易震 张雨田 龙林 罗佑新
摘 要：设计制造无碳小车原型机，进行可行性分析。把无碳小车分为传动部分、驱动部分、刹车系统、转向系统、控制系统五大部分。使用Croe软件建立小车的三维模型并进行仿真实验，通过后期实验对比验证了该方案的可行性。实际情况下的结果表明小车运行平稳、行程远、避障多、为循迹避障无碳小车及相关机构研究提供参考价值。
关键词： 无碳小车； 避障策略； 单片机； 超声波传感器； 红外传感器
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（b）-0000-00
智能小车的技术研究开发和制造方面，国外相比于比国内起步较早，技术更加先进、成熟， 20 世纪90 年代末国内由高校发起了一股关于智能小车研究的热潮，但是20 世纪 80 年代开始美英为首的西方发达国家便开始了智能小车技术领域的研究开发和制造。国内对智能小车技术经过数十载的不断发展和探究，许多高校以及科研院所在智能小车研究方面都取得了一定进步，相比于以往有了长足的进展 [1]。清华大学经过长期的技术积累，研制出来的智能无人驾驶汽车是我国科技含量最高最先进的无人驾驶汽车。2013 年，智能家居机器人“新佣人”由中科院和清华大学共同成立的实验室研制成功，“新佣人”智能机器人能实现自主走、智能监控、与人类实景交流、照料小孩和老人等多项功能。刘俊畅，芦利斌在智能小车信息采集系统研究方面有较为成熟的理念和思路，使用三个 E18-D80NK红外接近开关，传感器的安装角度为 60°角，能够让智能小车对车头部位 180°空间内的所有障碍物进行准确的探测和产生避障信号[3]。上述关于智能小车避障信息采集系统和避障策略的设计基本可以满足和实现较为复杂路况下的精准避障，但是也因为车头安装多个超声波测距传感器会造成传感器之间信号互相干扰的缺点。同时，在小车下坡时也没有节能装置，能量损耗巨大。论文针对存在的这些问题，力求设计出一款立体全面的信息采集系统和高效、实用、简易的无碳小车，前期准备时间围绕智能小车自动避障的相关技术进行了较为全面的技术储备。本研究要实现无碳小车自主感知障碍物，进而实现小车能够自动识别路线并且正确地规划和修正行进的路线，检测到障碍物能够自动躲避的功能。达到上述要求不需要昂贵的图像处理识别传感器，用超声波传感器和红外传感器采集周围环境即可。无碳小车的转向部分由舵机带动与舵机相连的前轮控制小车的行进方向，同时对小车进行了减重处理，小车质量较轻，所以对于舵机堵转扭矩要求较低，选用6221MG-180舵机即可控制转向。选用AT89C51单片机为处理系统，在安全可靠性和经济性上有较大的优势。
1 避障系统
1.1 控制系统
采用AT89C51单片机作为中央处理系统的核心器件。本研究以单片机作为整个智能避障系统的核心，其关键在于转向的控制，而AT89C51单片机相比与其他的控制器具有控制简单、编程方便、可靠性高、经济实惠、运行快捷的优势。相比之下，此方案较为符合实际情况。
1.2信号采集系统
采用1个红外传感器与1个超声波传感器多传感器融合的信号采集系统。同时使用多个同一型号的传感器会造成信号紊乱，单片机接收错误信号后会发出错误指令致使小车偏离预设的轨道。单个红外传感器和单个超声波传感器不会有传感器之间信号干扰的问题，而且能够满足感知周围环境的要求。
传感器角度安装：超声波传感器与赛道边沿挡板成90。夹角，保证无碳小车距赛道边沿挡板0.1m处直线行进。当小车偏离轨迹>0.1m时，超声波传感器采集信息后单片机发出指令，舵机左转。反之，舵机右转。始终使小车沿预设的直线轨迹前进。红外传感器与赛道边沿的挡板成30。夹角安装，夹角过大时导致不能及时探测到障碍物；夹角过小时提前探测到障碍物导致转弯半径过大造成能量的损失。
