教學(xué)智能競(jìng)技小車設(shè)計(jì)★

侯永超，朱成鎮(zhèn)，吳和平，趙安吉，華鈺清，王永立，魏玉蘭

（湖州師范學(xué)院工學(xué)院，浙江 湖州 313000）

引言

近年來(lái)，智能小車越來(lái)越多地被應(yīng)用于物流、服務(wù)、醫(yī)療等領(lǐng)域，但智能小車在中小學(xué)生教學(xué)上的應(yīng)用仍較缺乏。中小學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家最重要的一環(huán)[1]。因此本文設(shè)計(jì)了一款可以用于競(jìng)技的智能小車，該智能競(jìng)技小車充分考慮了中小學(xué)生特點(diǎn)，并基于不同競(jìng)技賽模式，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，便于學(xué)生快速設(shè)計(jì)與搭建，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力。

1 智能競(jìng)技小車的整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能競(jìng)技小車分機(jī)械和控制兩部分，在滿足循跡、避障、目標(biāo)識(shí)別、智能控制等功能的前提下，通過(guò)模塊化搭建，最大化發(fā)揮智能競(jìng)技小車在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用和競(jìng)技過(guò)程中的自主性和創(chuàng)新性。本文設(shè)計(jì)的智能競(jìng)技小車總體方案如圖1 所示，整機(jī)模型如圖2 所示。

圖1 智能競(jìng)技小車的總體方案圖

圖2 智能競(jìng)技小車整體設(shè)計(jì)

2 智能競(jìng)技小車的機(jī)械部分

智能競(jìng)技小車的機(jī)械部分由驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)械臂升降模塊、機(jī)械臂模塊組成。

2.1 驅(qū)動(dòng)模塊

智能競(jìng)技小車采用四輪驅(qū)動(dòng)，使用直流電機(jī)加麥克納姆輪。底板充分考慮實(shí)際使用需求，從適用性和經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，采用300 mm×300 mm 的亞克力板。智能競(jìng)技小車底板如圖3 所示。

圖3 智能競(jìng)技小車底板

2.2 機(jī)械臂升降模塊

機(jī)械臂升降模塊位于該智能競(jìng)技小車的中心位置，可有效承受機(jī)械臂模塊質(zhì)量，增強(qiáng)小車的穩(wěn)定性。該模塊由底座云臺(tái)、滑軌、立柱支撐和舵機(jī)組成。舵機(jī)通過(guò)U 型架、承重架、推桿連接至平伸座，從而利用平伸座在滑軌上的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂模塊的升降。機(jī)械臂升降模塊如圖4 所示。

圖4 機(jī)械臂升降模塊

2.3 機(jī)械臂模塊

考慮到舵機(jī)、Open MV 的安裝及合理的布線，機(jī)械臂模塊采用多種規(guī)格的框架與多種舵機(jī)組合，這樣設(shè)計(jì)能夠避免其他機(jī)械臂復(fù)雜臃腫的結(jié)構(gòu)[2]，簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)過(guò)程，有效地降低了在后續(xù)舵機(jī)控制過(guò)程中的故障率，使整個(gè)模塊的穩(wěn)定性大大提高。同時(shí)充分考慮實(shí)際使用過(guò)程中拆卸的便捷性，改造提升空間大。機(jī)械臂模塊如圖5 所示。

圖5 機(jī)械臂模塊

3 智能競(jìng)技小車的控制系統(tǒng)

本文針對(duì)該智能競(jìng)技小車面向的受眾對(duì)象，選擇使用了ArduinoIDE 編程開發(fā)環(huán)境。Arduino 作為一款國(guó)外的開源教學(xué)硬件項(xiàng)目，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)受到了很多人的追捧，它具有豐富且完全公開的技術(shù)資料、豐富的模塊功能、活躍的社區(qū)等[3]。國(guó)內(nèi)創(chuàng)客二次開發(fā)的圖形化編程，使得中小學(xué)生在編程時(shí)能夠更加容易理解程序和所要實(shí)現(xiàn)的功能，輕松實(shí)現(xiàn)智能競(jìng)技小車的程序構(gòu)建。

3.1 智能競(jìng)技小車循跡避障功能

智能競(jìng)技小車采用灰度傳感器和超聲測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)循跡避障。在競(jìng)技場(chǎng)地中設(shè)置有黑色引導(dǎo)線，小車裝載有8 路灰度傳感器，2 個(gè)灰度傳感器分別對(duì)稱位于智能小車的兩側(cè)，智能小車則循黑線行進(jìn)。當(dāng)灰度傳感器識(shí)別到黑色引導(dǎo)線時(shí)，灰度傳感器的指示燈關(guān)閉，輸出高電平1，識(shí)別到其他顏色時(shí)輸出低電平0[4]。8 路灰度傳感器采用串口傳輸數(shù)據(jù)。超聲測(cè)距模塊采用HC-SR04。

智能競(jìng)技小車行進(jìn)過(guò)程中，向外發(fā)射超聲波，超聲波在遇到障礙物后被反射回超聲波接收器，控制系統(tǒng)利用其接受超聲波時(shí)間進(jìn)而經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析來(lái)判斷距離障礙物的距離[5]。通過(guò)提前調(diào)整小車行進(jìn)方向，實(shí)現(xiàn)避障功能。

3.2 智能競(jìng)技小車目標(biāo)識(shí)別功能

Open MV 是一款應(yīng)用最廣泛的機(jī)器視覺模塊[6]，利用廣角鏡頭使小車的識(shí)別范圍更加廣泛。利用顏色和形狀識(shí)別算法，將行進(jìn)過(guò)程中收集到的信息通過(guò)串口實(shí)時(shí)傳送到Arduino 控制器上，Arduino 就會(huì)根據(jù)Open MV上傳的數(shù)據(jù)作出判斷，進(jìn)而自動(dòng)控制智能競(jìng)技小車。

4 智能競(jìng)技小車的競(jìng)技規(guī)則設(shè)定

本文設(shè)計(jì)的智能競(jìng)技小車可適用于智能小車競(jìng)速賽、智能小車對(duì)抗賽和智能小車組合賽。智能小車競(jìng)速賽是在競(jìng)技場(chǎng)地中設(shè)置黑色引導(dǎo)線，使智能小車尋黑線行走并完美避開障礙物，先到達(dá)目的地者獲勝，智能競(jìng)技小車對(duì)抗賽則可選擇單個(gè)智能小車對(duì)抗或者智能小車團(tuán)隊(duì)對(duì)抗，規(guī)定在競(jìng)技場(chǎng)地中進(jìn)行智能小車對(duì)抗，先將一方智能小車對(duì)抗出競(jìng)技場(chǎng)地者獲勝。智能小車組合賽則是利用競(jìng)速賽和對(duì)抗賽的規(guī)則，可規(guī)定在循跡避障過(guò)程中進(jìn)行對(duì)抗，先一方到達(dá)終點(diǎn)者獲勝。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)中小學(xué)生教學(xué)用競(jìng)技小車的需求，對(duì)智能競(jìng)技小車的機(jī)械和控制部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使該小車具有模塊化程度高、程序編寫簡(jiǎn)單、易于搭建的特點(diǎn)。學(xué)生根據(jù)對(duì)不同模式競(jìng)技賽所需功能的要求，能夠?qū)χ悄芨?jìng)技小車進(jìn)行快速改造與編程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。