自學(xué)習循路的移動(dòng)機器人模型設計與實(shí)現

摘要：介紹了一種具有自學(xué)習循路功能的輪式移動(dòng)機器人模型的設計方法。該模型由兩后輪作驅動(dòng)輪來(lái)控制前進(jìn)速度和方向，并可在道路學(xué)習時(shí)以數據形式記錄和存儲兩輪的瞬時(shí)速率，然后再由微控制器MCU輸出控制信號來(lái)驅動(dòng)后輪以實(shí)現道路的循跡。

關(guān)鍵詞：MCU；機器人；學(xué)習記憶；循路

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人技術(shù)在航天、海洋、軍事、建筑、交通、工業(yè)及服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)取得廣泛的應用和發(fā)展。而在一些特殊場(chǎng)合（如航天、深海作業(yè)及核工業(yè)等領(lǐng)域），以無(wú)人探察車(chē)、無(wú)人排險車(chē)及無(wú)人運輸車(chē)等為代表的機器人技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。為此，筆者設計了一種具有道路記憶功能、使用靈活方便、應用范圍較廣的輪式移動(dòng)機器人模型。

該機器人模型以微控制器ＭＣＵ為核心，先由人對機器人模型按照所要行走的路線(xiàn)進(jìn)行訓練，即讓機器人模型記憶該路線(xiàn)（將路線(xiàn)數據存儲在存儲器中）。以后機器人模型就可沿此路線(xiàn)重復行走。其記憶路線(xiàn)的方式靈活方便，可根據不同的要求和需要對其進(jìn)行不同的路線(xiàn)訓練以完成不同的任務(wù)。

該模型可以應用于一些人類(lèi)不宜活動(dòng)或較難控制的場(chǎng)合（如微型核反應堆的金屬罐管系統、火場(chǎng)探測、輻射、消防、有毒、易燃、易爆物體場(chǎng)所的探測等），也可作為室內服務(wù)機器人使用，以代替人完成家務(wù)勞動(dòng)、廠(chǎng)區貨物搬運、醫院病歷及資料的傳遞等。

該機器人模型具有以下特性：

●具有道路學(xué)習記憶和道路循跡重復功能；

●可模擬地圖仿真訓練，輸出放大倍數可按需要設定；

●在實(shí)際工作時(shí)，如遇到障礙物?可采用道路轉移法繞過(guò)障礙物并沿原學(xué)習道路繼續前進(jìn)；

●工作時(shí)無(wú)人控制；

●光線(xiàn)較暗時(shí)會(huì )自動(dòng)打開(kāi)光源；

●前進(jìn)距離可用ＬＣＤ實(shí)時(shí)顯示；

●運動(dòng)狀態(tài)可用指示燈實(shí)時(shí)顯示；

●具有系統故障報警功能。

１ 系統硬件設計

系統硬件設計框圖如圖１所示，核心控制部分采用Ａｔｍｅｌ公司的普及型８位ＭＣＵ ＡＴ８９Ｃ５１。作為一款目前廣泛應用的ＭＣＵ，ＡＴ８９Ｃ５１提供有電機控制、ＬＣＤ驅動(dòng)顯示以及傳感信息等多種驅動(dòng)功能和接口，另一方面，該ＭＣＵ價(jià)格低廉，有很高的性?xún)r(jià)比。外接存儲模塊采用容量為２５６ｋＢ的２４ＬＣ２５６閃存芯片，當然，也可以根據實(shí)際需要選用其它容量的閃存芯片。感光探測選用光敏電阻即可感應外界光線(xiàn)的強弱。障礙物探測采用美國邦納工程有限公司的ＰｉｃｏＤｏｔ ＰＤ系列激光傳感器，該傳感器能對被測物體進(jìn)行精確的到位檢測、定位和計數。

２ 系統設計要點(diǎn)

輪式移動(dòng)機器人模型的速度及方向可由兩個(gè)后輪作為驅動(dòng)輪來(lái)控制，ＭＣＵ通過(guò)驅動(dòng)芯片Ｌ２９３Ｂ驅動(dòng)兩個(gè)后輪電機。ＡＴ８９Ｃ５可通過(guò)兩個(gè)后輪對應的兩個(gè)計速器來(lái)分別控制這兩個(gè)后輪的轉速，從而實(shí)現模型的前進(jìn)和轉向功能。

