全地形履带式越野寻迹六轮智能小车设计

2020-02-11施敏虎庄曙东黄金海

机械工程师 2020年1期

施敏虎，庄曙东，黄金海

（河海大学机电工程学院，江苏常州213000）

0 引言

履带式六轮智能小车（轮式机器人）是一个涉及到多学科的综合系统，包括传感器、电子技术、人工智能、机械工程、计算机科学等[1]，目前正朝着高级智能的机器人方向进展。本设计采用基于AVR的智能小车来实现对比赛设定的11种障碍环境（栅格地形、小型阶梯、大型阶梯、防滑带、凹形隧道、U形隧道、窄桥、柔软草地、石块地形、减速带、高台）进行设计制作。

1 系统整体设计

智能小车采用悬挂式结构，6个驱动力以适应特殊障碍环境下的行走需求。采用铆钉履带轮来增强小车的抓地能力，能在上坡或者比较湿滑的路面上正常行走。小车前置折叠轮可以由主控板控制、上下运动。当小车轮子陷入复杂环境卡死时，能够及时帮助小车脱离险境。采用对称布置，悬挂机构，重心在中线偏后的位置，使得小车在复杂斜坡上前进时不易失稳翻车。底盘经过加高处理，使得小车在崎岖道路上也能平稳行驶。小车在多种赛道中，虽然偶尔会出现进入死角的现象，但是通常都能平稳通过，表明设计方案具有一定的实际应用价值。车体结构如图1所示。

2 硬件设计

2.1 场地解析

小车自主顺利通过各种模拟障碍赛道，小车在发车后无需人为遥控或者辅助，通过自身传感器采集信号，烧录的程序做出相应的处理，控制相应的舵机或电动机运转，从而安全地通过各种障碍赛道。场地图如图2所示（图中栅格地形易卡轮；大、小阶梯、窄桥表面为砂面黑色防滑层，在上楼梯时小车的结构及重量易干涉小车运动；凹型隧道、U形隧道入口难，死角多，必须保证小车灵活转向；柔软草地易卡履带；石块地形、减速带与寻迹线同为黑色，易扰乱寻迹路线；高台离地面21 cm高，必须借助其他障碍物登上去）。

图2 场地解析图

1.U形隧道 2.窄桥 3.栅格 4.防滑带5.高台 6.减速带 7.小型阶梯 8.柔软草地 9.石块地形 10.大型阶梯 11.凹型隧道

图1 屡带式六轮智能小车结构图

2.2 创新点与设计概述

1）设计一个六轮驱动的折叠车，主体部分采用四轮车，前轮需良好的攀爬能力——铆钉履带轮，履带外表加装螺钉，前轮增加垫片，扩大轮子直径，增强爬坡能力的同时提高了移动速度。

2）主体后轮需要在平直赛道部分得到足够的驱动力，来保证小车的速度，同时在管道行驶过程中，由于壁面非常光滑，铆钉履带轮反而防滑能力极弱，不适合用来实现差速转向，将履带缠绕棉花，增大地面摩擦，小车在管道中能灵活控制方向，行驶更平稳。

3）悬挂式结构，折叠车前部采用两个较大独立的履带轮，利用两标准舵机与小车主体相连，在通过阶梯时有效避免振动及卡顿。

4）小车前轮从动，后轮驱动，但小车在上坡时，动力不足，在栅格板行驶时出现卡死现象。基于这些实验现象，将小车主体驱动的模式改为四驱，增强驱动力，在一个轮子出现卡顿时，其他3个轮子仍在运转，有效缓解小车卡死现象。在小车前部折叠轮的选择上，为减轻整体重量，第一代小车采用单个从动轮形式，但在实际运行中，前置折叠轮带来的阻力过大，使得小车行驶缓慢，使用单个主动轮会使小车重心偏移，易发生侧翻，实验后，采用6个圆周舵机进行驱动，重心更加平稳，动力大，速度快。车体前后用黑胶布铰接，增强车体灵活转动

5）采用三黑标多线路的方法，避免使用颜色传感器简化了程序。黑标位置位于车中心靠前端的位置，有效避免了由于车身过长而引发的环境死角。安装一个LED照明灯，根据亮度不同，来作为控制三套程序的指示灯。

2.3 机械结构设计

机械结构设计如表1所示。

表1 机械结构设计

3 软件设计

障碍根据程序流程划分为三大类：1）循迹类（栅格、减速带、石块地形、U形隧道、凹形隧道、窄桥、柔软草地），在翻越此类障碍时，所采用的算法是在到达障碍前调整车身姿态，使其侧边行平行于黑色线，以便能够垂直进入障碍区域；而在U形、凹形隧道内主要采用循迹思想顺利通过隧道。2）抬升类（大、小型阶梯、防滑带），基于第一类障碍通过算法思想，利用标准舵机，使小车前轮抬起，从而使小车顺利攀上障碍。3）高台类（高台），利用单独一套程序实现，小车依次通过栅格，到达窄桥处开始延迟，达到窄桥顶部，机器人右转90°抬升前轮，改变车体结构，提升车体整体高度，使其能够顺利爬上高台。

