本项目针对探索者杯比赛设计了一款可伸展机械臂履带式循迹越障小车。该机器人可检测信号、识别信号并执行正确的循迹和越障程序。相比较传统履带式循迹越障小车，可伸展机械臂履带式循迹越障小车运用串口通信、路径规划、LED显示等创新技术，使小车具有传感器少、准确度高、响应灵敏、适应性好的特点。本文详细介绍了小车设计过程思路和算法策略分析。

      关键词：履带式机器人；控制系统；越障

1. 市场调研及前景说明

      随着我国人工智能技术的进一步发展，自动驾驶汽车吸引了越来越多的目光，人们对智能循迹小车适应各种复杂路况性能、安全平稳性等要求越来越高。智能汽车作为一种智能化的交通工具，体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。智能车的研究将会给汽车这个产生了一百多年的交通工具带来巨大的科技变革。各国科学家和汽车工作人员以及汽车爱好者都在致力于智能车的研究，研究的成果己经应用于各个领域，在探测和军事领域使用特别多。例如，前苏联在1959-1976年间成功发射的两个月球探测车以及美国在2005年发射的“勇气”号和“机遇”号火星探测器实质上都是装备先进的智能车辆。因此，研究智能车的实际意义和取得的价值都非常重大。              

      我国作为一个世界大国，在高科技领域必须占据一席之地。近年来，我国也开展了很多智能车的研究工作，并取得了较为显著的成果，例如:成功研制了我国第一辆自主驾驶轿车、开发了具有多种传感器的7B.8军用室外自主车等。我国科技部于2002年正式启动了“十五”科技攻关计划重大项目——智能交通系统关键技术开发和示范工程，其中一个重要的内容就是进行车辆安全和辅助驾驶的研究。可以预计,我国飞速发展的科学技术和经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。

      寻迹小车可以看作是缩小化的智能汽车，它实现的基本功能是沿着指定轨道自动寻迹行驶。就智能小车发展趋势而言:相比价格昂贵、体积大、数据处理复杂的传感器，CCD反射式光电传感器以其价格适中、体积小、数据处理方便等更具有发展优势。本设计利用传感器识别路径，将赛道信息进行识别处理，利用主控芯片控制小车的行进进而完成循迹，体现了多功能小车的智能模式。设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。这样的小车在科学考察探测车上也有广阔的应用前景，在科学考察中，有很多危险且人们无法涉足的地方，这时，智能科学考察车就能够派上用场，在它上面装上摄像机，代替人们进行许多无法进行的工作。随着计算机技术、自动化科学技术等的发展，智能汽车在消防、交通等领域的应用也越来越广泛，智能车产生和不断探索并服务于人类的趋势不可阻挡。

2. 功能介绍

2.1 自动循迹功能

      小车行驶轨迹包括直线行驶、十字路口、丁字路口、转弯等，其中丁字路口和十字路口要求小车能快速准确地识别信号并能迅速进行调整，且小车在直线行驶的时候舵机速度不能太快，否则会导致车身摆动太大。利用灰度传感器对黑线的检测识别路口信息，根据信号的反馈控制车身运动速度和方向，以保证小车按照预定路线进行行驶并实现自动循迹功能。

2.2 多地形越障功能

      小车行驶的障碍包括减速带、阶梯、方形或U型隧道、窄桥、攀登、草地等，其中石块地形、减速带、柔软草地等对小车的轮子选择有一定的要求，小型阶梯、大型阶梯、窄桥和攀登需要小车有一定的登高越障能力。采用履带的方式驱动小车行驶，以确保小车在减速带和草地等不同环境中的行动能力。由舵机调整放下或是抬起前伸轮以确保小车在越障时具有足够的扭矩和马力，实现爬梯、过窄桥、登高等多地形越障功能。

3. 作品设计

3.1 主体车身设计

      小车主体车身由两个7*11孔平板和一个5*7孔平板组成，该结构使得即使后期对车身有很大改动，也能较容易拆卸改动。主体车身采用两个圆周舵机带动两个主动轮，加以履带四轮驱动，圆周舵机保证了小车行驶的稳定性，履带增强了小车的爬坡性能及障碍可适应性。

作者：云俊童 田锦容 袁忠平 刘玉婷

单位：武汉科技大学

指导老师：陶波 李公法

3.2 寻迹模块

      考虑到循迹程序的实现，小车采用四个灰度传感器呈直线加装在双足支杆上，并通过螺丝和螺母连接到车身前端的车架上。在螺丝与传感器之间加装两个螺母，使小车越障时，传感器不与障碍物接触，减少磨损。同时在传感器上粘贴LED灯，避免循迹时周围光线对传感器的影响，提高小车循迹的稳定性。

