基于探索者机电创新平台的全地形车研制

2017-03-02林彤金濯任玲

中国教育技术装备 2016年22期

关键词：机器人

林彤+金濯+任玲

摘要通过“探索者创新套件”设计平台，进行全地形车自主创新设计，包括传感器信号采集处理系统、控制算法及执行系统、动力电机驱动系统、转向舵机控制系统等子系统设计，通过装配、调试，较快通过栅格地毯、台阶、管道、独木桥四种障碍物。

关键词全地形车；探索者平台；机器人

中图分类号：TP273+.5 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）22-0041-05

Design and Development of an All-Terrain Robot based on Exp-lorer Mechanical and Electrical Innovative Platform//LIN Tong， JIN Zhuo， REN Ling

Abstract This Explorer all-terrain robot is designed by concerning the explorer innovative suit platform. The independent design pro-cess includes the mechanism design scheme and system design sche-

me， which specially consist of sensor signal acquisition and process system， control algorithm and execution system， power motor drive system， steering rudder control system and so on. This machine can

successfully cross the four obstacle terrain include grid carpet， steps，

tunnels and single-plank bridges.

Key words all-terrain robot； explorer platform； robot

“探索者”平台是由机器时代推出的专业型机器人设备原型设计工具，包含机构件、舵机、传感器以及控制模块，机构零件全部按照国际零件标准设计，结构精密，各个结构零件之间能够通过螺钉任意角度连接，可组装四连杆、曲柄滑块、齿轮传动等各种典型机械传动机构和欠驱动机构。传感器、主控板等控制单元能够让使用者在实现机构运动的设计过程中，更全面地了解单片机PLC，计算机语言编程等学科知识。该平台开发环境软件采用国际通用的开源机器人软件，提供C语言结构的代碼、图形化双界面，提供丰富的例程，可执行脱离电脑的、快速的示教编程。

1 设计思路

设计要求本全地形车根据江苏省大学生机器人大赛“探索者”全地形机器人自主创新设计比赛的规则设计，需要完成穿越图1所示工业用1-栅格地毯、2-楼梯、3-管道、4-独木桥。另外，比赛规则要求全地形车应完全自主控制，一旦启动，不允许人为遥控、无线控制干预和操作。

设计思路因全地形车需自主穿越障碍物场地，所以应采用以单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，运用不同传感器实现小车在行驶过程中自动通过障碍物，并把行进数据传送至单片机进行处理，由单片机ARM7根据所检测的各种数据实现对全地形车的智能化控制，实现全地形车的各种动作以穿越障碍物。

系统设计框架系统由平台内提供的专用触须传感器、碰撞传感器、ARM7主控模块、圆周舵机和标准舵机驱动组成，框图如图2所示。

2 机械设计方案及优化

经过信息收集、方案实施以及不断地测试调整，全地形车的最终方案采用触须传感器、触碰传感器、圆周舵机、标准舵机和抬升装置部件来完成对应的自动通过障碍动作。

通过4种障碍物的机械设计方案

1）通过栅格地毯的机械设计方案。通过栅格地毯时遇到的主要问题是由于栅格间隔较大，全地形车通过时出现陷轮的情况，设置该障碍是为解决该车在不同平地地形正常行走的问题。最初方案采用4个轮子和2个圆周舵机驱动行驶，在平地上行走时很顺畅，但在格栅地毯上行走时，4个轮子陷入栅格槽中开始空转。轮子的大小直接影响了穿越该障碍的效率，于是改用履带轮以通过栅格，经过测试能够顺畅地通过格栅地毯。

2）通过台阶的机械设计方案。对于攀爬翻越台阶障碍，需要解决攀爬和防止翻车两个问题。让全地形车能够爬上台阶，需要进行一个抬升动作，将车身从地面抬升到台阶竖直面上。抬升装置是车身结构下方安装的一个连接舵机的支撑架，舵机的转动角度也就是支架转动的角度，由一个传感器输送转动信号，当传感器触碰到台阶垂直面时，传感器控制舵机转动，从而实现抬升的动作，如图3所示。

测试过程中发现，支架抬升后，全地形车并未按预想状态动作，不是车体前部抬升到台阶上，而是后部抬起。经测试，原因在于舵机安装靠前，导致重心偏前。通过改变支架接触地面的位置，改变舵机位置后，能够实现上台阶的动作，如图4所示。全地形车攀爬上台阶后会由于车身太短，出现整个车身倾倒的情况，实际通过适当加长车体顺利解决该问题。

3）通过管道的机械设计方案。通过管道需要该车具备自主转向的功能，可在车体四周装上导轮装置，从而改变运动轨迹。实际测试中发现，安装导轮后不能在短时间内转弯。且管道壁实际情况复杂，故采用触须传感器来实现转弯的动作。当触须传感器触碰到管道壁时，舵机转动角度发生变化而形成转向，并在整个管道内重复触须触碰—调整角度—转向的过程，以通过管道。

4）通过独木桥的机械设计方案。通过独木桥障碍主要需要解决爬坡和下坡问题，如车轮不能与斜面产生足够的摩擦力，小车则无法攀爬上斜坡，履带轮能解决这个问题。另外，由于车体上有许多舵机，重心的前移或者后移都会导致上下坡翻车，因此在车体机构设计时需要注意重心的位置。起初测试时，该设备因动力不足，加之履带打滑，无法走上独木桥；后通过加长车体，加装一个驱动轮，如图5所示，全地形车能够顺利通过独木桥。

