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1、智能小车 DIY“全”攻略 www.E 第 1 页 共 74 页 智能小车 DIY“全”攻略 首先声明：标题只是为了赶时髦，所谓“全攻略”实不敢 当，所以将“全”字用引号括起。 本文是为正准备DIY一辆智能小车或已在进行中的学生、玩家们提供一些综合、客观的信息，作为其方案选择、取舍的参考。系个人所见，欢迎交流、指正！ 一、 起因 之所以想写此文，一是因为笔者和智能小车打了多年交道 ，颇有一番心得，想与大家分享；二是目前智能小车 DIY 似乎很热，近日用 Google 搜了一下，竟然有 84 万余条，虽说和那些时尚、八卦无法相比，但就一个科技类的内容，能有如此数量实属不易。 要讨论智能小车 DI
2、Y，首先应明确定义 何谓 “智能小车 ”？ 所谓“ 智能小车 ” ，按笔者的理解应该是： 具备感知环境能力，并且能对之做出相 应反应的、能自动行驶的小车 。 之所以称之为“ 智能小车 ” ，其与遥控车模和玩具的 最大差别 在于：能对环境做出反应，并且能脱离人工操纵自动行驶。 至于感知环境的能力强弱、反应的准确与否只是其“智能 ”的高低，并不改变“智能小车”的实质。 按此判断，寻迹小车、自动避障小车算，用手机遥控的小车、通过 WiFi控制的小车严格说不算，虽然看上去技术比前者先进，但就其 本质而言，只能算是换了个遥控的通道和遥控器，其本质还是遥控车。除非小车执行的是“跟踪一个物体、前进到某个位置
3、”等高级命令，而不是那种左转、右转、前进、后退之类的简单动作。 智能小车 DIY“全”攻略 www.E 第 2 页 共 74 页 根据此定义，智能小车应该包含以下三部分： 1、 传感器 检测环境； 2、 控制器 根据传感器信息做出反应，发出小车控制信号或命令； 3、 小车 根据控制器命令或控制信号行驶。 前两部分所有智能体都需要，并非智能小车专有。如智能 飞机、智能轮船、机器人等，本文名为“ 智能小车 DIY 全攻略 ” ，故先讨论智能小车特有的部分 小车，其余部分另行撰文探讨。 其次要界定的是： 本文讨论的是“车” ，默认是以轮子为行走主体，所有其它形式不在讨论之列 。 从两个角度展开： 1
4、、 从小车本身分析，汇总各类小车的驱动形式，探讨其特征，以作为 DIY 选择的依据； 2、 从 DIY 者的需求分析，结合上述各类小车的优劣，给出实施的建议，供 DIY 者参考。 二、小车大观 谈到智能小车，首先应探讨轮子，其次探讨轮子的分布， 最后再研究用什么驱动轮子？如何驱动？如何走好？ 关于小车的轮子以及轮子分布形式， 自主移动机器人导论 （西安交大出版社，ISBN7-5605-2161-4）一书描述的非常详细，在此将直接引用（有下划线处） 。 2、1 轮子的种类 前面已经说过，本文只讨论以轮子为行走基础的小车。首先探讨轮子有哪些种类？ 智能小车 DIY“全”攻略 www.E 第 3 页
5、 共 74 页 常见的轮子类型有 ： 图1 轮子的类型 （摘自自主移动机器人导论P32） 为增加 DIY的感性认识 将上图中所描述的几类轮子的实物图片罗列如下： 2.1.1标准轮 图2 标准轮 智能小车 DIY“全”攻略 www.E 第 4 页 共 74 页 标准轮有两个自由度：一个是绕轮轴转动，一个是绕以接 地点为中心的垂直轴转动。向不同方向运动，必须先沿垂直轴操纵轮子 。 2.1.2 小脚轮 图3 小脚轮 和标准论类似，其差别在于标准轮完成操纵无副作用，因 为旋转中心通过接触地面点；而小脚轮绕偏心轴旋转，在操纵期间会引起一个力，作用于小车底盘 。 “球形万向轮”似乎具备了小脚轮的特点，但由
6、于其结构 原因，基本无实用价值，因为轮子很容易因杂物进入而无法顺畅转动，书中未作讨论的原因大概如此。 实际上此“球”并非为轮子设计，而是自动化传送带转弯处的支点，属于输送机械领域。（ http:/www.free- 图4 球形万向轮 智能小车 DIY“全”攻略 www.E 第 5 页 共 74 页 2.1.3 瑞典轮 此轮名称颇多，此处按书中的名字。 市场能见到的多数是90度结构的（或许是在其所在传输机械行业用不上） ： 图5 瑞典轮 瑞典轮和标准轮功能一样，区别在于其在主轮轴方向上有 较低的阻力，可容易地产生非运动方向上的移动。其优点在于：虽然轮子旋 转仅沿主轴提供动力，轮子以较小的摩擦，可
7、以沿许多可能的轨迹按运动学原理移动（俗称“全向移动） ，而不仅仅是向前或向后。 （这个轮子也是自动化传送带的一部分，照片中的轮子就 是德国一个传输机械公司的产品。但是先作为轮子存在，之后再被拓展应用至传送带，还是反之，就不得而知了。 ） 2.1.4 球形轮 此处所讨论的球形轮是主动轮，即能提供动力的轮子。 其机构类似于老式的机械鼠标，在原来的基础上增加了两根相互垂直的主动轴，通过 X、Y合成出任何方向的移动。 基于这个结构的轮子书中作者估计还未见到实物，所以给出了 “技术上实现困难 ”的解释。但目前已有此结构的实物，这是卡内基 .梅隆大学的一个项目： 单球平衡机器人 ballbot，其网站是：