3.3 越障结构

      小车越障模块主要由两个直流单机、一个大舵机、前臂和前伸轮构成。将大舵机与其支架固定连接，用两个双足脚将舵机支架即舵机连接在主车身上，另将3*5双折面板与舵机进行连接。直流电机通过直流电机支架组成对称结构固定在小的双折面板上，再将两个双折面板进行连接组成前臂驱动结构即越障模块。采用直流电机驱动，确保小车在越障的时候有足够的扭矩和马力，采用对称结构使得小车行驶更加稳定。并且因为设计的简单化，使得主体车身在方案上有着很强适应性和优良的加装性能。

3.4 主控模块

       在车身前端的两个360舵机支架上安装一7*11孔平板，将主控模板粘贴在这块板上。主控模块采用一套Brasa主控板和Bigfish扩展板进行循迹和越障的控制，通过螺丝和螺柱来调节高度使主控板方便接线，并且两块主控板处于对称的位置，有利于车身的稳定。

3.5 硬件设计

3.5.1 循迹设计

      理论上循迹传感器模块设计传感器数量越多，循迹越准确。但过多的检测识别信号会导致车身经常调整，使小车行驶的平稳性大打折扣，并且降低了小车的可靠性。考虑到黑线具有一定宽度（3.8cm±0.2）且除直线循迹外，循迹传感器模块还需要识别十字交点的情况，我们采用了紧挨式接发，接三个灰度传感器装在车身前端下部，检测车身方向并反馈合适的调节信号，不会因为过频繁的反馈而导致车身频繁调整。同时结合路径规划可以有效保证识别精度和识别准确度，确保小车循迹功能的稳定性和迅捷性以及可靠性。

3.5.2 越障设计

      理论上合适的动力和倾角即可满足本次比赛越障需求，但实际调试发现仅凭履带式驱动轮和车身前端倾角会导致循迹模块没有合适的地方放置，会干扰履带的行进或者在越障时循迹模块容易卡在障碍物地形中。所以我们在后期对小车进行改进，采用可展开驱动轮的支撑轮系和在其上加装两个直流电机的越障模块来确保小车车身在越障时有合适的倾角，同时也不会影响到循迹模块的循迹效果。

3.5.3 控制设计

      考虑到轮系和越障时的支撑要求，小车共采用两个圆周舵机，一个标准舵机，两个直流电机。其中车身采用两个圆周舵机驱动完成循迹要求，前端的展开式驱动轮越障结构采用两个直流电机和标准舵机调整角度和提供驱动力。

3.6 软件设计

3.6.1寻迹与越障设计

① 直线和一般转弯交点设计

     小车采用4个灰度传感器设计循迹功能。合适的传感器间隔和详细的真值表可确保循迹和普通转弯功能的稳定性。

表1 循迹逻辑表

（注：此真值表是不包含过度线路的真值表）

      该策略的要点在于如果发生了跑偏的可能即触发为1111,0101,0110，为了增大其还能寻迹的可能，使其执行上一次执行的结果。

② 十字交点循迹

      结合比赛场地要求，场地中共有四个十字交点，要想保持循迹和越障的连续性，则必须要对十字交点循迹做出处理。

      首先我们想到的是用颜色识别传感器对十字交点处的色块进行识别，但实际使用过程中，我们发现颜色识别传感器对色别识别速度太慢，除此之外，颜色识别模块需要前置判别语句或打断程序，为提高程序的易书写性和准确性，我们最后仅采用灰度传感器模块和路径规划对特殊交点进行处理。

③ 地形障碍

      地形障碍共有2种分别为：管道和栅栏。

      栅栏障碍对小车进入障碍的方向角度和小车行驶的稳定性提出很高的要求，在栅栏上小车无法进行循迹，所以小车若稳定性不足或小车车身进入角度倾斜不正确，会导致小车驶出障碍时车身方向与正确线路偏差过大，这时循迹传感器很有可能位于比赛场地的白色区域内，小车无法循迹，并且无法设置合适的程序补救。同时除此特点外，栅格有一定的高度对小车的越障能力有一定的要求，需要小车具有一定的攀爬能力。

      在实际越障过程中，我们采用的方案是放下位于车前端的机械臂，并且同时驱动两个直流电机和两个圆周舵机，加长车身长度来提高行驶的稳定性。同时机械臂可以控制放下角度和时间，来进行小车攀登动作，完成进入到障碍物中的过程，控制小车保持放下机械臂直至越出障碍。

