機器人制作第一篇

[一]小車的整體控制系統(tǒng)理論：控制系統(tǒng)閉環(huán)控制：閉環(huán)控制有反饋環(huán)節(jié)，通過反饋系統(tǒng)是系統(tǒng)的精確度提高,響應(yīng)時間縮短,適合于對系統(tǒng)的響應(yīng)時間,穩(wěn)定要求高的系統(tǒng)。開環(huán)控制：開環(huán)控制沒有反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的穩(wěn)定不高,響應(yīng)時間相對來說很長,精確度不高,使用于對系統(tǒng)穩(wěn)定精確度要求不高的簡單的系統(tǒng)。一般稍微復(fù)雜一點的機器人小車都是閉環(huán)控制，也就是說它有一個反饋機制，會根據(jù)自己配備的各種傳感器來讀取環(huán)境信息，并且根據(jù)這些環(huán)境信息來決定自己下一步的行動，決定好后將行動指令發(fā)給執(zhí)行系統(tǒng)，使機器人做出合適的動作。機器人可以分為三部分——傳感器部分、控制器部分、執(zhí)行器部分。傳感器部分：機器人用來讀取各種外部信號的傳感器，以及控制機器人行動的各種開關(guān)。好比人的眼睛、耳朵等感覺器官?？刂破鞑糠郑航邮諅鞲衅鞑糠謧鬟f過來的信號，并根據(jù)事前寫入的決策系統(tǒng)（軟件程序），來決定機器人對外部信號的反應(yīng)，將控制信號發(fā)給執(zhí)行器部分。好比人的大腦。執(zhí)行器部分：驅(qū)動機器人做出各種行為，包括發(fā)出各種信號（點亮發(fā)光二極管、發(fā)出聲音）的部分，并且可以根據(jù)控制器部分的信號調(diào)整自己的狀態(tài)。對機器人小車來說，最基本的就是輪子。這部分就好比人的四肢一樣。[二]傳感器部分傳感器是機器人的眼睛，想要小車完成不同的任務(wù)就要配備各種不同的傳感器?，F(xiàn)在市場上林林總總的傳感器數(shù)不勝數(shù)，一般個人機器人愛好者經(jīng)常使用的有碰撞檢測傳感器（碰撞開關(guān)）、紅外測障傳感器、紅外測距傳感器、光敏電阻、電子溫度計、電子指南針等等。一般機器人用的傳感器返回的信號分兩種：一種返回值很簡單，只有兩個狀態(tài)：“有”或者“沒有”；“是”或者“不是”；“0”或者“1”。我一般習(xí)慣把這種量稱為“狀態(tài)量”。它所反映的是一種狀態(tài)，只是簡簡單單的“是”或“否”。比如“機器人左邊有沒有障礙物”，“有沒有聲音信號”等。還有一種返回值返回的是一個已知范圍內(nèi)任意值，比如一只光敏電阻返回的信號就可能是0～5V范圍內(nèi)的任意電壓信號。我一般把這種量稱為“強度量”。它所反映的是一個有效范圍內(nèi)的強度。比如“機器人左邊的障礙物有多遠(yuǎn)”，“現(xiàn)在的聲音信號有多強”等。“狀態(tài)量”反映的信息較簡單，相應(yīng)的傳感器也較簡單，成本較低。而“強度量”反映的信息則較豐富，相應(yīng)的傳感器的成本就會比較高，同時給控制上也帶來了更大的靈活和復(fù)雜。下面我們來看一些常用的傳感器：

1障礙物檢測避障可以說是各種機器人最基本的功能。因此選擇測障傳感器可以說是每一個機器人DIYer必須熟知的知識。檢測機器人面前是否存在障礙物的傳感器，可以分為接觸式和非接觸式。接觸式－－碰撞開關(guān)：電路常開，碰到障礙物后連通，可以用來檢測機器人是否發(fā)生碰撞。碰撞開關(guān)優(yōu)缺點：碰撞開關(guān)的優(yōu)點是價格便宜，一般每只零售僅幾塊錢，使用簡單，使用范圍廣，對環(huán)境條件沒有什么限制。缺點是必須在發(fā)生碰撞后才能檢測到障礙，這在某些機器人比賽中是相當(dāng)失分的。并且使用時間較長后容易發(fā)生機械疲勞，無法繼續(xù)正常工作。非接觸式－－紅外測障傳感器非接觸式測障開關(guān)一般的工作原理與雷達相似，發(fā)射某種射線，遇到障礙物會被反射回來，這時傳感器就認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了障礙物。最常用的便是發(fā)射紅外線的傳感器?，F(xiàn)在網(wǎng)上有成套的紅外測障傳感器出售，可以直接購買產(chǎn)品使用，也可以自己購買電子元件焊接。紅外發(fā)射和接收管紅外測障傳感器優(yōu)缺點：紅外測障傳感器成本較低（當(dāng)然比碰撞開關(guān)還是要高一點），電路簡單，檢測范圍大，并且如果在電路中加上一個電位器可以隨時調(diào)節(jié)傳感器的檢測范圍。