智能機器人迷宮車(chē)控制系統設計方案

摘要：機器人在軍事偵察、掃雷排險、防核化污染等危險與惡劣環(huán)境中以及工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的物料搬運上應用很廣，隨著(zhù)任務(wù)復雜性的增加，對移動(dòng)機器人的要求也越來(lái)越智能化。然而，功能較完備的路徑跟蹤控制方法普遍具有計算復雜，不易實(shí)現等特點(diǎn)。主要針對移動(dòng)機器人即智能小車(chē)的行走系統進(jìn)行設計，以MCS-51單片機為控制核心的智能小車(chē)利用單光束反射取樣紅外傳感器，探測正前方及左右兩側障礙物，利用控制算法尋找行進(jìn)路線(xiàn)，在無(wú)人控制的情況下自主地走出迷宮。設計采用了輪式移動(dòng)機構，使機器人能直線(xiàn)行走、左右轉彎、主要針對路徑跟蹤算法優(yōu)化問(wèn)題，提出一種有效可行的方法，該法比以往算法更簡(jiǎn)單易行。

機器人應當具有幾個(gè)特征：移動(dòng)功能，執行功能、感覺(jué)和智能。目前全世界各國舉辦的涉及硬件，軟件仿真的機器人大賽不下20余類(lèi)。各種各樣的機器人比賽都有一個(gè)共同的宗旨：培養科學(xué)創(chuàng )新精神，激發(fā)思維的想象力，鼓勵理論與實(shí)踐的結合。不僅如此，現在已經(jīng)有越來(lái)越多的自動(dòng)控制產(chǎn)品已經(jīng)介入生產(chǎn)，在農業(yè)、工業(yè)上都有廣泛的應用。新的工作方式將大大的縮短了人工作業(yè)的時(shí)間，并且減輕了人的體力勞動(dòng)的支出。走迷宮的微型機器鼠主要是基于自動(dòng)引導小車(chē)(Auto Guided Vehicle，AGV)的原理，實(shí)現機器鼠識別路線(xiàn)，判斷并自動(dòng)躲避障礙，選擇正確的行進(jìn)路線(xiàn)走出迷宮。在此選擇制作一個(gè)簡(jiǎn)易的行進(jìn)裝置，使其能順利的走避障或是迷宮。為了實(shí)現小車(chē)識別路線(xiàn)，判斷并自動(dòng)躲避障礙，選擇正確的行進(jìn)路線(xiàn)，障礙判斷采用單光束反射取樣紅外傳感器，驅動(dòng)電機采用直流電機，控制核心采用MCS-51單片機?？刂粕喜捎梅謺r(shí)復用技術(shù)，僅用一塊單片機實(shí)現了信號采集、線(xiàn)路判斷、電機控制等功能。迷宮由16×16個(gè)區組成。起點(diǎn)設在拐角處，終點(diǎn)設在中央，占4個(gè)區。每個(gè)區為180 mm×180 mm大小，間壁高為50 mm，厚度為12 mm，側面涂白色，底面涂黑色，如圖1所示。

1 迷宮車(chē)控制系統的總體設計方案

迷宮車(chē)由墻壁傳感器、單片機控制板、動(dòng)力及轉向系組成的，控制框圖如圖2所示。

迷宮車(chē)采用輪式移動(dòng)方式。優(yōu)點(diǎn)是：結構和控制簡(jiǎn)單而且技術(shù)成熟。從選定電動(dòng)機轉速和輪胎直徑，可以簡(jiǎn)單地計算出小車(chē)的速度。但是，有關(guān)路面的阻力或上坡的驅動(dòng)轉矩等成為重要的因素?？紤]這點(diǎn)，在輪胎上使用無(wú)線(xiàn)遙控車(chē)的塑膠輪胎。如圖3所示，前輪1為萬(wàn)向腳輪或球形輪，后輪2和后輪3為獨立驅動(dòng)輪，利用它們的轉速差實(shí)現轉向。這種組合的特點(diǎn)是機樞組合容易，而且當2個(gè)驅動(dòng)輪以相同速度、相反方向轉動(dòng)時(shí)車(chē)體能繞2個(gè)驅動(dòng)輪連線(xiàn)的中點(diǎn)自轉，值得注意的是自轉中心與車(chē)體中心不一致。