控制软件设计方案及优化本车使用单片机ARM7作为主控制模块的唯一处理器，合理使用接口安排各接口的布局，大大减小主控板面积，减轻车重，同时各模块之间的连线井然有序，安装接线时更加明了。ARM7单片机接口结构如图6所示：输进端口1、2、3、4连接传感器；红外接收端口，连接红外接收头；通道选择键，对应手柄通道选择键，分为ABC三个通道；程序写保护口，1为正常工作状态，当按钮拨向ON时，才可以进行程序下载；程序下载端

口，连接下载线；舵机端口1～6，连接舵机，从左起竖排4针接口为一组，共分为6组；输出端口7、8，连接LED、语音模块等執行部件，竖排4针接口为一组，共分为2组；电源端口，接连电池或适配器；复位键，对单片机进行重启，会自动清除单片机内所有未保存的动作；电源开关，当开关打开后，指示灯常亮且成红色。

1）主程序设置。程序中用到TKStudio编程软件、Flash Magic烧写软件和ARM7主控板进行自动通过障碍的编程设计。TKStudio进行程序的编写；Flash Magic烧写软件进行烧写程序；ARM7主控板进行程序的处理和接口输入与输出。

2）开发工具和调试工具。机器人程序编写采用TKStudio

进行程序编写，如图7所示。

程序编写采用Flash magic软件进行烧写程序，如图8所示。

系统最终方案

1）机械结构以四轮小车为基础，运用履带轮，并且用铆钉增加履带轮与地面接触时的摩擦力。

2）自行设计的支架抬升装置，用来攀爬楼梯。

3）采用触碰传感器以检测台阶的竖直面，从而完成抬升动作，采用触须传感器完成通过管道的动作。

最终整车如图9所示。

3 全地形车结构的安装与调试

本全地形车设计本着轻巧便捷的原则，最大可能地降低重心，使全地形车越障时车身平稳，并且合理设计电路板的形状、机械零件的大小及形状，安排好整车布局，使之既美观又简便。对模型车的对地面附着力、舵机的安装、前后履带轮距、传感器的位置与高度、电源模块、ARM7单片机的位置等进行细致调整，使整体构造简单、轻便。

传感器的安装触须传感器可以检测到障碍物体，发生形变输出信号，改变舵机转速，从而改变运动路径。安装时需注意3个事项：

1）确定固定位置，螺栓螺母连接，便于将模块与机器人固定；

2）确定四芯输进线位置；

3）传感器上触须位置与地面平行且有效触动角度45°，与障碍物接触后发生有效弹性形变。

另外，传感器安装的高度必须合适，如果安装位置不当，会影响全地形车的行驶状态。负责控制抬升动作的触碰传感器安装在车体靠下方的位置，当传感器触碰到台阶竖直面时，形变信号传送到ARM7，ARM7控制抬升装置中舵机的转动。负责控制转向动作的触须传感器安装在机器人前部靠上的位置，避免在攀爬台阶时触碰竖直面，干扰运动轨迹。

单片机ARM7的安装该车采用单片机ARM7作为主控制模块的唯一处理器，控制机器人所有的运动以及动作。编辑相应程序烧制入ARM7主控模块。全地形车在工作室按照设置程序进行动作通过障碍物。为了使车体运行时稳定，单片机ARM7控制模块安装在车体机械结构底盘的中间，使得整体布局简洁美观。

履带轮的安装通过对全地形车使用轮子与履带不同运动的比较测试，最后选用履带轮的形式。采用履带轮的全地形车可以很轻松地通过凹凸面。

安装与调试中发现，全地形车在攀爬楼梯时，会出现翻车的现象，加长车身长度后能解决翻车的问题。全地形车通过管道时，圆周舵机的负载会因为车轮与履带转向角度增大而增大。为了尽可能降低圆周舵机负载，对前后轮的安装角度，即前后轮定位进行调整。前后轮定位的作用是保障全地形车直线行驶的稳定性，转向轻便和减轻轮胎与履带的磨损。当全地形车向左转弯转时，控制左侧履带转动的舵机反转，控制右侧履带转动的舵机正转，向右转弯时则反之。另在通过独木桥时，履带轮能提供的摩擦力太小，不能有效完成攀爬的动作，采用在履带轮上加装螺钉的方式增加摩擦力，如图10所示，解决攀爬独木桥的问题。

4 总体控制流程图

在实际穿越障碍时，只有在穿越管道和攀爬台阶时会有传感器参与运动控制。在管道中行进时，控制流程图如图11所示。攀爬台阶时，控制流程图如图12所示。

5 效果与总结

主要技术参数经试验，本全地形车顺利高效地完成了穿越4种指定障碍，这些障碍反映出全地形车行走过程中能遇见的绝大部分障碍。在实际场景中，可根据需求对该车电机的功率、传感器灵敏度、外观设备等进行加强，适应不同的需要机器人工作的场合。表1为全地形车的主要参数，可作为今后进一步设计研制的参考。

试验效果在第二届江苏省大学生机器人大赛中，该全地形车以82秒的时间顺利完成4个障碍物及赛道的穿越，荣获二等奖。“可过独木桥的五轮机器人”申请了相关的实用新型专利并获得授权。参考文献

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