機(jī)器人制作第一篇

[一]小車(chē)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(guò)反饋系統(tǒng)是系統(tǒng)的精確度提高,響應(yīng)時(shí)間縮短,適合于對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,穩(wěn)定要求高的系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制：開(kāi)環(huán)控制沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的穩(wěn)定不高,響應(yīng)時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)很長(zhǎng),精確度不高,使用于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定精確度要求不高的簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。一般稍微復(fù)雜一點(diǎn)的機(jī)器人小車(chē)都是閉環(huán)控制，也就是說(shuō)它有一個(gè)反饋機(jī)制，會(huì)根據(jù)自己配備的各種傳感器來(lái)讀取環(huán)境信息，并且根據(jù)這些環(huán)境信息來(lái)決定自己下一步的行動(dòng)，決定好后將行動(dòng)指令發(fā)給執(zhí)行系統(tǒng)，使機(jī)器人做出合適的動(dòng)作。機(jī)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(jī)器人用來(lái)讀取各種外部信號(hào)的傳感器，以及控制機(jī)器人行動(dòng)的各種開(kāi)關(guān)。好比人的眼睛、耳朵等感覺(jué)器官?？刂破鞑糠郑航邮諅鞲衅鞑糠謧鬟f過(guò)來(lái)的信號(hào)，并根據(jù)事前寫(xiě)入的決策系統(tǒng)（軟件程序），來(lái)決定機(jī)器人對(duì)外部信號(hào)的反應(yīng)，將控制信號(hào)發(fā)給執(zhí)行器部分。好比人的大腦。執(zhí)行器部分：驅(qū)動(dòng)機(jī)器人做出各種行為，包括發(fā)出各種信號(hào)（點(diǎn)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(hào)調(diào)整自己的狀態(tài)。對(duì)機(jī)器人小車(chē)來(lái)說(shuō)，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(jī)器人的眼睛，想要小車(chē)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(chǎng)上林林總總的傳感器數(shù)不勝數(shù)，一般個(gè)人機(jī)器人愛(ài)好者經(jīng)常使用的有碰撞檢測(cè)傳感器（碰撞開(kāi)關(guān)）、紅外測(cè)障傳感器、紅外測(cè)距傳感器、光敏電阻、電子溫度計(jì)、電子指南針等等。一般機(jī)器人用的傳感器返回的信號(hào)分兩種：一種返回值很簡(jiǎn)單，只有兩個(gè)狀態(tài)：“有”或者“沒(méi)有”；“是”或者“不是”；“0”或者“1”。我一般習(xí)慣把這種量稱(chēng)為“狀態(tài)量”。它所反映的是一種狀態(tài)，只是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的“是”或“否”。比如“機(jī)器人左邊有沒(méi)有障礙物”，“有沒(méi)有聲音信號(hào)”等。還有一種返回值返回的是一個(gè)已知范圍內(nèi)任意值，比如一只光敏電阻返回的信號(hào)就可能是0～5V范圍內(nèi)的任意電壓信號(hào)。我一般把這種量稱(chēng)為“強(qiáng)度量”。它所反映的是一個(gè)有效范圍內(nèi)的強(qiáng)度。比如“機(jī)器人左邊的障礙物有多遠(yuǎn)”，“現(xiàn)在的聲音信號(hào)有多強(qiáng)”等?！盃顟B(tài)量”反映的信息較簡(jiǎn)單，相應(yīng)的傳感器也較簡(jiǎn)單，成本較低。而“強(qiáng)度量”反映的信息則較豐富，相應(yīng)的傳感器的成本就會(huì)比較高，同時(shí)給控制上也帶來(lái)了更大的靈活和復(fù)雜。下面我們來(lái)看一些常用的傳感器：

1障礙物檢測(cè)避障可以說(shuō)是各種機(jī)器人最基本的功能。因此選擇測(cè)障傳感器可以說(shuō)是每一個(gè)機(jī)器人DIYer必須熟知的知識(shí)。檢測(cè)機(jī)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(kāi)關(guān)：電路常開(kāi)，碰到障礙物后連通，可以用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人是否發(fā)生碰撞。碰撞開(kāi)關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)：碰撞開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，一般每只零售僅幾塊錢(qián)，使用簡(jiǎn)單，使用范圍廣，對(duì)環(huán)境條件沒(méi)有什么限制。缺點(diǎn)是必須在發(fā)生碰撞后才能檢測(cè)到障礙，這在某些機(jī)器人比賽中是相當(dāng)失分的。并且使用時(shí)間較長(zhǎng)后容易發(fā)生機(jī)械疲勞，無(wú)法繼續(xù)正常工作。非接觸式－－紅外測(cè)障傳感器非接觸式測(cè)障開(kāi)關(guān)一般的工作原理與雷達(dá)相似，發(fā)射某種射線，遇到障礙物會(huì)被反射回來(lái)，這時(shí)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(cè)障傳感器出售，可以直接購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品使用，也可以自己購(gòu)買(mǎi)電子元件焊接。紅外發(fā)射和接收管紅外測(cè)障傳感器優(yōu)缺點(diǎn)：紅外測(cè)障傳感器成本較低（當(dāng)然比碰撞開(kāi)關(guān)還是要高一點(diǎn)），電路簡(jiǎn)單，檢測(cè)范圍大，并且如果在電路中加上一個(gè)電位器可以隨時(shí)調(diào)節(jié)傳感器的檢測(cè)范圍。