复杂路线下机器人的三点三轮寻迹系统
2013/11/18 13:53:06
智能寻迹机器人是一种被广泛研究的机器人，而且国内外都有许多重要的比赛都以寻迹机器人为核心展开，如我国的“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛，以及吸引亚太地区众多国家参赛的亚广联(ABU)机器人大赛等。
所谓的复杂路线，即由小半径弯道、各种角度折道、直道等组成的不规则导引线，它是相对由大半径弯道组成、过渡平滑的简单路线而言的。笔者所设计的寻迹机器人小车，以AT89C52单片机为控制芯片，采用自制的3个红外光电传感器，以简单的设计、较低的成本实现了复杂路线下机器人的自主寻迹。
1 硬件及电路
1．1 控制芯片
考虑到实用性和性价比，采用AT89C52单片机作为机器人的控制芯片。AT89C52是美国 Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8 KB的可反复擦写的只读存储器(PEROM)和256B的随机存取数据存储器(RAM)，32个I／O口线，3个16位定时／计数器，1个全双工串行通行口。器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容。
1．2 传感器模块
作为寻迹机器人的“眼睛”，选择合适的传感器是关键。目前市面上可选用的传感器主要有CCD传感器和红外光电传感器两种。近年来CCD传感器技术已趋成熟，在近几届“飞思卡尔”杯智能车大赛上，采用CCD传感器的智能车越来越多，并取得了不错的成绩。不过，CCD传感器价格较高，体积较大，数据处理相当复杂，因此在按既定路线行走的寻迹机器人设计中，红外光电传感器以其体积小、价格低、数据处理简单而显得更有优势。
红外光电传感器由1个红外发射管和1个光敏二极管组成。工作时，红外发射管发射的红外光被被测表面反射回来，光敏二极管接收被反射光。由于被测表面的材质不同，反射率也不一样。当被测表面为白色时，反射光较强，光敏二极管将导通；反之，被测表面为黑色时，光敏二极管将截止。考虑到外界环境光照等干扰因素，输出的电压值有一定的波动范围，若直接输给单片机，可能导致检测判断错误。因此，需要将输出电压通过比较器(LM324)与预置的阈值电压比较，然后得出一个高低电平输给单片机。阈值电压通过试验测量得出，其电路如图1所示。其中LED为传感器工作指示灯，R1为阈值电压调节电阻。
根据上述电路，自制了3个简易的红外光电传感器。经测试表明，性能良好，有效检测距离为1～4 cm，满足机器人寻迹的要求。
1．3 驱动模块
驱动机器人行走的2个电机需要不同的转速来实现转弯。选用的驱动芯片为L293D，它包含4个输出通道，最大输出峰值电流为1．2 A，能同时驱动2个直流电机工作；其信号输入端和使能端接收到来自单片机的信号，控制电机的通断以及正、反转，还可以通过向使能端输入不同占空比的方波信号来调整电机转速(PWM方式)。如图2所示，IN端口接控制信号，OUT端口接电机的两端，EN端口接使能信号。一组IN端口输入为高／低或低／高电平时，能实现电机的正／反转。一组IN端口输入均为高或低电平时，电机将停转。EN使能端为高电平时，相应端口输入信号有效；反之，则输入信号无效。在EN 端输入PWM波，通过调整PWM波的占空比，即可实现电机的无级调速。
2 寻迹控制
机器人寻迹控制示意图如图3所示，机器人采用前轮驱动后轮辅助的三轮差动式行走方式。车体前部两轮均为主动轮，由两个电机分别驱动，利用它们的转速差来控制机器人运动方向；后轮为从动万向轮，仅起着支撑车体的作用。车底板前部以车体中心线为轴线对称放置着3个自制的红外光电传感器，作为机器人的寻迹传感器。
机器人寻迹场地中除了黑线，其他区域均为白色。当传感器正下方为黑线时，输出“0”状态，当其为白色区域时，输出“1”状态。因此，理论上3个传感器输出的组合状态会有8种，如表1所列。每一种组合状态都对应着一种机器人下一步的行走动作，共有前进、左转、快速左转、右转、快速右转、原地旋转、停止7种动作。
注：“+”指车轮向前运动，“-”表示车轮向后运动，“1．0”、“0．3”指的是控制相应电机转速的PWM波的占空比，可根据实际需要在程序中修改。
本机器人有着双级转弯的设计，即普通转弯和快速转弯。当机器人对黑线的偏离量比较小时，使用普通转弯，即两个驱动轮都向前运动，速度一大一小，依靠两轮的速度差来实现转弯；而当机器人偏离黑线较远时，使用快速转弯，即两个驱动轮一个向前运动，一个向后运动，这样能迅速实现转弯。普通转弯用于大半径弯道、大角度折道，而快速转弯则用于小半径弯道和直角锐角折道等非平滑过渡路线。对于非封闭路线，还设计了原地旋转的动作，来实现原路返回：一旦机器人小车走完全程，3个传感器将均检测到白色区域，输出组合状态“111”，此时一轮全速前进，一轮全速后退，小车原地旋转，直到掉过头来传感器检测到黑线为止。
