一種機器人的尋跡算法
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1 引言
近年來(lái)，機器人的發(fā)展遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域，機器人的智能水平不斷提高。在自主式智能導航系統中，機器人要實(shí)現自動(dòng)導引功能就必須要感知導引線(xiàn)，即常說(shuō)的“尋跡”，這相當于給機器人一個(gè)視覺(jué)功能。
筆者所設計的機器人是一個(gè)自動(dòng)導引小車(chē)(AGV)，包括兩大部分：一是行進(jìn)方向的檢測處理；二是步進(jìn)電機的驅動(dòng)。
在該系統里，采用與地面顏色有較大差別的線(xiàn)條作引導，使用傳感器感知導引線(xiàn)，用單片機AT89C52掃描光電傳感器組，對采集到的信號進(jìn)行分析處理并做出邏輯判斷后，得到行進(jìn)方向，然后根據一定的步數去驅動(dòng)步進(jìn)電機，實(shí)現機器人的循跡行進(jìn)。
小車(chē)的驅動(dòng)采用步進(jìn)電機，因為步進(jìn)電機具有快速起停能力，且轉換精度高，正反轉控制靈活。
2 硬件電路
采用AT89C52單片機作為控制核心對光電傳感器送來(lái)的各種信號進(jìn)行分析處理，以控制機器人的方向和驅動(dòng)及數據顯示等，如圖1所示。
為了檢測黑色導引線(xiàn)，筆者采用了8個(gè)光電傳感器組成的矩陣組。如圖2所示，相對于小車(chē)底盤(pán)的中心，我們布置了內外兩層各4個(gè)傳感器。每層4個(gè)傳感器對應著(zhù)中心的4個(gè)方向：前、后、左前、右前?？刹捎脪呙璺绞椒謨纱蔚玫礁餍袛祿?。
圖1 硬件框圖
圖2 光電傳感器矩陣組
導引線(xiàn)檢測的具體電路如圖3所示。此處采用的是TCRT1000反射式紅外光電傳感器。以第1行第1列的光電傳感器為例，其工作原理是這樣的：P1 .0輸出低電平時(shí)，三極管A1015導通，光電傳感器工作，TCRT1000的發(fā)射端發(fā)出不可見(jiàn)的紅外光。當反射物由非黑色導引線(xiàn)變?yōu)楹谏珜б€(xiàn)時(shí)，光電三極管的基極接受不到反射光，從而光敏三極管由導通變?yōu)榻刂?，使得集電極電壓由低電平變?yōu)楦唠娖?，?jīng)過(guò)74LS14反相器反相整形，輸出值由邏輯1變?yōu)檫壿?后，送入單片機中進(jìn)行進(jìn)一步處理。
值得指出的是在此處PNP三極管A1015的使用。此處如果選用NPN三極管，則在開(kāi)機或復位時(shí)P1口各位輸出高電平會(huì )誤掃描傳感器矩陣，而選用PNP三極管就可以避免這種情況，能很好的控制光電傳感器的工作，并可以增加驅動(dòng)能力。
圖3 光電傳感器尋跡電路圖
3 尋跡
單片機控制尋跡的原理是這樣的：第一步，通過(guò)矩陣式掃描，即給光電傳感器矩陣分別輸入兩個(gè)“1”信號的行值，將輸出的4個(gè)列值信號分別存入兩個(gè)地址（如30H、31H）的低4位，低4位從高到低分別對應著(zhù)4個(gè)方向：前、后、左前、右前。然后用“F0”與這八位做“或”邏輯運算，即屏蔽掉高四位后作為本次的信號值；第二步，將本次的信號值與上一次掃描處理后的信號值進(jìn)行邏輯處理，得出一個(gè)新方向，作為機器人行進(jìn)的方向。
在這個(gè)程序里，邏輯處理內外層得到新方向是尋跡的關(guān)鍵。筆者在其中按先后步驟使用了3種規則：
（1） 前后比較規則
此規則是這個(gè)算法的核心規則。它的目的是盡可能的用新探測到的黑點(diǎn)作為新方向。新方向F通過(guò)
（1）
來(lái)求得。（其中 為本次的信號值， 為前次的信號值）邏輯處理前“0”表示黑線(xiàn)軌跡，邏輯處理后“1”表示軌跡行進(jìn)方向。舉例如下：以?xún)葘訛槔?，設當前測得的值為
且前一次測得的值為
經(jīng)過(guò)上述（1）邏輯處理后，假設結果為
則正前方是行進(jìn)的新方向。
（2） 內外層切換規則
