工程训练综合能力竞赛无碳小车控制系统设计*

黄淑新，蔡孟凯，杨 智，贺界晴，陈力航，李 旭,2※

（1.湖南农业大学工学院，湖南长沙 410128；2.南方粮油作物协同创新中心，湖南长沙 410128）

0 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，是为促进创新人才培养而开展的一项公益性科技创新实践活动。目的是通过竞赛，进一步深化实验教学改革，提升大学生工程创新意识、实践能力和团队合作精神。在第五届（2016年）竞赛中，赛会在传统“8字型赛道”和“S型赛道”项目外，增加了重力势能驱动的自控小车越障竞赛。规则要求小车在由1 kg重锤下降400 mm转化的重力势能驱动下行进，由单片机系统控制转向，通过机械系统和电子系统的协调配合避开障碍物自动行走。赛道为环形赛道，两端外缘是曲率半径为1.2 m的半圆形，整个赛道长为15.4 m，宽为2.4 m，其中直线段赛道长度为13.0 m，中心线总长度约30 m。赛道边缘设有高度为80 mm的道牙挡板，赛道上随机设置了多个间隔不等的障碍墙，障碍墙高80 mm，相邻障碍墙之间最小间距为1 m，每个障碍墙从赛道一侧边缘延伸至超过中线100～150 mm；在直线赛道有一段坡道，坡道由上坡道、坡顶平道和下坡道组成，赛道示意图如图1所示。比赛以小车行走的直线距离和成功避让的障碍数量来综合比赛成绩。

图1 赛道示意图Fig.1 Track sketch map

1 小车机械结构设计

小车机械结构主要由车架、动力转换机构、传动机构、转向机构和行走机构五个部分组成，小车结构图如图2所示。车架用于安装各个部件，是整个系统的基础，由车底板、轴承座、转向支架、传感器安装支架、支撑立柱和上托盘组成。动力转换机构用于把重锤的重力势能转化为小车前进所需要能量并将之传递给传动机构，主要由安装在主动轴上的绕线轮、固定在上托盘上的滑轮和连接重锤和绕线轮的细绳所组成。重锤在重力的作用下下降时，置于滑轮上的连接重锤和绕线轮的细绳会绷直并拉动绕线轮所在的主动轴转动，从而实现能量的转化与传递。传动机构由主动轴、从动轴、大齿轮和小齿轮组成。传动方式为一级直齿圆柱齿轮传动，传动比为4.8，传动原理图如图3所示。转向机构由前轮轴、前轮、前叉和舵盘所组成。转向机构通过前叉与转向支架连接，通过舵盘与控制转向的执行装置相连。前轮的直径为 26 mm，较小的前轮有助于提高小车转向时的灵活性，并降低能耗。小车的行进机构由主动轮、从动轮、轴承和法兰盘组成，行进机构为单轮驱动加单向轴承的方式，具体为小车的一个轮子通过法兰盘直接和传动机构的动力输出轴（从动轴）固定，作为主动轮；而另一个轮子则通过轴承和从动轴连接，为从动轮。小车在自主避障时，行进机构采用此种方式，能够精简机构，提高灵活性[3-4]。

图2 小车结构图Fig.2 Dolly structure diagram

图3 传动原理图Fig.3 Transmission schematic diagram

2 小车的控制系统设计

要实现小车自主寻迹避障，关键是实时采集小车位置信息，调整小车转向。小车控制系统包括控制单元、信息采集单元、执行单元和电源单元。信息采集单元包括距离检测、速度检测和角度检测三个部分，用于采集小车在上下坡，避开障碍物及拐过弯道等过程中小车车身位置角度的变化和速度的变化，控制系统框图如图4所示。

图4 控制系统结构框图Fig.4 The diagram of dolly control system structure

2.1 控制单元

控制单元是整个控制系统的核心部件，用于接收信息采集单元得到的信息并对其进行分析处理之后，驱动执行装置动作。本设计中选用STM32F103C8T6作为主控芯片，该芯片是基于Cortex_M3内核的一款32位的嵌入式处理器，带有128 k的程序存储器，工作频率最高可达72 MHz，STM32F103C8T6拥有4个定时器，支持ADC转换，能够提供USB、IIC、SPI等通信接口。STM32F103C8T6的资源丰富、性能强大、功耗低、价格低廉，十分适合用作小车的主控芯片[5]。

2.2 信息采集单元

2.2.1 距离检测

小车在行进过程中，需要实时采集小车和赛道的道牙挡板及障碍墙的距离，在距离检测设计上，超声波测距和红外测距是使用较为广泛的两种。前者利用超声波的反射来获取距离信息，典型的传感器有HC-SR04；后者利用光线的反射来获取距离信息，应用较多的红外测距传感器有GP2Y0A02YK0F。上述两种传感器都能实现距离检测，但是其特点和优势各不相同，两种传感器的基本参数如表1所示。