檢測(cè)方式為非接觸式，控制起來(lái)更加好看，也更加靈活。缺點(diǎn)是多個(gè)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(cè)單單知道哪個(gè)方向上有障礙物并不夠，還必須知道障礙物距離機(jī)器人具體有多遠(yuǎn)，才好判斷機(jī)器人下一步的行動(dòng)，這個(gè)時(shí)候我們就需要測(cè)距傳感器。測(cè)距傳感器大多為非接觸式，目前在個(gè)人機(jī)器人領(lǐng)域用的比較多的是紅外和超聲波兩種。紅外測(cè)距傳感器：紅外測(cè)距傳感器：提到紅外測(cè)距傳感器，就不能不提夏普的GP2D12紅外測(cè)距傳感器，幾乎可以說(shuō)是機(jī)器人愛(ài)好者的必備傳感器?，F(xiàn)在在網(wǎng)上看到的一些個(gè)人機(jī)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(cè)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(cè)量距離與輸出模擬電壓關(guān)系：2.4V~0.4V模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)10cm~80cm，輸出與距離成反比非線性關(guān)系。紅外測(cè)距傳感器特點(diǎn)：這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小，測(cè)量準(zhǔn)確，電源電壓與輸出信號(hào)都較常規(guī)，一般單片機(jī)系統(tǒng)都可直接使用。缺點(diǎn)是成本較高，購(gòu)買(mǎi)途徑較少。超聲波測(cè)距傳感器：超聲波測(cè)距傳感器也是一種很常見(jiàn)的測(cè)距傳感器，依靠超聲波的發(fā)射與反射接收中的時(shí)間差來(lái)判斷距離。超聲波測(cè)距傳感器規(guī)格很多，測(cè)試距離也從遠(yuǎn)到近都有，價(jià)格相差也較大，一般機(jī)器人愛(ài)好者使用的都是測(cè)量范圍在最小幾厘米到最大幾米之間。超聲波測(cè)距優(yōu)缺點(diǎn)：超聲波測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量范圍較大，且不是使用光學(xué)信號(hào)，所以被測(cè)物體的顏色對(duì)于測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響。缺點(diǎn)是成本較高，由于是依靠聲速測(cè)距，所以對(duì)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(cè)：機(jī)器人有時(shí)需要判斷環(huán)境光的亮度，這個(gè)時(shí)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(jiàn)光強(qiáng)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(qiáng)。光敏電阻的使用也非常簡(jiǎn)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(jìn)而判斷出光強(qiáng)的變化。優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、可靠性好、測(cè)量準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：暫無(wú)。4、速度檢測(cè)機(jī)器人自身的行走速度對(duì)于判斷機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和機(jī)器人所在位置非常重要，這里我們主要討論一下機(jī)器人小車(chē)運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量。機(jī)器人小車(chē)依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子來(lái)運(yùn)動(dòng)，因此測(cè)量機(jī)器人小車(chē)的速度可以歸結(jié)為測(cè)量驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速有很多種方法，比較適合個(gè)人機(jī)器人愛(ài)好者的是光電編碼器。5、地面灰度：很多人最開(kāi)始做的機(jī)器人小車(chē)基本功能就是循線，白色的地板上貼著一條黑線，讓機(jī)器人小車(chē)沿著地面的黑線前進(jìn)?？梢?jiàn)光地面灰度檢測(cè)器：所謂的可見(jiàn)光地面灰度檢測(cè)器，就是使用一個(gè)發(fā)光裝置與一個(gè)光敏電阻搭配，裝在機(jī)器人底部離地面較近的一個(gè)位置上。利用不同顏色對(duì)可見(jiàn)光的吸收程度不同的原理來(lái)檢測(cè)地面灰度。發(fā)光裝置發(fā)射可見(jiàn)光，照射到不同顏色上面后反射光的強(qiáng)度會(huì)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(jī)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(chǎng)傳感芯片制成，將地磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，用于定位系統(tǒng)，精度高、穩(wěn)定性好。常用的紅外測(cè)障傳感器紅外測(cè)障傳感器：紅外測(cè)障傳感器利用紅外線遇到障礙物會(huì)反射的原理，來(lái)檢測(cè)某一方向上是否有障礙物的存在購(gòu)買(mǎi)途徑：當(dāng)?shù)氐碾娮邮袌?chǎng)，或是網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)（現(xiàn)在很多機(jī)器人商家都有各種各樣的傳感器提供，其實(shí)原理和適用范圍都差不多，很多都可以互換通用）。購(gòu)買(mǎi)時(shí)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(jī)器人的控制芯片有很多：?jiǎn)纹瑱C(jī)、DSP、甚至我們計(jì)算機(jī)上所用的CPU，都可以。不過(guò)我們這里主要介紹的針對(duì)機(jī)器人小車(chē)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(jià)廉的單片機(jī)上來(lái)。