制作一款使用三个超声波传感器和四个机械臂轮的机器人，通过在不同方向上移动来避开障碍物

我制作这个机器人是为了参加“2026塞浦路斯机器人展”(Robotex Cyprus 2026)的民间赛挑战。在这一挑战中，机器人必须尽可能多地完成赛道圈数，同时避免撞到墙壁、障碍物或其他遇到的机器人。我认为这是一个绝佳的项目，可以利用我身边闲置的机械臂轮。

结果发现它能很好地避开障碍物，因此我们在这项挑战中获得了第一名。于是，我决定分享这个设计，供他人进一步改进。

该机器人被命名为“喀耳刻”，因为它的三个头部——也就是三个超声波传感器，看起来有点像神话中的同名犬类。

基本上，赛道是一个约1米宽的封闭环形轨道，通常还带有隧道或桥梁结构。沿着墙边有突出的障碍物，容易让紧贴墙壁行驶的机器人被困住;而赛道中央有时也会有立柱，会减缓机器人的速度。在规定时间内完成最多圈数的机器人将获胜。

在我们这次比赛中，我们的机器人速度比其他机器人稍慢，主要是因为我为了安全起见，将速度设置得略高于一半。然而，其算法结合了梅卡努姆轮的特性，使它能够轻松避开其他机器人难以处理的障碍物，同时保持在正确路径上(不偏离赛道轨迹)，从而取得成功。

机器人的逻辑：

Mecanum wheels使用滚轮代替轮胎，使机器人能够向任意方向移动。

•当机器人前方检测到一定距离的障碍物时：机器人会以空间最大的方向斜向移动，从而避开障碍物。

•当机器人接近障碍物危险或正面撞到障碍物时：机器人会稍微后退，然后以后轮为轴心，仅使用前轮，在空间最大的方向旋转。

•当机器人靠近墙壁过近时：侧面传感器检测到墙壁，机器人会停止其中一个后轮，以便转向远离墙壁。

第一步：底盘

对于底盘，你可以使用任何能容纳4个TT电机、3个传感器和电子元件的部件。

在我的情况下，我3D打印了一个由earldaniph为Mechamaven平台设计的底盘版本，并根据比赛的尺寸限制进行了修改。当然，任何其他能适配4个TT电机的3D打印底盘都可以使用。

为了给面包板、控制器和传感器留出更多空间，我在3D打印的车架顶部加装了一些Coroplast(一种塑料材料)。

随后，将带有Mecanum轮的电机固定在3D打印的底盘上。

第二步：传感器接线

在完成底盘制作后，我们需要连接三个传感器。两侧传感器主要用于检测墙壁的存在，而前部传感器则用于避免路径上的障碍物。

如上图所示，每个传感器的引脚连接方式如下：

传感器\引脚 | 触发信号 | 回波信号

---|---|---

前部 | D12 | D13

右侧 | D10 | D11

左侧 | D6 | D9

由于Feather的引脚会被羽毛翼遮盖，因此我使用了较长的接线头，其中“公头”一侧连接到面包板，“母头”一侧连接到羽毛翼。传感器通过跳线连接到羽毛翼，并接入面包板。

为了将传感器固定在机箱上，我使用了3D打印的RCWL支架来安装侧边传感器，用双面胶粘贴固定;而前部传感器则安装在一根木棍上，插入Coroplast材料的切口中。前部传感器采用垂直安装而非水平安装，以便更有效地检测细小障碍物，例如立柱。

第三步：电机

电机通过羽毛翼的螺丝端子进行连接。关于编号，各端子与电机的连接方式如下：

M1：左前方

M2：右前方

M3：左后方

M4：右后方

第四步：为电机和旋翼供电

机器人使用两个独立的电池组，一个用于羽毛翼，另一个用于电机及其控制器。

旋翼通过JST连接器与锂离子电池组相连，由电池组提供动力。旋翼自带充电电路，因此Type C接口可用于为连接到JST接口的电池充电。在我的搭建中，我将锂离子电池安装在传感器和面包板之间，并确保JST接口可被访问，以便于快速拆卸电池。

至于电机，它们通过一个4AA电池组供电，该电池组通过旋翼的螺丝端子连接。为了将电池组固定到机器人上，我在机器人顶部使用长金属垫片加装了一层额外的Coroplast材料。电池通过“命令条”固定在第二层的顶部，也可以使用双面胶带进行固定。

电池组内置的开关在比赛期间充当机器人的开关按钮。基本上，锂离子电池始终处于连接状态，使羽毛板能够运行程序;当裁判发出信号时，用户只需将开关切换至“开启”状态，电机即可启动并开始响应循环。

第五步：编程避障算法

机器人的算法使用 CircuitPython 编写，CircuitPython 是一种专为微控制器设计的 Python 嵌入式语言。

为了使程序能够正常运行，它还依赖于 Adafruit 提供的 CircuitPython 库包中的若干库和依赖项。复制到控制器“lib”文件夹中的库包括：

- adafruit_motor

- adafruit_register

- adafruit_hcsr04.mpy

- adafruit_motorkit.mpy

- adafruit_pca9685.mpy

以下是机器人编程的工作原理说明：

首先，我们导入所需的库。对于传感器，可以使用 hcsr04 库，因为这些传感器的引脚与 HCSR04 兼容。motorkit 库则是用于大多数 Adafruit 制作的电机控制器扩展的库。

接着，我们设置电机和传感器的名称，并在此步骤中指定每个传感器的引脚。我还创建了一个变量来表示电机速度，该变量可取值范围为 -1 到 1，以便日后更方便地调整。

上述代码定义了机器人可以执行的所有可能动作。我甚至包含了在主循环中未使用的运动选项，以备将来使用。

具体来说，机器人可以：

•向前和向后移动

•向左或向右移动(stleft/right)

•向左或向右斜向前方移动(dgleft/right)

•在移动过程中转向左侧或右侧，以避开墙壁(turnleft/right)

•以机器人的后部为旋转轴，绕其身体旋转(rotleft/right)

现在我们来分解主循环：

如果前方传感器检测到距离内有障碍物，机器人会根据侧面传感器检测到的空间情况，选择空间最大的方向进行斜向移动，从而避开障碍物。

如果机器人前部过于接近障碍物或墙壁，则会稍微向后退一步以增加安全距离，然后根据哪一侧有更多可用空间再次决定转向方向。

上述方法有助于机器人保持在轨道中央，避免与墙壁过近。当侧面传感器检测到指定距离内的墙壁时，机器人仍继续前进的同时，会通过停止其中一个后轮电机，轻微转向。

如果机器人靠近其一侧的任何墙壁，它会通过向相反方向斜向移动，并由于轨道呈圆形而轻微旋转来避开。

我还附带了一个程序，用于测试传感器并打印其数值，以及Fritzing电路图。

第六步：完成!

完成搭建并上传代码后，机器人已准备好开始比赛并避开障碍物。

本文编译自hackster.io