陳 奎 張峻源 楊明月 侯尚步 姚世平

重慶科技學(xué)院機械與動力工程學(xué)院，重慶 401331

在當(dāng)今的智能小車研究中，人們設(shè)計了很多能在平整地形中運動的智能小車，但適用于多種地形的智能小車的設(shè)計仍然是一個大的空白。設(shè)計并制造一種適用于多種地形的智能小車很有必要[1]。本文設(shè)計了利用Arduino 單片機來實現(xiàn)智能循跡和翻越多種障礙的全地形小車。利用灰度傳感器即時讀取黑線信息并反饋給Arduino 單片機即可實現(xiàn)全地形小車的智能循跡，同時車身的機械結(jié)構(gòu)采用可在一定程度之內(nèi)上下翻轉(zhuǎn)的前后車身結(jié)構(gòu)，保證了全地形小車翻越障礙時的穩(wěn)定性與可靠性。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是本次設(shè)計的主要部分。機械結(jié)構(gòu)的好壞將直接影響全地形小車翻越障礙的效果和循跡的準(zhǔn)確性。通過車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計可實現(xiàn)全地形小車的穩(wěn)定行駛和對多種障礙的翻越；限位結(jié)構(gòu)的設(shè)計使小車在翻越障礙時車身在一定范圍內(nèi)活動，保證了小車的穩(wěn)定性和可靠性。

1.1 車身結(jié)構(gòu)

全地形小車的車身采用緩沖結(jié)構(gòu)，由兩塊鋁合金結(jié)構(gòu)件連接構(gòu)成。 鋁合金板構(gòu)成了小車的前半部分，后半部分則由舵機和鋁合金板組成。當(dāng)小車行駛在高低不一致的地形時，通過舵機與前半部分車身的連接，小車可在一定范圍內(nèi)進行上下的移動，起到了緩沖的效果，極大地保證了小車行駛的穩(wěn)定性。同時在通過例如柵欄等可導(dǎo)致小車連續(xù)抖動的障礙時，緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計可保證小車在行駛時自動調(diào)節(jié)平衡。小車的車身結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2 限位結(jié)構(gòu)

小車的限位結(jié)構(gòu)位于小車的后半部分，該結(jié)構(gòu)可將小車的上下移動保持在一定的范圍內(nèi)，避免了小車在翻越障礙時可能出現(xiàn)的小車后半部分與前半部分的干涉現(xiàn)象。 同時限位結(jié)構(gòu)的設(shè)計可為小車在翻越階梯障礙時提供支撐力，保證了小車翻越階梯類障礙時的效果。

2 硬件設(shè)計

全地形小車的硬件組成包括：Arduino 單片機、Bigfish 擴展板、電機驅(qū)動模塊、灰度傳感器模塊、步進減速電機模塊、電源模塊。

2.1 Arduino 單片機

本次項目使用的是Arduino Uno 開發(fā)板。Arduino Uno 是基于 ATmega328 的單片機開發(fā)板[2]。同時Arduino Uno 開發(fā)板是當(dāng)前主流的開發(fā)板，其擁有所有Arduino 系列單片機的功能，同時Arduino Uno 開發(fā)板供給ATmega328 芯片的電壓是5.0 V，理論上可以工作在20 MHz以內(nèi)任何時鐘頻率上。

2.2 Bigfish 擴展板

Basra 主控板總共有20 個I/O 口，理論上能同時連接的傳感器上限是20 個，同時驅(qū)動數(shù)字量傳感器和簡單的模擬量傳感器只需要3 根針：GND、VCC、信號針（D 口或A 口）。 因此我們可以把紅色接口的兩個信號針，用杜邦線單獨引出來用。這種靈活的做法，可以最大限度地利用針腳，并且盡量減少了對舵機數(shù)量的影響。

2.3 電機驅(qū)動模塊

L298N 模塊是電子產(chǎn)品中常用的電機驅(qū)動芯片[3]。其芯片內(nèi)含有驅(qū)動器，可較好地驅(qū)動步進減速電機轉(zhuǎn)動保證小車的運動。由于本次設(shè)計包含6 個步進減速電機的使用，其電流大的特點可較好地滿足工作要求及環(huán)境要求。

