采用AT89C52單片機(jī)和紅外光電傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人三點(diǎn)三輪尋跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者：唐甫世，齊明俠，張曉春

智能尋跡機(jī)器人是一種被廣泛研究的機(jī)器人，而且國內(nèi)外都有許多重要的比賽都以尋跡機(jī)器人為核心展開，如我國的“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車大賽，以及吸引亞太地區(qū)眾多國家參賽的亞廣聯(lián)(ABU)機(jī)器人大賽等。

所謂的復(fù)雜路線，即由小半徑彎道、各種角度折道、直道等組成的不規(guī)則導(dǎo)引線，它是相對(duì)由大半徑彎道組成、過渡平滑的簡單路線而言的。筆者所設(shè)計(jì)的尋跡機(jī)器人小車，以AT89C52單片機(jī)為控制芯片，采用自制的3個(gè)紅外光電傳感器，以簡單的設(shè)計(jì)、較低的成本實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜路線下機(jī)器人的自主尋跡。

1 硬件及電路

1.1 控制芯片

考慮到實(shí)用性和性價(jià)比，采用AT89C52單片機(jī)作為機(jī)器人的控制芯片。AT89C52是美國 Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 KB的可反復(fù)擦寫的只讀存儲(chǔ)器(PEROM)和256B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，32個(gè)I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工串行通行口。器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容。

1.2 傳感器模塊

作為尋跡機(jī)器人的“眼睛”，選擇合適的傳感器是關(guān)鍵。目前市面上可選用的傳感器主要有CCD傳感器和紅外光電傳感器兩種。近年來CCD傳感器技術(shù)已趨成熟，在近幾屆“飛思卡爾”杯智能車大賽上，采用CCD傳感器的智能車越來越多，并取得了不錯(cuò)的成績。不過，CCD傳感器價(jià)格較高，體積較大，數(shù)據(jù)處理相當(dāng)復(fù)雜，因此在按既定路線行走的尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì)中，紅外光電傳感器以其體積小、價(jià)格低、數(shù)據(jù)處理簡單而顯得更有優(yōu)勢(shì)。

紅外光電傳感器由1個(gè)紅外發(fā)射管和1個(gè)光敏二極管組成。工作時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外光被被測表面反射回來，光敏二極管接收被反射光。由于被測表面的材質(zhì)不同，反射率也不一樣。當(dāng)被測表面為白色時(shí)，反射光較強(qiáng)，光敏二極管將導(dǎo)通;反之，被測表面為黑色時(shí)，光敏二極管將截止。考慮到外界環(huán)境光照等干擾因素，輸出的電壓值有一定的波動(dòng)范圍，若直接輸給單片機(jī)，可能導(dǎo)致檢測判斷錯(cuò)誤。因此，需要將輸出電壓通過比較器(LM324)與預(yù)置的閾值電壓比較，然后得出一個(gè)高低電平輸給單片機(jī)。閾值電壓通過試驗(yàn)測量得出，其電路如圖1所示。其中LED為傳感器工作指示燈，R1為閾值電壓調(diào)節(jié)電阻。

根據(jù)上述電路，自制了3個(gè)簡易的紅外光電傳感器。經(jīng)測試表明，性能良好，有效檢測距離為1～4 cm，滿足機(jī)器人尋跡的要求。

1.3 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走的2個(gè)電機(jī)需要不同的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。選用的驅(qū)動(dòng)芯片為L293D，它包含4個(gè)輸出通道，最大輸出峰值電流為1.2 A，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)工作;其信號(hào)輸入端和使能端接收到來自單片機(jī)的信號(hào)，控制電機(jī)的通斷以及正、反轉(zhuǎn)，還可以通過向使能端輸入不同占空比的方波信號(hào)來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速(PWM方式)。如圖2所示，IN端口接控制信號(hào)，OUT端口接電機(jī)的兩端，EN端口接使能信號(hào)。一組IN端口輸入為高/低或低/高電平時(shí)，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)。一組IN端口輸入均為高或低電平時(shí)，電機(jī)將停轉(zhuǎn)。EN使能端為高電平時(shí)，相應(yīng)端口輸入信號(hào)有效;反之，則輸入信號(hào)無效。在EN 端輸入PWM波，通過調(diào)整PWM波的占空比，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。

2 尋跡控制

機(jī)器人尋跡控制示意圖如圖3所示，機(jī)器人采用前輪驅(qū)動(dòng)后輪輔助的三輪差動(dòng)式行走方式。車體前部兩輪均為主動(dòng)輪，由兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，利用它們的轉(zhuǎn)速差來控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向;后輪為從動(dòng)萬向輪，僅起著支撐車體的作用。車底板前部以車體中心線為軸線對(duì)稱放置著3個(gè)自制的紅外光電傳感器，作為機(jī)器人的尋跡傳感器。

