基于Wi-Fi通訊的履帶式爬樓運載小車＊

張旭焱，胡君嵐，朱帥宇

（武漢理工大學，湖北 武漢430070）

隨著中國物流產業的擴大和人們對物流運送速度和品質要求的提高，單一的人力物流網絡在滿足需求時需要消耗大量人力及其他資源，在2020年爆發“新冠肺炎”之后，也對運載機器人提出了無接觸運輸的新要求。

目前，國內外相繼研究出不同功能類型的物流運輸機器人。美團開放平臺的Segway配送機器人可以適應不同復雜地形，自動規劃路線甚至搭乘樓梯，但是目前尚不具有爬樓功能[1]；StarshipTechnologies部署的地面機器人能夠通過APP直接反饋訂購信息，實現自動運輸服務，但是該機器人的運送范圍具有限制性[2]。

為了使各類消費者能夠享受更加便捷、高效率的物流服務，本文設計一款基于Wi-Fi通訊的履帶式運載小車，在滿足平地避障、與顧客進行通信交互的功能下，通過在配送范圍內安置“熱點”，利用Wi-Fi技術實現運載小車更遠范圍的配送；利用履帶式越障實現小車在平地與爬樓的運動，滿足無電梯公寓高樓顧客的要求，在特殊時期實現無接觸式配送服務。

1 系統總體設計

本文所設計的產品將Wi-Fi無線通信技術、Arduino、傳感器技術、通信技術與自動化技術結合，得到基于Wi-Fi控制的爬樓運載小車，通過Arduino與各傳感器模塊之間的控制反饋對小車的水平和爬樓運動進行控制，完成物品的運輸。

結合本文所設計產品的任務要求和應用場所，通過調查綜合分析，確定小車移動結構、尺寸關系等基本技術參數。系統總體設計分模塊進行設計，分為機械結構模塊和控制系統模塊，兩模塊之間控制反饋關系如圖1所示。

圖1 系統總體設計圖

機械結構模塊采用組合創新技術和方法進行研究設計，為確定機械結構設計的合理性，繪制三維模型圖并進行運動仿真。為確定機器人運動平穩性，結合實際應用場所，利用數學公式對小車尺寸進行合理化計算和設計。

控制系統模塊通過分析各模塊之間的交互關系，利用電路模擬仿真軟件完成電路的搭建與仿真實驗。通過Wi-Fi通信模塊，將Arduino主控板與blinker物聯網平臺進行適配連接，實現在線對小車運動和其他功能的控制。

2 機械結構設計

2.1 機械結構總體設計

小車機械結構主要由主體模塊、攝像頭模塊、載物模塊、移動模塊和爬樓模塊構成。其中移動模塊和爬樓模塊設計為四履帶雙擺臂履帶式。利用SolidWorks

軟件對小車的機械結構進行設計，如圖2所示。小車爬樓模型，如圖3所示。

圖3 小車爬樓模型圖

2.2 機械結構分析

圖2中，Ⅰ為主體模塊，內含控制電路、直流電機、通信設備等。直流電機提供動力，控制電路通過ATmega328P芯片為核心控制各傳感器模塊，完成小車的運動。Ⅱ為載物模塊，用于裝載物體。Ⅲ為攝像頭模塊，用來觀察小車周圍運行環境，及時發現障礙物避開以及確定樓梯位置進行爬樓。Ⅳ為移動模塊，由一對履帶輪組成，由主體Ⅰ中2個直流電機直接驅動后輪，提供小車在水平和爬樓過程中的動力。Ⅴ為爬樓模塊，由雙擺臂履帶組成，擺臂通過電機提供動力驅動擺臂履帶的轉動，伺服電機通過2個齒輪帶動連接擺臂的軸，驅動擺臂擺動。擺臂的主要功能是向機器人提供拉力以及剛接觸臺階時向上的支持力，以實現機器人的爬升。

圖2 小車機械結構示意圖

2.3 尺寸綜合設計

在小車爬樓過程中，為確保小車能夠成功完成爬樓動作，并保證運動的平穩性，需要滿足以下條件。

準備進行第一階樓梯的攀爬時，調整擺臂能夠接觸臺階的邊緣[3]，如圖4所示，根據圖4可得擺臂尺寸與階梯高度的關系：

圖4 準備第一階樓梯的攀爬

式（1）中：α為擺臂與地面所成夾角，°，h為每級臺階踏步高，mm；r1為擺臂履帶從動輪O2半徑，mm。

小車成功爬越樓梯需要滿足小車重心越過臺階的外角垂直線，爬越的臨界條件是重心正好在臺階外角的垂直線上[4]，如圖5所示。設重心為G點，在臨界條件下滿足爬越條件，由圖5分析，有以下幾何關系：

圖5 爬越樓梯運動

式（2）（3）中：w為每級臺階踏步寬，mm。

在小車完全進入樓梯后，為保證爬樓的平穩性，需要滿足小車履帶、擺臂履帶至少能夠接觸2級臺階的邊緣，保證小車整體長度能夠同時接觸3級相鄰臺階邊緣[3]，滿足式（2）（3）的長度關系。

根據《民用建筑設計通則》[5]：樓梯踏步寬w不小于260mm，踏步高h不大于175mm，不同樓梯類型需滿足一定的踏步高寬比。選取擺臂履帶從動輪O2半徑r1為100mm，考慮到小車尺寸應滿足式（1）（2）（3），LO1O2與LO2O3分別取350mm、150mm。

