助手機(jī)器人的識別功能

1、走迷宮機(jī)器人主要是基于自動導(dǎo)引小車（AGVauto-guided vehicle）的原理，實現(xiàn)小車識別路線，判斷并自動規(guī)避障礙，選擇正確的行進(jìn)路線。導(dǎo)引方式采用與地面顏色有較大差別的導(dǎo)引線，使用反射式光電傳感器感知導(dǎo)引線，障礙判斷采用機(jī)械式傳感器。驅(qū)動電機(jī)采用直流電機(jī)，電機(jī)控制方式為單向PWM開環(huán)控制。控制核心采用51單片機(jī)，控制系統(tǒng)與電路用光耦完全隔離以避免干擾?？刂粕喜捎梅謺r復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機(jī)就實現(xiàn)了信號采集，路線判斷，電機(jī)控制。該技術(shù)可以應(yīng)用于無人工廠，倉庫，服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。 總體規(guī)劃對于走迷宮小車控制系統(tǒng)設(shè)計主要有三個方面：一、控制電路設(shè)計；二、傳感器選擇以及安放位置設(shè)計；三、

2、程序設(shè)計。從總的方面來考慮，傳感器的使用數(shù)量應(yīng)該盡量少以減少單片機(jī)的信號處理量，但是又必須能使小車行駛自如。控制電路要根據(jù)選用的電機(jī)和傳感器來設(shè)計，主要考慮穩(wěn)定性，抗干擾性。一、 電路設(shè)計控制電路主要有電機(jī)驅(qū)動電路，單片機(jī)接口電路，電源電路三個部分?？紤]到電機(jī)的起動電流和制動時比較大，會造成電源電壓不穩(wěn)定容易對單片機(jī)和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機(jī)驅(qū)動電路和單片機(jī)以及傳感器電路用光耦隔離。傳感器的電源直接使用24V蓄電池，單片機(jī)的電源則通過7805將24V電源轉(zhuǎn)換到5V。這里主要對驅(qū)動電路進(jìn)行一下介紹：小車使用24V直流電機(jī)， 對于這種小功率直流電機(jī)的調(diào)速方法一般有兩種。（1）線性型使用功率

3、三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運行時，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。（2）脈寬調(diào)制另外一種是較常用的脈寬調(diào)速（PULSE WIDE MODULATIONPWM），這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)的等優(yōu)點。因此決定采用PWM方式控制直流電機(jī)。PWM調(diào)速分為雙向式和單向式兩種 雙向式圖一即為較常用的PWM調(diào)速電路，在一個脈沖周期內(nèi)(T=TaTb)，T1和T3導(dǎo)通的時間為Ta，T2和T4導(dǎo)通的時間為Tb，這樣在

4、Ta這段時間內(nèi)，電機(jī)通過的是正向電流，在Tb這段時間內(nèi)為反相電流。當(dāng)Ta=Tb時電機(jī)停轉(zhuǎn)，TaTb時電機(jī)正轉(zhuǎn)， Ta 圖一 單向式單向向式的電路更更雙向式相同同。不同的是是，在電機(jī)正正轉(zhuǎn)時，Tbb這段時間內(nèi)內(nèi)不通過反向向電流，電機(jī)機(jī)反轉(zhuǎn)時，TTa內(nèi)不通過過正向電流。其其調(diào)速原理基基本與雙向式式相同。單向向式與雙向式式相比，三極極管的開關(guān)頻頻率少一半，比比較不容易發(fā)發(fā)生上下三極極管導(dǎo)通而造造成電源短路路的情況,故故可靠性有所所提高，但控控制性能比雙雙向式稍差。外外特性、低速速性能也不如如雙向式好。圖二 圖三如上左圖所示為為雙向式調(diào)速速方式下速度度與占空比關(guān)關(guān)系曲線，右右圖為單向式式調(diào)速方式曲曲線

