01 从车轮开始的智能小车制作之旅

◇温正伟

我国的玉兔月球车成功登陆月球，每个中国人都激动万分，机器人爱好者们对于类似月球车这样的智能机器小车的关注就会更多了，制作一台自己的智能机器人小车容易吗？

从小看着科幻电影长大，电影里各种各样的机器人或机器小车都是我的最爱。比如电影《星球大战》里的R2-D2（见图1.1），那台聪明的机器人有可爱的外观、灵活的机动性，深受广大星战迷和机器人爱好者的喜爱。一直以来我都有着一个想法，就是制作一台机器小车，可以让它在家里四处自主游走，可以当作电子宠物玩具，陪家里的小朋友玩耍，同时也可以作为学习机器人技术的一个小平台。

多年前，我做过一些BEAM机器人，也做过一台机器小车，但是限于当时的条件和技术水平，做得不是太好，电脑还留存着当时车子半成品的照片（见图1.2），现在自己的编程水平、电路制作水平已经有了很大的提高，而且购买元件比多年前方便太多了，所以我准备再做一台小车，实现自己从小的梦想。我将与各位读者朋友一起分享制作的过程，共同感受制作的乐趣和快乐。

制作一台小车并不难，只要几个轮子、几个电机组装起来就成了，但是要做成智能机器小车起码要有两件必备之物—微控制器、传感器，这样它才有自己的大脑和感观。所以我对要制作的这台小车有如下构想：4只电机驱动4个轮子，拥有一个32位的ARM芯片做微处理器，安装光敏、温度、红外或超声波传感器，人机界面使用点阵LED或LCD显示屏，以后还可以加装无线数传、USB等接口。而它的智能则是体现在软件方面，先实现最初级的自主避障，然后再慢慢加入更多的智能化程序，让其真正具有“智能”。

我们就从小车自下到上的第一个部件—车轮来开始小车制作之旅吧。

1.1 车轮和履带

任何一种车，无不例外地都有轮子或履带。所以制作一台小车时，最先应该考虑它要选用什么样的轮子。选择车轮要考虑的问题很多，比如小车的尺寸、重量、电机的功率、所要求的速度，甚至所制作的机器人是运行在什么地形都需要考虑。笔者所用到的是车轮，限于篇幅，履带的选择就不详细介绍了。

在选择一个车轮的时候，最直观的就是它的大小，它的大小反映在直径上，车轮的直径大小直接影响到机器人的速度和作用到接触面的力矩大小。在电机转速相同的情况下，车轮的直径越大，速度就越大，但是所得到的转矩就会越小，这样会使负载能力变小。这种情况就像生活中骑自行车一样，你用同样的速度去踩脚踏，轮子大的自行车会跑得比轮子小的自行车快，但是你会感觉需要更大的力量去踩。转矩就是在距离转轴中心的某个给定位置上测得的电机（驱动装置）的切向牵引力，这个力的大小会和距离成反比关系。具体的公式我们会在电机部分再进一步探讨。

对于计算圆周的公式，我们都不会陌生，D=πd, D是圆周长，d是直径，π是圆周率。得知轮子的直径后，我们就可以用以上的公式求得它转一圈所走的距离，直径d越大，距离D就越大，成正比关系。所以在同样的转速情况下，直径大的轮子走的距离多，也就是速度快。求得D后，我们可以再把它乘以转速（单位为r/min），就可以得到这个轮子的速度。对于履带速度则是计算它的驱动链轮的速度。

图1.3演示了轮胎在受力作用下发生形变，与地面接触面积增大，与地面的摩擦力也增大。可以试想一下，如果骑在一辆充气不足的自行车上，会比充足气时难行得多。一般来说，机器小车的总重量越大，车轮所受的重力就越大，形变也越大。车轮的材料和形状各种各样，机器人越重，越需要选用更牢固的车轮或履带。

