馬家慶，于兆勤，劉建群，黃惠敬，陳煒楠

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

自動循跡機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬家慶，于兆勤，劉建群，黃惠敬，陳煒楠

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

循跡機(jī)器人是智能機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)非常重要且被廣泛研究的一種智能移動裝置，國內(nèi)許多重要的比賽都以循跡機(jī)器人為核心進(jìn)行開展的。本文設(shè)計(jì)的智能循跡避障機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由四個模塊組成：最小系統(tǒng)模塊、循跡模塊、避障模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊。該機(jī)器人能在規(guī)定的場地上按指定路線行走，實(shí)現(xiàn)各種直走、轉(zhuǎn)彎、調(diào)頭、加速、減速、爬坡、探測障礙的能力。

機(jī)器人；循跡；單片機(jī)；傳感器

一、緒言

大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是高等教育創(chuàng)新教育、素質(zhì)教育的本質(zhì)要求，是建設(shè)創(chuàng)新型國家、構(gòu)建國家創(chuàng)新體系的重要組成部分，是校園文化的更高層次，是促進(jìn)科研體制改革和產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的有效途徑，必將直接推動生產(chǎn)力發(fā)展，產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)和社會效益。[1]

機(jī)器人競賽作為一種高科技創(chuàng)新活動為大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了廣闊的舞臺。智能機(jī)器人作為一種人的思維與機(jī)器融為一體的自動化設(shè)備正在為改善人們的生產(chǎn)、生活環(huán)境，促進(jìn)人類社會文明的發(fā)展發(fā)揮著越來越重要的作用[2]。人們已經(jīng)研制了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器人[3]，如水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等?？梢?，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從制造業(yè)向非制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)展，循跡機(jī)器人的研究也成為機(jī)器人研究領(lǐng)域不可或缺的一部分。循跡機(jī)器人是一種能夠自動按照給定的路線進(jìn)行移動的機(jī)器人，它是一個運(yùn)用傳感器、信號處理、電機(jī)驅(qū)動及自動控制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)路面探測、障礙檢測、信息反饋和自動行駛的技術(shù)綜合體，對提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合工程應(yīng)用能力將起到積極的作用。

本文針對“中國機(jī)器人大賽中的機(jī)器人游中國項(xiàng)目”比賽，設(shè)計(jì)制作了智能循跡避障機(jī)器人。該比賽場地采用與地面顏色有較大差別的線條作為引導(dǎo)線，場地上有橋、減速坡等各種障礙，并根據(jù)機(jī)器人到達(dá)景點(diǎn)的多少及其難度計(jì)算比賽成績。為了能夠在競賽中取得好成績，就必須能夠?qū)悎錾系囊龑?dǎo)線和各種障礙進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，以便準(zhǔn)確控制機(jī)器人行進(jìn)。本文開發(fā)的機(jī)器人采用灰度傳感器自動檢測引導(dǎo)線，并沿引導(dǎo)線移動，采用紅外傳感器判斷障礙物實(shí)現(xiàn)循跡避障的功能。

二、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件部分主要由5個模塊組成：控制模塊、循跡模塊、避障模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊。機(jī)器人控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的框圖

1.控制系統(tǒng)模塊。在機(jī)器人游中國的比賽中，要時時準(zhǔn)確的檢測引導(dǎo)線和障礙，保證機(jī)器人準(zhǔn)確快速到達(dá)各個景點(diǎn)，為此本機(jī)器人采用ATmega128控制芯片。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，運(yùn)算速度快，具有多路PWM輸出，可將測速、避障等電路產(chǎn)生的輸入信號進(jìn)行處理，并輸出控制信號給驅(qū)動放大電路，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，此方式產(chǎn)生的PWM信號比用定時器中斷產(chǎn)生的PWM信號實(shí)時性更好，而且不會占用系統(tǒng)的定時器資源。

基于ATmega128開發(fā)的機(jī)器人控制系統(tǒng)具有速度調(diào)節(jié)性能好、穩(wěn)定性高、功能易拓展、成本低、體積小等特點(diǎn)。

