基于A(yíng)rduino智能移動(dòng)機(jī)器人制作

摘 要：為響應(yīng)“新工科”的號(hào)召，促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng)，文章結(jié)合2023年四川省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽山地協(xié)同物流接力賽道，賽教合一，校企協(xié)同育人。對(duì)一種基于A(yíng)rduino平臺(tái)的智能移動(dòng)全地形移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行研究。對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件模塊和軟件模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，使自主設(shè)計(jì)制作的全地形移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主循跡、窄橋爬坡、上樓梯、通過(guò)管道、信息交互扎破對(duì)應(yīng)顏色氣球的功能。通過(guò)該項(xiàng)目的訓(xùn)練，培養(yǎng)了大學(xué)生的工程創(chuàng)新意識(shí)，提升工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：全地形移動(dòng)機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；Arduino

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）17-0165-04

0 引 言

“新工科”強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才[1-2]。智能制造機(jī)械與電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)向電機(jī)一體化融合[3]。為了培養(yǎng)大學(xué)生工程創(chuàng)新意識(shí)，提升工程實(shí)踐能力，促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)。各創(chuàng)新比賽設(shè)置有智能越障小車(chē)、排爆機(jī)器人等賽道，賽教合一，把課堂內(nèi)容換成比賽方式，以實(shí)戰(zhàn)的形式，來(lái)鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。本文結(jié)合四川省大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽2023年山地協(xié)同物流接力賽道，通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)與電子信息結(jié)合，進(jìn)行編程設(shè)定環(huán)境，使其成為一種具有在不規(guī)則路面行走、攀越滑坡和階梯能力的智能移動(dòng)機(jī)器人。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

該智能移動(dòng)機(jī)器人模仿四驅(qū)車(chē)形狀設(shè)計(jì)，是一種小型化且便于拆裝的四輪二段式結(jié)構(gòu)。包括電動(dòng)機(jī)安放的位置、輪子的選用、導(dǎo)向輪的設(shè)計(jì)，使其能夠完美的通過(guò)障礙物以及扎破對(duì)應(yīng)顏色氣球等任務(wù)。障礙物分別為模擬工業(yè)用柵格地毯、樓梯、管道、窄橋。最終設(shè)計(jì)出一臺(tái)擁有驅(qū)動(dòng)電子能夠自行行走、特殊輪子以及識(shí)別顏色并扎破氣球的智能移動(dòng)機(jī)器人。

1.2 設(shè)計(jì)方案及調(diào)試

1.2.1 機(jī)器人前進(jìn)和越障設(shè)計(jì)

機(jī)器人要適應(yīng)多種地形且能輕松越過(guò)障礙，采用三種輪子方案：1）輪子由鋁輪片和塑料履帶組成；2）雙履帶輪結(jié)構(gòu)由鋁輪片和塑料履帶構(gòu)成[4]；3）模型輪胎+海綿外層。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1）、3）結(jié)合能夠得到較好的速度、轉(zhuǎn)向性和穩(wěn)定性。為了通過(guò)樓梯和管道障礙物，設(shè)計(jì)前輪為大輪，輪子中心高于樓梯高度。前輪設(shè)計(jì)為大輪，小車(chē)在隧道入口處碰到邊緣時(shí)能夠順利進(jìn)入，后小輪在轉(zhuǎn)向時(shí)不會(huì)碰到管道內(nèi)壁，提高了轉(zhuǎn)向性能，小車(chē)能夠精準(zhǔn)的在隧道內(nèi)拐彎行走[5]。為了解決通過(guò)窄橋輪子摩擦力較小，輪子原地打轉(zhuǎn)的問(wèn)題。設(shè)計(jì)將后輪粘上厚膠布，膠布具有較好的韌性，當(dāng)小車(chē)有沖擊力時(shí)，膠布被階梯壓縮增大了與階梯表面的接觸面積，摩擦力增加，解決了不能上階梯的問(wèn)題。