檢測方式為非接觸式，控制起來更加好看，也更加靈活。缺點是多個傳感器之間容易互相干擾，在傳感器的布局上需要多花心思，安裝位置也要盡可能的避免碰撞。2：距離檢測單單知道哪個方向上有障礙物并不夠，還必須知道障礙物距離機器人具體有多遠(yuǎn)，才好判斷機器人下一步的行動，這個時候我們就需要測距傳感器。測距傳感器大多為非接觸式，目前在個人機器人領(lǐng)域用的比較多的是紅外和超聲波兩種。紅外測距傳感器：紅外測距傳感器：提到紅外測距傳感器，就不能不提夏普的GP2D12紅外測距傳感器，幾乎可以說是機器人愛好者的必備傳感器?，F(xiàn)在在網(wǎng)上看到的一些個人機器人作品幾乎都可以看到GP2D12的身影。GP2D12產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)：1.測量射程范圍：10to80cm2.最大允許角度：>40°3.電源電壓：4.5to5.5V4.平均功耗：35mA5.峰值功耗：約200mA6.更新頻率/周期：25Hz/40ms7.模擬輸出噪聲：<200mV8.測量距離與輸出模擬電壓關(guān)系：2.4V~0.4V模擬信號對應(yīng)10cm~80cm，輸出與距離成反比非線性關(guān)系。紅外測距傳感器特點：這種傳感器的優(yōu)點是體積小，測量準(zhǔn)確，電源電壓與輸出信號都較常規(guī)，一般單片機系統(tǒng)都可直接使用。缺點是成本較高，購買途徑較少。超聲波測距傳感器：超聲波測距傳感器也是一種很常見的測距傳感器，依靠超聲波的發(fā)射與反射接收中的時間差來判斷距離。超聲波測距傳感器規(guī)格很多，測試距離也從遠(yuǎn)到近都有，價格相差也較大，一般機器人愛好者使用的都是測量范圍在最小幾厘米到最大幾米之間。超聲波測距優(yōu)缺點：超聲波測距的優(yōu)點在于測量范圍較大，且不是使用光學(xué)信號，所以被測物體的顏色對于測量結(jié)果沒有影響。缺點是成本較高，由于是依靠聲速測距，所以對于一些影響聲速的因素較敏感，比如溫度、風(fēng)速等。最大允許角度較小。3、亮度檢測：機器人有時需要判斷環(huán)境光的亮度，這個時候就需要亮度傳感器。最常用的便是光敏電阻。光敏電阻是一種隨著照射在上面的可見光強度變化而阻值發(fā)生變化的電阻，可以根據(jù)其阻值的變化判斷出光強。光敏電阻的使用也非常簡單，只要將它當(dāng)做普通電阻接入電路，只要根據(jù)電流變化便可得出電阻的變化，進而判斷出光強的變化。優(yōu)點：成本低廉、可靠性好、測量準(zhǔn)確。缺點：暫無。4、速度檢測機器人自身的行走速度對于判斷機器人運動狀態(tài)和機器人所在位置非常重要，這里我們主要討論一下機器人小車運動速度的測量。機器人小車依靠電動機驅(qū)動輪子來運動，因此測量機器人小車的速度可以歸結(jié)為測量驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)速測量電機轉(zhuǎn)速有很多種方法，比較適合個人機器人愛好者的是光電編碼器。5、地面灰度：很多人最開始做的機器人小車基本功能就是循線，白色的地板上貼著一條黑線，讓機器人小車沿著地面的黑線前進?？梢姽獾孛婊叶葯z測器：所謂的可見光地面灰度檢測器，就是使用一個發(fā)光裝置與一個光敏電阻搭配，裝在機器人底部離地面較近的一個位置上。利用不同顏色對可見光的吸收程度不同的原理來檢測地面灰度。發(fā)光裝置發(fā)射可見光，照射到不同顏色上面后反射光的強度會有一定的差異，根據(jù)光敏電阻的返回值便可知道現(xiàn)在機器人下面的地面顏色。6常用的電子指南針傳感器電子指南針傳感器：利用磁場傳感芯片制成，將地磁信號轉(zhuǎn)化為電信號輸出，用于定位系統(tǒng)，精度高、穩(wěn)定性好。常用的紅外測障傳感器紅外測障傳感器：紅外測障傳感器利用紅外線遇到障礙物會反射的原理，來檢測某一方向上是否有障礙物的存在購買途徑：當(dāng)?shù)氐碾娮邮袌?，或是網(wǎng)上購買（現(xiàn)在很多機器人商家都有各種各樣的傳感器提供，其實原理和適用范圍都差不多，很多都可以互換通用）。購買時需要注意的是傳感器的電壓范圍和有效范圍。[三]控制器部分適合機器人的控制芯片有很多：單片機、DSP、甚至我們計算機上所用的CPU，都可以。不過我們這里主要介紹的針對機器人小車的技術(shù)，所以把其他的先放一放，讓我們把注意力放到物美價廉的單片機上來。