高 遠

（河南大學歐亞國際學院，河南 開封 475000）

1 課題來源及設(shè)計要求

根據(jù)中國機器人及人工智能大賽“全地形小車設(shè)計制作”賽項之規(guī)定，本全地形機器人需要自主完成窄橋，臺階及隧道三種越障任務(wù)以及氣球爆破。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照行走方式分類，本小車屬于輪式結(jié)構(gòu)；按照越障方式分類，本小車屬于被動適應(yīng)式底盤，車身整體上可被分為兩段。相較于剛性底盤，其能夠更好地適應(yīng)地形，在窄橋及階梯障礙中均有良好的越障表現(xiàn)；相較于主動適應(yīng)底盤，其對懸掛機構(gòu)要求較低，不需要外加更多的探測模塊，在低速越障過程中的表現(xiàn)更為穩(wěn)定。

車輪設(shè)計上，前兩輪與后兩輪采用履帶覆蓋來增加摩擦力與輪徑，與中間兩輪形成輪徑差。其中前四輪與一可活動的半六邊形結(jié)構(gòu)相連構(gòu)成懸掛機構(gòu)，可在越障時抬起車頭與后兩輪形成一定夾角達到被動適應(yīng)地形的效果。

圖1 懸掛機構(gòu)示意圖

圖2 項目組設(shè)計的全地形車底盤3D建模

經(jīng)計算，當懸掛機構(gòu)抬起與地面形成角度 時整個機構(gòu)的重力全部施加到前輪輪心處，此時機構(gòu)可能會整體倒向后輪。然而在整個越障過程中，不會出現(xiàn)重心失衡的情況。本設(shè)計在保有輪式結(jié)構(gòu)速度快，效率高的同時也能兼具履帶越障能力強，穩(wěn)定性高的優(yōu)越性。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 整體框架

應(yīng)組委會要求，控制系統(tǒng)的硬件部分全部選用“探索者”套件中的電子產(chǎn)品?？刂葡到y(tǒng)各模塊引腳布局及整體接線策略如下：

圖3 控制系統(tǒng)各模塊引腳布局與接線策略

3.2 關(guān)鍵組件選型及安裝

3.2.1 核心控制模塊

核心控制板部分選用了Basra控制板+Bigfish拓展板的組合。雖然Arduino2560控制板雖然又更多的I/O口可供使用，而Basra+Bigfish的組合相較Arduino2560控制板，整合了3A6V穩(wěn)壓模塊，專屬舵機接口，F(xiàn)AN8100MTC直流電機驅(qū)動芯片、可直接驅(qū)動舵機、直流電機、無需外圍電路。同時，前者板載的USB驅(qū)動芯片及自動復位電路，燒錄程序時無需手動復位，在后期的需要大量調(diào)參的情形下更有利于調(diào)試參數(shù)。

綜上，Basra控制板+Bigfish拓展板的組合更適合全地形移動機器人的制作設(shè)計。

3.2.2 循跡模塊

循跡模塊選用廠家提供的灰度傳感器作為全地形車的循跡模塊。工作電壓4.7V-5.5V，工作電流1.2mA。

此灰度傳感器在由一組安裝在同一平面的發(fā)光二極管和光敏二極管組成。在全地形移動機器人行進過程中，發(fā)光二極管發(fā)出白光照射在檢測面上，檢測面反射的光由光敏二極管被取樣后將返回一模擬量作為當前檢測面的灰度值，通過與程序設(shè)定的灰度值進行比較從而判定小車所處的運行狀態(tài)安裝上采取“前二后二”的安裝策略，即車頭車尾各部署一對灰度傳感器。其中車頭安裝的兩個灰度傳感器間隔5cm，經(jīng)測量恰好可以卡住場地上的黑線，能夠令機器人完成循跡；車尾安裝的兩個灰度傳感器間隔8cm， 如果在行進過程中出現(xiàn)偏移黑線的情形，后面的一對傳感器可以監(jiān)測它的偏移程度并及時糾正機器人的行進路徑。

3.3 基于PID開環(huán)算法的分段控制策略

由于本次賽事的器材限制，我們選用PID開環(huán)算法作為電控算法。由于缺少反饋輸入，其輸出常常受到系統(tǒng)元件工作狀態(tài)及校準精度的影響，存在調(diào)參繁瑣，穩(wěn)定性差等問題。我們從分段化的思想出發(fā)，給出了一種優(yōu)化方案。

根據(jù)整個比賽場地的障礙分布，將控制算法分為六個階段編寫。

圖4 比賽場地及分區(qū)

表1 任務(wù)分區(qū)表

3.3.1 窄橋越障

本文注重論述移動機器人的全地形越障能力，因此只給出前三個任務(wù)的程序設(shè)計方案。

窄橋越障需要保證三點：一是機器人越障時兩側(cè)輪子轉(zhuǎn)速相近，保證其不偏斜嚴重；二是機器人越障前處于相對較平直狀態(tài)；三是機器人動力足夠，保證電壓夠大。

圖5 窄橋越障邏輯框圖

3.3.2 隧道越障

管道越障算法設(shè)計采用兩段循環(huán)，分別為直線循跡和管道循跡。

上述代碼段出現(xiàn)的三個函數(shù)：

（1）NCar_Track（）：直線循跡函數(shù)，通過設(shè)置迭代次數(shù)控制機器人直行距離，從而保證其順利進入管道；

（2）Snake_Track（）：管道中循跡函數(shù)，二者區(qū)別是參數(shù)不同，循跡情況判斷不同。

圖6 階梯越障邏輯框圖

（3）Position_Adjust：位置糾正函數(shù)，保證黑線位于機器人前兩傳感器中間。

3.3.3 階梯越障

階梯越障需要保證兩側(cè)輪子速度大致相同且需要控制速度區(qū)間，速度過大可能會導致卡在階梯上，速度過小可能會導致爬不上階梯。

3.4 控制系統(tǒng)評價

受限于PID開環(huán)算法的局限性，控制程序的編寫需要經(jīng)過大量調(diào)試來確定參數(shù)取值。而我們基于分段化的思想，對每一段動作編寫對應(yīng)的函數(shù)，可以實現(xiàn)對機器人動作的精確控制，一定程度上優(yōu)化了開環(huán)算法的局限性。

這樣的控制方案低速，路徑固定且執(zhí)行任務(wù)精度要求較高的場合特別實用。