基于Arduino的全地形越野機器人設(shè)計與競賽

　　摘 要: 全地形越野機器人是現(xiàn)今機器人行業(yè)發(fā)展的一大分支，涉及“機”、“電”、“控”相關(guān)學(xué)科知識，包括機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、程序電路的編寫與調(diào)試、自動控制的實現(xiàn)等，這些因素設(shè)計的好壞關(guān)系到機器人的移動速度、越障能力等各方面性能。初學(xué)者以及對機器人有所了解的人們?nèi)绾慰焖賹θ匦螜C器人設(shè)計進(jìn)行入門，對于風(fēng)靡全國的全地形機器人大賽的應(yīng)對策略有哪些。本文將進(jìn)行基本論述。

　　關(guān)鍵詞: Arduino; 全地形; 機器人; 競賽

　　Arduino 作為一種開源性電子設(shè)計平臺，應(yīng)用于很多領(lǐng)域，包括硬件( Arduino開發(fā)板)和軟件。市面上又有很多以 Arduino 為核心，傳感器、電機等硬件為載體的電子設(shè)計模式。利用 Arduino 進(jìn)行全地形越野機器人的設(shè)計，可以很大程度上減少軟硬件搭配、越野設(shè)計方式上的障礙。常見的機器人競賽，例如“中國工程機器人大賽”，江蘇省、四川省等一些省教育廳主辦的機器人競賽，都設(shè)有全地形越野類競賽，對于此類競賽如何應(yīng)對，利用 Arduino 如何進(jìn)行具體設(shè)計，本文將從以下三個方面講述.

　　一、全地形機器人設(shè)計基礎(chǔ)與零件維護(hù)

　　全地形機器人的主要目的是進(jìn)行障礙避讓或翻越。其設(shè)計主要分為底盤設(shè)計、驅(qū)動模塊設(shè)計、程序設(shè)計三大部分。底盤主要分為剛性底盤、主動適應(yīng)性底盤、被動適應(yīng)性底盤，其帶動方式又可以分為輪式、履帶式、仿生式。不同的底盤適應(yīng)不同的障礙，剛性底盤通常用于機器人動力較強時應(yīng)對較低矮的障礙，其牽引力較強但穩(wěn)定性相對其他兩種底盤較差。主動適應(yīng)性底盤通過其他機械部件的添加以及程序的設(shè)計可以用于多種不同類型的障礙，被動適應(yīng)性底盤相對于剛性底盤更容易越過高難度的障礙，但面對一些特殊障礙又遜色于主動適應(yīng)性底盤。

　　驅(qū)動模塊設(shè)計以直流電機和舵機為主，直流電機控制容易，舵機容易提供更大的扭力。相對于不同的障礙應(yīng)選不同的電機和裝配方式。通常情況下，六電機、[1]六輪式機器人具有越障能力高、承載能力強、結(jié)構(gòu)和控制簡單、轉(zhuǎn)向靈活、工作效率高等優(yōu)勢。

　　程序設(shè)計方面，Arduino 兼容 C/C++語言，用戶通過 C/C++ 語言對輸出模塊(電機、燈、蜂鳴器等)進(jìn)行程序化控制，從而實現(xiàn)各部分的搭配工作，達(dá)到預(yù)期避障目標(biāo)。通常對于全地形越野競賽，設(shè)計者需要就實際賽道、障礙設(shè)計獨有的程序，有時甚至需要設(shè)計一些特殊的程序，例如:現(xiàn)有一條賽道，設(shè)計要求在發(fā)車后三秒直行且屏蔽循跡功能且在通電 25 秒后停下，故可定義宏常量 t = 0，使其在 loop 循環(huán)中 if(t = 0){t++;直行程序}，這樣就可以避免無限循環(huán)三秒直行程序，再利用 Millis 函數(shù)控制停止時間，一整套的特殊要求程序就完成了。電子控制程序設(shè)計應(yīng)力求簡潔、易讀懂、功能性強。

　　全地形對于機器人的磨損和硬件消耗是比較大的，對于零件的保養(yǎng)不可忽略。電機的接線點要保持緊固狀態(tài)，且電機的一些部件比如金屬齒輪、焊接點等要注意防止生銹，尤其要注意各種因素(接線、電池電壓、主板輸出電壓等)對電機實際電壓的影響，防止電機由于電流過大而燒損。在通過障礙的時候，可能會對一些傳感器(例如黑標(biāo)、灰度、近紅外等)造成觸碰和摩擦，應(yīng)當(dāng)在傳感器輸入輸出頭進(jìn)行保護(hù)，防止與障礙面產(chǎn)生接觸、摩擦，造成傳感器感應(yīng)誤差增大。

