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越障机器人越障循轨技术的实地和调试
摘 要：本文就越障机器人的越障和循轨技术做了详细的研究,提出了使用黑标传感器配合C程序编程来进行循轨越障的方案.创新性地使用一体式车身,增加机体的刚性程度,避免了小车在通过不平整道路时与地面碰撞致使车身中部变形而导致的通过性差的问题.最后对小车的实用性进行了分析,指出了其在现实生活中所具备的使用价值.
关键词：越障机器人；结构设计；实地调试；实用性
该越障机器人从搭建到最后实地调试运用了多种学科知识,包括机械技术、控制技术、微电子技术、传感器感应技术、计算机技术等的理论学科.基于车辆的通过性,针对恶劣复杂地形导致车辆无法通行的情况,我们参考雪地车的灵感,前轮采用直径较大的拨片轮,后轮采用履带轮,增加摩擦,加快机器人的通过速度.利用黑标传感器对明色背景下的黑色轨迹进行识别,从而控制机器人的运动方向,及时修正前进方向.
1结构设计
本越障机器人由运动控制模块、主控板、四轮驱动装置、传感装置组成.其工作原理是通过黑标传感器获取其内部信息和外界环境信息,然后经过主控板处理、加工,让机器人循着黑线通过斜坡、弯道、楼梯、草地等不同类型的障碍,以此来测试越障能力.
首先越障机器人通过使用黑标传感器,将接收到的信号传递给主控板,然后主控板通过运行程序对信号进行处理并反馈给电机,这样机器人就能够不断更正方向,使其能够循着黑线行走,这便是其信息的获取、加工和处理.本越障机器人作用于环境的驱动器为直流电机,它是机器人做出反应的执行机构.之所以选择直流电机,是因为其启动和调速性能好,调速范围广而且平滑,过载能力强,受电磁干扰影响小,这些优点都为调试提供了极大的方便.比如,当机器人偏离黑色轨迹时,此信息经过“大脑”处理后,机器人做出反应,改变直流电机的转速,通过差速修正小车的行驶方向,从而使其重新循着黑色轨迹运动.
该越障机器人采用一块可充电电池为直流电机提供电能,并采用四轮驱动机构驱动机器人行走,由于选用了四轮驱动机构,为了保证小车越障的能力与速度,整个车身的重心应尽量在车体前半部分,所以在前驱轮的选择上,我们选择了直径较大的拨片轮,增大了摩擦力,并且在车身前部加装导轮；在后驱动轮的选择上,我们选择简单的履带轮,结构轻便,有一定的摩擦力,如图所示.
2控制功能设计和传感器的使用
2.1 转弯的调试
我们以最大的差速,最短的时间进行微调,节省了时间.转弯时,我们采用先倒退后再前进的方法,因为机器人本身的速度不慢．若在转弯处不做任何处理直接转弯的话,机器人很可能由于惯性冲出转弯点,这样就会错过转弯的最好时机,故采用这样的方法来克服机器人的惯性作用.我们需要调试的是后退距离和转弯时间,后退距离过长就会出现机器人提前转弯的现象,进而无法寻到黑线,导致循迹失败；后退距离过短会使机器人来不及反应.转弯要考虑到机器人和地面之间的摩擦力,如果转弯时间设置得过短,再加上摩擦力的阻碍,很容易出现转不过弯的情况,当然时间设置过长则会出现相反的情况,当机身整个旋转到黑线之外,传感器就不再能感应到黑线,也就不能触发,机器人也会走歪.
2.2走直线调试
首先是通过硬件方面对机械结构进行调整,考虑轮子的受力方向将速度基本调平,再配合前面两个黑标传感器辅助进行修正微调.我们需要靠程序调整的是微调的时间,所以我们需要让机器人不断地行走,进行测试调整,才能找到合适的微调时间.时间过短或者过长都不利于微调,时间过短了则达不到修正的目的,因为机器人可能还没来得及进行调整,时间就已经到了,程序就会直接执行下一条命令；过长了也不行,那样会导致误触发.