8、 http:/www.msl.ri.cmu.edu/projects/ballbot/ 。下图是从其视频上的截图： 智能小车 DIY“全”攻略 www.E 第 6 页 共 74 页 图6 球形轮 （ CMU视频截图） 其结构示意如下： 图7 球形轮驱动结构 （摘自 CMU Ballbot 论文） 智能小车 DIY“全”攻略 www.E 第 7 页 共 74 页 这个方式应是科研性质，同样存在杂物卷入问题。因为和 前面所说的球形万向轮一样，其接触地面的滚动面就是驱动面，很难处理。 不像其它轮子，驱动轴可以很好的和滚动面分开，便于实施防护。所以球形轮离实用还有些距离，除非在特定环境中。 2.2 轮
9、子的选择和布局形式 智能小车也可以称为“轮式机器人” ，其需求和“轮式机器人”相同。 在设计轮式机器人运动机构时，轮子类型的选择和轮子的 布局形式必须同时考虑，因为机器人的 三个基本特征 由这些选择所支配： 机动性、可控性、稳定性。 汽车大都为高度标准化的环境（公路网络）而设计，与其 不同的是，移动机器人则是为应用在种类繁多的环境而设计。汽车全部共享 相同的轮子结构，因为在设计空间中存在一个区域，使得它们对标准化环境（铺好的公路） 的机动性、可控性和稳定性最大。可是，不同的移动机器人面临各种不同环境，没有单一的轮子结构可以使这些品质最大化。 除为了道路设计的移动机器人外，很少有机器人使用汽车的
10、 Ackerman 轮子结构，因为它的机动性较差。 （才有学驾驶时倒桩的烦恼） 因此，小车轮子的选择和布局要兼顾 稳定性、机动性和可控性 ，通常是这三个指标的折中。 既然无法顾全，只能根据所要实现的主要功能来取舍。在不确定小车期望实现的功能时，很难确定小车的结构，因为没有一个满足所有 需求的方案。就像我们常见的汽车和坦克，两者无法兼顾，轮胎可以在公路上很好的运行， 但到了泥地就一筹莫展。而履带在泥地上可以撒欢，可到了公路上，那公路不久也就变成了泥地了。 做小车也是同理，需要明确实现的目标以及工作的环境。 常见的轮子布局形式汇总如下： 智能小车 DIY“全”攻略 www.E 第 8 页 共 74
11、 页 智能小车 DIY“全”攻略 www.E 第 9 页 共 74 页 图8 常见小车轮子布局形式 （摘自自主移动机器人导论P35） 智能小车 DIY“全”攻略 www.E 第 10 页 共 74 页 图中所用简图解释如下： 图9 轮子示意简图 （摘自自主移动机器人导论 P37） 为更直观的了解上述描述，以下将每种布局对应的小车实 物图片列出，以使没有做过小车的朋友获得一些感性认识： 布局1： 两轮前后排布，前轮为可操纵标准轮，后轮为动力标准论，就是现实中的摩托车、自行车。智能小车中只见过相似的，前轮是可操纵动力标准轮，这种小车平衡是个挑战： 图10 车轮布局1：两轮前后排布 智能小车 DIY
12、“全”攻略 www.E 第 11 页 共 74 页 布局 2 ：两个动力标准轮平行排布，差分驱动 ，书中介绍的是重心在轮轴以下，从而能实现平衡的小车： 图11 车轮布局2：两轮平行排布 目前流行的是重心在轮轴之上的两轮平衡小车，最经典的就是SegWay。这类智能小车也很多： 图12 国外一个爱好者的两轮平衡小车 nBOT （摘自： http:/www.geology.smu.edu/dpa-www/robo/nbot/index.html） 智能小车 DIY“全”攻略 www.E 第 12 页 共 74 页 布局 3 ：两个动力标准轮差分驱动中置，辅助 一个小脚轮支撑，这是目前小车中最多的形式
13、之一，有的用前面的球形万向轮代替小脚轮，或者干脆用个半圆的支点： 图13 车轮布局3：两轮差分驱动中置+万向轮支点 （照片为淘宝截图） 布局4 ：两个动力标准轮差分驱动后置，辅助一个小脚轮支撑，基本和 布局3 一样，只是重心不同： 图14 车轮布局4：两轮差分驱动后置+万向轮支点 布局 5 ：由一个动力驱动两个连轴的动力标准 轮，中间有差速机构，前轮为可操纵的标准轮，无动力。现实中人力三轮就是这个机构。智能小车中采用这个结构不多： 图15 车轮布局5：后轮连轴驱动，前面一个无动力转向轮 智能小车 DIY“全”攻略 www.E 第 13 页 共 74 页 布局 6 ：后轮为两个独立的无动力标准轮，前 轮为可操纵动力标准轮，这个结构国外有用于教学的平台，因为其前进和转向控制完全独立，便于编写操控程序： 图16 车轮布局6: 2个无 动力标准轮+1个可操纵动力标准轮 布局 7 ：三个动力瑞典轮三角形排布， Robucup 小型组足球机器人最常用的布局方式，可以实现全向运动： 图17 车轮布局7：三个动力瑞典轮三角形排布 （摘自： http:/www.cs.cmu.edu/pprk/） n
