基于測距紅外傳感器的輪式迷宮機(jī)器人設(shè)計(jì)

金余義，劉克申，任陽暉

（青島工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，青島266300）

引 言

輪式迷宮機(jī)器人是由微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動部件構(gòu)成的一種智能行走裝置，可以在不同“迷宮”中自動記憶和選擇路徑，采用相應(yīng)的算法，快速地達(dá)到所設(shè)定的目的地。目前普遍使用5組或者6組紅外傳感器對迷宮墻壁信息進(jìn)行檢測。本文介紹使用4組測距紅外傳感器排列布局的方案，能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)搜索迷宮、直行姿態(tài)調(diào)整以及快速轉(zhuǎn)彎等功能。

1 紅外傳感器的電路設(shè)計(jì)與布局

紅外傳感器相當(dāng)于輪式迷宮機(jī)器人的眼睛，在輪式迷宮機(jī)器人的組成中具有重要的地位。利用紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外接收管接收來自墻壁的反射，用來探測迷宮墻壁的信息以及校正機(jī)器人的行走身姿。本設(shè)計(jì)所選用的紅外發(fā)射管為OP245，紅外接收管為TSL262R。電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

在距離迷宮墻壁不同的距離下，紅外接收管輸出不同的電壓，在經(jīng)過高精度運(yùn)算放大器LMV358的放大后，其輸出電壓與實(shí)際距離的數(shù)據(jù)如表1所列。紅外傳感器輸出電壓與實(shí)際距離的關(guān)系如圖2所示。

圖1 紅外發(fā)射接收電路

圖2 紅外傳感器輸出電壓與實(shí)際距離的關(guān)系

表1 輸出電壓與實(shí)際距離數(shù)據(jù)

根據(jù)曲線可得出其輸出電壓與實(shí)際距離的關(guān)系式為：

其中，s為實(shí)際距離，U為紅外傳感器的輸出電壓，a、b為常數(shù)，不同的紅外傳感器取不同的值。經(jīng)多次測驗(yàn)得出，a取值8.6左右，b取值－1.5左右。

由于微控制器處理冪函數(shù)運(yùn)算時(shí)執(zhí)行效率低，并且使用相同的紅外傳感器，得到的結(jié)果也會有誤差。所以在計(jì)算實(shí)際距離s時(shí)，本設(shè)計(jì)采用的是查表法，查詢紅外傳感器輸出電壓所對應(yīng)的實(shí)際距離。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法得出針對不同組的紅外傳感器的數(shù)學(xué)表達(dá)式，分別利用此表達(dá)式設(shè)計(jì)35組紅外傳感器輸出電壓轉(zhuǎn)換成實(shí)際距離的數(shù)據(jù)，使查表法的精確度達(dá)到0.3cm，這樣的誤差是允許的。

為了使輪式迷宮機(jī)器人能夠適應(yīng)各種光線強(qiáng)度的環(huán)境，程序采用自適應(yīng)算法，在每次啟動時(shí)對各個(gè)紅外傳感器輸出的電壓值多次取平均，作為姿勢校正的參考基準(zhǔn)。

本設(shè)計(jì)采用4組紅外傳感器，其中兩組為向前的紅外傳感器，另外兩組為斜45°角放置傳感器。具體排列方式如圖3所示。

其中，U1和U4是向前擺放的紅外傳感器。傳統(tǒng)的輪式迷宮機(jī)器人只有一組向前的傳感器擺放在中央，利用向前傳感器探測前方有無墻壁，而本文多設(shè)計(jì)一組傳感器，將它們擺放在兩側(cè)，不僅可以探測前方墻壁信息，而且當(dāng)輪式迷宮機(jī)器人走V字型斜線時(shí)，可以利用這兩組紅外傳感器探測是否有碰撞的危險(xiǎn)。

使用左右兩個(gè)斜45°角的紅外傳感器U2和U3探測墻壁信息，摒棄了傳統(tǒng)輪式迷宮機(jī)器人的左右水平方向的傳感器，使輪式迷宮機(jī)器人具有一定的前瞻性，對于提升輪式迷宮機(jī)器人的速度有很大幫助。另外，利用斜45°角的紅外傳感器可以快速校正身姿。紅外傳感器需要分時(shí)使用，以免發(fā)生干擾。

圖3 紅外傳感器排列方式

2 利用紅外傳感器姿勢修正與快速轉(zhuǎn)彎

輪式迷宮機(jī)器人在前進(jìn)過程中需要不斷調(diào)整姿勢，以免碰到墻壁。它在迷宮中的理想姿勢是處于迷宮格的中央，且前進(jìn)方向平行于擋板，在這種狀態(tài)下輪式迷宮機(jī)器人才不容易碰到墻壁。圖4為輪式迷宮機(jī)器人的最佳姿勢，是不需要被修正的。

利用斜45°角的紅外傳感器校正身姿誤差，具有一定的前瞻性，輪式迷宮機(jī)器人可以擁有較長的時(shí)間校正。若在此種情況下輪式迷宮機(jī)器人的姿勢發(fā)生左偏或者右偏，通過U2和U3傳感器測得的距離將會有較大的差值，當(dāng)這個(gè)差值大于設(shè)定的閾值時(shí)，就需要修正姿勢。通過增量式PID對輸入的誤差進(jìn)行處理，得到左右電機(jī)相應(yīng)的PWM的占空比，從而通過差速調(diào)整到正確的姿勢。

