3.2 硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 控制系統(tǒng)

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車采用手機(jī)APP控制和手柄控制相結(jié)合的方式進(jìn)行控制。控制系統(tǒng)的主板選用開源Arduino控制板。Arduino控制板的特點(diǎn)是開源、成本低廉、集成度高，擁有跨平臺(tái)、簡(jiǎn)易的編程環(huán)境、使用C語言編程及軟/硬件開源、USB燒錄可擴(kuò)展等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。Arduino UNO R3主板作為一種高度集成化開源的控制板，可最大限度地為用戶提供常用基本功能的電路模塊，不僅能夠輕松實(shí)現(xiàn)與常用外設(shè)，如鍵盤、鼠標(biāo)、搖桿等的連接，而且還可以充分兼容所有現(xiàn)存的擴(kuò)展板，能夠用擴(kuò)展板額外的端口接受全新的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)用戶自定義的特色功能。

Arduino語言簡(jiǎn)單來說就是很多參數(shù)被函數(shù)化處理之后的C語言。Arduino語言程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要包括初始化變量、設(shè)置管腳模式的setup（）函數(shù)和循環(huán)執(zhí)行函數(shù)loop（）。Arduino語言提供了多種函數(shù)庫供用戶參考使用，例如模擬I/O口輸入/輸出函數(shù)、數(shù)字I/O口輸入/輸出模式的定義函數(shù)、時(shí)間日期函數(shù)等。

1．Arduino UNO R3主板

Arduino UNO R3主板實(shí)物圖如圖3.2所示。

Arduino UNO R3主板的微控制器采用ATmega328，具有14個(gè)數(shù)字I/O引腳、6個(gè)模擬輸入引腳，時(shí)鐘為16MHz，引腳可承受最高為40mA的電流，每個(gè)引腳都連接1個(gè)20～50kΩ的內(nèi)部上拉電阻。Arduino UNO R3主板有一根自恢復(fù)熔斷器，具有USB過流保護(hù)能力，能保護(hù)計(jì)算機(jī)USB端口免遭短路的損害；包含組成微控的所有結(jié)構(gòu)，僅需要將一條USB數(shù)據(jù)線連接到計(jì)算機(jī)就可燒錄程序，使用交/直流轉(zhuǎn)換適配器或電池即可啟動(dòng)。

Arduino UNO R3主板在實(shí)驗(yàn)過程中，一直性能穩(wěn)定，效果良好，在搭載多種功能傳感器時(shí)，由于其I/O口有限，因此使用Arduino擴(kuò)展板進(jìn)行擴(kuò)展。

2．手機(jī)APP控制端

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車的手機(jī)APP控制端是利用藍(lán)牙與小車進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)的，由操作人員在手機(jī)APP上發(fā)送指令，小車的藍(lán)牙模塊在接收指令后，由Arduino UNO R3主板進(jìn)行處理，根據(jù)指令類型在程序中查找執(zhí)行方案后執(zhí)行動(dòng)作。

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車選用HC-06藍(lán)牙芯片進(jìn)行手機(jī)APP控制端的數(shù)據(jù)傳輸。HC-06藍(lán)牙芯片體積小（27mm×13mm×2mm），靈敏度（誤碼率）達(dá)到-80dBm，廉價(jià)實(shí)惠，性能良好，內(nèi)置2.4GHz無線接收發(fā)射模塊，不需要另外的天線。

HC-06藍(lán)牙芯片實(shí)物圖如圖3.3所示。

HC-06藍(lán)牙芯片的原理圖如圖3.4所示。

手機(jī)APP控制端有12個(gè)控制端口，可以執(zhí)行36組模式的命令。

手機(jī)APP控制端界面截圖如圖3.5所示。

3．手柄控制端

由于手機(jī)APP控制的距離過短，因此為了實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的遠(yuǎn)程控制能力，在后期，我們選用市場(chǎng)上較為成熟的Arduino開源無線遙控手柄，采用Arduino編譯器進(jìn)行編譯，與Arduino APC220 USB無線數(shù)據(jù)傳輸模塊配合，遙控距離在空曠地可以達(dá)到1000m。