2.3黑标循迹
该机器人配有两个黑标传感器,用于寻黑线进行左右微调,确保机器人能够循着黑线正常行驶,这两个黑标采用活动式装置,如图.它在行进过程中会随着车身摆动,这种装配最大的优点就是灵活性好,就拿固定式装配做对比,在上小型阶梯等障碍物时,若前面的传感器被固定了,机器人可能就会堵在上阶梯的地方,因为阶梯和机器人之间找不到受力点,前轮接触不好或者说不能完全与障碍物接触,无法找到有效的抓力点,自然很难爬上障碍物,这在越障的过程绝对是需要避免的.而活动式的传感器装配,在快要到障碍物的时候,当传感器碰到障碍物,就会自然受力向里弯曲,待机器人爬上障碍物传感器已经不会对其造成影响的时候,其又依靠重力作用自然下垂,这样的方式既保证了传感器在必要的时候触发又不会对翻越障碍物造成任何干涉.
程序部分运用C语言编写,同时使用有限状态机分析传感器的状态,使得逻辑更加清晰.在实现修正方向的基础上,缩短了程序的运行时间,更快修正方向,允许小车以更快速度行驶.
3创新点和实用性
3.1 一体式车身和导向轮的设置
越障机器人的车身由一体式铝板( 7xll孔平板)构成,这种刚性车身最大的优点是安全系数高,车身结实与轻巧兼备.当机器人冲下障碍物与地面产生碰撞的时候不会对机身造成较大的变形,并且对机器人的控制、耐用度诸多方面都有帮助.刚性越好,由于强度足够,机身的抗扭曲变形能力就越强,故机身在弯道中就不会出现因为变形而行动不顺畅,从而使操控性得以提升.若采用弹簧连接的两段式车身,在下小型阶梯等的障碍物的时候,由于较快的速度和惯性作用,机身会直接冲撞下来,再加上大负重,机器人的机板很有可能被撞变形,这会对机器人本身造成伤害.
车身前部还配备了导向轮,如图.这里的导向轮是为机器人顺利通过隧道做准备的,因为机器人在隧道里面和隧道内壁不可避免的会发生摩擦,并且摩擦力较大.而导向轮是用铰链连接的,铰链连接在一起的零件不能移动,但可以转动.此处导向轮的设置就避免了机身和内壁直接接触,当进入隧道并在里面行进的时候,由于使用了滑动轴承,圆形的导向轮和隧道内壁接触并滚动摩擦,这种方式的接触大大减小了摩擦力,增大了机器人通过隧道的机率.使用导轮辅以传感器和主控板,使得机器人在通过U形管时能够更加快速平稳转向,减小管壁对车身的冲击,大大增加了机器人的通过率.
3.2其具有的实用价值
该机器人适用于载重大的运输车辆,以及底盘较低的轿车.运用于载重汽车,提高车身刚性可以保证车身更加稳定,提高承载能力；运用于轿车,更高的刚性能保证轿车即使在通过不平整道路时都始终保持最大的离地间距,而不会出现多体式底盘导致的离地间距小引起的通过性差的问题.
在实际生活中,车辆的刚性强度与汽车在恶劣的道路上行驶的舒适度密切相关.当行驶在凹凸不平的路面上,刚性低的车身就会产生更多的摩擦和位移,这会使乘车人感觉不舒适,也会导致车身各部分的变形,久而久之金属也是会疲劳的,一定程度上车辆的寿命也会受到影响.
4结语
本文使用黑标传感器配合计算机编程实现了循迹与越障,创新性的使用一体式车身、前置活动式传感器以及调速性能好且调速范围广的直流电机,大大增加了机器人越障成功的机率.
参考文献：
[1]陈殿生,杨喜,李强,小型地面侦察机器人移动栽体技术研究[DB/OL],2015.
[2]孙恒,机械原理[M],高等教育出版社：孙恒．2013.
[3]探索者·机构大全[M],机器时代（北京）科技有限公司,2015.
（注：制作本机器人的材料来源于探索者）
作者简介——
徐静：（1996.03-）,女,汉,江苏扬州人,南京林业大学本科学生.
汪志全：（1995.08-）,男,汉,安徽安庆人,南京林业大学本科学生.
张珠丹：（1995.06-）,女,汉,江苏扬州人,南京林业大学本科学生.
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