怎樣制作避障小車

本項目是在 PVCBOT-A型 基礎(chǔ)平臺車——BEAM小車的基礎(chǔ)上，加裝了避障傳感器以及控制電路，組成了一臺具體有避障功能的小車。而這個所謂避障小車，實際上就是和 PVCBOT-1號 機器人類似的避障機器人，除了其制作過程是采用了模塊化的開發(fā)思路外，與1號的體型類似且控制電路是一樣的，因此本項目的機器人可看作是1號機器人的升級版本——瘋狂小強二代。

雖說本項目機器人與1號項目機器人本身有著很多相同之處，但是本項目的重點卻是在于介紹怎么用模塊化的思想去開發(fā)具體的項目，以及介紹如何在A型基礎(chǔ)平臺車上面擴展裝備以實現(xiàn)既定的功能應(yīng)用。

運動機理

控制前面兩個輪子的轉(zhuǎn)動方向就可以控制整個機器人行進的方向：

1、左右兩個前輪都向前轉(zhuǎn)，則機器人向“正前方”直線前進；

2、左右兩個前輪都向后轉(zhuǎn)，則機器人向“正后方”直線倒退；

3、左前輪向后轉(zhuǎn)，右前輪向前轉(zhuǎn)，則機器人將以后輪為軸心逆時針轉(zhuǎn)動，即實現(xiàn)向“右后方”轉(zhuǎn)彎倒退；

4、左前輪向前轉(zhuǎn)，右前輪向后轉(zhuǎn)，則機器人將以后輪為軸心順時針轉(zhuǎn)動，即實現(xiàn)向“左后方”轉(zhuǎn)彎倒退。

控制原理

在機器人的頭部用鋼絲做兩根觸須，一左一右各連接到一個碰撞開關(guān)，分別控制兩個前輪的旋轉(zhuǎn)方向。

特別注意，左右觸須與對應(yīng)控制的電機是交叉過來的，即：左邊的觸須連接右邊的碰撞開關(guān)，控制右邊的電機；右邊的觸須連接左邊的碰撞開關(guān)，控制左邊的電機。

（1）無障礙物

當前方都沒有障礙物，左右兩個輪子都向前正轉(zhuǎn)，則機器人向“前方”直線前進。

（2）左前方有障礙物

當左前方有障礙物，在左邊觸須碰到障礙物時，控制右邊的輪子反轉(zhuǎn)，則機器人向“左后方”倒退并轉(zhuǎn)彎，即方向轉(zhuǎn)向了障礙物的右邊，從而避開了左邊的障礙物。

向后倒退轉(zhuǎn)彎會持續(xù)一會，在完成轉(zhuǎn)彎之后，左邊觸須不再碰到障礙物，則兩個輪子都正轉(zhuǎn)，機器人繼續(xù)向新的沒有障礙物的“前方”直線前進。

（3）右前方有障礙物

當右前方有障礙物，在右邊觸須碰到障礙物時，控制左邊的輪子反轉(zhuǎn)，則機器人向“右后方”倒退并轉(zhuǎn)彎，即方向轉(zhuǎn)向了障礙物的左邊，從而避開了右邊的障礙物。

向后倒退轉(zhuǎn)彎會持續(xù)一會，在完成轉(zhuǎn)彎之后，右邊觸須不再碰到障礙物，則兩個輪子都正轉(zhuǎn)，機器人繼續(xù)向新的沒有障礙物的“前方”直線前進。

（4）正前方有障礙物

當正前方有障礙物，左右兩邊的觸須都會碰到障礙物，控制左右兩邊的輪子都反轉(zhuǎn)，則機器人向“正后方”倒退，從而避開障礙物。

在直線倒退持續(xù)了一會后，左右兩邊的觸須都不再碰到障礙物，則兩個輪子都正轉(zhuǎn)又變成直線前進；然后又會遇到正前方的障礙物又會直線倒退，再直線前進……如此反復(fù)變成一個死循環(huán)。

理論上會出現(xiàn)以上這樣的問題，但是實際上并不會，因為無論是左右輪的摩擦系數(shù)有所差異，還是左右兩組電機的驅(qū)動功率有所差異，或是左右兩組電機的電源的電量有所差異，又或是障礙物左右兩部分表面的光滑程度有所差異，都會導(dǎo)致實際上左右兩邊的觸須碰到障礙物有一個時間差，都無法做到兩邊輪子同時反轉(zhuǎn)，也就是說向后倒退的時候不是完全的直線而是會有所偏移。而且即便第一次是直線后退，但在往復(fù)幾次碰撞之后肯定會出現(xiàn)偏移，最終解除循環(huán)避開障礙物向新的方向前進。