　　二、全地形機器人調(diào)試方法

　　對于一個全地形越野機器人成品，設(shè)計和選材是最基礎(chǔ)、最簡單的部分，而調(diào)試和后期升級是最主要的部分，通常起到至關(guān)重要的作用。調(diào)試時常會出現(xiàn)一些特殊的問題，例如黑線不循跡、直角拐彎沖出軌道、臺階上不去、電機停轉(zhuǎn)等等問題。解決這些問題時要按照排除方式進(jìn)行，首先發(fā)現(xiàn)問題，其次進(jìn)行各種因素的排除直到徹底解決問題。例如:現(xiàn)小車左邊輪子轉(zhuǎn)而右邊不轉(zhuǎn)，首先重啟電源，然后將拓展板左、右側(cè)電機輸出插口互換，如果此時原右側(cè)旋轉(zhuǎn)而原左側(cè)不轉(zhuǎn)，可以排除是輸出口問題，然后旋轉(zhuǎn)原左側(cè)一個輪胎，如果原左側(cè)其他輪胎由于電磁感應(yīng)而旋轉(zhuǎn)，可確定兩側(cè)接線均無問題，這時可以擰松電機長螺絲，因為電機長螺絲如果過緊，對電機齒輪擠壓也會造成其無法旋轉(zhuǎn)。如果此時問題依舊存在，可以初步判斷是程序問題。

　　對于全地形機器人的后期調(diào)試一定要有耐心，在不斷發(fā)現(xiàn)問題的過程中積累經(jīng)驗。同時，分析一個障礙問題不僅要從小車本體出發(fā)，還要注意障礙物本身的性質(zhì)。以經(jīng)典臺階障礙為例:爬越臺階的過程是機器人連續(xù)翻越障礙的過程，[2]也是全地形機器人必須完成的較困難的任務(wù)之一，除了機器人本身功率之外，影響機器人爬越樓梯的關(guān)鍵因素是力矩的大小和樓梯的具體參數(shù)。這時候如果需要考慮機器人的重量、重心空間位置、接觸面摩擦系數(shù)、樓梯頂點矢量傾斜度等因素。例如:剛性底盤小車爬 10 厘米 EVA 材料二級樓梯后輪卡在一級臺階無法上去，首先可以考慮增大接觸面摩擦系數(shù)，比如在輪子上加履帶、加螺釘或粘貼 PLA、ABS 摩擦帶、輪胎內(nèi)胎，如果上臺階依舊費力，可以考慮更改車體結(jié)構(gòu)，例如更換為被動適應(yīng)性地盤，以貼合障礙物，提供更大斜向摩擦力，其次，使小車重心前移也是不錯的辦法，例如將小車后側(cè)裝配的電池、主板等裝置移至小車前側(cè)，或在小車前部適度增加配重，更容易使得小車對遞進(jìn)級臺階接觸面壓力增大，進(jìn)而非垂直向摩擦力增大。

　　在調(diào)試過程中要尤為注意傳感部分調(diào)試。傳感器的安裝位置和高度都是調(diào)試的主要內(nèi)容，例如:對于帶有循跡功能的全地形機器人，黑標(biāo)傳感器的識別高度各不相同，要不斷單獨測試、調(diào)整其高度，直到每個傳感器識別狀態(tài)最佳。對于傳感器的調(diào)試要注意，一旦完成其調(diào)試，就不可再進(jìn)行大范圍改動，因為微小的改動都可能導(dǎo)致傳感器傳感應(yīng)用失效。

　　三、全地形越野機器人競賽策略

　　如果說全地形機器人的設(shè)計和調(diào)試是百分之七十的工作，那剩下的百分之三十一定是競賽臨場的發(fā)揮以及策略。目前各大全地形越野競賽多以北京機器時代公司的“探索者”套件為主，其優(yōu)點是機械套件鎂鋁合金強度高、重量輕，且其傳感器傳感靈敏，其主板基于 Arduino UNO 設(shè)計，容易控制且工作效率高。

　　競賽中，首先在賽前現(xiàn)場賽道調(diào)試時要注意賽道和障礙是否按照競賽手冊要求布置、光線是否良好，對于有所差別的障礙，可以向場地維護(hù)員提出場地維護(hù)申請。其次要充分利用正式比賽前的現(xiàn)場調(diào)試時間，通常情況下現(xiàn)場調(diào)試時間非常短，這就需要選手發(fā)揮賽前所積累的各種調(diào)試經(jīng)驗，以應(yīng)對不同于以往訓(xùn)練環(huán)境的突發(fā)情況。最后，能否正常發(fā)揮出平時訓(xùn)練水平是至關(guān)重要的，這就需要發(fā)車人良好的心理素質(zhì)，發(fā)車不要偏，不要受環(huán)境和心理影響過大，否則微小的心理波動都會使比賽結(jié)果產(chǎn)生巨大偏差。

　　四、結(jié)語

　　全地形越野機器人的設(shè)計并不困難，但要將其用于比賽中，并取得較好成績，也并非易事，參加探索者全地形類比賽時，面對突發(fā)問題要沉著冷靜，考慮全面，軟硬件兼顧。

　　期刊推薦：《機器人產(chǎn)業(yè)》是由中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院主辦的期刊。主管單位：中華人民共和國工業(yè)和信息化部，主辦單位：中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，創(chuàng)刊時間：2015年3月25日。本刊主要是關(guān)注機器人領(lǐng)域技術(shù)演進(jìn)、產(chǎn)業(yè)弈及產(chǎn)品應(yīng)用，加強該領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研信息交流，推進(jìn)我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型。有投稿需求的作者，可以直接直接與在線編輯聯(lián)系。

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