1.2.2 扎氣球裝置

用膠布將回形針固定在舵機(jī)的連接桿件上，在顏色識(shí)別傳感器識(shí)別到氣球顏色與需扎破氣球的顏色返回值一致時(shí)，機(jī)器人停止，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)180°帶動(dòng)回形針扎破氣球。該裝置整體輕盈，能最大限度的降低小車(chē)質(zhì)量，提升速度和穩(wěn)定性。

1.2.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人選用簡(jiǎn)潔的四輪驅(qū)動(dòng)方式以達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊和減輕車(chē)體重量的目的?？紤]到樓梯障礙，機(jī)器人使用大輪徑前輪和小輪徑后輪制造高度差以提高越障的性能?？紤]到車(chē)體結(jié)構(gòu)縱傾中心靠后，為防止移動(dòng)機(jī)器人上坡仰翻，將控制主板和電池安裝在車(chē)體中心靠前端，同時(shí)將舵機(jī)放在左側(cè)和后側(cè)。小車(chē)裝配如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人選用控制器為Arduino UNO（主控板Barsa和擴(kuò)展板BigFish）[6-9]。擴(kuò)展板與主控板連接，擴(kuò)展板D5腳、D6腳接控制左輪的直流電機(jī)；D9腳、D10腳接控制右輪的直流電機(jī)。A2、A3口連接2個(gè)灰度傳感器，A4、A5口接顏色傳感器；D8、D7接兩個(gè)舵機(jī)[10]。電路示意圖如圖3所示。

2.1 灰度控制器

灰度控制器能夠利用不同顏色的檢測(cè)面對(duì)光反應(yīng)不同其阻值也不同的原理來(lái)進(jìn)行顏色深淺檢測(cè)，外觀(guān)如圖4所示。

循跡部分：使用兩個(gè)灰度傳感器進(jìn)行循跡。根據(jù)實(shí)際測(cè)量得到灰度傳感器返回的2個(gè)特征值，將這兩個(gè)值與設(shè)定閾值數(shù)組medium[2]比較。兩個(gè)灰度傳感器獲取的值是小于medium[0]，medium[1]的時(shí)候，可以由此判斷左右兩邊都檢測(cè)到黑線(xiàn)，由此直行；兩個(gè)返回值中左邊灰度返回值大于medium[0]，右邊小于medium[1]則實(shí)行向右轉(zhuǎn)的方案；兩個(gè)返回值中左邊灰度返回值小于medium[0]，右邊大于medium[1]則實(shí)行向左轉(zhuǎn)的方案。如果都沒(méi)檢測(cè)到就直行。循跡邏輯圖如表1所示。經(jīng)過(guò)不斷地測(cè)試，兩個(gè)灰度傳感器配合電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)小車(chē)不論在隧道內(nèi)外都能靈活的完成轉(zhuǎn)彎和直走功能，實(shí)現(xiàn)循跡。

2.2 顏色識(shí)別

采用了TCS34725顏色傳感器，外觀(guān)如圖5所示。引入了Adafruit_TCS34725.h庫(kù)，其中Adafruit_TCS34725tcs=Adafruit_TCS34725（TCS34725_INTEGRATIONTIME_120MS，TCS34725_GAIN_1X）；此函數(shù)表示傳感器積分時(shí)間，即傳感器用來(lái)測(cè)量顏色的時(shí)間間隔。積分時(shí)間設(shè)置為120 ms，即傳感器會(huì)在每次測(cè)量中花費(fèi)120 ms收集數(shù)據(jù)。GAIN參數(shù)表傳感器的增益，即傳感器放大顏色信號(hào)程度。增益被設(shè)置為1倍，表示信號(hào)不會(huì)被額外放大。不同的增益級(jí)別適應(yīng)不同的照明條件和應(yīng)用場(chǎng)景。uint16_tr，g，b，c；首先聲明了一些變量，用于存儲(chǔ)傳感器讀取的數(shù)據(jù)，包括紅色（r）、綠色（g）、藍(lán)色（b）分量，總顏色強(qiáng)度（c），然后運(yùn)用TCS34725庫(kù)中的方法，賦值函數(shù)處理得到比例數(shù)。設(shè)定數(shù)組變量min_yanse_value1[3]和min_yanse_value2[3]，把三個(gè)顏色臨界點(diǎn)的值得出存在數(shù)組面，此時(shí)可以用臨界點(diǎn)值與顏色傳感器得出的值來(lái)判斷顏色，并使用兩個(gè)變量賦值以此存取檢測(cè)到的顏色。使用定時(shí)器來(lái)控制兩次顏色識(shí)別順序，如果第一次識(shí)別到的信號(hào)燈顏色與氣球顏色一樣，實(shí)行扎氣球行為。扎破氣球后至標(biāo)志位，然后計(jì)時(shí)在終點(diǎn)范圍內(nèi)停止。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 顏色識(shí)別代碼