Arduino APC220 USB是高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片ADF7020-1，采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾和靈敏度較高，可以在線修改串口速率、發(fā)射功率、射頻速率。

Arduino APC220 USB無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)物圖如圖3.6所示。

Arduino APC220 USB無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與設(shè)備的連接方式如圖3.7所示。

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車使用Arduino開源無線遙控手柄，不用再單獨(dú)供電，通過USB口可以反復(fù)充電，控制距離長(zhǎng)，可以開發(fā)的按鍵多（共具有16個(gè)功能按鍵，目前本設(shè)計(jì)已經(jīng)使用了10個(gè)）。

Arduino開源無線遙控手柄實(shí)物圖如圖3.8所示。

3.2.2 動(dòng)力系統(tǒng)

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車的動(dòng)力系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊組成。

1．驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊主要由XD-37GB520減速電動(dòng)機(jī)和L298N驅(qū)動(dòng)器組成。XD-37GB520減速電動(dòng)機(jī)在L298N驅(qū)動(dòng)器的配合下能發(fā)揮出較好的動(dòng)力性能，使小車在草地、沙地、泥濘地面等地形條件下的機(jī)動(dòng)性能好，能夠越過一般的障礙物，在水泥、瀝青地面上的最高速度可以達(dá)到1m/s。

XD-37GB520減速電動(dòng)機(jī)是12V直流電動(dòng)機(jī)，最大運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩可達(dá)10kg·cm，齒輪極限運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩可達(dá)30kg·cm，效率可達(dá)95%，具有震動(dòng)小、噪聲低、節(jié)能等特點(diǎn)。該電動(dòng)機(jī)選用優(yōu)質(zhì)鍛鋼材料，剛性鑄鐵箱體，齒輪表面經(jīng)過高頻熱處理，抗毀能力強(qiáng)。

XD-37GB520減速電動(dòng)機(jī)的實(shí)物圖如圖3.9所示。

XD-37GB520減速電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)見表3.3。

定子和轉(zhuǎn)子是直流電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)主要組成部分，工作時(shí)，能夠?qū)⒅绷麟娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能，使直流電動(dòng)機(jī)在一定的負(fù)載下，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變，擁有良好的調(diào)速性能，易于平滑調(diào)速，范圍較廣。這些特性是交流電動(dòng)機(jī)所不具備的。XD-37GB520減速電動(dòng)機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、高扭矩的特點(diǎn)，非常適合小車的驅(qū)動(dòng)，有利于提高小車在復(fù)雜地形條件下的爬坡能力和越障能力。雖然直流電動(dòng)機(jī)具有上述優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是換向困難，在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，使用壽命短，需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

在三角輪與減速電動(dòng)機(jī)的配合下，小車的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到200r/min，相對(duì)小車的選材，已經(jīng)很好地滿足了需求：在一般地面上的速度可達(dá)0.6m/s，在平坦地面上的最高速度可以達(dá)到1m/s。

由于Arduino UNO R3主板是不能直接連接XD-37GB520減速電動(dòng)機(jī)的，所以需要采用驅(qū)動(dòng)器來過渡。驅(qū)動(dòng)器主要用于控制XD-37GB520減速電動(dòng)機(jī)的工作，執(zhí)行停止、步進(jìn)、調(diào)速、運(yùn)行等操作。小車采用L298N驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器采用兩路H橋驅(qū)動(dòng)，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)。L298N是一種高電壓、大電流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，采用15腳封裝，主要特點(diǎn)是工作電壓高，最高可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間電流峰值可以達(dá)到3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率為25W；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制，具有兩個(gè)控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下，可允許或禁止器件工作；有一個(gè)邏輯電源輸入端，可使內(nèi)部邏輯電路在低電壓下工作。L298N驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、發(fā)熱量低、抗干擾能力強(qiáng)，可以很好地適應(yīng)小車中減速電動(dòng)機(jī)的工作需求。L298N驅(qū)動(dòng)器的實(shí)物圖如圖3.10所示。