5、。綜合以以上兩種方式式的優(yōu)缺點，并并考慮到走迷迷宮機(jī)器人對對調(diào)速精度不不太高，以及及省電，器件件損耗等各方方面因素，決決定采用單向向式PWM?？伎紤]到編程時時可能會產(chǎn)生生使T1、TT2、T3、TT4都導(dǎo)通的的情況，以至至電源短路，燒燒毀器件。為為避免出現(xiàn)這這種情況，設(shè)設(shè)計了圖四所所示的電路。此電路只用一個三極管控制電路的通斷，用四個繼電器控制電流的流向，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。這樣無論如何，都不會出現(xiàn)因編程原因而造成電源短路的情況。由于采用單片機(jī)控制電機(jī)，如果單片機(jī)的電源采用與電機(jī)同一電源，雖然經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波，但是單片機(jī)仍然容易受到電機(jī)以及繼電器的干擾，為了避免干擾，采用光電隔離，單片機(jī)和電機(jī)采用

6、兩套電源。如圖二紅色方框所示，4N26光耦一般需要2mA以上的驅(qū)動電流，由于單片機(jī)的輸出電流只有幾百微安，故需要先接74LS245或者接一個三極管增加驅(qū)動能力（74LS245的高電平驅(qū)動能力為15mA）。光耦的輸出再接給達(dá)林頓管，考慮到電機(jī)的短路電流有2A，故選用TIP132型號的達(dá)林頓管（允許通過的最大瞬時電流為8A）。另外在達(dá)林頓管的C極和電源的正極之間接一個耐流為2A的二極管（藍(lán)色方框中），這樣在關(guān)斷電源后，使繼電器反相，可以讓電機(jī)放電，這樣小車不至于因為慣性而滑行太遠(yuǎn)（實驗證明，如果不加二極管，同樣的初速度，小車要在斷電后繼續(xù)前進(jìn)2030cm，如加了二級管則只要繼續(xù)前進(jìn)10cm左右）。

7、考慮到走迷宮機(jī)器人對電機(jī)轉(zhuǎn)速，距離控制的要求不高，為了簡化程序和外接電路，所以沒有考慮采用閉環(huán)PWM控制，用開環(huán)PWM控制就可以實現(xiàn)小車的功能。圖四 二、 傳感器：1、傳感器器的選擇：小小車要實現(xiàn)自自動導(dǎo)引功能能和避障功能能就必須要感感知導(dǎo)引線和和障礙物，感感知導(dǎo)引線相相當(dāng)與給小車車一個視覺功功能。實現(xiàn)機(jī)機(jī)器人的視覺覺功能有多種種方式，有使使用CCD攝攝像頭進(jìn)行圖圖象采集和識識別方法，但但是此方法，在在資金上耗費費較多，而且且還牽涉到圖圖象采集，圖圖象識別等領(lǐng)領(lǐng)域，為了簡簡單起見，使使用多個反射射式光電傳感感器。反射式式光電傳感器器的光源有多多種，有來自自于紅外發(fā)光光二極管，普普通發(fā)光二極極管

8、，以及激激光二極管，前前兩種光源容容易受到外界界光源的干擾擾，而激光二二極管發(fā)出的的光的頻率較較集中，傳感感器只接收很很小個頻率范范圍內(nèi)的信號號，不容易被被干擾。對于于障礙物的檢檢測方面，可可以使用超聲聲波傳感器，效效果也較好，但但相比之下，用用機(jī)械式的傳傳感器（微動動開關(guān)）價格格便宜，使用用方便，無需需提供電源。圖五2、傳感器安放放位置（1）機(jī)機(jī)械傳感器：放置在小車車的最前端，當(dāng)當(dāng)小車碰到障障礙物后者墻墻壁時，機(jī)械械傳感器就能能給單片機(jī)一一個中斷信號號，通知單片片機(jī)遇到障礙礙，需要改變變方向。（22）光電傳感感器擺放位置置：（如圖六六）中間四個個傳感器用來來檢測小車是是否走偏，前前面兩個用來

