如何設(shè)計(jì)一款四輪智能小車(chē)

此部分共分為五個(gè)小節(jié)，通過(guò)這個(gè) Part 的學(xué)習(xí)，我們將了解機(jī)器人的概念和組成，對(duì)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)有一個(gè)明確的思路，然后通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大組成部分，展開(kāi)介紹設(shè)計(jì)一款智能小車(chē)的基本思路。

通過(guò)這一講課程，我們希望大家腦海中能夠?qū)χ悄苄≤?chē)有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)和開(kāi)發(fā)思路，未來(lái)我們?cè)僦饌€(gè)擊破，把它一點(diǎn)一點(diǎn)做出來(lái)。

總體設(shè)計(jì)思路

從控制的角度來(lái)講，機(jī)器人可以劃分為圖中四大組成部分，分別是：傳感系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

先來(lái)看執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這是機(jī)器人要?jiǎng)悠饋?lái)的重要裝置，比如移動(dòng)機(jī)器人是需要移動(dòng)的，那如何帶動(dòng)輪子旋轉(zhuǎn)或者轉(zhuǎn)彎呢，就是類(lèi)似這樣的電機(jī)、舵機(jī)來(lái)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的。但并不是所有運(yùn)動(dòng)部位都會(huì)安裝電機(jī)，比如一輛真實(shí)的汽車(chē)，一般只有一個(gè)電機(jī)或者發(fā)動(dòng)機(jī)，那如何讓兩個(gè)輪子，甚至四個(gè)輪子都轉(zhuǎn)起來(lái)呢，這就需要一個(gè)完成動(dòng)力分配的傳動(dòng)系統(tǒng)，比如轉(zhuǎn)彎的時(shí)候動(dòng)態(tài)調(diào)整左右兩個(gè)輪子的速度，這需要嚴(yán)密的機(jī)械設(shè)計(jì)，也就是差速器的功能。除了移動(dòng)機(jī)器人，在一些工業(yè)機(jī)器人中，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)、抓取物體的吸盤(pán)夾爪，也可以看做是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。總之，執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的一套裝置。

為了讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確的執(zhí)行動(dòng)作，還需要在執(zhí)行機(jī)構(gòu)前連接一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，比如我們要讓機(jī)器人的電機(jī)按照1m/s的速度旋轉(zhuǎn)，如何動(dòng)態(tài)的調(diào)整電壓、電流，來(lái)達(dá)到準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)目的呢，這就是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果是電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的話，其配套的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般都是由驅(qū)動(dòng)板卡+控制軟件組成，也是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，我們?cè)趯W(xué)校中學(xué)習(xí)的單片機(jī)、PID、數(shù)字電路等概念，都和這個(gè)部分緊密相連。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)的，比如普通的直流電機(jī)，用類(lèi)似這樣的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板就行，工業(yè)上常用的伺服電機(jī)，都會(huì)用到220V甚者380V電壓，就得用專業(yè)的伺服驅(qū)動(dòng)器了，還有類(lèi)似吸盤(pán)的氣壓驅(qū)動(dòng)，外接鍵盤(pán)鼠標(biāo)一樣的外設(shè)驅(qū)動(dòng)，以及各種各樣的傳感器驅(qū)動(dòng)，總之，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的職責(zé)就是保證機(jī)器人各種設(shè)備的正常運(yùn)行。

機(jī)器人光動(dòng)是不行的，還需要具備感知能力，這就得靠傳感系統(tǒng)了。傳感系統(tǒng)一般分為內(nèi)部傳感和外部傳感，內(nèi)部傳感是用來(lái)感知機(jī)器人自身狀態(tài)的，比如通過(guò)里程計(jì)計(jì)算自己輪子旋轉(zhuǎn)的速度，從而計(jì)算累積位移，通過(guò)陀螺儀感知機(jī)器人自身的角加速度，判斷轉(zhuǎn)彎時(shí)的狀態(tài)，通過(guò)加速度計(jì)，感知機(jī)器人在各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上的加速度，可以用來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或者上下坡，還有力傳感器，可以用來(lái)感知機(jī)器人自身與外部的相互作用力度，比如抓一個(gè)雞蛋，但又不至于抓破。

與內(nèi)部傳感器相反，外部傳感器幫助機(jī)器人感知外部信息，類(lèi)似人眼一樣，使用攝像頭來(lái)看到外部的彩色圖像，不過(guò)機(jī)器人可以通過(guò)多種外部傳感器超越人類(lèi)的極限，比如可以使用紅外傳感器，在沒(méi)有光線的情況下，也可以看到外部環(huán)境，類(lèi)似夜視儀一樣，還可以利用激光雷達(dá)、聲納、超聲波等距離傳感器，感知在某個(gè)角度范圍內(nèi)的障礙物距離，還有麥克風(fēng)和喇叭，方便我們與機(jī)器人語(yǔ)音交流。

傳感系統(tǒng)是智能機(jī)器人的重要組成，很多機(jī)器人甚至裝備了幾十上百個(gè)傳感器，感知自身與環(huán)境的各種信息，比如自動(dòng)駕駛汽車(chē)就是如此。

在這些系統(tǒng)的上層，就是機(jī)器人的大腦——控制系統(tǒng)了。控制系統(tǒng)一般也是硬件+軟件組成，硬件大多采用計(jì)算資源豐富的處理器，比如我們常用的筆記本電腦、樹(shù)莓派、英偉達(dá)板卡等；其中運(yùn)行的軟件就是各種豐富的應(yīng)用程序了，比如讓機(jī)器人建立未知環(huán)境的地圖，或者讓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到送餐地點(diǎn)，再或者是讓機(jī)器人識(shí)別人臉。

智能機(jī)器人的核心算法體現(xiàn)，都是在控制系統(tǒng)中完成，這也是我們未來(lái)做機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)的主要位置。

機(jī)器人實(shí)例

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以上述機(jī)器人為例，直觀看上去，似乎這個(gè)小車(chē)并不復(fù)雜。

底盤(pán)是整個(gè)小車(chē)的底座，通過(guò)螺絲安裝了四個(gè)個(gè)車(chē)輪和配套的電機(jī)以及舵機(jī)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)。

底盤(pán)上第一層是電池，相對(duì)比較重，盡量放在下邊，可以讓小車(chē)的中心靠下，第二層則用來(lái)放置主要的傳感器和控制器板卡，這樣可以很好的隱藏兩層板的疊加同時(shí)讓板卡更加安全。

小車(chē)底盤(pán)的前端，為了安裝相機(jī)，我們要設(shè)計(jì)一個(gè)安裝的支架，一側(cè)用螺絲固定在底盤(pán)上，另外一側(cè)可以固定相機(jī)，最好還可以調(diào)節(jié)相機(jī)可視角度。

第三層則有一個(gè)LED顯示屏以及一些通孔，可以用來(lái)放置一些方便調(diào)試以及需要一定高度的傳感器如雷達(dá)等。

此外在車(chē)體兩側(cè)還放置了RGB燈帶，可以讓小車(chē)看起來(lái)更加炫酷。

這就是智能小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)啦，大家可以根據(jù)自己選擇的各種零部件尺寸。

接下來(lái)，我們把焦點(diǎn)放到小車(chē)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)上，也就是這兩個(gè)電機(jī)和四個(gè)輪子，它們?nèi)绾慰刂菩≤?chē)運(yùn)動(dòng)呢？

其實(shí)對(duì)于智能小車(chē)而言，常見(jiàn)的有三種形態(tài)運(yùn)動(dòng)方式，接下來(lái)一一介紹。

審核編輯 黃宇