在視頻中，我們也可以看到這一有趣的一幕，機器人連續(xù)幾次反復(fù)撞上“墻壁”，最后還是會重新轉(zhuǎn)向另外的方向。

另外還有一種情況，就是有些時候機器人會卡在墻角停頓了好一陣，然后才轉(zhuǎn)向。這是因為有些時候由于觸須碰撞墻壁的角度比較偏，不是正面碰撞，導(dǎo)致碰撞的力度不夠，觸須無法立即觸發(fā)碰撞開關(guān)響應(yīng)，而機器人在電機的推動下不斷的擠向墻壁，緩慢的擠壓后才觸發(fā)了碰撞開關(guān)控制轉(zhuǎn)向，也就是看到了機器人在墻角停頓了一會才轉(zhuǎn)向的情景。出現(xiàn)這情況，如果電機的輸出功率不足，或是由于電池的電量下降導(dǎo)致動力不足，可能會導(dǎo)致機器人在墻角無力擠壓觸發(fā)碰撞開關(guān)，最終變成卡死在墻角，這個時候要么是換大功率的電機，要么就是換新電池。

特別說明：在本項目里面，必須使用具有一定彈性的鋼絲作為觸須，主要是碰撞開關(guān)的能夠觸發(fā)所需要受的力要大于維持觸發(fā)所需要受的力。

觸須在遇到障礙物后，受擠壓到一定程度就會觸發(fā)碰撞開關(guān)，之后機器人會轉(zhuǎn)向，而由于彈性的存在觸須還會還會觸碰障礙物，受到擠壓還能夠給碰撞開關(guān)施加一定時間的力使得碰撞開關(guān)沒有立即釋放，讓機器人的轉(zhuǎn)向會維持一定的時間。

當機器人逐漸遠離障礙物之后，觸須擠壓碰撞開關(guān)的力會逐漸減小，直到擠壓所產(chǎn)生的力小于維持碰撞開關(guān)觸發(fā)所需要受到的力時，碰撞開關(guān)釋放然后機器人重新會前進。不過這個時候機器人已經(jīng)轉(zhuǎn)向了足夠的時間，前進的方向已經(jīng)變了，就可以避開障礙物了。

假如使用沒有彈性的觸須，則可能機器人碰到障礙物之后還沒有來得及足夠時間的轉(zhuǎn)向，機器人就又再一次撞上障礙物，而由于這個時候離障礙物距離很近再次撞上去的力量會比較小，甚至無法讓觸須有足夠的力量觸發(fā)碰撞開關(guān)控制轉(zhuǎn)向，這樣最終就變成機器人卡在障礙物前面動彈不得。

另外，使用沒有彈性的觸須，則機器人瞬間受到的沖擊力會比較大，還容易造成碰撞開關(guān)或者是機器人結(jié)構(gòu)的損壞。

假如觸須的角度沒有彎折好，也可能會出現(xiàn)機器人在障礙物前反復(fù)“撞擊——退回——撞擊——退回……”的情形，或者最終卡在障礙物前面動彈不得的情況。這主要是觸須的彎折程度比較靠后（靠近身體一側(cè)），使得觸須上比較靠近碰撞開關(guān)的位置接觸到障礙物，當機器人遇到障礙物倒退的時候，觸須的彈性作用沒有發(fā)揮出來，機器人一旦開始倒退觸須就無法繼續(xù)保持對碰撞開關(guān)的觸發(fā)壓力，導(dǎo)致碰撞開關(guān)立即又釋放，而機器人沒有持續(xù)倒退到了完全轉(zhuǎn)向的程度，就又開始前進去撞擊障礙物，最后反復(fù)以上狀態(tài)而僵持在障礙物前。

要解決這個問題，可以把觸須的彎折向前方一點，即觸須盡量向前伸（對應(yīng)前進的方向），而不是往后彎。

電路原理

機器人頭部有兩根鋼絲作的觸須，觸須分別連接在兩個碰撞開關(guān)上（注意兩根鋼絲對應(yīng)的碰撞開關(guān)是交叉的，即：“左—右”鋼絲，對應(yīng)“右—左”碰撞開關(guān)）。