2.4 灰度傳感器模塊

灰度傳感器模塊是智能小車實現(xiàn)循跡的主要電子產(chǎn)品之一，在0.5～3.2 cm 的有效距離范圍內(nèi)它可以利用不同顏色對光的反射程度不同的原理，對所處的環(huán)境進行顏色深淺檢測，從而達到檢測的目的，實現(xiàn)循跡的效果。 同時Arduino Uno 開發(fā)板供給的電壓為5.0 V，其灰度傳感器工作電壓為4.7 ～5.5 V[4]，符合電壓規(guī)定。

2.5 步進減速電機模塊

本次設(shè)計的電機驅(qū)動部分采用步進減速電機，它具有扭矩大、重量輕、耐久度高等特點。通過采用步進減速電機可保證全地形小車行駛的穩(wěn)定性，其重量輕的特點可大大減少小車的重量，保證了小車的行駛速度和靈活性。

2.6 電源模塊

本次設(shè)計的電源模塊采用11.1 V、3 s、2200 mah的航模鋰電池進行電源供電，可保證對Arduino Uno單片機的正常、安全的供電，同時該型號航模鋰電池工作溫度范圍較大、動力強勁、足容足量高倍率，可保證電源的使用壽命和減少環(huán)境因素的影響。

3 軟件設(shè)計

軟件是全地形小車執(zhí)行命令的核心。本次軟件設(shè)計采用3 個灰度傳感器對黑白線進行識別，其中左右兩個傳感器分別位于黑線的兩側(cè)用于檢測白線，中間的傳感器位于黑線上進行黑線的識別，保證了直角轉(zhuǎn)彎時小車的正確循跡。在中間傳感器始終位于黑線時，當(dāng)左邊傳感器觸碰黑線時，左邊電機正轉(zhuǎn)，右邊電機正轉(zhuǎn)，小車快速左轉(zhuǎn)；當(dāng)右邊傳感器觸碰黑線時，左邊電機反轉(zhuǎn)，右邊電機反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)小車快速右轉(zhuǎn)。當(dāng)3個傳感器均檢測到白線時，小車后退，延遲2 min。重新進行檢測識別。其軟件流程如圖2 所示。

圖2 軟件流程圖

4 問題與解決措施

在進行全地形小車的設(shè)計過程中，其主要問題為循跡時的直角轉(zhuǎn)彎失誤；傳感器誤觸發(fā)；小車無法翻越階梯障礙；小車無法走直線。

4.1 循跡時的直角轉(zhuǎn)彎失誤

小車在直角轉(zhuǎn)彎時大多都有直接沖出跑道，無法正常循跡的現(xiàn)象，其主要原因為小車在行駛時因行駛速度過大導(dǎo)致慣性較強，小車無法在直角位置進行及時的調(diào)整，導(dǎo)致小車直接沖出預(yù)定軌跡。

為此，本次全地形小車在程序設(shè)計方面增加了傳感器全部識別黑線后進行后退的指令，當(dāng)小車沖出跑道時進行后退并重新進行循跡，進而達到正確行駛的目的。同時為實現(xiàn)較好的準(zhǔn)確性，當(dāng)小車遇到直角路口時觸發(fā)一個短暫的原地轉(zhuǎn)向動作，先保證小車快速轉(zhuǎn)向，其后傳感器繼續(xù)進行檢測，保證小車可以完成直角轉(zhuǎn)彎。

4.2 傳感器誤觸發(fā)

小車在翻越障礙時，由于車身高度的變化和環(huán)境因素的影響，傳感器會出現(xiàn)誤觸發(fā)的現(xiàn)象。

為此，我們設(shè)計調(diào)整程序的延時的時間長度，盡量降低誤觸發(fā)引起的動作影響。同時采用模擬量對灰度傳感器的讀取值進行輸入，極大地減少了環(huán)境因素對灰度傳感器值的影響，保證了灰度傳感器檢測數(shù)值的準(zhǔn)確性。

4.3 小車無法翻越階梯障礙

階梯障礙是全地形小車行駛的主要難點，在小車翻越過程中常會出現(xiàn)卡輪和頂死的現(xiàn)象導(dǎo)致小車無法繼續(xù)行駛。

本次設(shè)計，通過在小車的前部與后部各設(shè)計一個輔助輪輔助小車翻越階梯障礙，當(dāng)小車卡輪時，后部輔助輪可以幫助后部車身上揚，進而實現(xiàn)小車的翻越。 同時本次輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使小車重心靠前，在保證小車通過階梯障礙的同時，也可以通過其他障礙。