3 程序设计
程序设计时，采用汇编语言编程。其思路为：第1步，系统初始化后，读取单片机P2口的值，然后对其 P2．0、P2．1、P2．2按位取与，得到传感器模块的组合值。第2步，将得到的组合值与预定的值比较，若相等则执行相应的动作，否则继续比较，直到获得正确的动作。比较完全部动作后，转到第1步重新扫描传感器的状态值。
为了进一步提高系统的安全性和可靠性，还需增加异常处理算法。可能出现的异常情况有：过小弯道或小角度折道时，机器人还来不及转过弯来，就已经完全偏离黑线。这种情况下，3个传感器都输出“1”，检测不到黑线，若不及时处理，机器人将无法继续寻迹。针对该情况，设计了原地旋转动作来找回预定路线，不过原地旋转有顺、逆时针之分，因此还得区分开来。改进后编程的思路为：每次读取P2口值之前，将其上一次的传感器组合值存入某个寄存器，当出现组合值为 “111”的情况时，立即查询上一次的值，根据该值，可以判断出机器人是从哪一侧偏离黑线的，从而进行顺或逆时针原地旋转。其主要程序如下：
结语
根据上述设计思路，我们制作出寻迹机器人并进行了测试。测试场地如图4所示，黑色导引线宽度为3 cm，黑线周围区域均为白纸覆盖。测试结果表明：该寻迹机器人能在此复杂路线下平稳、顺利地沿着黑线走完全程，并在终点沿原路返回，达到了预期的目标。这为进一步研究复杂环境下的自动行走机器人提供了参考。
本文的创新点为：使用3个自制的红外光电传感器，以简单的设计和较少的硬件实现了复杂路线下机器人的寻迹。而基于该机器人双级转弯的设计思想，可以增加传感器数量、组成传感器阵列来实现多级转弯，从而对机器人的自主寻迹有着更为精确的控制。
参考文献
1. 韩毅,张雪峰.一种低成本寻迹机器人的实现[J].微计算机信息,2008,52:233-235.
2. 朱益斌,胡学龙,朱亚锋,等.自主式寻迹机器人小车的设计[J].国外电子测量技术,2006,25(7):40-42.
3. 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
作者：中国石油大学（华东）唐甫世 齐明侠 张晓春 沈蓉 来源：《单片机与嵌入式系统应用》 2009（8）
所谓的复杂路线，即由小半径弯道、各种角度折道、直道等组成的不规则导引线，它是相对由大半径弯道组成、过渡平滑的简单路线而言的。笔者所设计的寻迹机器人小车，以AT89C52单片机为控制芯片，采用自制的3个红外光电传感器，以简单的设计、较低的成本实现了复杂路线下机器人的自主寻迹。
1 硬件及电路
1．1 控制芯片
考虑到实用性和性价比，采用AT89C52单片机作为机器人的控制芯片。AT89C52是美国 Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8 KB的可反复擦写的只读存储器(PEROM)和256B的随机存取数据存储器(RAM)，32个I／O口线，3个16位定时／计数器，1个全双工串行通行口。器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容。
1．2 传感器模块
作为寻迹机器人的“眼睛”，选择合适的传感器是关键。目前市面上可选用的传感器主要有CCD传感器和红外光电传感器两种。近年来CCD传感器技术已趋成熟，在近几届“飞思卡尔”杯智能车大赛上，采用CCD传感器的智能车越来越多，并取得了不错的成绩。不过，CCD传感器价格较高，体积较大，数据处理相当复杂，因此在按既定路线行走的寻迹机器人设计中，红外光电传感器以其体积小、价格低、数据处理简单而显得更有优势。
红外光电传感器由1个红外发射管和1个光敏二极管组成。工作时，红外发射管发射的红外光被被测表面反射回来，光敏二极管接收被反射光。由于被测表面的材质不同，反射率也不一样。当被测表面为白色时，反射光较强，光敏二极管将导通；反之，被测表面为黑色时，光敏二极管将截止。考虑到外界环境光照等干扰因素，输出的电压值有一定的波动范围，若直接输给单片机，可能导致检测判断错误。因此，需要将输出电压通过比较器(LM324)与预置的阈值电压比较，然后得出一个高低电平输给单片机。阈值电压通过试验测量得出，其电路如图1所示。其中LED为传感器工作指示灯，R1为阈值电压调节电阻。
根据上述电路，自制了3个简易的红外光电传感器。经测试表明，性能良好，有效检测距离为1～4 cm，满足机器人寻迹的要求。