單片機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)又稱(chēng)單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。單片機(jī)是自動(dòng)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(jī)的身影。想自己動(dòng)手制作機(jī)器人的話，相應(yīng)的單片機(jī)知識(shí)是必不可少的。單片機(jī)開(kāi)發(fā)涉及兩方面：硬件、軟件。一塊空白的單片機(jī)想要使用，還需要一些其他的電路來(lái)支持。一般來(lái)說(shuō)，最基本的電路就是單片機(jī)最小系統(tǒng)：所謂的單片機(jī)最小系統(tǒng)就是指可以讓單片機(jī)工作起來(lái)的最基本的電路，在所有的單片機(jī)系統(tǒng)中，你都可以找到類(lèi)似的電路。做機(jī)器人需要的擴(kuò)展電路：程序下載電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)最終需要程序來(lái)控制，一般都是在PC上編寫(xiě)好程序，通過(guò)下載線來(lái)下載到單片機(jī)中執(zhí)行。下載需要一個(gè)電路來(lái)支持，以前的通常做法是連接到PC的串口，不過(guò)現(xiàn)在有很多通過(guò)USB下載程序的電路。開(kāi)發(fā)環(huán)境不同的單片機(jī)需要不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境，這個(gè)要在購(gòu)買(mǎi)的時(shí)候就弄清楚，很多單片機(jī)公司都有自己配套的開(kāi)發(fā)軟件，很多都是可以在公司網(wǎng)站上免費(fèi)下載。一般來(lái)說(shuō)，國(guó)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(duì)于機(jī)器人小車(chē)來(lái)說(shuō)，最基本的執(zhí)行器部分就是輪子。要有輪子，小車(chē)才能被稱(chēng)為小車(chē)。這部分可能也是各位愛(ài)好者最發(fā)愁的部分，傳感器和控制器到處都有的賣(mài)，而一般適合機(jī)器人小車(chē)上用的輪子，機(jī)械結(jié)構(gòu)，車(chē)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(chē)來(lái)進(jìn)行改裝。其實(shí)現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始有機(jī)器人小車(chē)底盤(pán)出售，不過(guò)在電子市場(chǎng)很難見(jiàn)到，多數(shù)都要在網(wǎng)上一些教育機(jī)器人公司的網(wǎng)店里郵購(gòu)。機(jī)器人常用的電機(jī)分為三種：普通的直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)直流電機(jī)：輸出或輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，稱(chēng)為直流電機(jī)，它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。伺服電機(jī)：伺服電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行器件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)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(jìn)<伺服電機(jī)控制精度：

直流<步進(jìn)<伺服電機(jī)電機(jī)的單片機(jī)控制一般單片機(jī)要通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)。有專(zhuān)門(mén)的模塊來(lái)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，單片機(jī)只需要為這樣的模塊提供一定頻率的脈沖和控制信號(hào)就可以了。對(duì)于小車(chē)的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，一般可以選用直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，而伺服電機(jī)一般用在機(jī)械臂上，用來(lái)得到精確的旋轉(zhuǎn)角度。下頁(yè)上頁(yè)返回機(jī)器人的手足——驅(qū)動(dòng)下頁(yè)上頁(yè)返回機(jī)器人的手足——驅(qū)動(dòng)下頁(yè)上頁(yè)返回機(jī)器人的眼睛——傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回機(jī)器人的嘴巴——輸出設(shè)備下頁(yè)上頁(yè)返回機(jī)器人的大腦——控制器下頁(yè)上頁(yè)返回制作自己的第一個(gè)機(jī)器人下頁(yè)上頁(yè)返回直流減速電機(jī)下頁(yè)上頁(yè)返回電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件L298N下頁(yè)上頁(yè)返回電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖下頁(yè)上頁(yè)返回電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖下頁(yè)上頁(yè)返回電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序voidgo_ma()//電機(jī)A前進(jìn){ ENA=1; IN1=1; IN2=0;}voidback_ma()//電機(jī)A后退{(lán) ENA=1; IN1=0; IN2=1; }voidstop_ma()//電機(jī)A停止{ ENA=0; IN1=0; IN2=0;}voidadvance()//BF-1機(jī)器人前進(jìn){ go_ma(); go_mb();}voidback()//BF-1機(jī)器人后退{(lán) back_ma(); back_mb();}voidleft_turn()//BF-1機(jī)器人左轉(zhuǎn){ stop_ma(); go_mb();}下頁(yè)上頁(yè)返回循跡傳感器下頁(yè)上頁(yè)返回紅外傳感器電路下頁(yè)上頁(yè)返回路徑判斷程序voidhw_scan()//紅外檢測(cè){ if(hw1==