如何設計一款四輪智能小車

此部分共分為五個小節，通過這個 Part 的學習，我們將了解機器人的概念和組成，對機器人的整體設計有一個明確的思路，然后通過機械結構、驅動系統、傳感系統、控制系統四大組成部分，展開介紹設計一款智能小車的基本思路。

通過這一講課程，我們希望大家腦海中能夠對智能小車有一個明確的認識和開發思路，未來我們再逐個擊破，把它一點一點做出來。

總體設計思路

從控制的角度來講，機器人可以劃分為圖中四大組成部分，分別是：傳感系統、執行機構、驅動系統和控制系統。

先來看執行機構，這是機器人要動起來的重要裝置，比如移動機器人是需要移動的，那如何帶動輪子旋轉或者轉彎呢，就是類似這樣的電機、舵機來執行運動的。但并不是所有運動部位都會安裝電機，比如一輛真實的汽車，一般只有一個電機或者發動機，那如何讓兩個輪子，甚至四個輪子都轉起來呢，這就需要一個完成動力分配的傳動系統，比如轉彎的時候動態調整左右兩個輪子的速度，這需要嚴密的機械設計，也就是差速器的功能。除了移動機器人，在一些工業機器人中，驅動機器人的關節電機、抓取物體的吸盤夾爪，也可以看做是執行機構。總之，執行機構就是執行運動的一套裝置。

為了讓執行機構準確的執行動作，還需要在執行機構前連接一套驅動系統，比如我們要讓機器人的電機按照1m/s的速度旋轉，如何動態的調整電壓、電流，來達到準確的運動目的呢，這就是由電機驅動器來實現的。如果是電動執行機構的話，其配套的驅動系統一般都是由驅動板卡+控制軟件組成，也是嵌入式系統應用的重要領域，我們在學校中學習的單片機、PID、數字電路等概念，都和這個部分緊密相連。驅動系統的選擇是根據執行機構來的，比如普通的直流電機，用類似這樣的電機驅動板就行，工業上常用的伺服電機，都會用到220V甚者380V電壓，就得用專業的伺服驅動器了，還有類似吸盤的氣壓驅動，外接鍵盤鼠標一樣的外設驅動，以及各種各樣的傳感器驅動，總之，驅動系統的職責就是保證機器人各種設備的正常運行。

機器人光動是不行的，還需要具備感知能力，這就得靠傳感系統了。傳感系統一般分為內部傳感和外部傳感，內部傳感是用來感知機器人自身狀態的，比如通過里程計計算自己輪子旋轉的速度，從而計算累積位移，通過陀螺儀感知機器人自身的角加速度，判斷轉彎時的狀態，通過加速度計，感知機器人在各個運動方向上的加速度，可以用來判斷運動趨勢或者上下坡，還有力傳感器，可以用來感知機器人自身與外部的相互作用力度，比如抓一個雞蛋，但又不至于抓破。

與內部傳感器相反，外部傳感器幫助機器人感知外部信息，類似人眼一樣，使用攝像頭來看到外部的彩色圖像，不過機器人可以通過多種外部傳感器超越人類的極限，比如可以使用紅外傳感器，在沒有光線的情況下，也可以看到外部環境，類似夜視儀一樣，還可以利用激光雷達、聲納、超聲波等距離傳感器，感知在某個角度范圍內的障礙物距離，還有麥克風和喇叭，方便我們與機器人語音交流。

傳感系統是智能機器人的重要組成，很多機器人甚至裝備了幾十上百個傳感器，感知自身與環境的各種信息，比如自動駕駛汽車就是如此。

在這些系統的上層，就是機器人的大腦——控制系統了。控制系統一般也是硬件+軟件組成，硬件大多采用計算資源豐富的處理器，比如我們常用的筆記本電腦、樹莓派、英偉達板卡等；其中運行的軟件就是各種豐富的應用程序了，比如讓機器人建立未知環境的地圖，或者讓機器人運動到送餐地點，再或者是讓機器人識別人臉。

智能機器人的核心算法體現，都是在控制系統中完成，這也是我們未來做機器人軟件開發的主要位置。

機器人實例

機械結構設計

以上述機器人為例，直觀看上去，似乎這個小車并不復雜。

底盤是整個小車的底座，通過螺絲安裝了四個個車輪和配套的電機以及舵機，用來驅動小車運動。

底盤上第一層是電池，相對比較重，盡量放在下邊，可以讓小車的中心靠下，第二層則用來放置主要的傳感器和控制器板卡，這樣可以很好的隱藏兩層板的疊加同時讓板卡更加安全。

小車底盤的前端，為了安裝相機，我們要設計一個安裝的支架，一側用螺絲固定在底盤上，另外一側可以固定相機，最好還可以調節相機可視角度。

第三層則有一個LED顯示屏以及一些通孔，可以用來放置一些方便調試以及需要一定高度的傳感器如雷達等。

此外在車體兩側還放置了RGB燈帶，可以讓小車看起來更加炫酷。

這就是智能小車的機械結構啦，大家可以根據自己選擇的各種零部件尺寸。

接下來，我們把焦點放到小車的執行結構上，也就是這兩個電機和四個輪子，它們如何控制小車運動呢？

其實對于智能小車而言，常見的有三種形態運動方式，接下來一一介紹。

審核編輯 黃宇