２．１ 計速部分

系統計速部分由光電開(kāi)關(guān)及帶有均勻分布小孔的圓盤(pán)組成，其電路及皮帶輪連接示意圖如圖２所示。當光電開(kāi)關(guān)中間有黑色物體擋住時(shí)，輸出電平為０；無(wú)遮擋時(shí)，輸出電平為１。當均勻分布小孔的圓盤(pán)邊緣在光電開(kāi)關(guān)的槽中轉動(dòng)時(shí)，可根據輸出的一系列脈沖及圓盤(pán)上的孔數計算出圓盤(pán)的轉速Ｎ。皮帶輪１與圓盤(pán)粘在一起，因而轉速相同；皮帶輪２與模型后驅動(dòng)輪同軸，速度相同；皮帶輪１、皮帶輪２由皮帶相連。假設皮帶輪２周長(cháng)是皮帶輪１周長(cháng)的５倍，則皮帶輪２的轉速為Ｎ／５，即車(chē)輪轉速為Ｎ／５。

２．２ 道路學(xué)習記憶

計數芯片選用７級二進(jìn)制串行計數器ＣＤ４０２４，光電開(kāi)關(guān)的輸出波形經(jīng)施密特觸發(fā)器整形為標準脈沖波形可使ＣＤ４０２４計數更方便。設每隔Ｔ時(shí)間記錄到脈沖數Ｍ，那么，Ｔ時(shí)間內圓盤(pán)轉速Ｎ＝Ｍ／（ＬＴ）（設Ｌ為圓盤(pán)上的孔數），則車(chē)輪的速率為Ｎ／５＝Ｍ／（５ＬＴ）。由于Ｔ越小，結果越精確，故Ｔ取幾至幾十毫秒。記錄的數據經(jīng)微控制器ＭＣＵ送至外接閃存２４ＬＣ２５６儲存起來(lái)，供輸出使用。

通過(guò)上述過(guò)程可對模型進(jìn)行道路訓練，即每隔Ｔ時(shí)間將兩個(gè)后輪速率分別記入閃存。訓練結束后，閃存內存儲的是兩個(gè)后輪每隔Ｔ時(shí)間一次的速率，這樣就可實(shí)現對訓練道路的記憶。

２．３ 道路循跡重復

在對該模型進(jìn)行輸出控制時(shí)，先由微控制器ＭＣＵ從閃存中讀取數據，再將每隔Ｔ時(shí)間的轉速數據通過(guò)脈沖輸出，并通過(guò)Ｌ２９３Ｂ芯片驅動(dòng)兩后輪電機的轉動(dòng)。為保證輸出的轉速與原記錄的轉速一致，可用反饋控制的方法在后輪驅動(dòng)電機轉動(dòng)的同時(shí)，由計速器模塊同時(shí)檢測兩個(gè)后輪的轉速，然后分別比較兩個(gè)后輪的轉速是否與原記錄轉速相同：若小于原記錄轉速，可調用加速子程序；若大于，則調用減速子程序。

由于計數時(shí)間Ｔ較小，再加上反饋控制的作用，就可保證輸出的運動(dòng)軌跡精確接近于原訓練道路，誤差很小。實(shí)際運行時(shí)，可在保證記錄和輸出精度的前提下把訓練的道路模擬成與實(shí)際道路按比例縮小的地圖，即在地圖上對模型進(jìn)行道路訓練，按比例倍數放大輸出，即可使機器人在實(shí)際道路上按訓練道路運動(dòng)。由于輸出放大倍數由程序決定，因而可按不同的需要設置，靈活性很高。