假設(shè)只有左側(cè)存在墻壁，如圖5所示，當(dāng)輪式迷宮機(jī)器人靠近左側(cè)時(shí)，U2傳感器測得的距離值大于設(shè)定的參考距離，需要向右調(diào)整姿勢。

圖4 輪式迷宮機(jī)器人的最佳姿勢

圖5 只有一側(cè)有墻壁的左側(cè)位置偏差示意

當(dāng)輪式迷宮機(jī)器人靠近右側(cè)時(shí)，由于右側(cè)沒有墻壁，出現(xiàn)如圖6所示的情況，這時(shí)需要U2和U3傳感器共同判斷，當(dāng)U2傳感器檢測出的距離大于設(shè)定的中間位置距離，且U3傳感器檢測距離不小于設(shè)定的中間位置距離，甚至大于一個(gè)迷宮格距離16.8cm時(shí)，就表明輪式迷宮機(jī)器人右側(cè)無墻壁而且偏向右側(cè)，需要向左調(diào)整。

在迷宮格里只有右邊墻壁時(shí)的修正情況與之相同。兩側(cè)均無墻壁的迷宮方塊排列是比較特別的，無法使用U2和U3傳感器。本設(shè)計(jì)將采用U1和U4紅外傳感器檢測，以校正身姿。特殊迷宮排列的校正方式如圖7所示。

由于迷宮的排列方式是固定的，迷宮方塊的墻壁排列方式也可以事先分析。可以轉(zhuǎn)彎的迷宮方塊可以分為圖8所示的5種排列方式，當(dāng)輪式迷宮機(jī)器人需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，程序上只需要針對這5種排列方式進(jìn)行判斷即可。

圖6 右側(cè)無墻壁右偏示意圖

圖7 特殊迷宮排列的校正方式

圖8 轉(zhuǎn)彎的5種迷宮格排列方式

另外，迷宮格出現(xiàn)前、左、右皆有墻壁時(shí)，輪式迷宮機(jī)器人需要180°后轉(zhuǎn)彎。不管是90°轉(zhuǎn)彎還是180°轉(zhuǎn)彎，要獲得轉(zhuǎn)彎的精確度，需要陀螺儀傳感器的輔助。

當(dāng)輪式迷宮機(jī)器人進(jìn)行V字型斜線直走的運(yùn)動時(shí)，利用U1和U4傳感器探測是否能探測到柱子，利用這樣的方法來修正車頭朝向的誤差。例如迷宮為圖9所示的情況，若其中一個(gè)紅外傳感器探測到柱子，所得到的探測距離突然變短，而另外一個(gè)傳感器的探測距離沒有太大改變，就表明輪式迷宮機(jī)器人的車頭朝向發(fā)生偏移，需要向探測距離不變的方向調(diào)整。

圖9 利用向前的兩個(gè)紅外傳感器校正斜線直走時(shí)的身姿誤差

需要特別注意的是，當(dāng)迷宮出現(xiàn)圖10所示的情況，U1和U4傳感器能夠探測到下一格的墻壁，輪式迷宮機(jī)器人進(jìn)行V字型斜線直走時(shí)，單靠一邊的向前方向的紅外傳感器就可以修正車頭朝向的誤差。如果輪式迷宮機(jī)器人左轉(zhuǎn)45°，則利用U4紅外傳感器校正，當(dāng)此紅外傳感器探測到柱子，其探測距離會突然變短，這就表明輪式迷宮機(jī)器人發(fā)生偏轉(zhuǎn)，需要向左調(diào)整。若輪式迷宮機(jī)器人右轉(zhuǎn)45°，校正方法是相同的。

圖10 利用一個(gè)向前方向的紅外傳感器校正轉(zhuǎn)彎V字型斜線直走

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)程序模塊化的設(shè)計(jì)要求，輪式迷宮機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)可分為初始化模塊、紅外傳感器信號采集處理校正模塊、陀螺儀轉(zhuǎn)彎校正模塊、電機(jī)PID控制模塊、坐標(biāo)調(diào)整模塊、存儲模塊、路徑優(yōu)化模塊等多個(gè)模塊，效力于搜索迷宮和全速沖刺兩個(gè)模式。

該輪式迷宮機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖11所示，姿態(tài)校正流程圖如圖12所示。

在姿勢校正的PID控制上，使用了增量式PID算法，輸出電壓值為：

其中，kp為比例增益，kI為積分增益，kD為微分增益，e（n）是偏差，e（n－1）為上次偏差。

圖11 軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖12 姿勢校正流程圖

在迷宮實(shí)際測試中，直線行走速度及轉(zhuǎn)彎速度較高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。制作的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖13所示。

結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的采用4組測距式紅外傳感器的輪式迷宮機(jī)器人，可以較好地完成迷宮探索以及快速沖刺功能，探測距離符合實(shí)際情況。

圖13 輪式迷宮機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)

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