4.4 小車無法走直線

在小車搭建后在未加載傳感器進行行駛時，我們常發(fā)現(xiàn)小車行駛過程中處于斜向行駛無法正常行駛直線。為此我們提供了以下解決方法。

調(diào)整結(jié)構(gòu)：支架組裝擰緊、聯(lián)軸器和圓周舵機的輸出頭擰緊、更換使用長久導(dǎo)致零件磨損變形的零件、豎直方向不對稱可以增加紙張、塑料帶等不超出5mm的薄片；對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，可以通過程序進行微調(diào)，同時可在電機部分加上編碼器通過控制電機轉(zhuǎn)速對其進行速度統(tǒng)一；如果小車始終向某側(cè)偏斜，可以嘗試調(diào)換左右兩邊的部分機構(gòu)，以平衡誤差；設(shè)計緩沖結(jié)構(gòu)，在小車因左右位置機構(gòu)高度差而發(fā)生偏斜時，通過緩沖機構(gòu)對其自身進行調(diào)整。

5 實驗與調(diào)試

對全地形小車整體進行設(shè)計和安裝之后，將其放入實驗場地進行調(diào)試和實驗。實地觀察其行駛過程發(fā)現(xiàn)：全地形小車在通過階梯和柵欄及石塊地形時，可自行進行車身的調(diào)整，保證了其自身的穩(wěn)定性，同時其限位結(jié)構(gòu)可控制其上下移動范圍，對于小車的平衡有極大的作用。在小車轉(zhuǎn)彎過程中，當(dāng)小車輕微偏轉(zhuǎn)時，小車可快速地進行調(diào)整，保證直線行走，小車進行直角轉(zhuǎn)彎時，每次基本都能直角轉(zhuǎn)過。當(dāng)小車慣性過大，直接沖出線路時，小車仍可以退回，重新進行循跡。

實驗結(jié)果表明：本次設(shè)計的全地形小車，適用于大多數(shù)地形，并具有一定的自我平衡調(diào)整能力，其循跡能力較強，可保證循跡的順路完成，各項功能均正常。

6 發(fā)展與改進

本次全地形小車設(shè)計主要是通過簡單的方式實現(xiàn)自主循跡和翻越障礙的狀態(tài)，在完成現(xiàn)有目標(biāo)的情況下，同時還可以通過增加超聲波傳感器模塊、傾斜傳感器模塊、攝像頭模塊對其進行強化。

超聲波傳感器模塊可對前方的障礙進行檢測和反饋，使小車可以在通過障礙之前進行速度的調(diào)整，保證小車對障礙的平穩(wěn)通過。

傾斜傳感器模塊可置于小車的兩部，在全地形小車上下障礙時，實時的對所處狀態(tài)進行檢測，同時當(dāng)小車即將傾斜時通過傾斜傳感器模塊的檢測可以及時調(diào)節(jié)車身的狀態(tài)位置，極大地保證了小車通過障礙的安全性和可靠性。

攝像頭模塊可使用在直角轉(zhuǎn)彎問題的改進上，當(dāng)攝像頭模塊檢測到位于直角時，此時可通過所處的位置對其進行程序處理，增加直角轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性和可靠性，同時攝像頭模塊也可以用于障礙的檢測功能，通過對障礙的識別和算法分析，小車可以及時對所處的位置和情況進行實時處理，增加了越障性能。

本次全地形小車在現(xiàn)有的模塊基礎(chǔ)上通過加入通信模塊也可以進行遠程使用的功能，這些模塊的使用極大地豐富了全地形小車的使用功能和范圍。

7 結(jié)語

本次設(shè)計的智能小車適用于大多數(shù)復(fù)雜地形，并可進行自動的循跡調(diào)整，同時較傳統(tǒng)的全地形小車而言，本次設(shè)計的小車在保證穩(wěn)定性的前提下，可較大幅度地提升速度和靈活性。本次實驗得出的經(jīng)驗對越野車和智能小車的發(fā)展具有一定的積極作用和重要的現(xiàn)實意義。