2.循跡模塊。循跡是指小車在比賽場地上循白色引導(dǎo)線線行走，循跡模塊的原理圖如圖2所示。循跡模塊采用灰度傳感器，發(fā)射管為普通LED燈，接收管為光敏三極管3DU33。工作原理為：不同顏色的物體對LED發(fā)射光反射不同的亮度，光敏三極管3DU33接收這些不同亮度的光線，就會呈現(xiàn)不同的電壓Vx。Vx輸入到比較器LM339的同相端，并與電位器設(shè)定的電壓V0相比較，當(dāng)Vx＞V0時，比較器輸出高電平，當(dāng)Vx＜V0時，比較器輸出低電平，從而分辨不同的兩種顏色，達(dá)到循跡的目的。

循跡機(jī)器人前后兩端均是由7個灰度傳感器組成的循跡模塊。7個灰度傳感器的布置圖如圖3所示。其中，中間三個灰度傳感器起巡線的作用，兩端的灰度傳感器起探測彎道作用，剩下兩個灰度傳感器交替進(jìn)行巡線和探測彎道。實(shí)驗(yàn)證明，這樣的灰度傳感器的布置圖，機(jī)器人循跡的效果好，且“性價比”非常高。

圖2 循跡模塊的原理圖

圖3 7個灰度傳感器的布置圖

3.避障模塊。避障模塊主要使用的是紅外發(fā)射接收傳感器，當(dāng)紅外感應(yīng)避障模塊靠近物體時，輸出低電平信號；當(dāng)沒有感應(yīng)到物體時，輸出高電平信號。將該信號線接入到單片機(jī)的控制端口，控制程序就能起到探測障礙物的作用，當(dāng)在機(jī)器人行進(jìn)的路徑上就可以發(fā)現(xiàn)有障礙物并及時避開繞行。

4.驅(qū)動模塊。循跡避障機(jī)器人要求行走靈活、反應(yīng)快速，因此要求驅(qū)動電機(jī)具有“轉(zhuǎn)速快、制動及時”等特點(diǎn)。我們設(shè)計(jì)制作的循跡避障機(jī)器人采用中鳴公司的JMP-BE-3508I驅(qū)動板模塊，其輸入電壓為11V到24V，最大輸出電流為20A，滿足快速前進(jìn)、制動、轉(zhuǎn)彎的要求。并且電機(jī)速度達(dá)到500rpm，堵轉(zhuǎn)力矩為8KG.CM，具有很強(qiáng)的剎車功能。利用單片機(jī)的四路PWM輸出信號，分別控制四個輪子的轉(zhuǎn)速。并采用“四輪驅(qū)動”、“差速轉(zhuǎn)彎”的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退與轉(zhuǎn)彎。

5.電源模塊。循跡機(jī)器人的電源模塊主要實(shí)現(xiàn)以下三大功能：（1）穩(wěn)定輸出5V工作電壓。故我們設(shè)計(jì)制作的電源模塊以7805芯片為核心，把輸入電壓截止到5V。（2）提供足夠的電流。7805芯片最大輸出電流為1.5A，而循跡機(jī)器人需要較大電流，所以我們使用了兩片7805芯片分別對控制系統(tǒng)和外部設(shè)備進(jìn)行供電。（3）濾波。在7805芯片的輸入、輸出端分別并聯(lián)104貼片電容和10μF的電解電容，過濾高頻、低頻信號。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在智能循跡避障機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化編程的方法。這種方法就是：針對機(jī)器人行駛過程中出現(xiàn)的情況和問題，分別編寫出相對應(yīng)的模塊化程序。如機(jī)器人要走直線就編寫一個走直線的模塊程序。

機(jī)器人行走的軟件主流程框圖如圖4所示。

圖4 機(jī)器人行走的軟件主流程框圖

四、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)制作的智能循跡避障機(jī)器人，可在任意給定的與地面有明顯顏色差異的引導(dǎo)線上平穩(wěn)地行駛，循跡效果良好。并且機(jī)器人安裝的避障模塊能有效識別障礙，快速做出反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，該智能循跡避障機(jī)器人性能良好，在“中國機(jī)器人大賽機(jī)器人游中國項(xiàng)目”比賽中取得了較好的成績。通過機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作，提高了我們創(chuàng)新能力和實(shí)際動手能力。

[1]韓毅，張雪峰.一種低成本尋跡機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（5-2）：233-235.

[2]吳年祥，任啟宏，許錦蘋.基于AVR單片機(jī)智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，17（2）：39-42.

[3]李本印，馬軍忠.基于SCM簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].隴東學(xué)院學(xué)報，2010，21（5）：43-46.

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