④ 阶梯障碍

      小型阶梯障碍，当小车由循迹前进——循迹后退——循迹前进的调整程序进入越障阶段后，小车的驱动电机开始运动并配合有规律的放下——抬起机械臂的动作来调整小车Y轴行驶角度，来完成攀登动作最终实现越障功能。并在越障功能中加入减速程序，使小车在越障过程中不至于出现跌落或攀登不上障碍的情况。同时还需要调整越障时间，避免出现冲出比赛正确行驶路线的情况。

⑤ 隧道障碍

      通过U型隧道，在实际越障过程中，调整车身长度和宽度，通过循迹功能，即可实现隧道越障功能。

⑥ 窄桥

      窄桥障碍由于传感器高度和车身结构限制所以在登窄桥障碍时，必需放下前端机械臂，起到保护前端传感器的作用，避免被磨损或卡住车身的情况出现。

3.6.2 综合设计

① 线路切换

      我们采用灰度传感器识别黑纸来实现程序调换，并用LDA来显示。一般程序调换时，大家会选择触碰传感器来实现程序调换，但这样会需要一个传感器接口，这样只能用三个传感器来循迹，如果增加bigfish板增加攒感器接口，那样会增加主控板负担，容易出现程序混乱的情况。所以我们直接利用灰度传感器来实现程序调换就可以实现四个传感器也只需要一块bigfish板。

② 转弯控制

      正常情况下，小车的转弯命令是控制两边车轮的速度差来实现左转，右转或是180度和360度转弯。而且绝大部分人会选择两边轮子都在转动只是转速不同。实践证明这种转弯方式，小车会陷入来回摇摆的状态，车身不稳定。我们采用的转弯方式是一边轮转动一边不转，这样再转弯时，小车不会出现左右摇摆的情况，整个车身非常稳定，而且转弯后可以迅速直行而不需要大范围循迹调整到直行状态

③ 利用前导向轮摆正车身位置

      我们采用的是一条线路跑完全程，所以我们在上高台后还需要再从高台上回到大型阶梯上。当小车上高台后会原地转弯，但是在实际调试中，小车转弯后的车身位置偏差很大，所以我们让小车通过前导轮与高台边接触，通过前导轮让车身摆正，这样无论小车在高台上旋转后的位置偏差有多大都可以通过这个方法摆正。从而进行后面的路线。

4. 系统开发与调试

4.1 循迹调试

      循迹调试主要分为普通循迹和交点循迹。普通循迹测好走直线需要的舵机速度和转弯速度即可。交点循迹除检测交点信号外，还需设定特定的转弯和延时才能确保每次在交点处稳定得到想要的转弯方向。

4.2 越障调试

      越障调试主要需要测定摆臂摆下的角度以及越障时摆臂的时间。

4.3 注意事项

      在实际操作过程中，需注意有些情况看似属于一般情况，但实际还需区别处理。如小车循迹速度和过草地的速度和减速带的速度，准备越过草地障碍的准备程序和准备越过栅格障碍的准备程序等等。想要小车循迹越障功能的完美实现，需要考虑理想情况和特殊情况的区别，细心观察得出结论并修改，才能得到想要的小车功能。

5. 总结

      此次参加“探索者杯”创新创业设计大赛，所遇到的困难和问题都很多。但我们参赛队员饱含热情不抛弃不放弃，遇到问题就解决问题，在困难中探索，在困境中越障，同时不断尝试用新的方法来优化程序，使小车以更少的时间一次性走完，想必这也是此次比赛乃至中国机器人行业从业者的精神内涵。但值得一体的是，虽然此次属于第二次比赛，但我们也展示出了可贵的创新性和实用性。比如合理运用比赛规则，采用路径规划的处理，得到多条路径进行比赛，增强小车的容错性和灵活性。比如采用LED的方式显示路径条数，达到可视化的目的，方便调试程序得出结果。

      然而还需要改进的地方就是工作量太大，探索者平台为参赛选手提供了优秀的模块化平台。但结合实际参赛要求，在比赛中中如何带着镣铐跳舞成为我们的一大难题。虽然可以通过大量的实验检测使得数据贴合的更完美，但毕竟属于开环控制，所以我们离真正智能化还有很大的一段距离要走，这也正是我们未来的目标和奋斗的方向。同时为提供比赛的举办方和协办单位提出感谢，正是前行者们的不断努力才能使对机器人有着兴趣的广大爱好者们有着参赛机会和了解行业前沿知识的机会，相信每一个对机器人有兴趣的参赛者们最终也会铭记此次参赛经历。

* 本项目未获得作者开源授权，无法提供资料下载。