基于EV3教育机器人的全地形车应用与研究

摘  要：EV3全地形车机器人融合了全地形车可以在任何地形上行驶的优秀越野性能和机器人自动执行预定任务的智能系统，使其功能多样化和现代化。文章以EV3机器人的全地形车为研究方向，利用EV3套件搭建全地形车模型，在沙地、山地及林地模拟等模拟地形上进行测试，检验EV3全地形车机器人的通过能力，并进行优化调整，为EV3全地形车机器人的设计提供一定的参考意义。

关键词：EV3;全地形车;越障

中图分类号：TP242                   文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）16-0041-04

Application and Research of All-terrain Vehicle Based on EV3 Education Robot

ZHOU Yingyi

（Lingnan Normal University， Zhanjiang  524048， China）

Abstract： EV3 all-terrain vehicle （ATV） robot combines the excellent off-road performance of ATV that can run on any terrain with the intelligent system that the robot can automatically perform scheduled tasks， so that it’s functions are diversified and modernized. This paper takes EV3 robot all-terrain vehicle as the research direction， using EV3 kit to build all-terrain vehicle model， test on sand， mountain and woodland and other simulated terrains，， test the passing ability of EV3 all-terrain vehicle robot， optimization and adjustment are carried out to provide reference for the design of EV3 all terrain vehicle robot.

Keywords： EV3; all-terrain vehicle; obstacle crossing

0  引  言

全地形车是指可以在所有地形上行驶的车种，适用于各种复杂的地形环境，可以方便地穿越沟壑、沼泽和山坡，具有越野性能好、成本低、对环境危害小等优点。常用于森林防火、勘测、建筑工地等特殊领域，还可以按照预定程序来取代或协助人类危险、复杂和重复性的工作优点，具有十分乐观的发展前景。

EV3是第三代MINDSTORMS机器人，该套件配有EV3智能主机、各类传感器、电动马达、积木零件（齿轮、轮轴、横梁、插销）等，利用EV3设计全地形车，使用者可根据个人需求搭建不同的机器人，通过编写程序使机器人按指令执行任务。

1  EV3全地形车的结构设计

EV3全地形车应具有穿越沙地、爬坡越壕、避开障碍物等功能。本课题研究选取具有代表性的沙地、山地和林地三种模拟地形进行测试。如果EV3全地形车机器人能自主顺利通过这三种模拟地形，则说明全地形车的越野性能强大，也能通过其他地形。

沙地的地形特点主要是沙地和沙丘。平整沙地沙量少会减少履带的抓地力，导致打滑，而沙量多的地面更松软，会使履带打滑空转或下陷;起伏的沙丘会导致车两侧的高度不同，使全地形车发生侧滑或方向偏转，影响全地形车前进的方向。针对打滑下陷的问题，可以加长全地形车的履带，安装防滑垫增加对地面的摩擦力。

山地的地形特点是坡度大和沟壑多。爬坡时电机马力不足会使全地形车原地打滑空转，采用双电机设计可以解决这个问题。越长的履带能跨越越宽的沟壑，尽可能设计出长度更长的履带。车身重量不均衡容易出现翻车的问题，在设计时要保证车头与车尾重量均衡。利用触碰传感器触发抬起装置，使全地形车在遇到难以跨越的沟壑时进行尾部抬升，使其顺利通过。

林地地形的特点主要问题是高大树木多，会挡住全地形车的前进方向，利用超聲波传感器发出超声波识别障碍物并反射回接收器，判断障碍物与全地形车的距离，使车辆绕过障碍物，继续前行。