L298N驅(qū)動(dòng)器的工作原理圖如圖3.11所示。

L298N驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)2相電動(dòng)機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)4相電動(dòng)機(jī)，通過調(diào)節(jié)電源來控制輸出電壓，可以用Arduino控制板的I/O口來提供，具有四種邏輯類型，三種工作狀態(tài)。

L298N驅(qū)動(dòng)器的功能邏輯見表3.4。

2．電源模塊

電源模塊是小車一切運(yùn)行工作的力量源泉。本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)的是在復(fù)雜地形條件下執(zhí)行感知任務(wù)的無人感知小車模型，需要長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行遠(yuǎn)程環(huán)境感知任務(wù)。因此，小車的三角輪在跨越障礙時(shí)耗能大，需要供給不間斷的電能，綜合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，選用12V鎳氫電池與太陽能充電裝置相互配合。太陽能充電裝置能夠給小車電池不斷充電，延長(zhǎng)了小車單次執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間。

太陽能充電裝置實(shí)物圖如圖3.12所示。

太陽能充電裝置采用升降壓芯片作為主要控制器，外置60V、75A的MOS管作為開關(guān)管，采用雙60V、5A的SS56肖特基二極管進(jìn)行整流，自帶輸出防倒灌功能，給電池充電時(shí)不用另加防倒灌二極管。雖然如此，但是太陽能充電裝置的充電效率過低，充電時(shí)間長(zhǎng)。這也是限制小車工作時(shí)間的一個(gè)重要因素。

3.2.3 底盤系統(tǒng)

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車作為具有感知功能的地面無人小車，必須具備在復(fù)雜地形條件下的機(jī)動(dòng)能力，不僅能夠在水泥、瀝青等較好質(zhì)量的地面下行駛，還必須能夠適應(yīng)山地、沙地、叢林、廢墟等復(fù)雜的地形條件。因此在經(jīng)過對(duì)輪胎和履帶性能的分析計(jì)算與調(diào)研之后，我們決定使用全履帶式底盤。全履帶式底盤主要由履帶式行星三角輪和履帶行走底盤組成。

1．履帶式行星三角輪

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車的主要特點(diǎn)是自主設(shè)計(jì)了被動(dòng)式行星三角輪，采用獨(dú)立四驅(qū)的方式。前面的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪為行星三角輪，具有自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)兩種工作模式。在沒有障礙物的情況下，行星三角輪通過自身的自轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等功能。當(dāng)小車遇見障礙物時(shí)，行星三角輪的自轉(zhuǎn)被限制，被迫進(jìn)行公轉(zhuǎn)，從而達(dá)到越障的目的，突破了傳統(tǒng)的越障方式，即通過變徑機(jī)構(gòu)和變胞機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)越障。

行星三角輪由一個(gè)主動(dòng)公轉(zhuǎn)輪和三個(gè)被動(dòng)輪組成。位于行星三角輪中間的輪為主動(dòng)公轉(zhuǎn)輪，由12V直流減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；位于行星三角輪三個(gè)角的輪為三個(gè)被動(dòng)輪，通過傳送帶與主動(dòng)公轉(zhuǎn)輪連接獲得轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力，以此驅(qū)動(dòng)行星三角輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

在平坦地形，未遭遇障礙物時(shí)，主動(dòng)公轉(zhuǎn)輪受減速電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)被動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退，通過調(diào)節(jié)不同的PWM占空比，可實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向、切向轉(zhuǎn)向、中心轉(zhuǎn)向三種轉(zhuǎn)彎模式。由于是履帶傳動(dòng)，所以行星三角輪可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，調(diào)節(jié)方向。由于Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車體積過大，減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)能力有限，因此在原地轉(zhuǎn)彎時(shí)，速度過慢，效率較低。

當(dāng)遭遇障礙物時(shí)，行星三角輪與障礙物接觸受到阻力作用。在重力與阻力的共同作用下，行星三角輪會(huì)以三角形的幾何中心為軸實(shí)現(xiàn)公轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)跨上障礙物后，增大了與障礙物的接觸面積，再通過自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)相結(jié)合跨下障礙物。