２．４ 道路轉移法繞障

該機器人模型在訓練完成后，即可從預設地點(diǎn)開(kāi)始行走。模型在前進(jìn)過(guò)程中，當傳感器探測到前方有障礙物時(shí)，可調用繞障礙物程序繞過(guò)障礙物并返回到原記錄道路繼續前進(jìn)。其繞障過(guò)程示意圖如圖３所示，當模型傳感器在Ａ點(diǎn)探測到前方有障礙物時(shí)，會(huì )將障礙物模擬成一邊與當時(shí)模型方向垂直的矩形物體（見(jiàn)圖中虛線(xiàn)矩形）。然后中斷從閃存中讀取路線(xiàn)數據，并使模型在Ａ點(diǎn)左轉９０，接著(zhù)以勻速ｖ直線(xiàn)前進(jìn)ｔ１時(shí)間到Ｂ點(diǎn)，再在Ｂ點(diǎn)右轉９０，接著(zhù)從原中斷處調用原記錄路線(xiàn)數據前進(jìn)ｔ２時(shí)間到達Ｃ點(diǎn)。之后再在Ｃ點(diǎn)以方向 Ｃ １ 轉動(dòng) Ｃ１與 Ｃ２方向的夾角θ（θ＝９０－兩車(chē)輪前進(jìn)距離差／兩車(chē)輪間距），模型方向 從 Ｃ１轉動(dòng)到 Ｃ２ ，然后再以勻速ｖ直線(xiàn)前進(jìn)ｔ１時(shí)間到Ｄ點(diǎn)，此時(shí)方向為 ｄ２方向，然后再以Ｃ１到Ｃ２的相反方向從 ｄ２轉θ角到 ｄ１方向，即 ｄ１ ／／ Ｃ１。實(shí)際上，在沒(méi)有障礙物的情況下，模型依所記錄路線(xiàn)應沿ＡＤ段前進(jìn)，到達Ｄ點(diǎn)方向為 ｄ１方向。由圖可見(jiàn)，ＢＣ段的運動(dòng)情況完全等同于ＡＤ段的運動(dòng)情況，也就是說(shuō)，在遇到障礙物時(shí)，機器人會(huì )將ＡＤ段轉移到實(shí)際的ＢＣ段運動(dòng)以繞開(kāi)障礙物，同時(shí)保持它應有的運動(dòng)狀態(tài)并返回原記錄路線(xiàn)。其中ｔ１、ｔ２的選取與虛線(xiàn)矩形的大?。ù碚系K物的大?。┯嘘P(guān)，它可由傳感器探測到的障礙物大小來(lái)確定。

２．５ 附加功能

應用時(shí)也可根據特殊需要，在模型上安裝攝像機以實(shí)時(shí)觀(guān)察或安裝自動(dòng)拍照的數碼像機來(lái)記錄工作區域周?chē)那闆r。當模型探測到周?chē)h(huán)境的光線(xiàn)比較暗時(shí)，還可由微控制器ＭＣＵ打開(kāi)光源，以便為像機提供照明。

此外，模型上還設計了工作指示燈來(lái)實(shí)時(shí)指示模型的工作狀態(tài)，不同指示燈分別指示其正常、左轉、右轉及出錯狀態(tài)，以方便使用者及時(shí)了解模型的工作情況。外接ＬＣＤ可實(shí)時(shí)顯示模型的前進(jìn)距離，每個(gè)車(chē)輪前進(jìn)的距離＝記錄的車(chē)輪的轉數車(chē)輪的周長(cháng)，再取兩個(gè)車(chē)輪前進(jìn)距離的平均值作為模型的前進(jìn)距離，這樣可方便使用者及時(shí)了解模型的進(jìn)程。

若模型在工作過(guò)程中發(fā)生故障（如不能前進(jìn)、失控等），也可通過(guò)警鈴和警燈提醒用戶(hù)及時(shí)檢修。

３ 系統軟件設計

圖４、圖５分別為機器人模型道路學(xué)習記憶、循跡重復的軟件流程。本程序中，道路學(xué)習記憶時(shí)的記錄時(shí)間間隔Ｔ?。常埃恚?，輸出控制時(shí)，在每一個(gè)記錄周期內比較６次（每５ｍｓ計一次數，再乘以６與原記錄數相比較，以判斷應加速還是減速），以使輸出更精確于原記錄數據。圖６為繞障礙物程序流程圖，其中模型方向轉過(guò)一定角度可由一輪靜止、另一輪運動(dòng)時(shí)的兩輪間距轉動(dòng)角弧度的距離來(lái)實(shí)現。

４ 結束語(yǔ)

該機器人模型相比無(wú)線(xiàn)遙控操作機器人的優(yōu)勢在于，可工作在電磁波屏蔽的場(chǎng)合；而相比有線(xiàn)遙控操作機器人來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)是工作過(guò)程中無(wú)需人實(shí)時(shí)控制，可自主完成活動(dòng)，并具有活動(dòng)精度高、效率高的特點(diǎn)；相比固定軌道機器人，該模型能夠擺脫固定軌道的限制，其活動(dòng)路線(xiàn)靈活易變，適應范圍更廣