经过上述不同地形的分析，将车身设计如表1所列。

1.1  行走方式

全地形车的行车方式一般分为轮式、履带式、气垫式、多足行走式等类型。全地形车最常使用的行车方式是履带式。它的优点是可以爬陡坡、拓宽壕、涉深水、攻克竖墙、穿越沼泽和田地，不怕各种路况，能适应大部分地形。经过数据采集和部分车身测试，全地形车采用履带驱动方式，履带式行车方式行走可以增加对地面的摩擦，稳定性和安全性更高。因为履带的接地面积相对更大，可以很大程度地增加全地形车在松软、泥泞路面上的通过能力，下陷量大大降低。履带板上独特的花纹和履带板安装的防滑垫，都可以增加对地面的附着力，不容易打滑。根据不同的履带接地长度，全地形车能轻易通过一定的沟壑宽度和克服一定高度的垂壁。

1.2  底盘设计

全地形车的底盘高低直接影响到车辆的通过性。选用履带式底盘是因为该底盘结构的牵引力大，抓地能力强，在爬坡越壕方面的能力更强;机动性能大，转弯半径小，更适于行走在沙地、泥泞沼泽和崎岖山地上。

1.3  悬架结构

车辆悬架结构可以起到缓冲震动、传递扭矩并支撑车身的作用。悬挂结构一般分为两类：非独立悬挂结构和独立悬挂结构。独立悬挂结构的左右履带通过弹性结构分别悬挂在车架或车身上若全地形车行驶过程中一侧履带受到崎岖路面的影响，其状态发生变化时不会影响到另一侧履带的情况。而非独立悬架结构左右两侧的履带由一根车桥连接在一起，两侧履带状态变化会互相影响。

1.4  抬升装置

抬升装置是一个简单的结构，利用了触碰传感器检测传感器红色按钮何时被按压何时被松开，通过对触碰传感器进行编程，使其对按压、松开或碰撞作出反应。把一个类似梯子的结构与一个受触碰传感器控制的中型电机连接，当车子爬升时触发到触碰传感器，放下抬升装置，把全地形车抬升到沟壑竖直面上，使全地形车顺利翻越沟壑。

经测试与优化调整，本课题研究的EV3全地形车机器人的最终设计方案采用的行走方式为倒梯形履带结构，主要有主动轮、诱导从动轮、托带轮、负重轮和履带五个部分。车身的悬架结构具有强稳定性和缓冲性，对全地形车在穿越各种特殊地形时能起到稳固、防震的作用，减少车辆受损情况。双电机动力系统，两个驱动轮相互独立驱动，方便小车进行转向、拐弯等功能，同时为小车提供足够动力爬陡坡、越壕沟，更适合行驶在各种复杂地形。抬升装置的设计简便有效，主机接收到触碰传感器被触发的信号，启动连接抬升装置的中型电机，放下装置，将车身从地面抬升到台阶竖直面上，车子可轻松攀爬翻越上台阶。超声波避障装置展现实用性与设计感。整车布局合理美观，传感器使用恰当，实用性强。

综合以上分析及测试结果，最终将全地形车外观设计如图1、图2所示。

2  EV3全地形车的程序设计

设计中采用可编程主机EV3作为核心，为车辆的识别与驱动提供控制。采用程序方块化的方式进行测试，利用不同的传感器检测各种数据，根据所检测的数据实现对全地形车机器人的智能化识别，最终达到全地形车机器人在行驶过程中完全自动通过各种地形。本课题研究设计的EV3全地形车机器人系统的功能设计分为控制、识别和执行三个部分，如表2所列。

（1）控制系统。由EV3智能主机，内置扬声器、USB接口、迷你SD卡读卡器接口、四个输入端口和四个输出端口，可使用六节AA电池或原装2050毫安时的锂电池。使用EV3智能主机作为控制器，只需要在主机内编程好程序或用电脑编程后导入，一旦启动便可使全地形车机器人按既定程序执行任务，无须人为操控。

（2）识别系统。识别系统由陀螺仪传感器、超声波传感器和触碰传感器进行检测、上传数据。

陀螺仪传感器主要作用是使全地形车在一个轴方向上行驶，当传感器检测到全地形车前进方向发生改变时，上传数据到主机，控制系统根据程序下发指令纠正方向，使全地形车始终保持在一个方向上行驶。

