基于工程训练综合能力竞赛全地形小车的设计

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　　摘  要：根据第六界全国大学生工程训练综合能力竞赛四川赛区全地形小车项目的要求，设计并组装了一种具备通过楼梯、管道、窄桥等障碍功能的全地形智能小车，完成对小车运动速度和运动方向的控制，经过实践，实现了小车在赛道上的稳定可靠行进。
　　关键词：工程训练;全地形小车;自控越障;传感器
　　中图分类号：TP23         文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）19-0103-02
　　Abstract： According to the requirements of the all-terrain trolley project of the Sixth National College Students Comprehensive Training Ability Competition in Sichuan Province， this paper designs and assembles an all-terrain intelligent trolley with the function of passing through stairs， pipes， narrow bridges and other obstacles， thus completing the control of the speed and direction of the trolley. Through practice， this design has achieved a stable and reliable movement of the trolley on the track.
　　Keywords： engineering training; all-terrain trolley; automatic obstacle crossing; sensor
　　引言
　　全国大学生工程训练综合能力竞赛是全国性大学生科技创新实践竞赛活动，是基于国内各高校综合性工程训练教学平台，为深化实验教学改革，提升大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神，促进创新、创业人才培养而开展的一项公益性科技创新实践活动。在第六届竞赛四川赛区中，赛会在传统“8字型赛道”，“S 型赛道”项目和自控小车越障竞赛外，增加了全地形小车项目。规则要求场地中设定四种五个不同特点、不同难度的障碍物，每种障碍物均有一定的分值，参赛队根据比赛规则自主设计制作全地形小车，完成穿越各个障碍物的比赛。障碍物分别为模拟工业用栅格地毯、楼梯、管道、窄桥，各障碍物由黑色引导线连接，形成完整的比赛赛道，并设置比赛起点和终点，并要求全地形小车应完全自主控制，一旦启动，不允许人为遥控、无线控制干预和操作。场地如图1所示。
　　 1 小车机械机构的设计
　　由于比赛的赛道共有5个障碍物，分别是窄桥、台阶、栅格地毯和两个u型隧道，小车需要顺利通过这些障碍物就需要它具有良好的通过性和稳定性，经实践发现履带比轮子稳定性更高，更容易通过障碍物，所以小车采用4个电机带动4个大轮为其提供充足的动力，小车的每侧都是采用前后两个大轮以及在两个大轮中间靠近前轮的地方装配上了一个小轮的结构，并让小轮和前大轮形成一个小的倾角再用履带连接，这样就使小车能更具行驶的平稳性和上楼梯的能力。在小车上装配了近红外传感器，由于近红外传感器在弯道中的数字量与在弯道外的数字量不同，从而实现小车在弯道中与弯道外表现不同的运动状态。通过将2个灰度传感器平行装配在小车前端，将两个白标传感器装配在小车中间靠后的位置，4个传感器呈等腰梯形式的分部，从而使小车在运动过程中即便产生了较大程度的偏移，也能通过4个传感器的检测从而更方便快捷的做出纠偏行为。由于小车在运動过程中会产生碰撞等运动状态，而发生碰撞后极有可能会碰撞到灰度和白标传感器从而损坏传感器，因此为了保护传感器，我们加上了传感器保护装置，从而有效的避免了传感器被碰，增加了传感器的安全性能。
　　2 小车控制系统的设计
　　2.1 小车转向
　　由于制作的是履带式小车，所以可以通过两侧履带的速度差实现不同程度的转弯。例如，如果想实现小车向左转向，那就可将左右两侧的履带通过调节电机的输出功率，以使其拥有不同速率以达到转向的目的。同理如果要实现小车向右转向，那么就可以将小车左边电机的输出功率调大一点，将右侧电机的输出功率调小一点，从而实现小车右转。当然小车转弯角度的大小也是可以通过两侧的速度差值大小来调节，如果想让小车往右侧进行大幅度的转弯，就可以将小车右侧的电机功率调得比左侧功率更小一些，就可以实现小车大幅度的右转。
　　2.2 程序控制
　　 履带式小车一共用了5个传感器，分别是平行装配在小车底盘前端的两个灰度传感器、两个平行装配在小车底盘靠后的两个白标传感器和装配在小车车身前端的近红外传感器，其中两个灰度传感器相距49mm，两个白标之间相距81mm，白标传感器与灰度传感器相距97mm，如图2所示。
　　由于赛道上有一条贯穿全程的引导黑线，所以我们是想通过灰度传感器和白标传感器来寻迹。灰度传感器检测到黑线时数字量为0，不是黑线时的数字量为1。白标传感器检测到黑线时数字量为1，不是黑线时的数字量为0。两个灰度和两个白标传感器会产生16种不同的组合情况，而小车状态会随传感器组合方式的变化而变化，所有情况如表1、表2所示。
　　如上表所示当小车上的灰度传感器和白标传感器通过判断小车在行驶过程中出现的传感器组合方式来进行直行，小左转，小右转，左转，右转等状态操作。但是当小车进入u型隧道时如果继续执行正常外部转弯程序的话会导致小车在u型隧道里的转弯出现碰壁，倒退等异常情况，于是采用了近红外传感器检测小车是否进入弯道。当小车进入弯道后，近红外传感器反馈给单片机“0”的信号，从而让小车执行另外独立的隧道转弯程序。但由于我们的白标传感器在u型隧道中有时会出现失灵的情况而灰度传感器则不会发生失灵的情况，于是小车在进行隧道转弯时就只用灰度传感器和近红外传感器来循迹。当小车在进行隧道转弯时，近红外传感器反馈给单片机“0”的信号，灰度传感器的组合方式及小车的状态操作如表2所示。如表1和2所示，我们将小车上传感器所有的组合方式通过十进制值数（A）表示。
　　2.3 小车状态操作程序框图如图3所示
　　3 结束语
　　通过现场实际运行，该全地形小车在比赛中按要求平稳顺利通过了设置的障碍物，圆满完成任务，同时获得了较好的成绩。该全地形小车的设计为今后智能小车的实际应用，提供了设计思路。
　　参考文献：
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