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理領(lǐng)域，顏色識(shí)別是一項(xiàng)重要的任務(wù)。它涉及從圖像或視頻中提取、分類(lèi)和識(shí)別顏色信息。通過(guò)顏色識(shí)別，可以對(duì)圖像進(jìn)行分析、理解和解釋?zhuān)韵率切≤?chē)顏色識(shí)別代碼：

void yanse_shibie（int*value1，int*value2，int*frequency，int min_value1[3]，int min_value2[3]）//總顏色識(shí)別

{

tcs.getRawData（&r， &g， &b， &c）;

r_1=r;b_1=b;g_1=g;

r_1 /= c;g_1 /= c;b_1 /= c;

r_1*= 256; g_1 *= 256; b_1 *= 256;

//以上部分是讀取各個(gè)顏色的值并處理后賦給r_1，b_1，g_1

//這一部分是將讀取的值拿來(lái)判斷得到顏色

if（*frequency<16）//計(jì)次如果進(jìn)入定時(shí)器小于16次進(jìn)行第一次顏色識(shí)別

{

if（min_value1[0]<r_1）//如果r_1大于閾值min_value1[0]則是紅色以此類(lèi)推

{

*value1=1;//賦值判斷顏色，1代表紅色

}

else if（min_value1[1]<g_1）

{

*value1=2;//綠色

}

else if（min_value1[2]<b_1）

{

*value1=3;//藍(lán)色

}

}

else//如果計(jì)次大于16次進(jìn)行第二次顏色識(shí)別

{

if（min_value2[0]<r_1）

{

*value2=-1;

//Serial.print（"紅 "）;

}

else if（min_value2[1]<g_1）

{

*value2=-2;

//Serial.print（"綠 "）;

}

else if（min_value2[2]<b_1）

{

*value2=-3;

//Serial.print（"藍(lán) "）

}

}

}

3.2 扎氣球代碼

通過(guò)小車(chē)在舵機(jī)上的連接桿，使用顏色傳感器進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，舵機(jī)帶動(dòng)連接桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和刺破氣球的操作，實(shí)現(xiàn)了全地形小車(chē)在不同環(huán)境下的氣球刺破功能，以下是小車(chē)扎氣球代碼：

void task1（）

{

if（（yanse_value1==1||yanse_value1==2||yanse_value1==3）&&yanse_value2==0）//第一次顏色識(shí)別到后會(huì)將給yanse_value1賦值根據(jù)賦值判斷顏色

{

xunji（）;

if（time>50&&zx1==0）

{

servo（servo_yanchuan，second_color_jiaodu）;//顏傳電機(jī)初始角度，識(shí)別到顏色后會(huì)將顏色傳感器電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)

zx1=1;

}

jici++;//計(jì)次等到一定次數(shù)時(shí)才進(jìn)行第二次識(shí)別

}

if（yanse_value2！=0&&zhongzhi==0）

{

all_value=yanse_value1+yanse_value2;//將兩次識(shí)別到的顏色標(biāo)志位相加得到0說(shuō)明識(shí)別到一樣的顏色

if（all_value==0）

{

stop（）;//停止

servo（servo_zhaqiu，zhaqiu_jiaodu）;//舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)扎球

zhongzhi=1;

delay（80000）;

servo（servo_zhaqiu，yuanshi_jiaodu）;//舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)回原位

}

}

}

3.3 總流程設(shè)計(jì)

