《基于Arduino的全地形越野机器人设计和竞赛》
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摘 要：全地形越野机器人是现今机器人行业发展的一大分支,涉及“机”、“电”、“控”相关学科知识,包括机械结构的设计、程序电路的编写与调试、自动控制的实现等,这些因素設计的好坏关系到机器人的移动速度、越障能力等各方面性能.初学者以及对机器人有所了解的人们如何快速对全地形机器人设计进行入门,对于风靡全国的全地形机器人大赛的应对策略有哪些.本文将进行基本论述.
关键词：Arduino；全地形；机器人；竞赛
Arduino作为一种开源性电子设计平台,应用于很多领域,包括硬件（Arduino开发板）和软件.市面上又有很多以Arduino为核心,传感器、电机等硬件为载体的电子设计模式.利用Arduino进行全地形越野机器人的设计,可以很大程度上减少软硬件搭配、越野设计方式上的障碍.常见的机器人竞赛,例如“中国工程机器人大赛”,江苏省、四川省等一些省教育厅主办的机器人竞赛,都设有全地形越野类竞赛,对于此类竞赛如何应对,利用Arduino如何进行具体设计,本文将从以下三个方面讲述.
一、全地形机器人设计基础与零件维护
全地形机器人的主要目的是进行障碍避让或翻越.其设计主要分为底盘设计、驱动模块设计、程序设计三大部分.底盘主要分为刚性底盘、主动适应性底盘、被动适应性底盘,其带动方式又可以分为轮式、履带式、仿生式.不同的底盘适应不同的障碍,刚性底盘通常用于机器人动力较强时应对较低矮的障碍,其牵引力较强但稳定性相对其他两种底盘较差.主动适应性底盘通过其他机械部件的添加以及程序的设计可以用于多种不同类型的障碍,被动适应性底盘相对于刚性底盘更容易越过高难度的障碍,但面对一些特殊障碍又逊色于主动适应性底盘.
驱动模块设计以直流电机和舵机为主,直流电机控制容易,舵机容易提供更大的扭力.相对于不同的障碍应选不同的电机和装配方式.通常情况下,六电机、[1]六轮式机器人具有越障能力高、承载能力强、结构和控制简单、转向灵活、工作效率高等优势.
程序设计方面,Arduino兼容C/C++语言,用户通过C/C++语言对输出模块（电机、灯、蜂鸣器等）进行程序化控制,从而实现各部分的搭配工作,达到预期避障目标.通常对于全地形越野竞赛,设计者需要就实际赛道、障碍设计独有的程序,有时甚至需要设计一些特殊的程序,例如：现有一条赛道,设计要求在发车后三秒直行且屏蔽循迹功能且在通电25秒后停下,故可定义宏常量t等于0,使其在loop循环中if（t等于0）{t++；直行程序},这样就可以避免无限循环三秒直
全地形对于机器人的磨损和硬件消耗是比较大的,对于零件的保养不可忽略.电机的接线点要保持紧固状态,且电机的一些部件比如金属齿轮、焊接点等要注意防止生锈,尤其要注意各种因素（接线、电池电压、主板输出电压等）对电机实际电压的影响,防止电机由于电流过大而烧损.在通过障碍的时候,可能会对一些传感器（例如黑标、灰度、近红外等）造成触碰和摩擦,应当在传感器输入输出头进行保护,防止与障碍面产生接触、摩擦,造成传感器感应误差增大.
二、全地形机器人调试方法
对于一个全地形越野机器人成品,设计和选材是最基础、最简单的部分,而调试和后期升级是最主要的部分,通常起到至关重要的作用.调试时常会出现一些特殊的问题,例如黑线不循迹、直角拐弯冲出轨道、台阶上不去、电机停转等等问题.解决这些问题时要按照排除方式进行,首先发现问题,其次进行各种因素的排除直到彻底解决问题.例如：现小车左边轮子转而右边不转,首先重启电源,然后将拓展板左、右侧电机输出插口互换,如果此时原右侧旋转而原左侧不转,可以排除是输出口问题,然后旋转原左侧一个轮胎,如果原左侧其他轮胎由于电磁感应而旋转,可确定两侧接线均无问题,这时可以拧松电机长螺丝,因为电机长螺丝如果过紧,对电机齿轮挤压也会造成其无法旋转.如果此时问题依旧存在,可以初步判断是程序问题.
对于全地形机器人的后期调试一定要有耐心,在不断发现问题的过程中积累经验.同时,分析一个障碍问题不仅要从小车本体出发,还要注意障碍物本身的性质.以经典台阶障碍为例：爬越台阶的过程是机器人连续翻越障碍的过程,[2]也是全地形机器人必须完成的较困难的任务之一,除了机器人本身功率之外,影响机器人爬越楼梯的关键因素是力矩的大小和楼梯的具体参数.这时候如果需要考虑机器人的重量、重心空间位置、接触面摩擦系数、楼梯顶点矢量倾斜度等因素.例如：刚性底盘小车爬10厘米EVA材料二级楼梯后轮卡在一级台阶无法上去,首先可以考虑增大接触面摩擦系数,比如在轮子上加履带、加螺钉或粘贴PLA、ABS摩擦带、轮胎内胎,如果上台阶依旧费力,可以考虑更改车体结构,例如更换为被动适应性地盘,以贴合障碍物,提供更大斜向摩擦力,其次,使小车重心前移也是不错的办法,例如将小车后侧装配的电池、主板等装置移至小车前侧,或在小车前部适度增加配重,更容易使得小车对递进级台阶接触面压力增大,进而非垂直向摩擦力增大.
在调试过程中要尤为注意传感部分调试.传感器的安装位置和高度都是调试的主要内容,例如：对于带有循迹功能的全地形机器人,黑标传感器的识别高度各不相同,要不断单独测试、调整其高度,直到每个传感器识别状态最佳.对于传感器的调试要注意,一旦完成其调试,就不可再进行大范围改动,因为微小的改动都可能导致传感器传感应用失效.
三、全地形越野机器人竞赛策略
如果说全地形机器人的设计和调试是百分之七十的工作,那剩下的百分之三十一定是竞赛临场的发挥以及策略.目前各大全地形越野竞赛多以北京机器时代公司的“探索者”套件为主,其优点是机械套件镁铝合金强度高、重量轻,且其传感器传感灵敏,其主板基于Arduino UNO设计,容易控制且工作效率高.
竞赛中,首先在赛前现场赛道调试时要注意赛道和障碍是否按照竞赛手册要求布置、光线是否良好,对于有所差别的障碍,可以向场地维护员提出场地维护申请.其次要充分利用正式比赛前的现场调试时间,通常情况下现场调试时间非常短,这就需要选手发挥赛前所积累的各种调试经验,以应对不同于以往训练环境的突发情况.最后,能否正常发挥出平时训练水平是至关重要的,这就需要发车人良好的心理素质,发车不要偏,不要受环境和心理影响过大,否则微小的心理波动都会使比赛结果产生巨大偏差.
四、结语
全地形越野机器人的设计并不困难,但要将其用于比赛中,并取得较好成绩,也并非易事,参加探索者全地形类比赛时,面对突发问题要沉着冷静,考虑全面,软硬件兼顾.
参考文献：
[1]强璐亚,马帅,等.全地形机器人小车设计[J].电子世界,2018,（1）：129-130.
[2]臧勇,葛海浪,陶迁.新型全地形机器人结构设计及越障分析[J].机电信息,2017,（27）：96-97.
本文点评：本文论述了关于Arduino和地形和机器人方面的机器人设计论文题目、论文提纲、机器人设计论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文.
机器人设计引用文献:
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