传感器距离参数设置：超声波传感的感测距离设为0.1m。超声波传感器最佳的感测范围为0.1～10m，尽量把传感器的探测距离设置在此范围内以提高探测精度。无碳小车为三轮结构，假设无碳小车绕右轮做圆弧运动，车轮中心 O点作运动的为圆心，则左轮边缘B 与车头左边缘A为可能的危险点。通过分析计算得左轮边缘点B距点O的距离是0.15m，车头左边缘A 距 O 点距离是0.2m。OA>OB，所以自主小车在做圆弧运动时车头边缘为危险点，最大半径为0.2m。因为小车在行进过程中有一些抖动，为保险起见将小车的安全距离设置为0.22m。根据勾股定理算出红外传感器的距离参数约为0.24m。
1.3机械系统
根据工程实训大赛的规则本研究设计的无碳小车的仅靠机械系统为小车提供能量，且必须为三轮结构。
驱动部分：细线经过绕线轴连接质量为1kg的砝码，砝码下垂过程中把重力势能转变成提供小车行进的动能，带动二级齿轮传动实现无碳小车前进，通过多次验算与实验，传动比在1.5左右能确保小车前进的速度和转动力矩。
节能部分：小车以高速下坡时砝码掉落速度过快造成能量损失严重，霍尔传感器能够稳定小车的速度从而达到节能的目的，但是编程有较大的困难。本研究利用刹车舵机和单向滚动轴承的相互配合也能达到降低能量损失的效果。
转向部分：满足转向功能要求的前提下，转向机构力求结构简单、便于安装调试以免造成无碳小车质量大和能量消耗大的缺点，转向舵机和转向轴直接通过螺丝固定是一种结构简单、精度较高的方案。
2 自主避障策略研究
避障策略主要研究不同障碍物、不同位置、不同情况下无碳小车自主选择合适的避障方法而做出对应的避障行为。根据比赛场地的信息只把障碍物分为 1种基本类型，根据障碍物类型设计出无碳小车自主避障的策略。图5中表示无碳小车运动的前方与车体左侧有障碍物。
避障策略的释义如下：无碳小车前进时探测到障碍物碍，无碳小车判断出车体左侧有障碍物，右侧无障碍物，向右侧转向90度角，然后沿正右方运动，在沿正右方运动的同时，无碳小车前方的红外传感器一直能够感测到障碍物，当红外传感器探测不到障碍物时，无碳小车继续向前运动24.2cm距离后，左转 90 度，回到原来运动的方向上继续运动。
3自动避障实验
经实验验证，小车具有稳定的循迹和避障能力，而且还具有一定的爬坡能力。实验过程是，小车平稳启动，迅速加速后冲过坡道，在下坡过程中刹车舵机卡死传动齿轮避免了能量的损失，之后保持着缓慢的速度准确的避开了平路上的障碍。最终小车依靠循迹缓缓转过赛道边缘的大弯道，回到起点位置，小车成功避开 6个障碍。通过实验证明本文所设计的信息采集系统、避障策略和机械结构具有很高的可行性。
4 结语
所设计的无碳小车结构稳定，采用刹车舵机和单向滚动轴承配合形成的节能装置行驶的距离更远。设计的避障策略也更容易避过障碍。此無碳小车结构简单、质量小极大降低了能量的损耗，小车行驶更加平稳，行驶距离更远，通过比赛实践证明该小车有较高的可靠性与稳定性，能够满足相应的要求。
参考文献
[1] 朱梓清.对工业机器人研发的分析[J].中国电子商务，2012，（2）：62
[2] 朱文利，魏政.智能汽车在中国：一路狂奔[N].电脑报，2014-01-20（007）
[3] 刘俊畅，芦利斌，谭力宁.基于Arduino 的自动避障技术实现[J].信息技术，2014，12： 170-172.