2.4 爬樓過程分析

當小車檢測到前方障礙物為可翻越的樓梯時，小車進行正向樓梯的攀越，小車借助擺臂的初始擺角（取45°），在驅動裝置的驅動下，小車履帶的前端先接觸到臺階的外角線上，隨著小車的移動，小車的質心、前臂與水平面的夾角都在改變。隨著小車質心移動，伺服電機運轉，小車的前臂開始進行旋轉，調整前臂夾角，使得小車主要依靠履帶爬行。隨著小車重心不斷升高，前臂不斷順時針旋轉，調整夾角，當小車質心越過樓梯外角線時，此時小車前臂已擺至和車身形成一條直線，車身完全貼合住樓梯外角線，隨著履帶繼續旋轉，小車將沿著樓梯外角線繼續爬行。

此時小車進入整體爬樓階段，小車完全進入樓梯并繼續爬行，此過程小車前臂與車身間保持相對靜止，小車質心沿著樓梯外角線作直線運動，此階段車身震動較小，小車運行相對平穩。

當小車爬至最后一節樓梯，并檢測到爬樓過程即將結束時，小車進入爬樓結束前狀態調整階段，當小車前臂越過最后一節臺階，伺服電機調整前臂旋轉至觸地狀態，并保持前臂前端能始終與地面接觸，隨著小車的質心完全越過最后一節樓梯，小車繼續前進，前臂擺角逆時針旋轉直至與車身形成一條直線，小車攀越樓梯完成，小車恢復常態。

3 控制系統設計

3.1 控制系統總體設計

控制部分主要由Arduino單片機、Wi-Fi通信模塊、電機驅動模塊、超聲波測距模塊、攝像頭模塊等部分組成，利用Wi-Fi無線通信技術，用戶可以通過手機APP軟件與小車的Wi-Fi模塊進行通信，以此實現對小車的控制與反饋，控制流程如圖6所示。

圖6 小車控制流程圖

3.2 模塊設計

3.2.1 電源模塊

選用12V鉛蓄電池作為總電源為小車的電機驅動模塊進行供電，同時使用降壓模塊將電壓降為5V為攝像頭模塊等供電；使用7.2V鋰電池并使用降壓模塊將7.2V電壓降為5V為Arduino單片機與Wi-Fi模塊進行單獨供電，以保證小車主控芯片和Wi-Fi通信模塊電壓穩定。

3.2.2 主控板

控制系統的核心控制板為ArduinoUNOR3單片機，它基于ATmega328P芯片，有28個引腳，其中有14個數字I/O口，6個模擬輸入口，數字I/O口中有6個支持PWM輸出。主控芯片通過硬件串口與Wi-Fi模塊進行通信，將控制指令傳遞至Arduino主控芯片，經過處理后通過Arduino單片機I/O口的輸出高低電平，將脈沖信號作為控制信號傳遞至電機驅動模塊，實現對電機的控制，進而控制小車的整體運動。

3.2.3 電機驅動模塊

小車的運動需要水平履帶的2個直流電機、前臂履帶的2個直流電機和前臂擺動的1個伺服電機。直流電機驅動模塊選擇L298N電機驅動器，并由12V鉛蓄電池單獨供電，1個L298N驅動模塊可以同時驅動2個直流電機，其ENA、ENB使能端連接在Arduino單片機的PIN5和PIN6可PWM調速引腳，IN1、IN2、IN3、IN4這4個信號輸入端連接在其他4個數字I/O引腳上，來控制2個通道的直流電機運行。伺服電機模塊由12V電源供電，將伺服電機控制端連接在Arduino的一個數字I/O口，通過控制Arduino向端口發送脈沖信號控制伺服電機的轉動角度。

3.2.4 Wi-Fi通信模塊

采用ArduinoUNOWi-Fi控制板，它是基于ATmega328和ESP8266Wi-Fi模組的Arduino控制板，具有Wi-Fi通信的功能，在局域網中可以與Blinker手機APP通信，實現手機APP與主控板的信息傳遞。將ArduinoUNOWi-Fi控制板的硬件串口與Arduino的硬件串口相連，實現2塊控制板之間的通信與控制信號傳遞。

超聲波傳感器的接收與發送引腳連接在Arduino UNOWi-Fi控制板的引腳上，通過控制板引腳輸出連續的一段高電平作為激發信號，觸發超聲波傳感器工作，并監測接收引腳的電平高低與持續時間，實現對小車與障礙物之間距離的監測。

3.2.5 攝像頭模塊

攝像頭模塊選用ESP32-CAM模塊，采用5V電源供電，保證攝像頭模塊的穩定運行。攝像頭模塊直接通過局域網將拍攝到的視頻信息傳遞到手機APP上，實現對小車所處場景的實時監控。

3.2.6 超聲傳感模塊

小車借助超聲波傳感器對外界環境中的障礙物進行探測，及時對小車速度及狀態進行自動調整，避免撞到障礙物。超聲波測距模塊選用HC-SR04，傳感器的Trig、Echo端連接在ArduinoUNOWi-Fi控制板的PIN2和PIN3引腳，由單片機發出高電平信號觸發測距，通過測量超聲波傳感器接收的信號與發射信號的時間差t0來計算前方障礙物的距離。計算公式為：

式（4）中：v為聲音在空氣中傳播速度，常溫下取340m/s；t0為傳感器發射與接收到信號的時間差。

4 結論

本文對于物流運載小車的爬樓控制具有研究意義，對于物流行業，消費者的結構復雜多樣，本設計結合Wi-Fi技術、采用履帶式爬樓結構研究運載小車，采用組合創新的方法完成小車的設計，在目前主流物流機器人的基礎上增加了爬樓功能，更具靈活性，能夠滿足消費者的多種需求。因此，本文所設計的基于Wi-Fi通訊的履帶式運載小車具有廣闊的應用前景。