超声波传感器通过向外发射超声波，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物会被反射回来，当发射的声波被超声波接收器接收到，停止计时，根据发射与接收的时间差与超声波的传播速度来计算全地形车离障碍物的距离，数据传送至主机，由主机发送下一步指令。

触碰传感器主要在全地形车需要攀爬台阶的情况下被触发，触碰传感器连接到全地形车尾部的抬升装置，当传感器触碰到台阶的垂直面时，传感器控制装置抬升，将车身从地面抬升到台阶竖直面上，全地形车能够爬上台阶。

（3）执行系统。执行系统的直接执行者是履带轮和电机，该车采用履带轮设计，主要分为主动轮、导向从动轮、皮带支承轮、承重轮和履带五部分。驱动轮通过齿轮与轨道啮合，将电机的动力传递给轨道，使全地形车辆运动;导向从动轮起导向和支撑作用，具有调整履带松紧的功能;托带轮用于托举履带。左右驱动轮相互独立，由主机EV3发送指令使电机实行转动，带动履带轮，实现行走功能，两轮的速度差则实现车辆转向。

2.1  利用陀螺仪传感器使车子保持方向

陀螺仪传感器利用“当旋转物体的旋转轴不受外力影响时，方向不变”的原理来保持方向，调试时可以知道陀螺仪传感器向左偏时是负值，向右偏时是正值;而电机的移动转向模块偏转数值为负时，方向向左，数值为正时，方向向右。在这部分的程序中使用了数学模块中的乘法，如图3所示。

2.2  利用超声波传感器避障

超声波传感器的发射器向外发射超声波，遇到障碍物时被反射。根据发射和接收的时差和超声波的传播速度，计算出全地形车辆与障碍物之间的距离。

小车利用超声波传感器避障时，需要考虑的是避开障碍物后如何回到原来的行走方向上。通过制定程序，当超声波传感器检测到50厘米内有高大障碍物，电机往右45度前进，绕开障碍物后电机向左45度，回到原来的行走方向上。

全地形车在直行过程中，利用超声波传感器等待模块，若检测到前方50厘米处有高大障碍物，移动模块开启指定度数使全地形车往右转向45度，再把移动模块的指定度数调为-45度，使全地形车向左转，回到原来的行走方向上（如图4所示）。

2.3  利用触碰传感器放下抬升装置

触碰传感器是一种模拟传感器，利用了触碰传感器来检测传感器的红色按钮何时被按下和释放，通过对触碰传感器进行编程，它可以对不同的状态作出反应。

在车辆尾部安装触碰传感器，当车子爬升时触发到触碰传感器，放下抬升装置，车子可以顺利爬升。程序需要用到等待模块，当触碰传感器被按压—松开后，中型电机启动，放下抬升装置，等待3秒让全地形车顺利爬升或跨越沟壑，中型电机再反方向转动，把抬升装置收起。最后添加循环模块便可。此过程需要注意收放抬升装置和车子爬升或跨越沟壑的时间。程序设计如图5所示。

2.4  EV3全地形车机器人总程序设计

总程序把各个部分的传感器的程序组合起来，需要用到切换模块的数字模块。全地形车一般状态下为直行，触发了不同的传感器便执行对应的程序，如图6所示。

3  結  论

本文通过对全地形车的性能结构进行研究分析，设计一款适于行驶在沙地、沙地和林地的EV3全地形车机器人，通过多次测试与优化完成了EV3全地形车机器人的搭建与程序编写，实现了EV3全地形车机器人在多种地形上完全自主地顺利通过沙地、山地和林地三种地形的目标。在实际应用中，可根据实际情况对EV3全地形车机器人电机的功率、传感器的灵敏度、外观设备等进行改进，以适应不同场合的需求。

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作者简介：周颖怡（1992—），女，汉族，广东广州人，助教，硕士研究生，主要研究方向：科学教育、创客教育。