機(jī)器人尋跡場地中除了黑線，其他區(qū)域均為白色。當(dāng)傳感器正下方為黑線時(shí)，輸出“0”狀態(tài)，當(dāng)其為白色區(qū)域時(shí)，輸出“1”狀態(tài)。因此，理論上3個(gè)傳感器輸出的組合狀態(tài)會(huì)有8種，如表1所列。每一種組合狀態(tài)都對(duì)應(yīng)著一種機(jī)器人下一步的行走動(dòng)作，共有前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、快速左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、快速右轉(zhuǎn)、原地旋轉(zhuǎn)、停止7種動(dòng)作。

注：“+”指車輪向前運(yùn)動(dòng)，“-”表示車輪向后運(yùn)動(dòng)，“1.0”、“0.3”指的是控制相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM波的占空比，可根據(jù)實(shí)際需要在程序中修改。

本機(jī)器人有著雙級(jí)轉(zhuǎn)彎的設(shè)計(jì)，即普通轉(zhuǎn)彎和快速轉(zhuǎn)彎。當(dāng)機(jī)器人對(duì)黑線的偏離量比較小時(shí)，使用普通轉(zhuǎn)彎，即兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都向前運(yùn)動(dòng)，速度一大一小，依靠兩輪的速度差來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎;而當(dāng)機(jī)器人偏離黑線較遠(yuǎn)時(shí)，使用快速轉(zhuǎn)彎，即兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪一個(gè)向前運(yùn)動(dòng)，一個(gè)向后運(yùn)動(dòng)，這樣能迅速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。普通轉(zhuǎn)彎用于大半徑彎道、大角度折道，而快速轉(zhuǎn)彎則用于小半徑彎道和直角銳角折道等非平滑過渡路線。對(duì)于非封閉路線，還設(shè)計(jì)了原地旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作，來實(shí)現(xiàn)原路返回：一旦機(jī)器人小車走完全程，3個(gè)傳感器將均檢測到白色區(qū)域，輸出組合狀態(tài)“111”，此時(shí)一輪全速前進(jìn)，一輪全速后退，小車原地旋轉(zhuǎn)，直到掉過頭來傳感器檢測到黑線為止。

3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)時(shí)，采用匯編語言編程。其思路為：第1步，系統(tǒng)初始化后，讀取單片機(jī)P2口的值，然后對(duì)其 P2.0、P2.1、P2.2按位取與，得到傳感器模塊的組合值。第2步，將得到的組合值與預(yù)定的值比較，若相等則執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，否則繼續(xù)比較，直到獲得正確的動(dòng)作。比較完全部動(dòng)作后，轉(zhuǎn)到第1步重新掃描傳感器的狀態(tài)值。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，還需增加異常處理算法?？赡艹霈F(xiàn)的異常情況有：過小彎道或小角度折道時(shí)，機(jī)器人還來不及轉(zhuǎn)過彎來，就已經(jīng)完全偏離黑線。這種情況下，3個(gè)傳感器都輸出“1”，檢測不到黑線，若不及時(shí)處理，機(jī)器人將無法繼續(xù)尋跡。針對(duì)該情況，設(shè)計(jì)了原地旋轉(zhuǎn)動(dòng)作來找回預(yù)定路線，不過原地旋轉(zhuǎn)有順、逆時(shí)針之分，因此還得區(qū)分開來。改進(jìn)后編程的思路為：每次讀取P2口值之前，將其上一次的傳感器組合值存入某個(gè)寄存器，當(dāng)出現(xiàn)組合值為 “111”的情況時(shí)，立即查詢上一次的值，根據(jù)該值，可以判斷出機(jī)器人是從哪一側(cè)偏離黑線的，從而進(jìn)行順或逆時(shí)針原地旋轉(zhuǎn)。其主要程序如下：

結(jié)語

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，我們制作出尋跡機(jī)器人并進(jìn)行了測試。測試場地如圖4所示，黑色導(dǎo)引線寬度為3 cm，黑線周圍區(qū)域均為白紙覆蓋。測試結(jié)果表明：該尋跡機(jī)器人能在此復(fù)雜路線下平穩(wěn)、順利地沿著黑線走完全程，并在終點(diǎn)沿原路返回，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。這為進(jìn)一步研究復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)行走機(jī)器人提供了參考。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)為：使用3個(gè)自制的紅外光電傳感器，以簡單的設(shè)計(jì)和較少的硬件實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜路線下機(jī)器人的尋跡。而基于該機(jī)器人雙級(jí)轉(zhuǎn)彎的設(shè)計(jì)思想，可以增加傳感器數(shù)量、組成傳感器陣列來實(shí)現(xiàn)多級(jí)轉(zhuǎn)彎，從而對(duì)機(jī)器人的自主尋跡有著更為精確的控制。

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