迷宮車(chē)車(chē)身材料的選擇。迷宮車(chē)使用的材料大部分用于結構，一般應采用金屬材料。迷宮車(chē)承載和運動(dòng)不應產(chǎn)生嚴重的變形和斷裂，從力學(xué)角度講即具有足夠的強度。迷宮車(chē)負載小，自重輕，對壽命的要求不高。因此，選用鐵皮。

1.1 迷宮車(chē)控制電路的設計

控制電路主要由電機驅動(dòng)電路，單片機接口電路，電源電路和傳感器電路組成?？刂瓶驁D如圖4所示。

(1)紅外線(xiàn)光感電路傳感器通過(guò)發(fā)光二極管發(fā)出紅外線(xiàn)，若有障礙物在前方，紅外線(xiàn)會(huì )被反射回來(lái)，被感光三極管接收，單片機程序對信號進(jìn)行比較處理，按設定的動(dòng)作要求向后輪的兩個(gè)電機發(fā)出控制命令，控制小車(chē)行進(jìn)。

(2)電機驅動(dòng)電路采用89S51單片機，通過(guò)L293D芯片來(lái)控制兩個(gè)驅動(dòng)電機動(dòng)作。89S51根據紅外傳感器對外界進(jìn)行探測后反饋回來(lái)的信號，依據迷宮車(chē)探路算法，判定迷宮車(chē)行進(jìn)方向，分別向左右兩個(gè)驅動(dòng)電機發(fā)出控制指令，該信號經(jīng)L293D芯片驅動(dòng)后，直接控制相應電機動(dòng)作，使迷宮車(chē)按既定動(dòng)作進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉向。

1.2 迷宮車(chē)控制程序設計

控制算法：

迷宮車(chē)一般有四種控制算法：

(1)靠左算法

①默認靠左走法。即一直沿著(zhù)左墻壁走，左邊有墻時(shí)一直沿著(zhù)左邊墻壁前進(jìn)，當左邊沒(méi)有墻時(shí)左轉，然后繼續靠左邊墻壁運行。該算法使用于最簡(jiǎn)單的迷宮走法。如圖5所示，其中虛線(xiàn)表示小車(chē)前進(jìn)的路線(xiàn)。

②算法流程圖如圖6所示。

③靠左算法的弊端。按照該算法，小車(chē)在走第二遍迷宮的時(shí)候，可以一次性的走出迷宮，但是這條道路不一定是最短的道路;如果迷宮本身存在“孤島”，那么小車(chē)很有可能走不出迷宮。如圖7所示。圖7中兩個(gè)圓點(diǎn)分別表示入口和出口，小車(chē)從入口進(jìn)入迷宮，靠左前進(jìn)則會(huì )導致小車(chē)一直按照虛線(xiàn)所描繪出的路線(xiàn)一直在迷宮里循環(huán)，終走不出迷宮。

(2)靠前算法

①靠前算法即一直沿著(zhù)前方道路前行(前方?jīng)]有任何障礙時(shí)一直前進(jìn))，當前邊沒(méi)有墻時(shí)判斷左邊，左邊沒(méi)墻左轉，左邊有墻則判斷右邊。然后重復該循環(huán)。該算法使用于最簡(jiǎn)單的迷宮走法。

②算法流程圖如圖8所示。

③程序思路：前邊沒(méi)墻靠前走，前面有墻判斷左邊，左邊沒(méi)墻靠左轉，左邊前邊都有墻再判斷右邊，右邊沒(méi)有墻靠右轉，三面都墻直接后退轉180°，繼續靠前走。0表示有墻，1表示沒(méi)墻，p3.0表示左傳感器;p3.1表示前傳感器;p3.2表示右傳感器。