教学智能竞技小车设计★

侯永超，朱成镇，吴和平，赵安吉，华钰清，王永立，魏玉兰

（湖州师范学院工学院，浙江 湖州 313000）

近年来，智能小车越来越多地被应用于物流、服务、医疗等领域，但智能小车在中小学生教学上的应用仍较缺乏。中小学生创新能力的培养是建设创新型国家最重要的一环[1]。因此本文设计了一款可以用于竞技的智能小车，该智能竞技小车充分考虑了中小学生特点，并基于不同竞技赛模式，采用模块化设计方法，便于学生快速设计与搭建，从而激发学生的创造能力。

本文设计的智能竞技小车分机械和控制两部分，在满足循迹、避障、目标识别、智能控制等功能的前提下，通过模块化搭建，最大化发挥智能竞技小车在实际教学应用和竞技过程中的自主性和创新性。本文设计的智能竞技小车总体方案如图1 所示，整机模型如图2 所示。

图1 智能竞技小车的总体方案图

图2 智能竞技小车整体设计

智能竞技小车的机械部分由驱动模块、机械臂升降模块、机械臂模块组成。

2.1 驱动模块

智能竞技小车采用四轮驱动，使用直流电机加麦克纳姆轮。底板充分考虑实际使用需求，从适用性和经济的角度出发，采用300 mm×300 mm 的亚克力板。智能竞技小车底板如图3 所示。

图3 智能竞技小车底板

2.2 机械臂升降模块

机械臂升降模块位于该智能竞技小车的中心位置，可有效承受机械臂模块质量，增强小车的稳定性。该模块由底座云台、滑轨、立柱支撑和舵机组成。舵机通过U 型架、承重架、推杆连接至平伸座，从而利用平伸座在滑轨上的上下移动，实现机械臂模块的升降。机械臂升降模块如图4 所示。

图4 机械臂升降模块

2.3 机械臂模块

考虑到舵机、Open MV 的安装及合理的布线，机械臂模块采用多种规格的框架与多种舵机组合，这样设计能够避免其他机械臂复杂臃肿的结构[2]，简化了运动过程，有效地降低了在后续舵机控制过程中的故障率，使整个模块的稳定性大大提高。同时充分考虑实际使用过程中拆卸的便捷性，改造提升空间大。机械臂模块如图5 所示。

图5 机械臂模块

本文针对该智能竞技小车面向的受众对象，选择使用了ArduinoIDE 编程开发环境。Arduino 作为一款国外的开源教学硬件项目，近年来在国内受到了很多人的追捧，它具有丰富且完全公开的技术资料、丰富的模块功能、活跃的社区等[3]。国内创客二次开发的图形化编程，使得中小学生在编程时能够更加容易理解程序和所要实现的功能，轻松实现智能竞技小车的程序构建。

3.1 智能竞技小车循迹避障功能

智能竞技小车采用灰度传感器和超声测距传感器实现循迹避障。在竞技场地中设置有黑色引导线，小车装载有8 路灰度传感器，2 个灰度传感器分别对称位于智能小车的两侧，智能小车则循黑线行进。当灰度传感器识别到黑色引导线时，灰度传感器的指示灯关闭，输出高电平1，识别到其他颜色时输出低电平0[4]。8 路灰度传感器采用串口传输数据。超声测距模块采用HC-SR04。

智能竞技小车行进过程中，向外发射超声波，超声波在遇到障碍物后被反射回超声波接收器，控制系统利用其接受超声波时间进而经过系统分析来判断距离障碍物的距离[5]。通过提前调整小车行进方向，实现避障功能。

3.2 智能竞技小车目标识别功能

Open MV 是一款应用最广泛的机器视觉模块[6]，利用广角镜头使小车的识别范围更加广泛。利用颜色和形状识别算法，将行进过程中收集到的信息通过串口实时传送到Arduino 控制器上，Arduino 就会根据Open MV上传的数据作出判断，进而自动控制智能竞技小车。

本文设计的智能竞技小车可适用于智能小车竞速赛、智能小车对抗赛和智能小车组合赛。智能小车竞速赛是在竞技场地中设置黑色引导线，使智能小车寻黑线行走并完美避开障碍物，先到达目的地者获胜，智能竞技小车对抗赛则可选择单个智能小车对抗或者智能小车团队对抗，规定在竞技场地中进行智能小车对抗，先将一方智能小车对抗出竞技场地者获胜。智能小车组合赛则是利用竞速赛和对抗赛的规则，可规定在循迹避障过程中进行对抗，先一方到达终点者获胜。

本文针对中小学生教学用竞技小车的需求，对智能竞技小车的机械和控制部分进行了设计，使该小车具有模块化程度高、程序编写简单、易于搭建的特点。学生根据对不同模式竞技赛所需功能的要求，能够对智能竞技小车进行快速改造与编程，有助于培养学生的创新能力。

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