如果光電傳感器組前后兩次所檢測的值完全一樣，則在邏輯處理后會(huì )出現全零，這時(shí)保持原方向行進(jìn)。如果碰到曲線(xiàn)拐彎或者曲線(xiàn)斷續，則有可能出現多個(gè) “1”即多個(gè)方向，這時(shí)可采用“內外層切換規則”，也就是說(shuō)從內層切換到外層，啟用外層掃描值重復上述前后比較規則來(lái)進(jìn)行判斷。啟用外層信號進(jìn)行二次判斷能很好的處理曲線(xiàn)拐彎及曲線(xiàn)斷續等內層處理不好的情況。但用外層信號判斷，因為其傳感器布置的間隙距離比內層大，其控制精度不如用內層信號判斷高。
（3） 糾錯規則
在運行中，傳感器有可能受到干擾而發(fā)出錯誤信號導致機器人走錯或迷失方向，這個(gè)時(shí)候糾錯規則能讓機器人后退起到糾錯作用。所謂糾錯規則就是在走錯后出現了內外層左前、前、右前均沒(méi)有探測到引導線(xiàn)，而后向探測到了導引線(xiàn)的情況下，讓機器人后退，一直退到前面三個(gè)方向傳感器里有傳感器探測到導引線(xiàn)為止。此時(shí)再用（1）式求得新的行進(jìn)方向，從而實(shí)現糾錯功能。
其中前后比較法的邏輯處理及隨后的判斷程序具體如下：（30H放本次信號值，32H放前次信號值）
DATADEAL：MOV A， 30H
XRL A， 32H
ANL A， 32H ；按（1）式求新向
MOV 36H， A ；保存
MOV R3， #8
MOV R4， #0
COUNT： JB ACC.0, ADDN
COUNT1： RR A
DJNZ R3， COUNT
CJNE R4， #1H， JUDGE ；R4里所含不是1個(gè)“1”時(shí)，
；轉“JUDGE”再判斷
AJMP MOTORRUN ；R4里只有一個(gè)“1”時(shí)，以此
；“1”所代表的方向作為新方向
ADDN： INC R4
AJMP COUNT1
JUDGE： JC KEEPMOVE ；少于一個(gè)“1”，保持原方向
AJMP OUTCHECK ；多于一個(gè)“1”，則取用外層
……
MOTORRUN：…… ；電機驅動(dòng)子程序
KEEPMOVE：…… ；保持原運動(dòng)狀態(tài)子程序
OUTCHECK：…… ；取用外層信號值判斷子程序
4 執行
導引機器人的驅動(dòng)方式采用一驅動(dòng)輪一轉向輪方式：將后輪作為驅動(dòng)輪，前輪作為轉向輪，通過(guò)切換轉向輪向左或向右的方式改變機器人的方向。這種方式與汽車(chē)的控制方式一樣，直線(xiàn)行進(jìn)性能好，可以高速移動(dòng)。從1個(gè)步進(jìn)脈沖對應的行進(jìn)路程，可以預算出應給步進(jìn)電機發(fā)出的脈沖數。預定的行進(jìn)路程以小于內層傳感器間隙距離的1/2為宜，這樣可以保證機器人位置測量的連續性和方向識別的準確性。單片機AT89C52根據其邏輯處理出來(lái)的方向，調用步進(jìn)電機的驅動(dòng)程序即可實(shí)現機器人循跡連續運動(dòng)的功能。
5 結束語(yǔ)
筆者在做好硬件部分的基礎上，根據上述思路編制了程序進(jìn)行了實(shí)驗。實(shí)驗中筆者采用了與底色有較大差異的黑色膠帶作導引線(xiàn)，膠帶寬1.8cm，其中導引線(xiàn)總長(cháng)6000mm，斷續部分的間斷距離不大于10mm，步進(jìn)電機執行一次驅動(dòng)預定的行進(jìn)路程為4mm。在沒(méi)有強烈日光干擾的情況下，筆者所設計的尋跡系統能自動(dòng)識別黑色導引線(xiàn)并選擇正確的方向運動(dòng)。測試結果：系統總能在60S內連續正確地走完全程，而且機器人（中心）所走的軌跡基本上在黑線(xiàn)上?？梢?jiàn)，即使是比較復雜的曲線(xiàn)，筆者設計的導引機器人也能準確地實(shí)現尋跡功能。
本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)是：針對基于光電傳感器組尋跡的自動(dòng)導引機器人，設計了一種新的傳感器陣列的布置方式。根據此布置方式，提出了三個(gè)處理規則結合而成的軌跡識別算法。
參考文獻
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2． 廖華麗，周祥，董豐，王延旗.基于模糊控制的AGV尋跡算法.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報 2005（7）
3． 胡銀彪，馮建超.拖靶高度控制系統的設計.微計算機信息 2002（11）
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