小車設(shè)計(jì)整體思路

作者：胡泊最近接觸了很多機(jī)器人愛好者，很多人都對(duì)機(jī)器人技術(shù)展示出了濃厚的興趣，也在計(jì)劃如何動(dòng)手制作自己的第一個(gè)機(jī)器人。但是似乎很多的人都摸不到門路，只能是站在大門外滿懷興趣的向內(nèi)觀望，觀望了一陣興趣漸失只好嘆口氣走開……很多初學(xué)者可能都是看了一些視頻或是現(xiàn)場(chǎng)的比賽，勾起了兒時(shí)的美好回憶，興起了自己動(dòng)手制作機(jī)器人的念頭，很多人可能并不是嵌入式開發(fā)的業(yè)內(nèi)人士，甚至沒有聽說過單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)這些名詞，看著別人滿地亂跑的各種機(jī)器人，頗有無處下手的感覺。有的人一上來就準(zhǔn)備做一個(gè)可以雙足行走的人形機(jī)器人，可以平穩(wěn)行走，可以靠攝像頭來讀取環(huán)境信息，可以語音識(shí)別，最好還可以變形……：一（我的意見是：新手最好還是老老實(shí)實(shí)的從小車開始吧。人形機(jī)器人可以說是一個(gè)系統(tǒng)的大工程，不是一個(gè)人玩的起來的，而且資金上的投入也是不可計(jì)量的。一個(gè)人形機(jī)器人的成型產(chǎn)品最少要賣到幾千塊一一要知道，你在開發(fā)過程中是不可能沒有錯(cuò)誤投入的。機(jī)器人小車技術(shù)上門檻較低，資金投入也少，市場(chǎng)上的各種產(chǎn)品和零配件的支持也較多，雖然簡(jiǎn)單，但可以實(shí)現(xiàn)的功能可一點(diǎn)也不少。我在這里憑自己的經(jīng)驗(yàn)介紹一些自己動(dòng)手制作機(jī)器人小車的基礎(chǔ)知識(shí)，如果你是曾經(jīng)自己動(dòng)手做過的高手，那么你可以繞行，我這里介紹的都是為未入門者準(zhǔn)備的最基本的理論知識(shí)和一些動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)。那么現(xiàn)在我們開始，首先是理論部分一一小車的控制結(jié)構(gòu)。［一］小車的整體控制系統(tǒng)小車是怎么來控制的？為什么小車判斷出障礙物后可以自動(dòng)的繞開？理論：控制工程一一處理自動(dòng)控制系統(tǒng)各種工程實(shí)現(xiàn)問題的綜合性工程技術(shù)。包括對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)提出要求（即規(guī)定指標(biāo)）、進(jìn)行設(shè)計(jì)、構(gòu)造、運(yùn)行、分析、檢驗(yàn)等過程。它是在電氣工程和機(jī)械工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。閉環(huán)控制：閉環(huán)控制有反饋環(huán)節(jié)，通過反饋系統(tǒng)是系統(tǒng)的精確度提高，響應(yīng)時(shí)間縮短,適合于對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，穩(wěn)定性要求高的系統(tǒng)。開環(huán)控制:開環(huán)控制沒有反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高，響應(yīng)時(shí)間相對(duì)來說很長,精確度不高，使用于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性精確度要求不高的簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。一般稍微復(fù)雜一點(diǎn)的機(jī)器人小車都是閉環(huán)控制，也就是說它有一個(gè)反饋機(jī)制，會(huì)根據(jù)自己配備的各種傳感器來讀取環(huán)境信息，并且根據(jù)這些環(huán)境信息來決定自己下一步的行動(dòng)，決定好后將行動(dòng)指令發(fā)給執(zhí)行系統(tǒng)，使機(jī)器人做出合適的動(dòng)作。當(dāng)然也有的機(jī)器人小車是開環(huán)控制，我就見過一個(gè)機(jī)器人小車配了一支筆，將機(jī)器人放在紙上，機(jī)器人一轉(zhuǎn)，刷的一下在紙上畫出一個(gè)圈來，當(dāng)然由于摩擦力和機(jī)械誤差等原因，畫出來的圓圈可能不閉合，也可能不圓。不過人家阿Q都說了：“孫子才畫的圓呢……”有點(diǎn)迷糊？沒關(guān)系，其實(shí)簡(jiǎn)單一點(diǎn)說就是這樣:機(jī)器人可以分為三部分一一傳感器部分、控制器部分、執(zhí)行器部分。傳感器部分:機(jī)器人用來讀取各種外部信號(hào)的傳感器，以及控制機(jī)器人行動(dòng)的各種開關(guān)。好比人的眼睛、耳朵等感覺器官?？刂破鞑糠?接收傳感器部分傳遞過來的信號(hào)，并根據(jù)事前寫入的決策系統(tǒng)（軟件程序），來決定機(jī)器人對(duì)外部信號(hào)的反應(yīng)，將控制信號(hào)發(fā)給執(zhí)行器部分。好比人的大腦。執(zhí)行器部分：驅(qū)動(dòng)機(jī)器人做出各種行為，包括發(fā)出各種信號(hào)（點(diǎn)亮發(fā)光二極管、發(fā)出聲音）的部分，并且可以根據(jù)控制器部分的信號(hào)調(diào)整自己的狀態(tài)。對(duì)機(jī)器人小車來說，最基本的就是輪子。這部分就好比人的四肢一樣。好的，現(xiàn)在我們來分析一下機(jī)器人小車的避障行為控制：機(jī)器人正在行走過程中（人在路上走），忽然接收到裝在機(jī)器人前部的傳感器發(fā)來的一個(gè)“左前方有障礙物”的信號(hào)（人眼發(fā)現(xiàn)左前方有一根電線桿），我們事先寫在機(jī)器人控制芯片中的程序算法要求機(jī)器人發(fā)現(xiàn)左前方有障礙物就往右邊轉(zhuǎn)（人發(fā)現(xiàn)左前方有電線桿就應(yīng)該往右躲一一什么，你還要繼續(xù)往前走？你牛！那我就等著聽響了，哦，原來你只是想去看上面的小廣告……），控制芯片對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器一一或是輪子，或是雙足一一發(fā)出向右轉(zhuǎn)的指令（人大腦發(fā)出向右轉(zhuǎn)的指令，通俗點(diǎn)說就是“拐了拐了”），此時(shí)機(jī)器人的執(zhí)行器部分應(yīng)該立即響應(yīng)控制器的指令，改變自己的狀態(tài)，使機(jī)器人的前進(jìn)方向改變，避開障礙物（恭喜你，躲開了電線桿）。怎么樣，是不是有了點(diǎn)機(jī)器“人”的意思?那么這三部分是怎么聯(lián)系起來的呢？很簡(jiǎn)單：電！其實(shí)機(jī)器人小車就是一個(gè)電子作品，傳感器將外部的光信號(hào)、聲音信號(hào)、溫度信號(hào)等全部轉(zhuǎn)換為控制部分可以接受的電信號(hào)，控制系統(tǒng)發(fā)出的指令也是各種電信號(hào)，通過執(zhí)行部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)輸出的扭矩、聲音、光信號(hào)等等。下面我來分別介紹一下這三個(gè)部分。［二］傳感器部分傳感器是機(jī)器人的眼睛，想要小車完成不同的任務(wù)就要配備各種不同的傳感器。現(xiàn)在市場(chǎng)上林林總總的傳感器數(shù)不勝數(shù)，一般個(gè)人機(jī)器人愛好者經(jīng)常使用的有碰撞檢測(cè)傳感器（碰撞開關(guān)）、紅外測(cè)障傳感器、紅外測(cè)距傳感器、光敏電阻、電子溫度計(jì)、電子指南針等等。一般機(jī)器人用的傳感器返回的信號(hào)分兩種：一種返回值很簡(jiǎn)單，只有兩個(gè)狀態(tài)：“有”或者“沒有”；“是”或者“不是”；“0”或者“1”。我一般習(xí)慣把這種量稱為“狀態(tài)量”。它所反映的是一種狀態(tài)，只是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的“是”或“否”。比如“機(jī)器人左邊有沒有障礙物”，“有沒有聲音信號(hào)”等。還有一種返回值返回的是一個(gè)已知范圍內(nèi)任意值，比如一只光敏電阻返回的信號(hào)就可能是0?5V范圍內(nèi)的任意電壓信號(hào)。我一般把這種量稱為“強(qiáng)度量”。它所反映的是一個(gè)有效范圍內(nèi)的強(qiáng)度。比如“機(jī)器人左邊的障礙物有多遠(yuǎn)”，“現(xiàn)在的聲音信號(hào)有多強(qiáng)”等?！盃顟B(tài)量”反映的信息較簡(jiǎn)單，相應(yīng)的傳感器也較簡(jiǎn)單，成本較低。而“強(qiáng)度量”反映的信息則較豐富，相應(yīng)的傳感器的成本就會(huì)比較高，同時(shí)給控制上也帶來了更大的靈活性和復(fù)雜性。下面我們來看一些常用的傳感器:碰撞開關(guān)：電路常開，碰到障礙物后連通，可以用來檢測(cè)機(jī)器人是否發(fā)生碰撞。

