全地形機(jī)器人小車設(shè)計(jì)

南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 強(qiáng)璐亞 馬 帥 陸袁博 王皖君

1 引言

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全地形機(jī)器人采用六輪懸掛式車身結(jié)構(gòu)，將車身分成兩段，以前四輪為整體，后兩輪懸掛，車身兩部用套筒連接。機(jī)器人利用加寬并附有螺帽的車輪，配合獨(dú)立供電的四臺直流電機(jī)、兩臺360°旋轉(zhuǎn)的圓周舵機(jī)，其攀爬和穩(wěn)定性顯著提高。機(jī)器人核心控制器采用探索者創(chuàng)新平臺的BigFish主控板，它能夠連接多種傳感器，使得機(jī)器人能夠高效的采集處理外部信息。為保證機(jī)器人平穩(wěn)尋跡和正確轉(zhuǎn)彎，機(jī)器人配置兩個(gè)灰度傳感器和一個(gè)近紅外傳感器；為提高機(jī)器人在彎道中行駛速度，除配備轉(zhuǎn)向輪外，機(jī)器人前兩輪加載兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，輔助機(jī)器人在彎道中調(diào)整轉(zhuǎn)彎半徑，機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全地形機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

圖1中機(jī)器人小車采用懸掛式結(jié)構(gòu)防止車輛的傾覆同時(shí)提高車輛的攀爬能力，混合驅(qū)動保證機(jī)器人的動力，能夠平穩(wěn)快速的通過各個(gè)障礙；六輪式機(jī)器人具有越障能力高、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)和控制簡單、轉(zhuǎn)向靈活、工作效率高等優(yōu)勢[2]。加寬的車輪可以降低機(jī)器人輪對地面接觸面的壓力，起到防陷效果；設(shè)計(jì)限位轉(zhuǎn)向裝置，避免機(jī)器人軸距過長導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎半徑過大的缺陷。六輪懸掛式車身設(shè)計(jì)成后兩輪懸掛，前四輪一體使得機(jī)器人可以平穩(wěn)攀爬高矮坡、快

機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作原理是通過灰度傳感器和近紅外傳感器獲取外界環(huán)境信息，然后主控板處理、加工，讓其循著黑線依次通過窄橋、U形管、樓梯、柵格等地形。主控板采集處理灰度傳感器反饋的信號，并利用程序控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)，使機(jī)器人能夠不斷調(diào)整方向，實(shí)現(xiàn)尋跡行駛。近紅外傳感器用來輔助機(jī)器人在U形管中調(diào)整適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)彎半徑，提高機(jī)器人在彎道中行駛速度，減少在轉(zhuǎn)彎過程中的因碰撞導(dǎo)致的動能損失。

機(jī)器人的驅(qū)動由四個(gè)直流電機(jī)和兩個(gè)圓周舵機(jī)相互配合實(shí)現(xiàn)。當(dāng)機(jī)器人在爬坡過樓梯時(shí)懸掛式車身能夠保證至少四個(gè)輪子著地，保證機(jī)器人通過率，微控制器對傳感器采集的信息進(jìn)行處理后，對轉(zhuǎn)向和行駛驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)控制，保證機(jī)器人平穩(wěn)行駛。

圖2 全地形機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

控制軟件是整個(gè)機(jī)器人小車的核心，實(shí)現(xiàn)尋跡、轉(zhuǎn)向、行駛等控制功能。主控制板上電后首先給各個(gè)模塊初始化，并使得轉(zhuǎn)向舵機(jī)處于中位，直流電機(jī)啟動，圓周舵機(jī)開始工作保證機(jī)器人能夠直線行駛。在系統(tǒng)定時(shí)器的作用下以10Hz的頻率傳感器讀取尋跡和外界信息，并以TTL電平的形式傳遞給主控制器[3]。灰度傳感器檢測到黑線時(shí)或者近紅外傳感器檢測到進(jìn)入管道時(shí)，立刻產(chǎn)生一個(gè)低電平信號傳遞給主控制器，主控制器綜合傳感器信息產(chǎn)生執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號，系統(tǒng)控制流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制軟件流程圖

3.1 傳感器信號處理模塊

灰度傳感器可以識別白色背景中的黑色區(qū)域或懸崖邊緣，并將識別信號處理傳送給控制器實(shí)現(xiàn)尋跡行進(jìn)的功能，灰度傳感器可以提供穩(wěn)定的輸出信號，使得尋跡更加穩(wěn)定準(zhǔn)確，它的有效距離在0.7cm～3cm之間；工作電壓為4.7～5.5V。近紅外傳感器可以發(fā)射并接收反射的近紅外信號，它的有效檢測范圍在20cm以內(nèi)，工作電壓 4.7V～5.5V，頻率38KHz。灰度傳感器自動取樣、自動計(jì)算灰度平均值，而當(dāng)前灰度值與灰度平均值進(jìn)行比較，輸出控制信號，機(jī)器人在循跡前進(jìn)時(shí)，依靠控制信號自動進(jìn)行換向，實(shí)現(xiàn)自主控制，使得機(jī)器人能夠更精確地循跡前進(jìn)，調(diào)節(jié)簡單[4]。

3.2 舵機(jī)驅(qū)動輪控制

圓周舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向采用PWM控制方式，脈沖周期為20ms，脈寬為500-1500us時(shí)正轉(zhuǎn)，值越小，旋轉(zhuǎn)速度越快；脈寬為1500-2500us反轉(zhuǎn)，值越大，旋轉(zhuǎn)速度越快。脈寬為1500us停止，轉(zhuǎn)向舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，采用PWM控制方式，脈沖周期為20ms，脈沖寬度500-2500us對應(yīng)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動0-180度。機(jī)器人動力舵機(jī)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)圓周舵機(jī)構(gòu)成，圓周舵機(jī)的+5V和GND分別接在控制板自帶的舵機(jī)驅(qū)動口上，信號線與控制口D7、D8相連，主控制器接收傳感器數(shù)據(jù)后，經(jīng)過判斷，產(chǎn)生指令，使得機(jī)器人加速或減速。機(jī)器人的轉(zhuǎn)向舵機(jī)的信號線與主控板的D11、D12輸出口相連。主控板產(chǎn)生左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)指令后，轉(zhuǎn)向舵機(jī)得到一個(gè)占空比固定的PWM電信號，轉(zhuǎn)向舵機(jī)動作，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。

4 結(jié)束語

機(jī)器人參考月球車和全地形四驅(qū)車設(shè)計(jì)而成，懸掛式車身和混合式驅(qū)動提高了機(jī)器人對整體賽道的通過性，并能夠從容應(yīng)對各類復(fù)雜地形，更好的適應(yīng)環(huán)境。機(jī)器人能夠適用于不同的工作環(huán)境中，為進(jìn)一步的全地形賽車的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新提供了很好的思路，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]張韜懿,王田苗,吳耀,等.全地形無人車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)器人,2013,35(6):657- 664.

[2]王福德.一種新型六輪全地形移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究[D].沈陽理工大學(xué),2012.

[3]楊俊駒,睿,王振華,等.輪式移動機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2016,39(2):22-27.

[4]楊小莉,謝欽福.一種灰度傳感器及一種基于灰度傳感器的循跡控制方法,CN 103970136 B[P].2017.