表1 测距传感器基本参数表Tab.1 Basic parameters list of range sensor

综合比较，超声波HC-SR04的测量范围广，死区小，其缺点是有效检测角度偏小，只有15°。GP2Y0A02YK0F是一个组合了PSD、IRED及信号处理电路的模块，其输出的是电平模拟信号，控制器通过AD读取出电压，再转换成相应的距离信息，GP2Y0A02YK0F采用三角测量方法，具有较高的稳定性。但是GP2Y0A02YK0F存在较大的死区，测量距离也偏短。为了得到较大的测量范围并避免死区，小车的距离传感器采用HC-SR04。其实物图如图5所示。

2.2.2 速度检测

小车的速度检测由U型对射式光电传感器和光栅盘组成。U型对射式光电传感器由一个发射管和一个接收管组成，当接收管能够接收到发射管发出的光时，传感器输出高电平，否则传感器输出低电平。光栅盘由等间距的透光缝隙相间排列组成，安装在轴上，随着小车的运动而转动，从而导致U型光电传感器不间断的输出高低电平，通过采集在单位时间光电传感器输出电平变化的次数，就可以得到小车运行的速度。

在正常生长条件下，外界环境的渗透势大于植物根系细胞的渗透势，因而植物根系可以从外界环境中吸取水分，以维持正常生命活动的水分供应；但外界高浓度的盐分会导致水势下降，使得外界环境的渗透势小于植物根系的渗透势，这时植物根系无法吸收水分，从而引起水分的亏缺，长时间的渗透缺水会导致植物枯萎甚至死亡［5］。研究表明，当冰叶日中花处于0.8 mol／L的NaCl溶液时，植株出现严重萎焉，最终死亡；而在 0.2 mol／L NaCl处理下的植株生长速度明显加快，单棵植株质量显著高于未经NaCl处理的幼苗［6］。因此，低盐环境在一定程度上可以促进冰叶日中花的生长。

图5 HC-SR04图Fig.5 The drawing of HC-SR04

2.2.3 角度检测

设计采用电子陀螺仪采集小车行进过程中的角度信息，具体为六轴电子陀螺仪MPU6050，MPU6050能得到三轴角度，还能得到三轴加速度。MPU6050使用DMP姿态解算，可用IIC传输数据，方便快捷。

2.3 执行单元

本设计中执行单元主要功能是控制小车转向，转向可以通过步进电机和舵机控制实现，从结构简单易于控制的角度出发，执行单元选择舵机。

2.4 电源单元

比赛要求只能由若干节碱性五号电池为小车控制系统提供所需要的电能。小车控制系统的各个部分所需要的电压不尽相同，STM32F103C8T6、MPU6050、U型对射式光电传感器需要3.3 V稳定电压，舵机和HCSR04需要5 V稳定电压。小车电源单元采用三节五号碱性电池串联分两路给各器件供电。一路采用MAX866和MAX1771所构成的升压拓扑将电池电压升为5 V[6]，给舵机和超声波提供电能；另一路采用 ASM1117降压为 3.3V给STM32F103C8T6、MPU6050、U型对射式光电传感器提供电能。

图6 电源单元Fig.6 The power unit

2.5 控制系统电路原理图

小车控制系统原理图如图7所示。

3 试验与分析

3.1 试验方案分析

根据小车检测出障碍后的行走路线不同，设定两种过障碍的方式：一种是循着赛道边缘绕过障碍，另一种是检测出障碍后直接从缺口处绕过。

小车循边避障如图8所示：小车行进轨迹如图中红线所示（Rabcd），小车沿着赛道边缘前进，在发现障碍物之后转弯直行，避开障碍物后再继续沿着赛道前进。小车的正前方、左边和右边各安装一个超声波传感器HC-SR04，得到小车与前方、左方和右方赛道边缘或者障碍物的距离y1、x1、x2。小车控制单元根据HC-SR04所采集的y1、x1、x2来做出分析判断。

图7 小车控制系统原理图Fig.7 The control system schematic of Dolly

小车直接避障如图9所示：小车行走路线如图中蓝线（Rhijkm）所示，未发现障碍物时小车直行，在发现障碍物之后小车朝着缺口方向前行，越过障碍后再继续直行。小车上装有角度检测传感器MPU6050，得到车身角度变化值α。小车的前边和左边各装有一个超声波传感器HC⁃SR04，利用MPU6050得到的角度变化值α，再结合一定的机械或者电子装置使小车前方的传感器始终向前，左边的传感器始终向左。由小车前方和左边的超声波传感器可以获得小车与前方障碍的垂直距离y2、与左方与赛道边缘的垂直距离x3，根据赛道宽度和小车与左边赛道的距离可以得到小车与右边赛道边缘的距离x4（x4=1 200 mm-x3）。根据y2、x3、x4可以计算出小车和缺口之间的角度 β。当小车检测出障碍物时位于赛道左边，则当小车检测出障碍物时位于赛道右边，则据y2、x3、x4、α、 β等信息，小车可实现直接避障。

图8 小车循边缘过障示意图Fig.8 The diagrammatic sketch dolly keep to the side to avoid obstacles

