智能機器人控制系統的設計與實(shí)現

1 前 言

機器人技術(shù)是融合了機械、電子、傳感器、計算機、人工智能等許多學(xué)科的知識，涉及到當今許多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。一些發(fā)達國家已把機器人制作比賽作為創(chuàng )新教育的戰略性手段。如日本每年都要舉行諸如“NHK杯大學(xué)生機器人大賽”、“全日本機器人相撲大會(huì )”、“機器人足球賽”等各種類(lèi)型的機器人制作比賽，參加者多為學(xué)生，旨在通過(guò)大賽全面培養學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng )造能力、合作能力和進(jìn)取精神，同時(shí)也普及智能機器人的知識。

開(kāi)展機器人的制作活動(dòng)，是培養大學(xué)生的創(chuàng )新精神和實(shí)踐能力的最佳實(shí)踐活動(dòng)之一，特別是機電專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)展綜合知識訓練的最佳平臺。本文針對具有引導線(xiàn)環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點(diǎn)問(wèn)題，基于單片機控制及傳感器原理，通過(guò)硬件電路制作和軟件編程，制作了一個(gè)機器人，實(shí)現了機器人的路徑跟蹤和自動(dòng)糾偏的功能，并能探測金屬，實(shí)時(shí)顯示距離。

2 機器人要完成的功能

選取一塊光滑地板或木板，上面鋪設白紙，白紙上畫(huà)任意黑色線(xiàn)條（線(xiàn)條不要交叉），作為機器人行走的軌跡，引導機器人自主行走。紙下沿黑線(xiàn)軌跡隨機埋藏幾片薄鐵片，鐵片厚度為0.5～1.0mm。機器人沿軌跡行走一周，探測出埋藏在紙下鐵片，發(fā)出聲光報警，并顯示鐵片距離起點(diǎn)的位置。

3 硬件設計方案

機器人總體構成

圖1 機器人總體構成

如圖1所示，以微處理器為核心，接受傳感器傳來(lái)外部信息，進(jìn)行處理，控制機器人的運行。

系統電源供電部分

由于機器人電機，傳感器及系統CPU等部分均采用+5V供電，考慮電動(dòng)車(chē)功率和車(chē)載質(zhì)量及摩擦阻力問(wèn)題，電源我們采用電動(dòng)車(chē)自帶干電池組，功耗小、體積小和質(zhì)量輕，安裝較為方便。

電機驅動(dòng)及PWM調速部分

機器人需控制在一個(gè)合適的速度行駛，速度太快，因單片機對各傳感器傳來(lái)的信號有一個(gè)響應、處理時(shí)間，小車(chē)極易偏離軌道。小車(chē)的速度是由后輪直流電機轉速控制，改變直流電機轉速通常采用調壓、調磁等方式來(lái)實(shí)現。其中，調壓方式原理簡(jiǎn)單，易與實(shí)現。

采用由晶體管組成的H型PWM調制電路。通過(guò)圖2所示PWM調制電路，用單片機控制晶體管使之工作在占空比可調狀態(tài)，實(shí)現調速。

圖2 電機驅動(dòng)電路

令單片機P1.7口為低電平，P1.6口為高電平，此時(shí)Q1、Q4導通控制工程網(wǎng)版權所有，Q2、Q3截止，電動(dòng)機正常工作。改變P1.6口高電平周期，即改變PWM調制脈沖占空比，可以實(shí)現精確調速。脈沖頻率對電機轉速有影響，脈沖頻率高連續性好，但帶負載能力差；脈沖頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗發(fā)現，脈沖頻率在30Hz以上，電機轉動(dòng)平穩，但小車(chē)行駛時(shí)，由于摩擦力使電機轉速降低很快，甚至停轉；脈沖頻率在10Hz以下，電機轉動(dòng)有跳躍現象，實(shí)驗證明脈沖頻率在25～35Hz效果最佳。我們選取脈沖頻率為30Hz。