單片機：單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。單片機是自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛的控制芯片，現(xiàn)在就在我們身邊的許多的電器中都有單片機的身影。想自己動手制作機器人的話，相應(yīng)的單片機知識是必不可少的。單片機開發(fā)涉及兩方面：硬件、軟件。一塊空白的單片機想要使用，還需要一些其他的電路來支持。一般來說，最基本的電路就是單片機最小系統(tǒng)：所謂的單片機最小系統(tǒng)就是指可以讓單片機工作起來的最基本的電路，在所有的單片機系統(tǒng)中，你都可以找到類似的電路。做機器人需要的擴展電路：程序下載電路：單片機最終需要程序來控制，一般都是在PC上編寫好程序，通過下載線來下載到單片機中執(zhí)行。下載需要一個電路來支持，以前的通常做法是連接到PC的串口，不過現(xiàn)在有很多通過USB下載程序的電路。開發(fā)環(huán)境不同的單片機需要不同的開發(fā)環(huán)境，這個要在購買的時候就弄清楚，很多單片機公司都有自己配套的開發(fā)軟件，很多都是可以在公司網(wǎng)站上免費下載。一般來說，國外的很多芯片公司在自己的網(wǎng)站上都有非常豐富和適用的資料[四]執(zhí)行器部分對于機器人小車來說，最基本的執(zhí)行器部分就是輪子。要有輪子，小車才能被稱為小車。這部分可能也是各位愛好者最發(fā)愁的部分，傳感器和控制器到處都有的賣，而一般適合機器人小車上用的輪子，機械結(jié)構(gòu)，車體等部分卻很難尋覓。找人訂做成本極高，現(xiàn)在很多朋友都用玩具小車來進行改裝。其實現(xiàn)在已經(jīng)開始有機器人小車底盤出售，不過在電子市場很難見到，多數(shù)都要在網(wǎng)上一些教育機器人公司的網(wǎng)店里郵購。機器人常用的電機分為三種：普通的直流電機、步進電機、伺服電機直流電機：輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機，稱為直流電機，它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當(dāng)它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。步進電機：步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。伺服電機：伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行器件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。三者比較成本：

直流<步進<伺服電機控制精度：

直流<步進<伺服電機電機的單片機控制一般單片機要通過驅(qū)動電路來控制步進電機、伺服電機。有專門的模塊來負(fù)責(zé)驅(qū)動電機，單片機只需要為這樣的模塊提供一定頻率的脈沖和控制信號就可以了。對于小車的運動驅(qū)動來說，一般可以選用直流電機或步進電機，而伺服電機一般用在機械臂上，用來得到精確的旋轉(zhuǎn)角度。下頁上頁返回機器人的手足——驅(qū)動下頁上頁返回機器人的手足——驅(qū)動下頁上頁返回機器人的眼睛——傳感器下頁上頁返回機器人的嘴巴——輸出設(shè)備下頁上頁返回機器人的大腦——控制器下頁上頁返回制作自己的第一個機器人下頁上頁返回直流減速電機下頁上頁返回電機驅(qū)動器件L298N下頁上頁返回電機驅(qū)動電路圖下頁上頁返回電機驅(qū)動電路圖下頁上頁返回電機驅(qū)動程序voidgo_ma()//電機A前進{ ENA=1; IN1=1; IN2=0;}voidback_ma()//電機A后退{ ENA=1; IN1=0; IN2=1; }voidstop_ma()//電機A停止{ ENA=0; IN1=0; IN2=0;}voidadvance()//BF-1機器人前進{ go_ma(); go_mb();}voidback()//BF-1機器人后退{ back_ma(); back_mb();}voidleft_turn()//BF-1機器人左轉(zhuǎn){ stop_ma(); go_mb();}下頁上頁返回循跡傳感器下頁上頁返回紅外傳感器電路下頁上頁返回路徑判斷程序voidhw_scan()//紅外檢測{ if(hw1==