图9 小车直接避障示意图Fig.9 The diagrammatic sketch of dolly directly to avoid obstacles

3.2 试验测试

3.2.1 循边避障的试验测试

小车沿着赛道的边缘行进，根据前方超声波传感器HCSR04得到的距离y1来判断前方有无障碍。当y1小于某一具体值（设此值为miny1）时，则认为小车前方有障碍物，需立即转弯。根据小车左边和右边距赛道边缘的距离x1、x2来判断向左转还是向右转。在程序设计上，总是可以通过设置合适的miny1，使得小车在经过障碍区时有如下关系：若x1大于x2则向左转，若x1小于x2则向右转。如图9：小车从赛道右侧出发，直行至a点后，y1小于miny1且x1大于x2，小车迅速左转后直行，当小车到达b点后，y1小于miny1且x2大于x1，小车右转后继续直行。按此步骤，小车逐一通过c，d，e，f点，越过障碍区。小车循边缘避障的流程图如下图所示。

图10 小车循边避障流程图Fig.10 The flow of dolly keep to the side to avoid obstacles

试验时采用四个规格为20 mm×80 mm×700 mm的障碍物交错等距布置，每两个障碍物之间相距1 200 mm。经实验在此条件下取miny1=150 mm，能实现按图8所示的避障碍过程。

3.2.2 直接避障的试验测试

小车从赛道的一侧特定区域内（如图9所示的绿线和赛道之间的区域）出发，未发现障碍物时直行，当y2小于某一特定值miny2时，认为小车前方发现障碍物，需要开始调整小车前进方向。当小车发现前方有障碍物时，根据x3和x4的值大小情况来决定转弯方向和避障是否完成。当 y2小于miny2时，若x3小于minx3（如图9，小车处于左侧绿线至赛道边缘处的区域内）则判定小车在赛道左侧，需向赛道右侧缺口处行进，当x4小于minx4时完成避障；若x4小于minx4时（如图9，小车处于右侧绿线至赛道边缘处的区域内）则判定小车在赛道右侧，需向赛道左侧缺口处行进，当x3小于minx3时完成避障。小车避障的程序流程图如图11所示。如图9：小车与右侧发车，未发现障碍物时直行，此时车身偏角α为零，当行至h点处时，有y2小于miny2且x4小于minx4。此时小车位于右侧，须向左偏 β的缺口处行进，若此时的车身和原来起始时偏角为α，则小车需要调整（α-β） °。当行进至i点后，有x3小于minx3此时避障完成。小车按此步骤逐一通过j，k，m，n点，越过障碍区。

图11 小车直接避障流程图Fig.11 The flow of dolly directly to avoid obstacles

试验时采用四个规格为20 mm×80 mm×700 mm的障碍物交错等距布置，每两个障碍物之间相距1 200 mm。经实验在此条件下取miny2=1 200 mm， minx3=300 mm， minx4=300 mm，能实现按图9所示的避障碍过程。

通过试验对比，直接过障这一方案的能量利用率高，行走的距离要远些。采取直接避障这一方案的小车能较好地实现在放置有六个障碍物的赛道上，成功避开所有障碍绕赛道一圈（即行进30 m）。且针对直接过障多次试验发现：小车在下坡时重锤仍在下落，造成了小车下坡之后速度过快和能量的浪费，小车的在运行良好的情况下绕赛道行走完一周之后重锤仍然未下落到底。针对这一现象，可以考虑在传动机构上增加类似于汽车离合器的结构，提高能量利用效率，有望实现45 m的行走距离。

4 结论

根据全国大学生工程训练综合能力竞赛的要求，设计制作了无碳小车的控制系统，系统以STM32F103C8T6为主控芯片，分别以超声波传感器HCSR04、U型对射式光电传感器及六轴电子陀螺仪MPU6050采集距离、速度和角度信息，从而实现小车的转向控制；结合循边避障和直接避障两种路径规划进行了小车自控越障测试，直接过障的能量利用率更高，行走距离更远。该控制系统工作稳定，实际比赛时小车成功避障行进30 m，表现优异。

参考文献：

［1］王鹏博，蓝建，张国超，等.一种三轮无碳小车的结构设计［J］.机械工程师，2014（7）：127-128.

［2］豆龙江，詹长庚，庞晨露，等.无碳小车的机械结构设计［J］.机械工程与自动化，2014（2）：84-86.

［3］葛宜元，杨传华，温晓鑫，等.太阳能自驱式避障小车控制系统设计［J］.机电工程技术，2014（5）：84-87.

［4］陈伟，李郝林.剪叉式钢卷小车升降机构的分析与优化研究［J］.机电工程，2016（9）：1084-1087.

［5］吕闪，金巳婷，沈巍.基于STM32的循迹避障智能小车的设计［J］.计算机与数字工程，2017（3）：549-552.

［6］何社成，李友玲.新编电子电工参考应用电路丛书——电源·开关控制·保护应用电路［M］.山东：山东科学技术出版社，2007.