智能避障无碳小车

刘轩　张喜存　赵萌　舒生

摘 要 根据工程中培养大学生综合能力培养的要求，一种自行小车用Arduino控制功能的重力势能驱动的开发。该小车可以实现自动行走并避过场地上的障碍物，还能通过改变程序中参数达到应对不同间距障碍物的简单调节效果，适应障碍物的变化。通过对小车的结构设计优化，通过赛道模型建立，规划路线，通过使用编码器确定小车行走的路程，使用算法实现避障的功能。对此类比赛具有一定的参考价值。

关键词 无碳小车 重力势能驱动 规划路线 编码器 避障

中图分类号：R235.3 文献标识码：A

0引言

“第五届全国大学生工程训练综合能力竞赛”的主题为“无碳小车障碍赛跑”，需要设计一种汽车，驱动行走及转向的能量是根据能量转换原理，由重力势能转换而得到。该重力势能有大赛给定的质量为 1kg 的标准砝码（ 50€？5mm，碳钢制作）来获得，要求砝码课下降高度为（400€？mm）。小车应具有跟踪障碍物识别、轨迹判断和自动转向功能，具有制动功能，避免履带上的障碍物。

越障的难点在于障碍物检测的传感器选择以及避障方式的实现，并要保障其避障的稳定性，以避过更多的障碍物。将设计任务分为机械部分设计和电控部分设计，其中电控部分设计为主要的设计任务。

1赛道

轨道宽度为1.2米，形成约15.4米宽的圆形轨道约为2.4米，其中直线的长度为13米，两端半径的曲率半径约为1.2米，总长约为中心线的长度，见图1。

轨道的边缘设有高度限制板80mm，追踪间隔交错的多重障碍，障碍墙高度约80mm，相邻的墙之间的最小距离是1米，每个障碍物从赛道一侧边缘延伸至超过中线100-150mm。

在直赛道设置有1段坡道，坡道由上坡道、坡顶和下坡道组成，上坡道的坡度为3€皜？€埃缕碌赖钠露任？.5€皜？.5€埃黄露ジ叨？0€？mm，坡顶长度为250€？mm，坡道位置事先公布。

2机械部分设计方案

无碳小车主要分为车架、原动机构、传动机构、转向机构、驱动机构的五个模块分别设计了各模块，并利用SolidWorks对三维建模进行干涉分析，并优化工艺流程，优化成本方案。

2.1原动机构

设计滑轮，通过棉线一端连接重锤，另一端固定在小车大齿轮轴的绕线轴上，对小车后轮产生驱动力矩。

2.2传动机构

无碳小车要求运动稳定，于是选择圆柱形直齿轮作为传动元件。赛题要求出发一段距离后，要求上一段斜坡，所以小车需要足够的速度以冲上斜坡，这就意味着需要更大驅动力矩来获取较大的加速度。于是设计了一种绕线轴以增大驱动力矩。如图2所示。

2.3转向机构

无碳小车转向需配合单片机控制，于是采用控制舵机转向来控制小车前轮转向，设计了一种以紧定螺钉为固定方式的前轮支架，采用3D打印技术制作，便于加工，节约成本，结构如图3所示。

2.4驱动机构

为了方便转弯，后轮需要使用两轮差动传动。在设计中，差动功能由单向轴承实现。其原理是，当车轮转速较大时，从动轮被驱动为驱动轮。

3电控部分设计方案

无碳小车为实现赛题设定要求，电控部分共分为单片机控制模块、舵机模块、电源模块、路程测量模块和微调控制模块5个模块。

3.1单片机控制模块

主控芯片采用Arduino单片机，其主要是处理编码器、超声波的数据，并根据编写的程序通过控制舵机转向来控制小车转向。Arduino具有编程语言简单和开放性抢的特点，适合于初学者使用，并可以通过需求增加拓展板以获取更多的功能。

3.2舵机模块

舵机使用MG995舵机，该舵机具有质量轻，响应速度快，扭矩大的特点，其工作电压为3.0v-7.2v，最大转动角度为180€埃钚》直娼强纱锏？.5€啊Mü饔胊rduino编程语言myservo库函数控制舵机转动角度。

3.3电源模块

电源采用比赛要求6节1.5v共9v的碱性干电池作为电源给单片机供电。电池的正负极分别与单片机的VCC端和接地端连接。

3.4路程测量模块

该车采用双通道增量式光电编码器作为测距装置，安装小车左后轮位置，主要目的是通过走过的距离检测汽车左后轮。编码器脉冲数500。编码器旋转一圈并发出500个脉冲，脉冲编码器的旋转角度转换为0.72O，测算后轮周长L，则有对应关系，编码器每转动 ，小车走过（ /360€皜譒）的距离，编码器转动360€埃〕底吖桓龊舐值闹艹こざ萀，以此作为小车左后轮走过的路程的检测。

3.5微调控制模块

在小车的前左右部位安装三个SR04超声波作为距离检测模块，如图4所示。可以实时检测小车前方，左侧，右侧的距离障碍的距离，从而更好的实现避障。SR04超声波具有良好的性能，侦测距离和精度较高，程序编写简单，工作电压+5v，检测精度€？%。

4具体设计与实现

4.1避障的工作原理

程序的主体框架为直行，超声波检测到障碍物时，前面的车时实施编码器的避障程序，通过车的MATLAB仿真的正确轨迹模拟，确定转动的角度，汽车转弯避障程序需要写编码器的距离。当汽车的左超声波检测距离大于右超声波检测距离时，执行右避障程序；当小车的左超声波检测的距离小于右超声波检测的距离时，执行小车左转程序。主要是向左右相对开阔的方向进行转向避障。当小车运动中左超声波检测的数据小于警戒值或右超声波检测的数据小于警戒值时，开启中断执行微调程序，使小车向较小距离的反方向转动小角度后回复至中位，避免撞到侧板。程序流程图如图5所示。

4.2实验结果

通过对轨道电路的仿真，实现小车的避障功能，使小车在设定的轨迹上行走，通过超声波检测小车的转弯方向来确定。小车在模拟赛道上实景示意图如图6所示。

5结语

本文提出了一种抗干扰性强，经济性高的一种避障无碳小车。在倡导创建环境友好型社会的大环境下，无碳小车小车紧跟时代潮流，并且本文提出的避障方式对于工业机器人领域有一定的实用价值。具有很大的经济效益。在本次比赛中，通过团队合作，将理论运用于实践，从设计到制作，再到装配，调试。每一步都不容马虎。同时也使得我们学会很多东西。小车有很多不足，这些都有待进一步发展和提高。

参考文献

[1] 范红.智能机器人路径规划及避障研究[D].浙江：浙江大学博士论文，2003.

[2] 赵津，朱三超.基于arduino单片机的智能避障小车设计片[D].贵州：贵州大学，2013.

[3] 李杰，谢良喜，等.无碳小车轨迹模拟及转向机构的优化[J].制造业信息化，2015：36-38

[4] 胡夏.六足步行机器人直形关键技术研究[D].浙江：浙江大学，2008.

[5] 赵雄飞.光电编码器的原理及应用[J].天津冶金，2016：44-46.

[6] 廖汉元，孔建益.机械原理[M].北京：机械工业出版社，2007.endprint