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摘要 : 本设计基于单片机及多种传感器 , 完成了一个自主式移动机器人的制作。单片机作为系统检测和控制的核心 , 实现对机器人小车的智能控制。反射式红外光电传感器检测引导线, 使机器人沿轨道自主行走 ; 使用霍尔集成片 , 通过计车轮转过的圈数完成机器人行走路程测量; 接近开关可探测到轨 道 下 埋 藏 的 金 属 片 , 发 出 声 光 信 息 进 行 指 示 , 并 能 实 时 显 示 金 属 片距起点的位置。

关键词 : 单片机 ; 机器人 ; 传感器

1 前言

机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识, 涉及到当今许多前沿领域的技术。一些发达国家已把机器人制作比赛作为创新教育的战略性手段。如日本每年都要举行诸如 “NHK 杯大学生机器人大赛”、“全日本机器人相扑大会”、“机器人足球赛”等各种类型的机器人制作比赛, 参加者多为学生 , 旨在通过大赛全面培养学生的动手能力、创造能力、合作能力和进取精神, 同时也普及智能机器人的知识.

开展机器人的制作活动 , 是培养大学生的创新精神和实践能力的最佳实践活动之一, 特别是机电专业学生开展综合知识训练的最佳平台。本文针对具有引导线环境下的路径跟踪这一热点问题, 基于单片机控制及传感器原理 , 通过硬件电路制作和软件编程, 制作了一个机器人 , 实现了机器人的路径跟踪和自动纠偏的功能, 并能探测金属 , 实时显示距离。

2 机器人要完成的功能

选取一块光滑地板或木板 , 上面铺设白纸 , 白纸上画任意黑色线条( 线条不要交叉 ) , 作为机器人行走的轨迹 , 引导机器人自主行走。纸下沿黑线轨迹随机埋藏几片薄铁片, 铁片厚度为0.5～ 1.0mm 。机器人沿轨迹行走一周 , 探测出埋藏在纸下铁片 ,发出声光报警, 并显示铁片距离起点的位置。

3 硬件设计方案

机器人总体构成

如图 1 所示 , 以微处理器为核心 , 接受传感器传来外部信息, 进行处理 , 控制机器人的运行。

系统电源供电部分

由于机器人电机 , 传感器及系统 CPU 等部分均采用 +5V 供电, 考虑电动车功率和车载质量及摩擦阻力问题 , 电源我们采用电动车自带干电池组, 功耗小、体积小和质量轻 , 安装较为方便。

电机驱动及 PWM 调速部分

机器人需控制在一个合适的速度行驶 , 速度太快 , 因单片机对各传感器传来的信号有一个响应、处理时间, 小车极易偏离轨道。小车的速度是由后轮直流电机转速控制, 改变直流电机转速通常采用调压、调磁等方式来实现。其中, 调压方式原理简单, 易与实现。

采用由晶体管组成的 H 型 PWM 调制电路。通过图 2 所 PWM 调制电路 , 用单片机控制晶体管使之工作在占空比可状态, 实现调速。

令单片机 P1.7 口为低电平 , P1.6 口为高电平 , 此时 Q1 、 Q4导通, Q2 、 Q3 截止 , 电动机正常工作。改变 P1.6 口高电平周期 ,即改变 PWM 调制脉冲占空比 , 可以实现精确调速。脉冲频率对电机转速有影响, 脉冲频率高连续性好 , 但带负载能力差 ; 脉冲频率低则反之。经实验发现, 脉冲频率在 30Hz 以上 , 电机转动平稳, 但小车行驶时 , 由于摩擦力使电机转速降低很快 , 甚至停转; 脉冲频率在 10Hz 以下 , 电机转动有跳跃现象 , 实验证明脉冲频率在 25 ～ 35Hz 效果最佳。我们选取脉冲频率为 30Hz 。

引导线检测模块

根据白纸和黑线反射系数不同 , 通过以光电传感器为核心的光电检测电路将路面两种颜色进行区分, 转化为不同电平信号, 将此电平信号送单片机 , 由单片机控制转向电机作相应的转向, 保证小车沿引导线行驶。考虑到小车与路面的相对位置 ,采用反射式光电检测电路。

红外光电传感器 TCRT1000 , 它是一种光电子扫描 , 光电二极管发射, 三极管接收并输出的装置 . 它的特点是尺寸小、使用方便、信号高输出、工作状态受温度影响小。它的外围电路简单, ( 如图 3 所示 ) 。二极管的 C 端和三极管的 E 端接地 , 二极管的 A 端通过一电阻和电源相接 , 组成偏置电流电路 ; 三极管的C 端也通过一电阻和电源相接 , 组成输出电路。当检测器检测到白色时, 其输出低电平 ; 当检测到黑色时 , 则输出高电平。为提高检测精度, 采用了多传感器信息融合技术。设计中 ,在车头均匀布置三个光电传感器, 其中 , 中间一个 (Q1) 安装在小车正中央。Q1 的输出经一级比较器和非门 , 接单片机的 P1.3脚.Q1 左右两端分别布置一个传感器 , 经与图 3 相同的电路后也连接到单片机 P1 口。若两侧某一传感器检测到黑线 , 表明小车正脱离轨道, 将 3 个检测点的结果融合后作为单片机的输入, 机器人按照单片机 P1 口信息进行判断调整 , 实现路径跟踪和自动纠偏。

金属探测部分

如图 4 所示 , 金属探测器使用一接近开关 , 探测有效距离约为 4mm , 将它固定在机器人上 , 当探测到金属片时 , 探测器输出端输出低电平, 经反向器后接一发光二极管和一蜂鸣器 , 发出声光指示信号。同时输出反向后接单片机, 对探测到的金属片个数进行计数。

霍尔元件测距设计

霍尔集成片内部由三片霍尔金属板组成 , 当磁铁正对金属板时, 根据霍尔效应 , 金属板发生横向导通 , 因此可以在车轮上安装磁片, 而将霍尔集成片安装在固定轴上 , 通过对脉冲计数进行距离测量。小车后轮每转一圈, 霍尔元件产生的脉冲送入单片机的 T0 口进行计数 , 单片机完成脉冲数到距离的转换。在后轮安装一个磁极, 测量误差是一个车轮的周长 , 可在软件中给予补偿。

LCD 显示

液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点, 在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。? 这里采用 2 行 16 个字的 DM- 162 液晶模块 , 通过与单片机连接, 编程 , 完成显示功能。

4 系统软件流程

系统软件流程如图 5 所示。

5 结论

本文基于单片机及传感器原理 , 以单片机为控制器的核心, 小型直流电机作为驱动元件 , 配置不同类型的传感器 , 通过软件编程 , 制作出了一个价格低廉、模块化结构的小型机器人。大量的行走实验证明, 该机器人能够顺利路径跟踪和自动纠偏自主行走, 并完成探测、显示等功能。

本文作者创新点 : 本文针对具有引导线环境下的路径跟踪这一热点问题, 采用多传感器信息融合技术 , 通过单片机控制 ,实现了机器人的路径跟踪和自动纠偏的功能, 方法简单 , 易于实现, 造价低廉 , 效果较好。