灰度傳感器等模塊開(kāi)始工作，顏色傳感器第一次識(shí)別信號(hào)燈的顏色，并使用一個(gè)變量存取值來(lái)判斷顏色。然后執(zhí)行尋跡方案。在循跡過(guò)程中，使用tim變量記錄次數(shù)，判斷次數(shù)到20時(shí)重啟顏色識(shí)別，進(jìn)行第二次顏色識(shí)別，如果相同便停止循跡，使用扎破氣球裝置將氣球扎破，之后接著循跡，到合適時(shí)間停止循跡結(jié)束整個(gè)流程，如圖6所示。

4 結(jié) 論

測(cè)試、調(diào)試完成智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，制造出一臺(tái)智能移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人能夠自主循跡、窄橋爬坡、上樓梯、通過(guò)管道、信息交互扎破對(duì)應(yīng)顏色氣球。本次制作的智能移動(dòng)機(jī)器人，有著獨(dú)特的輪子結(jié)構(gòu)，速度較快結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有著強(qiáng)大的行動(dòng)力能夠應(yīng)付階梯等復(fù)雜地形。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孟宏君.新工科背景下高校機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)路徑探析 [J].教育理論與實(shí)踐，2023，43（12）：17-19.

[2] 王偉柯，陳帥興，鐘協(xié)城，等.基于樹(shù)莓派控制的全地形小車(chē)研制 [J].機(jī)械，2023，50（8）：63-68+74.

[3] 吳利剛，雷偉強(qiáng)，周倩，等.多方協(xié)同開(kāi)展應(yīng)用型本科院校智能制造新工科人才培養(yǎng)體系探究 [J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2021（9）78-80.

[4] 鄭靈潔，胡曉軍，陳靜儀，等.基于探索者平臺(tái)的全地形機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].湖州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2021，43（2）：70-73.

[5] 牟文昌加，陳建宏.基于A(yíng)TMEGA328控制器的全地形小車(chē)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2020，39（10）：14-18.

[6] 任玲玲，李浪，閆庚龍，等.基于A(yíng)rduino的藍(lán)牙智能避障小車(chē)設(shè)計(jì) [J].電子制作，2022，30（19）：27-30+97.

[7] 鄭才國(guó)，肖梁.全地形小車(chē)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].現(xiàn)代機(jī)械，2019（3）：44-47.

[8] 李志強(qiáng)，康欽清，肖玉亮，等.基于A(yíng)rduino的智能小車(chē)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技，2022，19（16）：43-46.

[9] 劉孝賢，余江，鄭徐凱，等.基于STM32的全地形越障排爆機(jī)器人設(shè)計(jì) [J].機(jī)械，2022，49（9）：76-80.

[10] 蘇春錦.基于A(yíng)rduino智能小車(chē)避障系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].福建農(nóng)機(jī)，2023（1）：33-36.

作者簡(jiǎn)介：邢朝?。?003—），男，漢族，河南上蔡人，本科在讀，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)；通信作者：冉龍姣（1987—），女，漢族，四川達(dá)州人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.17.032

收稿日期：2024-01-02

基金項(xiàng)目：2023年四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202311079050）

Production of Intelligent Mobile Robot Based on Arduino

XING Chaojun， RAN Longjiao， ZHONG Bin， LONG Qiujie， HUANG Anjie

（School of Mechanical Engineering， Chengdu University， Chengdu 610106， China）

Abstract： In response to the call for “Emerging Engineering Education” and in order to promote the cultivation of innovative and entrepreneurial talents， this paper combines with the Mountain Collaborative Logistics Relay Track of 2023 Sichuan University Students Engineering Training Comprehensive Ability Competition， which integrates competition and education， and realizes collaborative education between schools and enterprises. It studies an intelligent mobile all-terrain mobile robot based on Arduino platform. The mechanical structure， hardware module， and software module are designed， so that the independently designed and produced all-terrain mobile robot can realize the functions of autonomous tracking， narrow bridge climbing， climbing stairs， passing through pipes， and information interaction to pierce the corresponding color balloons. Through the training of this project， the engineering innovation consciousness of university students is cultivated and the engineering practice ability is improved.

Keywords： all-terrain mobile robot; structural design; Arduino