（1）沒有障礙物時，觸須沒有被擠壓，不觸發(fā)碰撞開關(guān)，碰撞開關(guān)默認的通路，給電機供給一個“正方向”的電流，電機于是“順時針方向”旋轉(zhuǎn)。

（2）有障礙物時，觸須被擠壓，觸發(fā)碰撞開關(guān)，碰撞開關(guān)斷開默認通路，連接另外的一組通路，給電機供一個“反方向”的電流，電機于是“逆時針方向”旋轉(zhuǎn)。

這里給出完整的電路原理圖：

為了方便大家，這里再給出實物電路接線圖供參考。

本項目以PVCBOT-A型平臺車為基礎(chǔ)，以杜邦線和排針為主要連接方式， 以下為電路焊接示意圖。

準備工作

本項目需要的器材比較簡單，主要包括：PVC線槽、PVCBOT-A型基礎(chǔ)平臺小車、碰撞開關(guān)、撥動開關(guān)、螺絲、排針等。

制作過程——

控制電路：

傳感器：

電源：

總裝：

調(diào)試：

按照電路原理圖或者焊接示意圖進行電路檢查，看線路是否連接正確，特別是注意電機的電機是否正確。然后接上電池打開開關(guān)，檢測電機的控制效果是正確的：

1、打開撥動開關(guān)后，沒有障礙物時，兩個電機都是往前轉(zhuǎn)動的；

2、左邊觸須被按壓，則右邊的電機反轉(zhuǎn)；

3、右邊觸須被按壓，則左邊的電機反轉(zhuǎn)；

4、兩個觸須都被按壓，則兩個電機都反轉(zhuǎn)。

特別注意，如果發(fā)現(xiàn)某電機的轉(zhuǎn)向與預(yù)期的相反了，則只要把該電機的兩根電極杜邦線調(diào)換過來插接即可。

（1）假如小車默認情況下是原地打轉(zhuǎn)，則說明其中一個電機的電源接反了，嘗試把其中任意一個電機的兩根電極杜邦線調(diào)換過來（先試第一個電機，如果不對再試另一個電機）；

（2）假如小車默認情況下是直線后退，則說明兩個電機的電源都接反了，則同時把兩個電機各自的兩根電極杜邦線都調(diào)換過來。

假如機器人在障礙物前出現(xiàn)反復(fù)“撞擊——退回——撞擊——退回……”的情形，或者最終卡在障礙物前面動彈不得，則：

情況1：觸須過軟

假如觸須過細過軟，則碰到障礙物時，觸須把碰撞產(chǎn)生的沖擊力都吸收了，無法擠壓觸發(fā)碰撞開關(guān)，導(dǎo)致機器人碰到障礙物也不會回頭，但又頂著障礙物無法前進，租后卡死在障礙物前。

這種情況下要解決問題，則需要把觸須換成粗一點硬一點的鋼絲。提示：DIY-BOT網(wǎng)店所提供的套件，里面包含的鋼絲不存在這個問題。

情況2：觸須過硬

假如觸須是比較粗比較硬，缺乏彈性的，則觸須碰到障礙物時雖然可以擠壓觸發(fā)碰撞開關(guān)讓機器人后退，但由于沒有彈性則就沒有起到“存儲碰撞能量”的作用，機器人開始后退馬上就釋放碰撞開關(guān)，沒有能夠讓后退保持一定的時間，導(dǎo)致機器人后退還沒有到轉(zhuǎn)向的程度，就又往前沖，最后變得在障礙物前反復(fù)沖撞的情形。

這種情況下要解決問題，則需要把觸須換成稍微軟一點彈性好一點的鋼絲。提示：DIY-BOT網(wǎng)店所提供的套件，里面包含的鋼絲不存在這個問題。

情況3：觸須彎折的角度不合適

假如觸須的彎折程度比較靠后（靠近身體一側(cè)），使得觸須上比較靠近碰撞開關(guān)的位置接觸到障礙物，當機器人遇到障礙物倒退的時候，觸須彈性的“存儲碰撞能量”的作用也沒有發(fā)揮出來，就類似上面情況2的情形，機器人碰到障礙物開始倒退后，無法讓倒退保持一點的時間，很快就又恢復(fù)前進的狀態(tài)往前沖，最后變得在障礙物前反復(fù)沖撞的情形。

這種情況下要解決問題，可以把觸須的彎折向前方一點，即觸須盡量向前伸（對應(yīng)前進的方向），而不是往后彎。

效果展示——