行星三角輪工作模式轉(zhuǎn)換圖如圖3.13所示。

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車的行星三角輪在原理上可以跨越障礙物，爬上垂直墻，例如爬樓梯，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，由于取材廉價(jià)，選用的都是市場(chǎng)上的一些較為便宜的元器件，小車的主體框架也是采用亞克力板加工而成的，加之12V的電源在實(shí)際工作中動(dòng)力不足，因此均導(dǎo)致小車爬樓梯的能力大大減弱，在實(shí)際測(cè)試中成功率低，在跨越障礙物時(shí)動(dòng)作緩慢。

2．履帶行走底盤

履帶行走底盤能更好地適應(yīng)復(fù)雜的地形，驅(qū)動(dòng)力大（通常每條履帶的驅(qū)動(dòng)力可達(dá)機(jī)重的35%～45%），接比壓小（40～150kPa），越野性能和穩(wěn)定性好，爬坡能力強(qiáng)（一般為50%～80%，最高可達(dá)100%），轉(zhuǎn)彎半徑小，靈活性好。

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車全部采用履帶傳動(dòng)形式行走，行星三角輪與舵機(jī)支撐臂都是經(jīng)過履帶傳動(dòng)的。雖然履帶與輪胎相比，適應(yīng)復(fù)雜地形的能力強(qiáng)，但是也有很多缺點(diǎn)，比如噪聲大，不利于小車隱蔽；運(yùn)行速度慢，運(yùn)行和轉(zhuǎn)向時(shí)功率消耗大，零件磨損快；履帶結(jié)構(gòu)決定了自身質(zhì)量大，對(duì)空中投送要求高。

3．270°舵機(jī)支撐臂

在小車的尾部，與行星三角輪相配合的是兩個(gè)“爪子”。這兩個(gè)“爪子”是由舵機(jī)控制的兩個(gè)車臂。因?yàn)樵谇捌趯?shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)行星三角輪的越障能力不足，比如在翻越垂直障礙物時(shí)，行星三角輪已經(jīng)跨上障礙物，但小車底部總是被障礙物卡住，不能很好地實(shí)現(xiàn)越障功能，因此在小車尾部增加了這兩個(gè)“爪子”。當(dāng)行星三角輪跨越障礙物時(shí)，這兩個(gè)“爪子”由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，撐起底盤，提高小車的整體重心，輔助行星三角輪完整地跨越障礙物。這兩個(gè)“爪子”采用270°的舵機(jī)，扭矩可達(dá)10kg·cm。

270°舵機(jī)支撐臂實(shí)物圖如圖3.14所示。

當(dāng)?shù)孛嫫教梗蛘咝行侨禽喛瑟?dú)立完成任務(wù)，不需要協(xié)助時(shí)，270°舵機(jī)支撐臂可以旋起，避免增大不必要的摩擦力。

當(dāng)需要協(xié)助行星三角輪工作時(shí)，270°舵機(jī)支撐臂轉(zhuǎn)動(dòng)，向地面下壓，撐起小車，提高小車的重心，輔助完成越障。

在加上這兩個(gè)270°舵機(jī)支撐臂后，小車的越障能力確有提高，但在實(shí)地測(cè)試過程中也暴露出很多問題，即小車自身質(zhì)量過大，270°舵機(jī)支撐臂在工作過程中因負(fù)載過大而經(jīng)常被燒壞，要改換大功率的舵機(jī)。

4．VR感知系統(tǒng)

Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車的感知系統(tǒng)主要是通過攝像頭進(jìn)行視頻感知的。攝像頭安裝在一個(gè)由兩個(gè)舵機(jī)組成的2自由度平臺(tái)上。平臺(tái)的左右視界為-90°～90°，上下視界為-45°～45°。Arduino虛擬現(xiàn)實(shí)感知小車使用的攝像頭為M6運(yùn)動(dòng)相機(jī)的高清攝像頭：1200萬像素，深度防水，179°廣角。攝像頭的視頻感知資料可回傳至終端。

VR感知系統(tǒng)組成部件實(shí)物圖如圖3.15所示。