9、來判斷小車是是否到達(dá)路口口，后面兩個個用于轉(zhuǎn)彎時時，小車的位位置調(diào)整。圖六下表列舉了幾種種主要傳感器器輸入情況：三、程序設(shè)計主主程序主要起起到一個導(dǎo)向向和決策功能能，決定什么么時候小車該該做什么。小小車各種功能能的實現(xiàn)主要要通過調(diào)用具具體的子程序序。子程序有有以下幾個：（1） 檢檢測光電傳感感器子程序：根據(jù)需要直直接從端口讀讀取即可，不不過為了防止止出現(xiàn)干擾和和錯誤信號，采采用延時讀取取的方法，即即在第一次讀讀取后延時一一段時間再讀讀取，如果第第二次讀取的的信號和第一一次的不一樣樣，則說明可可能存在干擾擾信號，就重重新讀取并比比較，直到兩兩次讀取的信信號一致為止止。（2） 行走路線子子程序：用

10、于于設(shè)定行走路路線。（3） PWM子程程序：用于控控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速速。89C551芯片沒有有PWM輸出出功能，需要要通過編程實實現(xiàn)。為了在在輸出PWMM波時，單片片機(jī)仍能執(zhí)行行其他程序，可可以利用單片片機(jī)內(nèi)部的定定時器溢出中中斷來實現(xiàn)。占占空比占用一一個字節(jié)的RRAM，占空空比D=N/256。（44） 判斷路路口子程序：對傳感器的的輸入值進(jìn)行行判斷，以判判斷是否到達(dá)達(dá)路口。（55） 延時子子程序：定時時功能。（66） 轉(zhuǎn)彎子子程序：當(dāng)小小車到達(dá)岔口口并需要轉(zhuǎn)彎彎時調(diào)用此程程序。主要讓讓小車在到達(dá)達(dá)需要轉(zhuǎn)向的的路口時減速速，調(diào)整位置置，轉(zhuǎn)向，然然后繼續(xù)前進(jìn)進(jìn)。（7） 走直線子程程序：小車在在直導(dǎo)引線

11、行行駛時的調(diào)整整程序。根據(jù)據(jù)中間的四個個光電傳感器器的反饋值來來判斷小車偏偏離導(dǎo)引線的的距離，并根根據(jù)偏離距離離的不同，對對電機(jī)進(jìn)行調(diào)調(diào)速，使左右右電機(jī)有差速速，以實現(xiàn)對對小車的偏離離進(jìn)行調(diào)整（脈脈寬調(diào)速是使使用單片機(jī)內(nèi)內(nèi)部中斷產(chǎn)生生周期約為88ms的方波波，通過改變變高電平的寬寬度來進(jìn)行改改變電機(jī)的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速）。如圖圖六所示，下下半張是小車車偏離導(dǎo)引線線的情況，此此時左輪減速速，直到小車車 圖六 的的2、3號傳傳感器再次檢檢測到導(dǎo)引線線，即上半張張圖的情況，雖雖然此時小車車回歸導(dǎo)引線線，但是小車車的行進(jìn)方向向與導(dǎo)引線并并不平行，小小車仍會再次次偏離，這樣樣下去小車的的行駛路線就就變成了S型型曲線

12、，而且且弧度會越來來越大最終脫脫離導(dǎo)引線，因因此如果小車車出現(xiàn)偏離，就就做下標(biāo)記，當(dāng)當(dāng)小車行駛回回導(dǎo)引線時（中中間四個光電電的值為01110），調(diào)調(diào)用一個調(diào)整整子程序，根根據(jù)前次小車車偏離的程序序，進(jìn)行不同同程度的調(diào)整整。也就是在在小車回歸導(dǎo)導(dǎo)引線的時候候讓（如圖中中的情況）右右電機(jī)停轉(zhuǎn)一一端時間，使使小車的行駛駛方向糾正回回來，與導(dǎo)引引線平行。 以下是主程序的的流程圖：四、走迷宮策略略：如果迷宮宮不太復(fù)雜，且且主要為縱橫橫方向的直線線，可采用讓讓小車在路口口始終左轉(zhuǎn)或或者始終右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的方法走迷迷宮，也就是是讓小車沿迷迷宮的邊沿走走，只要在出出口處放置一一個標(biāo)記，讓讓小車用光電電傳感器識別別即可。另外外也可以讓小小車在每個路路口處