1．3 驱动模块
驱动机器人行走的2个电机需要不同的转速来实现转弯。选用的驱动芯片为L293D，它包含4个输出通道，最大输出峰值电流为1．2 A，能同时驱动2个直流电机工作；其信号输入端和使能端接收到来自单片机的信号，控制电机的通断以及正、反转，还可以通过向使能端输入不同占空比的方波信号来调整电机转速(PWM方式)。如图2所示，IN端口接控制信号，OUT端口接电机的两端，EN端口接使能信号。一组IN端口输入为高／低或低／高电平时，能实现电机的正／反转。一组IN端口输入均为高或低电平时，电机将停转。EN使能端为高电平时，相应端口输入信号有效；反之，则输入信号无效。在EN 端输入PWM波，通过调整PWM波的占空比，即可实现电机的无级调速。
2 寻迹控制
机器人寻迹控制示意图如图3所示，机器人采用前轮驱动后轮辅助的三轮差动式行走方式。车体前部两轮均为主动轮，由两个电机分别驱动，利用它们的转速差来控制机器人运动方向；后轮为从动万向轮，仅起着支撑车体的作用。车底板前部以车体中心线为轴线对称放置着3个自制的红外光电传感器，作为机器人的寻迹传感器。
机器人寻迹场地中除了黑线，其他区域均为白色。当传感器正下方为黑线时，输出“0”状态，当其为白色区域时，输出“1”状态。因此，理论上3个传感器输出的组合状态会有8种，如表1所列。每一种组合状态都对应着一种机器人下一步的行走动作，共有前进、左转、快速左转、右转、快速右转、原地旋转、停止7种动作。
注：“+”指车轮向前运动，“-”表示车轮向后运动，“1．0”、“0．3”指的是控制相应电机转速的PWM波的占空比，可根据实际需要在程序中修改。
本机器人有着双级转弯的设计，即普通转弯和快速转弯。当机器人对黑线的偏离量比较小时，使用普通转弯，即两个驱动轮都向前运动，速度一大一小，依靠两轮的速度差来实现转弯；而当机器人偏离黑线较远时，使用快速转弯，即两个驱动轮一个向前运动，一个向后运动，这样能迅速实现转弯。普通转弯用于大半径弯道、大角度折道，而快速转弯则用于小半径弯道和直角锐角折道等非平滑过渡路线。对于非封闭路线，还设计了原地旋转的动作，来实现原路返回：一旦机器人小车走完全程，3个传感器将均检测到白色区域，输出组合状态“111”，此时一轮全速前进，一轮全速后退，小车原地旋转，直到掉过头来传感器检测到黑线为止。
3 程序设计
程序设计时，采用汇编语言编程。其思路为：第1步，系统初始化后，读取单片机P2口的值，然后对其 P2．0、P2．1、P2．2按位取与，得到传感器模块的组合值。第2步，将得到的组合值与预定的值比较，若相等则执行相应的动作，否则继续比较，直到获得正确的动作。比较完全部动作后，转到第1步重新扫描传感器的状态值。
为了进一步提高系统的安全性和可靠性，还需增加异常处理算法。可能出现的异常情况有：过小弯道或小角度折道时，机器人还来不及转过弯来，就已经完全偏离黑线。这种情况下，3个传感器都输出“1”，检测不到黑线，若不及时处理，机器人将无法继续寻迹。针对该情况，设计了原地旋转动作来找回预定路线，不过原地旋转有顺、逆时针之分，因此还得区分开来。改进后编程的思路为：每次读取P2口值之前，将其上一次的传感器组合值存入某个寄存器，当出现组合值为 “111”的情况时，立即查询上一次的值，根据该值，可以判断出机器人是从哪一侧偏离黑线的，从而进行顺或逆时针原地旋转。其主要程序如下：
结语
根据上述设计思路，我们制作出寻迹机器人并进行了测试。测试场地如图4所示，黑色导引线宽度为3 cm，黑线周围区域均为白纸覆盖。测试结果表明：该寻迹机器人能在此复杂路线下平稳、顺利地沿着黑线走完全程，并在终点沿原路返回，达到了预期的目标。这为进一步研究复杂环境下的自动行走机器人提供了参考。
本文的创新点为：使用3个自制的红外光电传感器，以简单的设计和较少的硬件实现了复杂路线下机器人的寻迹。而基于该机器人双级转弯的设计思想，可以增加传感器数量、组成传感器阵列来实现多级转弯，从而对机器人的自主寻迹有着更为精确的控制。
参考文献
1. 韩毅,张雪峰.一种低成本寻迹机器人的实现[J].微计算机信息,2008,52:233-235.
2. 朱益斌,胡学龙,朱亚锋,等.自主式寻迹机器人小车的设计[J].国外电子测量技术,2006,25(7):40-42.
3. 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
作者：中国石油大学（华东）唐甫世 齐明侠 张晓春 沈蓉 来源：《单片机与嵌入式系统应用》 2009（8）
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