浅议机器人寻迹机器人系统设计

论文导读：光电传感器检测地板上白线的位置，并通过单片机中一定的算法来实现定位和确定下一步的动作。为了实现转向和直线行走，机器人由两轮驱动。机器人的行走过程要求尽量平稳，由于有两个主动轮，在走直线时就要求两个轮子能以同样的速度运行，所以对电机的调速必须十分精确。在行进的过程中，如果机器人偏离了预定的路线，则无法
摘要：机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，具备行走功能是机器人最基本的特征之一。本文设计的寻迹机器人采用红外光电传感器检测机器人的运动状态，通过改变传感器的类型，如超声波传感器，机器人就可以判断周围障碍物的距离，从而改变运动方向。
关键词：寻迹机器人 AT90S8535单片机 光电传感器
1007-9416（2013）01-0154-02
1 系统设计要求及设计思路
寻迹机器人的具体功能要求为：按照一定的路线到达指定位置，完成一定的动作后再走到下一目标位置。在行进的过程中地板上有纵横交错的白线作引导，并通过白线来判断是否到达指定位。如图1所示，机器人从A点出发，到达B点和C点并将各点处的物品取走，并运送到D点。机器人运动的具体路径可以任意改变。
根据其功能要求可将其设计实现过程分为以下几部分：

1.1 运动阶段

机器人由一定的驱动电路驱动电机从出发区按照指定的路径走到指定的位置。在这段过程中，机器人在任意时刻都要知道自己处在什么位置并决定下一步该如何动作，即机器人必须对自身进行准确的定位。场地上纵横交错的白线就是用于辅助机器人定位的。机器人通过光电传感器检测地板上白线的位置，并通过单片机中一定的算法来实现定位和确定下一步的动作。
为了实现转向和直线行走，机器人由两轮驱动。机器人的行走过程要求尽量平稳，由于有两个主动轮，在走直线时就要求两个轮子能以同样的速度运行，所以对电机的调速必须十分精确。
在行进的过程中，如果机器人偏离了预定的路线，则无法到达指定位置。这就需要随时检测其是否走偏，并将信息反馈给单片机，由单片机发出指令来控制电机校正偏离误差，保证机器人按照预定方案准确地行走。
机器人要到达指定的位置，不可能一直走直线。在到达一定位置时，机器人需要转向一定角度后继续前进。如果检测到转向信号，单片机就向电机发出转向指令，并不断检测的否转到可以直线运动位置。

1.2 动作阶段

当机器人到达指定位置后，就要完成事先确定的动作，如拾取物品等。这就要根据机器人需要完成的具体任务，由单片机向具体的执行机构发出指令，使其合作完成预定运输作。
2 应用系统结构设计
机器人的行走机构为车轮方式：左右轮为驱动轮，前后轮为支撑轮，由此构成四轮结构。左右轮除负责前进后退外，当两轮的转速不同时，还可以实现曲线行走和原地旋转。
机器人的系统结构如图2所示。由传感器阵列检测机器人的位置状态，通过CPU判断控制左右两台电机工作，使机器人按照预定方案沿着场地上的轨迹移动。
3 硬件设计
寻迹机器人的硬件电路主要分为四个部分：主机控制器电路、电源变化电路、光电检测电路和电机驱动电路。寻迹机器人的硬件电路设计如图3所示。

3.1 主机控制电路

寻迹机器人采用Atmel公司的AT90S8535单片机作为主机控制器。它负责对光电传感器电路检测到的信号进行处理，并通过一定的软件算法控制直流电机的运动方式，以实现对寻迹机器人的精确定位和动作控制。
主机控制电路主要提供AT90S8535单片机的复位处理及同其他电路的接口。AT90S8535单片机通过PB0、PC6和PA口来检测光电传感器的信号，并通过PB

2、PB3、PD4和PD5来控制两个直流驱动电机的运动方式。

3.2 电源变换电路

寻迹机器人的供电系统分为两部分。单片机需要+5V的电源，而直流电机需要+12V的电压驱动。机器人系统采用+12V的锂电池组供电，通过7805稳压芯片来获得+5V电源。图中设置了一个发光二极管用于左电源状态指示。

3.3 光电检测电路

采用红外光电检测管为单光束反射取样式光电传感器ST188，它由红外发射器和感光器组成。ST188正常工作时，红外线发光二极管发出红外线。如果检测面表面光洁度平整，发出的红外线经检测面反射后在光敏三极管产生光电效应。产生的电流经过放大后输出信号。
比较器LM311的同相输入端在没有检测到反射信号（不在白线区）时固定为高电平，而反相输入端的电压由电阻分压提供（一般在1.5V左右，由可变电阻器改变电压值）。LM311比较同相端和反相端的输入电压。当在白线区时，反射的红外线导致光敏三极管导通，同相端输入低电平，比较的结果为输出端为低电平，发光二极管论文导读：
亮；当不在白线区时，光敏三极管截止，同相端输入高电平，比较的结果为输出端为高电平，发光二极管灭。

3.4 电机控制电路

寻迹机器人采用2轮驱动以实现直线和曲线运动，在机器人的运动过程中需要对2个主动轮的运动方式进行合理安排。选用了L298N来对2只驱动电机实现运动控制，L298N是一款能承受高压大电流的全桥直流/步进电压驱动器。
4 软件设计
寻线机器人系统控制程序由主程序、寻线处理程序、电机PID控制程序等组成。
由于机器人要按照一定的路径到达指定的位置，可将其运动分为若干个步骤，将每个步骤对应于任务数据组中的数据，当要修改路径时只需改变数组的数据。将机器人的基本动作如直走、后退、转弯、加速、减速等做成函数，在行进中根据任务数据调用函数即可。
为了使用机器人能平稳、准确地到达指定位置，需进行电机调速以及寻线。在整个软件系统中，以执行任务数组为主程序，电机调速以及寻线以中断方式进行。每隔一定的采样时间对传感器进行采样处理。主程序如图4所示。
5 系统集成与测试
寻迹机器人系统测试包括主机系统测试、电机和驱动器测试及光电传感检测电路的测试等。
光电传感器的测试可以在桌面垫一张打印纸（打印纸表面光洁度高，利于红外线的反射）。调节可变电阻器的旋钮，使电压比较器的同相输入端的电压保持1V左右。为了保证红外线的发射功率，给红外管直接加+5V电压而不要串联电阻。将红外管与打印纸正对，调节红外管与纸面的距离，可以观测到电压比较器输出端的LED随着距离的调节亮和灭，在此过程中用万用表测量输出端的电压。输出端电压最低点即为光电检测的最佳工作点，此时监测器与纸面的距离一般在1cm～2cm之间。
寻迹机器人的状态是通过光电传感器阵列检测的。在测试好光电传感器之后，根据实际的白线分布排列光电传感器的位置。1～6号传感器必须严格按照实际的白线宽度排列，其它4个传感器可以通过机器人实际的运动情况进行调整。
机器人技术是一门综合了传感与检测、运动控制、图形图像处理等多技术的新型学科，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。随着电子技术的飞速发展，智能机器人在越来越多的领域发挥着人类无法代替的作用。
参考文献
郑锋，王巧芝摘自：本科毕业论文致谢词www.7ctime.com
，程丽平，张清鹏.51单片机典型应用工发范例大全.中国铁道出版社，2011.
杨欣，王玉凤，刘湘黔，张延强.51单片机应用实例详解.清华大学出版社，2010.