如何设计一款四轮智能小车

如何设计一款四轮智能小车

此部分共分为五个小节，通过这个 Part 的学习，我们将了解机器人的概念和组成，对机器人的整体设计有一个明确的思路，然后通过机械结构、驱动系统、传感系统、控制系统四大组成部分，展开介绍设计一款智能小车的基本思路。

通过这一讲课程，我们希望大家脑海中能够对智能小车有一个明确的认识和开发思路，未来我们再逐个击破，把它一点一点做出来。

总体设计思路

从控制的角度来讲，机器人可以划分为图中四大组成部分，分别是：传感系统、执行机构、驱动系统和控制系统。

先来看执行机构，这是机器人要动起来的重要装置，比如移动机器人是需要移动的，那如何带动轮子旋转或者转弯呢，就是类似这样的电机、舵机来执行运动的。但并不是所有运动部位都会安装电机，比如一辆真实的汽车，一般只有一个电机或者发动机，那如何让两个轮子，甚至四个轮子都转起来呢，这就需要一个完成动力分配的传动系统，比如转弯的时候动态调整左右两个轮子的速度，这需要严密的机械设计，也就是差速器的功能。除了移动机器人，在一些工业机器人中，驱动机器人的关节电机、抓取物体的吸盘夹爪，也可以看做是执行机构。总之，执行机构就是执行运动的一套装置。

为了让执行机构准确的执行动作，还需要在执行机构前连接一套驱动系统，比如我们要让机器人的电机按照1m/s的速度旋转，如何动态的调整电压、电流，来达到准确的运动目的呢，这就是由电机驱动器来实现的。如果是电动执行机构的话，其配套的驱动系统一般都是由驱动板卡+控制软件组成，也是嵌入式系统应用的重要领域，我们在学校中学习的单片机、PID、数字电路等概念，都和这个部分紧密相连。驱动系统的选择是根据执行机构来的，比如普通的直流电机，用类似这样的电机驱动板就行，工业上常用的伺服电机，都会用到220V甚者380V电压，就得用专业的伺服驱动器了，还有类似吸盘的气压驱动，外接键盘鼠标一样的外设驱动，以及各种各样的传感器驱动，总之，驱动系统的职责就是保证机器人各种设备的正常运行。

机器人光动是不行的，还需要具备感知能力，这就得靠传感系统了。传感系统一般分为内部传感和外部传感，内部传感是用来感知机器人自身状态的，比如通过里程计计算自己轮子旋转的速度，从而计算累积位移，通过陀螺仪感知机器人自身的角加速度，判断转弯时的状态，通过加速度计，感知机器人在各个运动方向上的加速度，可以用来判断运动趋势或者上下坡，还有力传感器，可以用来感知机器人自身与外部的相互作用力度，比如抓一个鸡蛋，但又不至于抓破。

与内部传感器相反，外部传感器帮助机器人感知外部信息，类似人眼一样，使用摄像头来看到外部的彩色图像，不过机器人可以通过多种外部传感器超越人类的极限，比如可以使用红外传感器，在没有光线的情况下，也可以看到外部环境，类似夜视仪一样，还可以利用激光雷达、声纳、超声波等距离传感器，感知在某个角度范围内的障碍物距离，还有麦克风和喇叭，方便我们与机器人语音交流。

传感系统是智能机器人的重要组成，很多机器人甚至装备了几十上百个传感器，感知自身与环境的各种信息，比如自动驾驶汽车就是如此。

在这些系统的上层，就是机器人的大脑——控制系统了。控制系统一般也是硬件+软件组成，硬件大多采用计算资源丰富的处理器，比如我们常用的笔记本电脑、树莓派、英伟达板卡等；其中运行的软件就是各种丰富的应用程序了，比如让机器人建立未知环境的地图，或者让机器人运动到送餐地点，再或者是让机器人识别人脸。

智能机器人的核心算法体现，都是在控制系统中完成，这也是我们未来做机器人软件开发的主要位置。

机器人实例

机械结构设计

以上述机器人为例，直观看上去，似乎这个小车并不复杂。

底盘是整个小车的底座，通过螺丝安装了四个个车轮和配套的电机以及舵机，用来驱动小车运动。

底盘上第一层是电池，相对比较重，尽量放在下边，可以让小车的中心靠下，第二层则用来放置主要的传感器和控制器板卡，这样可以很好的隐藏两层板的叠加同时让板卡更加安全。

小车底盘的前端，为了安装相机，我们要设计一个安装的支架，一侧用螺丝固定在底盘上，另外一侧可以固定相机，最好还可以调节相机可视角度。

第三层则有一个LED显示屏以及一些通孔，可以用来放置一些方便调试以及需要一定高度的传感器如雷达等。

此外在车体两侧还放置了RGB灯带，可以让小车看起来更加炫酷。

这就是智能小车的机械结构啦，大家可以根据自己选择的各种零部件尺寸。

接下来，我们把焦点放到小车的执行结构上，也就是这两个电机和四个轮子，它们如何控制小车运动呢？

其实对于智能小车而言，常见的有三种形态运动方式，接下来一一介绍。

审核编辑 黄宇