引導線(xiàn)檢測模塊

根據白紙和黑線(xiàn)反射系數不同，通過(guò)以光電傳感器為核心的光電檢測電路將路面兩種顏色進(jìn)行區分，轉化為不同電平信號，將此電平信號送單片機，由單片機控制轉向電機作相應的轉向，保證小車(chē)沿引導線(xiàn)行駛?？紤]到小車(chē)與路面的相對位置，采用反射式光電檢測電路。紅外光電傳感器TCRT1000，它是一種光電子掃描，光電二極管發(fā)射，三極管接收并輸出的裝置。它的特點(diǎn)是尺寸小、使用方便、信號高輸出、工作狀態(tài)受溫度影響小。它的外圍電路簡(jiǎn)單，（如圖3所示）。二極管的C端和三極管的E端接地，二極管的A端通過(guò)一電阻和電源相接，組成偏置電流電路；三極管的C端也通過(guò)一電阻和電源相接，組成輸出電路。當檢測器檢測到白色時(shí)，其輸出低電平；當檢測到黑色時(shí)，則輸出高電平。

為提高檢測精度，采用了多傳感器信息融合技術(shù)。設計中，在車(chē)頭均勻布置三個(gè)光電傳感器，其中，中間一個(gè)（Q1）安裝在小車(chē)正中央。Q1的輸出經(jīng)一級比較器和非門(mén)，接單片機的P1.3腳.Q1左右兩端分別布置一個(gè)傳感器，經(jīng)與圖3相同的電路后也連接到單片機P1口。若兩側某一傳感器檢測到黑線(xiàn)，表明小車(chē)正脫離軌道，將3個(gè)檢測點(diǎn)的結果融合后作為單片機的輸入，機器人按照單片機P1口信息進(jìn)行判斷調整，實(shí)現路徑跟蹤和自動(dòng)糾偏。

圖3 光電檢測轉換電路

金屬探測部分

圖4 金屬探測電路

如圖4所示，金屬探測器使用一接近開(kāi)關(guān)，探測有效距離約為4mm ，將它固定在機器人上，當探測到金屬片時(shí)，探測器輸出端輸出低電平，經(jīng)反向器后接一發(fā)光二極管和一蜂鳴器，發(fā)出聲光指示信號。同時(shí)輸出反向后接單片機，對探測到的金屬片個(gè)數進(jìn)行計數。

霍爾元件測距設計

霍爾集成片內部由三片霍爾金屬板組成，當磁鐵正對金屬板時(shí)，根據霍爾效應，金屬板發(fā)生橫向導通，因此可以在車(chē)輪上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過(guò)對脈沖計數進(jìn)行距離測量。小車(chē)后輪每轉一圈，霍爾元件產(chǎn)生的脈沖送入單片機的T0口進(jìn)行計數，單片機完成脈沖數到距離的轉換。在后輪安裝一個(gè)磁極，測量誤差是一個(gè)車(chē)輪的周長(cháng)，可在軟件中給予補償。

LCD顯示

液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應用系統中得到越來(lái)越廣泛的應用。 這里采用2行16個(gè)字的DM-162液晶模塊，通過(guò)與單片機連接，編程，完成顯示功能。

4 系統軟件流程

系統軟件流程如圖5所示。

圖5 系統軟件流程圖

5 結 論

本文基于單片機及傳感器原理，以單片機為控制器的核心，小型直流電機作為驅動(dòng)元件，配置不同類(lèi)型的傳感器，通過(guò)軟件編程，制作出了一個(gè)價(jià)格低廉、模塊化結構的小型機器人。大量的行走實(shí)驗證明，該機器人能夠順利路徑跟蹤和自動(dòng)糾偏自主行走，并完成探測、顯示等功能。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：本文針對具有引導線(xiàn)環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點(diǎn)問(wèn)題，采用多傳感器信息融合技術(shù)，通過(guò)單片機控制，實(shí)現了機器人的路徑跟蹤和自動(dòng)糾偏的功能，方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，造價(jià)低廉，效果較好。 電流變送器相關(guān)文章:電流變送器原理
蜂鳴器相關(guān)文章:蜂鳴器原理
電容式接近開(kāi)關(guān)相關(guān)文章:電容式接近開(kāi)關(guān)原理
接近開(kāi)關(guān)相關(guān)文章:接近開(kāi)關(guān)原理
脈沖點(diǎn)火器相關(guān)文章:脈沖點(diǎn)火器原理