智能避障無碳小車

劉軒　張喜存　趙萌　舒生

摘 要 根據工程中培養大學生綜合能力培養的要求，一種自行小車用Arduino控制功能的重力勢能驅動的開發。該小車可以實現自動行走并避過場地上的障礙物，還能通過改變程序中參數達到應對不同間距障礙物的簡單調節效果，適應障礙物的變化。通過對小車的結構設計優化，通過賽道模型建立，規劃路線，通過使用編碼器確定小車行走的路程，使用算法實現避障的功能。對此類比賽具有一定的參考價值。

關鍵詞 無碳小車 重力勢能驅動 規劃路線 編碼器 避障

中圖分類號：R235.3 文獻標識碼：A

0引言

“第五屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽”的主題為“無碳小車障礙賽跑”，需要設計一種汽車，驅動行走及轉向的能量是根據能量轉換原理，由重力勢能轉換而得到。該重力勢能有大賽給定的質量為 1kg 的標準砝碼（ 50€？5mm，碳鋼制作）來獲得，要求砝碼課下降高度為（400€？mm）。小車應具有跟蹤障礙物識別、軌跡判斷和自動轉向功能，具有制動功能，避免履帶上的障礙物。

越障的難點在于障礙物檢測的傳感器選擇以及避障方式的實現，并要保障其避障的穩定性，以避過更多的障礙物。將設計任務分為機械部分設計和電控部分設計，其中電控部分設計為主要的設計任務。

1賽道

軌道寬度為1.2米，形成約15.4米寬的圓形軌道約為2.4米，其中直線的長度為13米，兩端半徑的曲率半徑約為1.2米，總長約為中心線的長度，見圖1。

軌道的邊緣設有高度限制板80mm，追蹤間隔交錯的多重障礙，障礙墻高度約80mm，相鄰的墻之間的最小距離是1米，每個障礙物從賽道一側邊緣延伸至超過中線100-150mm。

在直賽道設置有1段坡道，坡道由上坡道、坡頂和下坡道組成，上坡道的坡度為3€皜？€埃縷碌賴鈉露任？.5€皜？.5€埃黃露ジ叨？0€？mm，坡頂長度為250€？mm，坡道位置事先公布。

2機械部分設計方案

無碳小車主要分為車架、原動機構、傳動機構、轉向機構、驅動機構的五個模塊分別設計了各模塊，并利用SolidWorks對三維建模進行干涉分析，并優化工藝流程，優化成本方案。

2.1原動機構

設計滑輪，通過棉線一端連接重錘，另一端固定在小車大齒輪軸的繞線軸上，對小車后輪產生驅動力矩。

2.2傳動機構

無碳小車要求運動穩定，于是選擇圓柱形直齒輪作為傳動元件。賽題要求出發一段距離后，要求上一段斜坡，所以小車需要足夠的速度以沖上斜坡，這就意味著需要更大驅動力矩來獲取較大的加速度。于是設計了一種繞線軸以增大驅動力矩。如圖2所示。

2.3轉向機構

無碳小車轉向需配合單片機控制，于是采用控制舵機轉向來控制小車前輪轉向，設計了一種以緊定螺釘為固定方式的前輪支架，采用3D打印技術制作，便于加工，節約成本，結構如圖3所示。

2.4驅動機構

為了方便轉彎，后輪需要使用兩輪差動傳動。在設計中，差動功能由單向軸承實現。其原理是，當車輪轉速較大時，從動輪被驅動為驅動輪。

3電控部分設計方案

無碳小車為實現賽題設定要求，電控部分共分為單片機控制模塊、舵機模塊、電源模塊、路程測量模塊和微調控制模塊5個模塊。

3.1單片機控制模塊

主控芯片采用Arduino單片機，其主要是處理編碼器、超聲波的數據，并根據編寫的程序通過控制舵機轉向來控制小車轉向。Arduino具有編程語言簡單和開放性搶的特點，適合于初學者使用，并可以通過需求增加拓展板以獲取更多的功能。

3.2舵機模塊

舵機使用MG995舵機，該舵機具有質量輕，響應速度快，扭矩大的特點，其工作電壓為3.0v-7.2v，最大轉動角度為180€埃钚》直娼強紗锏？.5€啊Mü饔胊rduino編程語言myservo庫函數控制舵機轉動角度。

3.3電源模塊

電源采用比賽要求6節1.5v共9v的堿性干電池作為電源給單片機供電。電池的正負極分別與單片機的VCC端和接地端連接。

3.4路程測量模塊

該車采用雙通道增量式光電編碼器作為測距裝置，安裝小車左后輪位置，主要目的是通過走過的距離檢測汽車左后輪。編碼器脈沖數500。編碼器旋轉一圈并發出500個脈沖，脈沖編碼器的旋轉角度轉換為0.72O，測算后輪周長L，則有對應關系，編碼器每轉動 ，小車走過（ /360€皜譒）的距離，編碼器轉動360€埃〕底吖桓齪舐值鬧艸こざ萀，以此作為小車左后輪走過的路程的檢測。

3.5微調控制模塊

在小車的前左右部位安裝三個SR04超聲波作為距離檢測模塊，如圖4所示。可以實時檢測小車前方，左側，右側的距離障礙的距離，從而更好的實現避障。SR04超聲波具有良好的性能，偵測距離和精度較高，程序編寫簡單，工作電壓+5v，檢測精度€？%。

4具體設計與實現

4.1避障的工作原理

程序的主體框架為直行，超聲波檢測到障礙物時，前面的車時實施編碼器的避障程序，通過車的MATLAB仿真的正確軌跡模擬，確定轉動的角度，汽車轉彎避障程序需要寫編碼器的距離。當汽車的左超聲波檢測距離大于右超聲波檢測距離時，執行右避障程序；當小車的左超聲波檢測的距離小于右超聲波檢測的距離時，執行小車左轉程序。主要是向左右相對開闊的方向進行轉向避障。當小車運動中左超聲波檢測的數據小于警戒值或右超聲波檢測的數據小于警戒值時，開啟中斷執行微調程序，使小車向較小距離的反方向轉動小角度后回復至中位，避免撞到側板。程序流程圖如圖5所示。

4.2實驗結果

通過對軌道電路的仿真，實現小車的避障功能，使小車在設定的軌跡上行走，通過超聲波檢測小車的轉彎方向來確定。小車在模擬賽道上實景示意圖如圖6所示。

5結語

本文提出了一種抗干擾性強，經濟性高的一種避障無碳小車。在倡導創建環境友好型社會的大環境下，無碳小車小車緊跟時代潮流，并且本文提出的避障方式對于工業機器人領域有一定的實用價值。具有很大的經濟效益。在本次比賽中，通過團隊合作，將理論運用于實踐，從設計到制作，再到裝配，調試。每一步都不容馬虎。同時也使得我們學會很多東西。小車有很多不足，這些都有待進一步發展和提高。

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