光敏電阻:光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）?？梢杂脕頇z測(cè)光線強(qiáng)度。紅外測(cè)障傳感器：紅外測(cè)障傳感器利用紅外線遇到障礙物會(huì)反射的原理，來檢測(cè)某一方向上是否有障礙物的存在。

紅外測(cè)距傳感器:紅外測(cè)距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)。超聲波測(cè)距傳感器:超聲波測(cè)距傳感器利用聲音在空氣中的傳輸距離和傳輸時(shí)間成正比的原理，通過檢測(cè)不同遠(yuǎn)近的反射面對(duì)超聲波反射回去的時(shí)間不同來檢測(cè)障礙物的距離。對(duì)于傳感器，很多人覺得只要看看文檔，知道怎么用了就行。但我的建議是：不但要知道怎么用，還要知道其檢測(cè)原理。只有深刻的理解了傳感器的檢測(cè)原理，才能具有更好的發(fā)散性思維。我舉一個(gè)例子：當(dāng)初在學(xué)校開展機(jī)器人滅火比賽，我們用了廠家提供的地面灰度傳感器依靠可見光反射來檢測(cè)地面白線，效果一直不是很理想。后來有同學(xué)仔細(xì)研究了當(dāng)時(shí)電機(jī)上配備的光電編碼器，發(fā)現(xiàn)其原理就是利用紅外線在不同顏色表明上反射率不同檢測(cè)高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)上黑白相間的碼盤來測(cè)出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，動(dòng)手將光電編碼器上的紅外檢測(cè)模塊拆下來裝在機(jī)器人底部，用來檢測(cè)地面白線，檢測(cè)效果一下子好了很多。購買途徑：當(dāng)?shù)氐碾娮邮袌?chǎng)，或是網(wǎng)上購買（現(xiàn)在很多機(jī)器人商家都