地形車機(jī)器人的搭建與程序編寫，實(shí)現(xiàn)了EV3全地形車機(jī)器人在多種地形上完全自主地順利通過沙地、山地和林地三種地形的目標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)EV3全地形車機(jī)器人電機(jī)的功率、傳感器的靈敏度、外觀設(shè)備等進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)不同場(chǎng)合的需求。

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作者簡(jiǎn)介：周穎怡（1992—），女，漢族，廣東廣州人，助教，碩士研究生，主要研究方向：科學(xué)教育、創(chuàng)客教育。