越障机器人主要功能包括循迹、越障及完成指令操作。循迹部分包括巡线，在黑线的十字路口、丁字路口、斜线、直角等复杂路线下控制前进方向。利用3个黑标8种组合方式，通过采集、传送、分析，完成巡线功能。越障是本次研究的机器人的特点，在结构上具有独特的创新性、先进性。越障机器人没有人类的独立思考能力，完全依赖单片机的控制，而单片机则是依赖程序、算法来完成从信息的采集、信息的分析到命令的发送的一个过程。单片机性能虽好却比不上CPU，所以，精简、高效的算法是保证单片机执行指令的一个强有力的关键因素。

流程图如图3所示。

图3 流程图

4 系统开发与调试

利用3个黑标，传回3个1信号，将触发越障机器人的后退程序，将在系统运行的前13 s内，3个黑标传回1值时，执行直行程序，不仅可以顺利走出出发区，还能越过黄色减速带，13 s后，再遇到三黑标传回1值情况，将执行后退指令，退回线内，继续循迹。

越障机器人循迹依靠左右轮相对反转，加延时命令，使其能够原地调整车体方向，而不改变车体三黑标中间黑标位置进行高效转弯。在循迹过程中车体重心直接决定机器人的转弯中心，若不在黑线上，将直接导致车体调整中，3个黑标移位，触发其他指令。解决方案为：1）在安装过程中，使车体左右两侧对称，方便确定车体的重心所在，减轻工作量；2）在车身上不同区添加配重，改变车体重心。在转弯过程中，可以通过调节左右轮速度，改变黑标位移量。改变延迟命令的大小也是提高转弯效率的一个重要方法，延迟过小，车体无法及时调整，延迟过大，车体将偏向另一侧，只有合适的延迟量，才能提升车体转弯效率。

在攀爬阶梯的过程中易出现无法攀爬、车体歪斜等问题。无法攀爬直接决定无法翻越障碍，车体歪斜易导致机器人从障碍侧身通过，也易导致通过障碍后传感器不在黑线上，即循线丢失。无法攀爬、车体歪斜的原因：1）左右速度不一致；2）重心不在车体轴线上，在车体抬起瞬间就产生偏斜。通过调节左右轮速率及改变车体重心能够有效改善此种情况。

在通过防滑带及栅格的过程中，三黑标的状态易受凹槽、空格的影响，产生信号紊乱，触发程序的左右转指令，除此之外，车体依然易斜，致使车体通过障碍后循线丢失。解决方案为：在车体前安装触须，在接近防滑带时，触须传回信号，此时越障机器人发送抬起前轮并执行直行程序，并添加适量的延迟，屏蔽三黑标的信号紊乱。

对于石块地形，车体底盘较低，石块间距离落差较大，黄、黑色石块交叉构成，易影响黑标，触发不必要的指令。须屏蔽三个黑标的信号输入，选择执行直行指令，通过石块地形。

对于高台，直接攀上，车体结构必然复杂、庞大，难以控制，且不易通过隧道这类障碍。如选择在窄桥或大型阶梯的基础上跨过高台与此之间的空隙，可行性较高，但须路过石块，难度又增加，故放弃大型阶梯，故通过窄桥而攀上高台。在此路过栅格，到达窄桥顶部，右转90°，直行通过高台。疑难问题：1）如何通过丁字路口；2）如何保证车体能够垂直通过窄桥；3）如何判断越障机器人已到达窄桥顶部；4）如何顺利通过15 cm的间隙，攀上依然有4.5 cm高度的高台。多次模拟试验后：1）在出发时给越障机器人一定时间的直行程序，使其直接忽略丁字路口、进入循迹阶段；2）采用最优化的转弯算法、在最短的时间内调整好车体姿态、垂直进入窄桥；3）采取超声波这类传感器、监测车体到地面的距离，达到窄桥顶部时，超声波传感器传回一个固定的距离值与窄桥高度进行比较，或当越障机器人到达窄桥底部时，触发相关传感器，此时开始计时，一定时间后，越障机器人到达窄桥顶部，右转90°，此种方法简单可行，如遇上坡打滑等易发生意外；4）抬升前轮，攀上高台，车体的重心也尤为重要，否则翻下窄桥与高台的间隙之间。