如何設(shè)計一款四輪智能小車

此部分共分為五個小節(jié)，通過這個 Part 的學(xué)習(xí)，我們將了解機(jī)器人的概念和組成，對機(jī)器人的整體設(shè)計有一個明確的思路，然后通過機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大組成部分，展開介紹設(shè)計一款智能小車的基本思路。

通過這一講課程，我們希望大家腦海中能夠?qū)χ悄苄≤囉幸粋€明確的認(rèn)識和開發(fā)思路，未來我們再逐個擊破，把它一點一點做出來。

總體設(shè)計思路

從控制的角度來講，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)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

先來看執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這是機(jī)器人要動起來的重要裝置，比如移動機(jī)器人是需要移動的，那如何帶動輪子旋轉(zhuǎn)或者轉(zhuǎn)彎呢，就是類似這樣的電機(jī)、舵機(jī)來執(zhí)行運(yùn)動的。但并不是所有運(yùn)動部位都會安裝電機(jī)，比如一輛真實的汽車，一般只有一個電機(jī)或者發(fā)動機(jī)，那如何讓兩個輪子，甚至四個輪子都轉(zhuǎn)起來呢，這就需要一個完成動力分配的傳動系統(tǒng)，比如轉(zhuǎn)彎的時候動態(tài)調(diào)整左右兩個輪子的速度，這需要嚴(yán)密的機(jī)械設(shè)計，也就是差速器的功能。除了移動機(jī)器人，在一些工業(yè)機(jī)器人中，驅(qū)動機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)、抓取物體的吸盤夾爪，也可以看做是執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？傊瑘?zhí)行機(jī)構(gòu)就是執(zhí)行運(yùn)動的一套裝置。

為了讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確的執(zhí)行動作，還需要在執(zhí)行機(jī)構(gòu)前連接一套驅(qū)動系統(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)，如何動態(tài)的調(diào)整電壓、電流，來達(dá)到準(zhǔn)確的運(yùn)動目的呢，這就是由電機(jī)驅(qū)動器來實現(xiàn)的。如果是電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的話，其配套的驅(qū)動系統(tǒng)一般都是由驅(qū)動板卡+控制軟件組成，也是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，我們在學(xué)校中學(xué)習(xí)的單片機(jī)、PID、數(shù)字電路等概念，都和這個部分緊密相連。驅(qū)動系統(tǒng)的選擇是根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來的，比如普通的直流電機(jī)，用類似這樣的電機(jī)驅(qū)動板就行，工業(yè)上常用的伺服電機(jī)，都會用到220V甚者380V電壓，就得用專業(yè)的伺服驅(qū)動器了，還有類似吸盤的氣壓驅(qū)動，外接鍵盤鼠標(biāo)一樣的外設(shè)驅(qū)動，以及各種各樣的傳感器驅(qū)動，總之，驅(qū)動系統(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)部傳感是用來感知機(jī)器人自身狀態(tài)的，比如通過里程計計算自己輪子旋轉(zhuǎn)的速度，從而計算累積位移，通過陀螺儀感知機(jī)器人自身的角加速度，判斷轉(zhuǎn)彎時的狀態(tài)，通過加速度計，感知機(jī)器人在各個運(yùn)動方向上的加速度，可以用來判斷運(yùn)動趨勢或者上下坡，還有力傳感器，可以用來感知機(jī)器人自身與外部的相互作用力度，比如抓一個雞蛋，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，類似人眼一樣，使用攝像頭來看到外部的彩色圖像，不過機(jī)器人可以通過多種外部傳感器超越人類的極限，比如可以使用紅外傳感器，在沒有光線的情況下，也可以看到外部環(huán)境，類似夜視儀一樣，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傳感器，感知自身與環(huán)境的各種信息，比如自動駕駛汽車就是如此。

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，硬件大多采用計算資源豐富的處理器，比如我們常用的筆記本電腦、樹莓派、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)動到送餐地點，再或者是讓機(jī)器人識別人臉。

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，這也是我們未來做機(jī)器人軟件開發(fā)的主要位置。

機(jī)器人實例

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

以上述機(jī)器人為例，直觀看上去，似乎這個小車并不復(fù)雜。

底盤是整個小車的底座，通過螺絲安裝了四個個車輪和配套的電機(jī)以及舵機(jī)，用來驅(qū)動小車運(yùn)動。

底盤上第一層是電池，相對比較重，盡量放在下邊，可以讓小車的中心靠下，第二層則用來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讓板卡更加安全。

小車底盤的前端，為了安裝相機(jī)，我們要設(shè)計一個安裝的支架，一側(cè)用螺絲固定在底盤上，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LED顯示屏以及一些通孔，可以用來放置一些方便調(diào)試以及需要一定高度的傳感器如雷達(dá)等。

此外在車體兩側(cè)還放置了RGB燈帶，可以讓小車看起來更加炫酷。

這就是智能小車的機(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，我們把焦點放到小車的執(zhí)行結(jié)構(gòu)上，也就是這兩個電機(jī)和四個輪子，它們?nèi)绾慰刂菩≤囘\(yùn)動呢？

其實對于智能小車而言，常見的有三種形態(tài)運(yùn)動方式，接下來一一介紹。

審核編輯 黃宇