小型的智能小车重量一般在1kg左右，可以选用塑料泡沫车轮，如果重量增加到2～5kg，就要使用中空的轮胎，重量再大的可以选用实心橡胶轮胎或是充气的轮胎。同样材质的轮子，不一样的尺寸，承重量也是不一样的。履带其实也算一种特殊的轮胎，所以可以用以上的原则去选购不同的履带。

机器小车运行在不同的环境中，选用的轮子也要相应地做出不同的选择。室内一般都是平整、光滑的地板，可以选用平滑的轮胎，以增大轮子和地板之间的接触面积。但是如果在平坦的路面上有小颗粒的杂物，如在室外的平坦路面时，选用平滑的轮胎则会影响其性能，甚至打滑，同样如果光滑的地板有水也会如此，所以在这样的环境下要选择一些有花纹或凹槽的轮胎，以增加其对地面的摩擦力，同时也可以起到排水、排屑的作用。轮子的宽度越大，接触面积也越大，所能提供的牵引力也相对会大。在沙石地运行时，则要使用宽大的轮子或履带，这样才不会像使用窄小轮子那样陷到沙石里。

要让小车行驶，只有前后转动是不行的，还必须要有转向。转向的方法有很多种。通常使用以下几种方式：（1）如图1.4所示，双轮驱动加一个万向轮，转向是靠两个驱动电机正向、反向运行的，万向轮不在固定的状态。这种方法比较简单，只需要在两个主动轮的基础上加一个万向轮，不过这种方式只适合于平坦路面，要是路面凹凸不平，万向轮起不到很好的作用，而且其转向也不太精准，仅适用于小型室内机器人。（2）如图1.5所示，四轮直接驱动，需要4个电机同时正转、反转，此方法会使用更多的电机，动力会更强劲，转向也会更灵活、准确，同时也会需要更多的驱动电路和电能。（3）图1.6所示则是使用类似汽车的转向机构，结构相对比较复杂，稍大一点的机体还需要有减速箱，在业余条件下可以使用成品的遥控汽车车体改装。履带的转向方式和前两种相似。

1.2 车轮的种类及选购

图1.7所示是几种大小不一的遥控车轮，轮胎面有光滑的，也有带凹槽纹路的。市面上的RC遥控车模用的轮子直径一般为2～16cm，各种材质和纹路的都有，价格不等，几元到几十元都有。要根据自己想要做的小车大小选择合适的轮框和轮胎，轮框的材质一般有塑料和合金的，轮胎的材质一般有塑料或橡胶的。

图1.8所示是玩具飞机的轮子，尺寸规格也有很多种，轮框同样也会有合金的和塑料的可供选择，而轮胎则多为有一定刚度的软质材料，塑料泡沫的或橡胶的都有。但它的轴孔相对较小，用在车子上通常是需要改装的。

图1.9所示的轮子通常是用来制作小推车的车轮，轮胎材料通常是实心的橡胶或塑料，可以承受很大的重量，只适合平坦路面。图1.10所示是充气轮胎，直径一般都在10cm以上，这种轮子有很高的承重性，也能应付各种不一样的路面环境，所以各种用途的车都会用到，用于小推车、小型机动车、汽车、自行车等的各种型号规格的轮子都可以在市面上购买到，在制作体积和重量很大的机器小车时需要使用到。图1.11和图1.12中的轮子是两个全方位车轮，它们可以在前、后、左、右各个方向转动，但是价格昂贵，驱动时需要4个轮子，才能有作用。图1.13所示的是普通万向轮，规格繁多、价格便宜，在市面上很容易购买到，而且安装方法也极为简单，通常是制作三轮智能机器小车的首选。球形万向轮多为金属材质的，只适用于平坦路面，有很小的尺寸，制作微型机器人时可以使用。

我将要制作的智能机器小车大约长20cm、宽15cm，按这个比例选择了直径为6.5cm的模型车用的塑料轮子，如图1.14所示，轮胎为中空式的，有凹槽纹路，可以适应室内或平坦路面。下一节将探讨电机和轮子的连接方式以及电机的选用技巧。