基于單片機(jī)及傳感器的機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要: 本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)及多種傳感器，完成了一個(gè)自主式移動(dòng)機(jī)器人的制作。單片機(jī)作為系統(tǒng)檢測(cè)和控制的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人小車的智能控制。反射式紅外光電傳感器檢測(cè)引導(dǎo)線，使機(jī)器人沿軌道自主行走；使用霍爾集成片，通過計(jì)車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)完成機(jī)器人行走路程測(cè)量；接近開關(guān)可探測(cè)到軌道下埋藏的金屬片，發(fā)出聲光信息進(jìn)行指示，并能實(shí)時(shí)顯示金屬片距起點(diǎn)的位置。
關(guān)鍵詞：單片機(jī); 機(jī)器人; 傳感器

1前言

機(jī)器人技術(shù)是融合了機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、人工智能等許多學(xué)科的知識(shí)，涉及到當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。一些發(fā)達(dá)國家已把機(jī)器人制作比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。如日本每年都要舉行諸如“NHK杯大學(xué)生機(jī)器人大賽”、“全日本機(jī)器人相撲大會(huì)”、“機(jī)器人足球賽”等各種類型的機(jī)器人制作比賽，參加者多為學(xué)生，旨在通過大賽全面培養(yǎng)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(jī)器人的知識(shí).^[1]

開展機(jī)器人的制作活動(dòng)，是培養(yǎng)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(jī)電專業(yè)學(xué)生開展綜合知識(shí)訓(xùn)練的最佳平臺(tái)。本文針對(duì)具有引導(dǎo)線環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點(diǎn)問題，基于單片機(jī)控制及傳感器原理，通過硬件電路制作和軟件編程，制作了一個(gè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的路徑跟蹤和自動(dòng)糾偏的功能，并能探測(cè)金屬，實(shí)時(shí)顯示距離。

2機(jī)器人要完成的功能

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

3 硬件設(shè)計(jì)方案

機(jī)器人總體構(gòu)成

圖1機(jī)器人總體構(gòu)成

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

系統(tǒng)電源供電部分

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

電機(jī)驅(qū)動(dòng)及PWM調(diào)速部分

機(jī)器人需控制在一個(gè)合適的速度行駛，速度太快，因單片機(jī)對(duì)各傳感器傳來的信號(hào)有一個(gè)響應(yīng)、處理時(shí)間，小車極易偏離軌道。小車的速度是由后輪直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速通常采用調(diào)壓、調(diào)磁等方式來實(shí)現(xiàn)。其中，調(diào)壓方式原理簡(jiǎn)單，易與實(shí)現(xiàn)。

采用由晶體管組成的H型PWM調(diào)制電路。通過圖2所示PWM調(diào)制電路，用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

令單片機(jī)P1.7口為低電平，P1.6口為高電平，此時(shí)Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止，電動(dòng)機(jī)正常工作。改變P1.6口高電平周期，即改變PWM調(diào)制脈沖占空比，可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速。脈沖頻率對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差；脈沖頻率低則反之^[2]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在30Hz以上，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，但小車行駛時(shí)，由于摩擦力使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低很快，甚至停轉(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有跳躍現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)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(dǎo)線檢測(cè)模塊

根據(jù)白紙和黑線反射系數(shù)不同，通過以光電傳感器為核心的光電檢測(cè)電路將路面兩種顏色進(jìn)行區(qū)分，轉(zhuǎn)化為不同電平信號(hào)，將此電平信號(hào)送單片機(jī)，由單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)作相應(yīng)的轉(zhuǎn)向，保證小車沿引導(dǎo)線行駛。考慮到小車與路面的相對(duì)位置，采用反射式光電檢測(cè)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(hào)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端也通過一電阻和電源相接，組成輸出電路。當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到白色時(shí)，其輸出低電平；當(dāng)檢測(cè)到黑色時(shí)，則輸出高電平。 

為提高檢測(cè)精度，采用了多傳感器信息融合技術(shù)。設(shè)計(jì)中，在車頭均勻布置三個(gè)光電傳感器，其中，中間一個(gè)（Q1）安裝在小車正中央。Q1的輸出經(jīng)一級(jí)比較器和非門，接單片

圖3 光電檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路

機(jī)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(jī)P1口。若兩側(cè)某一傳感器檢測(cè)到黑線，表明小車正脫離軌道，將3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的結(jié)果融合后作為單片機(jī)的輸入，機(jī)器人按照單片機(jī)P1口信息進(jìn)行判斷調(diào)整，實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤和自動(dòng)糾偏^[3]。

金屬探測(cè)部分

圖4 金屬探測(cè)電路

如圖4所示，金屬探測(cè)器使用一接近開關(guān)，探測(cè)有效距離約為4mm，將它固定在機(jī)器人上，當(dāng)探測(cè)到金屬片時(shí)，探測(cè)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(hào)。同時(shí)輸出反向后接單片機(jī)，對(duì)探測(cè)到的金屬片個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

霍爾元件測(cè)距設(shè)計(jì)

霍爾集成片內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?SUP>[4]，因此可以在車輪上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對(duì)脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行距離測(cè)量。小車后輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件產(chǎn)生的脈沖送入單片機(jī)的T0口進(jìn)行計(jì)數(shù)，單片機(jī)完成脈沖數(shù)到距離的轉(zhuǎn)換。在后輪安裝一個(gè)磁極，測(cè)量誤差是一個(gè)車輪的周長(zhǎng)，可在軟件中給予補(bǔ)償。                                                          

LCD顯示

液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)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(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 這里采用2行16個(gè)字的DM-162液晶模塊，通過與單片機(jī)連接，編程，完成顯示功能。

4 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

                      

           圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

5 結(jié)論

  本文基于單片機(jī)及傳感器原理，以單片機(jī)為控制器的核心，小型直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，配置不同類型的傳感器，通過軟件編程，制作出了一個(gè)價(jià)格低廉、模塊化結(jié)構(gòu)的小型機(jī)器人。大量的行走實(shí)驗(yàn)證明，該機(jī)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(cè)、顯示等功能。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文針對(duì)具有引導(dǎo)線環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點(diǎn)問題，采用多傳感器信息融合技術(shù)，通過單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)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(xiàn)，造價(jià)低廉，效果較好。

參考文獻(xiàn)

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