构建一款通过WiFi控制的四轮驱动战斗机器人

“Sumo 3K——一款通过WiFi控制的四轮驱动战斗机器人”是为参加机器人竞赛而设计的。其目标是：设计、制造并编程一款重量不超过 3 千克、能够通过无线网络控制的自主战斗机器人，该机器人能够在直径为 1 至 1.5 米的圆形竞技场中灵活移动并战胜对手机器人。

有两个物理学概念对于工程设计决策而言至关重要：

摩擦力：推动对手机器人所需的力会受到静摩擦力的阻碍。增大正常的力(即重量)以及摩擦系数(轮胎材料)能够增强机器人对比赛场地的抓地力。选择高花纹的橡胶轮胎是因为其具有较高的摩擦系数。在测试过程中，一个重要的发现是静摩擦力和动摩擦力之间存在明显的差异。当电池电压下降，且机器人在安装顶部底盘后重量增加时，机器人需要一个初始的推动力，这表明静摩擦力(启动移动所需的力量)大于动摩擦力(运动时的力量)。

扭矩：电机扭矩是指传递至车轮的旋转力。我们选择了 12 伏/500 转/分钟的直流约翰逊电机，因为它们在选定的工作电压下能产生较大的扭矩，从而带来更大的推力。我们选择了四轮驱动配置而非两轮驱动，是为了将扭矩均匀分配到所有四个车轮上，从而最大限度地提高牵引力，并降低负载时出现车轮打滑的可能性。

对两种电机驱动架构进行了评估：

•BTS7960 43A H 桥：这是一种适用于大功率电机的高电流驱动器。然而，与之配套的降压变压器输出的电压不稳定，导致两个 ESP32 微控制器发生熔断(过压故障)。因此，该电路被放弃了。

•带有内置 5V 调压功能的 L298N 桥式驱动器：L298N 内置的电压调节器消除了使用单独降压转换器的需求，极大地简化了电路设计，并解决了过压问题。这就是最终的设计方案。

•底盘设计方案：考虑了 3D 打印塑料底盘、铝制挤压框架以及激光切割金属板底盘的方案。最终选择了激光切割金属板底盘，因为它具有较高的刚性、较大的自然配重、适中的成本、可定制形状的可能性以及当地具备加工和焊接设施的优势。该底盘是外部制造的，需要外部焊接将电机支架固定在底盘上。

•底盘制造：一块金属板通过激光切割成符合特定形状的部件，该形状兼顾了表面积、重量分布以及车轮位置的平衡。设计中设有用于线缆布线的槽位和所有组件的安装孔。随后，电机支架被焊接在底盘的四个角上。还制造了一块与之匹配的顶板来包裹电子设备。

机械组装是分阶段进行的。

•阶段1：底盘底座及盖子的制造完成

•阶段2：电机支架与底盘底座焊接固定

•阶段3：四台 DC 约翰逊电机安装在焊接好的支架上

•阶段4：在所有四个电机轴上安装高摩擦力的橡胶轮胎

•阶段5 ：7.4 伏 18650 型锂离子电池(容量 4000 毫安时)用扎带固定在底盘上

•阶段6：L298N 电机驱动模块已就位并安装完毕

•阶段7：ESP32 微控制器已安装

•阶段8：安装并固定顶部底盘板，以完成外壳的组装。

电子学——布线与电路 - 最终的电路连接了以下组件：

电池至电机驱动器：

•电池正极 → L298N 12V 输入端

•电池负极 → L298N 接地端

电机驱动器给 ESP32 供电：

•L298N 的 IN1 端口连接至 ESP32 的 GPIO26 引脚。

•L298N 的 IN2 端口连接至 ESP32 的 GPIO27 引脚。

•L298N 的 IN3 引脚连接至 ESP32 的 GPIO32 引脚。

•L298N 相机接口 → ESP32 的 GPIO33 引脚

•L298N 5V(板载稳压器输出)→ ESP32 VIN

•L298N 的“GND”端子 → ESP32 的“GND”端子

电机连接：

•前左电机和前右电机分别与 L298N 输出的 A 通道相连

•后部左侧和后部右侧的电机分别与 L298N 输出的 B 通道相连。

•所有的连接都是通过颜色编码的电线完成的，并在电机端子处进行焊接。L298N 集成的 5V 调压器直接为 ESP32 供电，消除了导致原 BTS7960 电路出现故障的电压不稳定问题。

软件——无线网络控制系统

•代码是用 C++ 语言编写的，并使用 Arduino IDE 进行开发，然后通过 Micro USB 接口上传到了 ESP32 上。

•ESP32 被设置为一个 WiFi 网络接入点，上面运行着一个可通过智能手机浏览器访问的网络服务器。

•该网页界面显示了方向控制按钮(前进、后退、左转、右转、停止)，其呈现形式为 D 键布局。

•浏览器发出的 HTTP GET 请求触发了 GPIO 信号的变化，从而指令 L298N 控制相应的电机组。

在顶部底盘板安装完毕后的综合测试中，该机器人无法从静止状态开始移动。需要轻轻手动推动才能使其开始运转。诊断结果显示存在两个影响因素：

•在长时间的研发过程中，电池电压有所下降，从而导致电机驱动电流减小;并且

•顶部底盘板增加的重量加大了正常的压力，从而也增加了电机在启动时需要克服的静摩擦力。

解决方案：给电池充电后，电机的电流得以恢复到足够水平。这一事件通过实验直接证实了静摩擦系数(μs)大于动摩擦系数(μk)这一物理学基本原理。只有当施加的电机力超过 μs × mg 时，机器人才会开始移动;一旦开始移动，它就能平稳地继续前进，因为动摩擦力较小。

功能测试 - 在电路重新设计和电池充电完成后，对所有运动指令(向前、向后、左转、右转、停止)进行了测试并确认其功能正常。还录制了三段工作视频以记录其运行情况：

该机器人最终重量为 2.35 千克，经数字秤测量确认，符合 3 千克的竞赛限制标准，还留有 650 克的空间用于未来的改进，例如安装一个由伺服驱动的杠杆装置。

工程分析：该项目成功地将核心物理学和电子学原理应用于实际工程环境中：

通过扭矩产生的机械优势：选择了 12V/500 转/分钟的直流约翰逊电机，因为在较低转速下具有更高扭矩的电机在推动应用中比高速低扭矩的电机更有效。扭矩(τ = F × r)是力与轮子半径的乘积;电机提供旋转力，而电机内部的齿轮装置能确保在轮子处有足够大的输出扭矩。

摩擦力优化：选用高花纹轮胎直接提高了轮子与地面接触面的摩擦系数(μ)。机器人能够对对手施加的推力受到以下两个因素的限制：(a)电机输出力，以及(b)最大静摩擦力(f = μ × N = μ × mg)。由于四个轮子各自独立工作，因此总牵引力实际上是单轮驱动时的四倍。

电子设备可靠性：将 BTS7960 与 L298N 进行重新设计，展示了在元件性能与电路可靠性之间的工程权衡。尽管 BTS7960 理论上能够处理更高的电流，但其相关的电源不稳定问题使其不适用于此应用。而 L298N 集成的调节功能能够为实际稳定性提供理论裕度，这是正确的工程决策。

本文编译自hackster.io