避障小車設(shè)計(jì)

強(qiáng)勝嶺+初俊博+藺躍成

【摘 要】本次設(shè)計(jì)是對(duì)C51寶貝車機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，目的要實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于路徑規(guī)劃處理和智能避障的寶貝車機(jī)器人控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】觸須；避障；單片機(jī)

1 設(shè)計(jì)功能

本次設(shè)計(jì)中，我們采用了人性化的思想，利用觸覺(jué)感知能力來(lái)實(shí)現(xiàn)寶貝車的導(dǎo)航避障能力，C51單片機(jī)充當(dāng)寶貝車的大腦，在小車前端裝一對(duì)觸須傳感器用來(lái)充當(dāng)小車的觸覺(jué)開關(guān)，通過(guò)對(duì)觸覺(jué)狀態(tài)的監(jiān)視，以決定當(dāng)小車碰到障礙時(shí)如何動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)利用觸須觸覺(jué)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的導(dǎo)航避障功能[1]。

2 機(jī)器人伺服電機(jī)的控制

首先要對(duì)小車的兩個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行零點(diǎn)矯正，即用延時(shí)函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖信號(hào)持續(xù)1.5ms，低電平脈沖信號(hào)持續(xù)20ms，發(fā)送給伺服電機(jī)，若伺服電機(jī)不旋轉(zhuǎn)則電機(jī)已調(diào)零，若電機(jī)處于轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)則需用螺絲刀對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)零。我們可以根據(jù)控制信號(hào)脈寬調(diào)制調(diào)速原理，用延時(shí)函數(shù)設(shè)定的延時(shí)長(zhǎng)短來(lái)控制控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及順逆轉(zhuǎn)狀態(tài)。由實(shí)驗(yàn)可知延時(shí)小于1.5ms時(shí)是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，大于1.5ms時(shí)是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)[2]。

根據(jù)以上實(shí)踐證明可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

已知左輪引腳接P1_1，右輪引腳接P1_0

1）停止

P1_1延時(shí)1.5ms，P1_0延時(shí)1.5ms；

2）前進(jìn)

P1_1延時(shí)1.7ms，P1_0延時(shí)1.3ms；

3）后退

P1_1延時(shí)1.3ms，P1_0延時(shí)1.7ms；

4）右轉(zhuǎn)

P1_1延時(shí)1.7ms，P1_0延時(shí)1.5ms；

5）左轉(zhuǎn)

P1_1延時(shí)1.5ms，P1_0延時(shí)1.3ms；

3 觸覺(jué)傳感器的安裝測(cè)試

3.1 安裝觸須

如圖1所示是安裝機(jī)器人觸覺(jué)觸須安裝示意圖及觸須電路圖。

3.2 測(cè)試機(jī)器人觸須

其實(shí)觸須感知傳感器的工作原理是通過(guò)傳感元件是否接地來(lái)控制左右驅(qū)動(dòng)引腳的高低電平狀態(tài)，再將左右驅(qū)動(dòng)引腳高低電平信息傳輸?shù)轿⒖刂破鲝亩鴮?shí)現(xiàn)避障導(dǎo)航的功能。觸須接地（GND）是通過(guò)主板外圍的鍍金孔都連接到GND，而金屬支架和螺絲釘提供電氣連接給觸須如圖1所示。

3.3 獲取觸須狀態(tài)

觸須狀態(tài)的獲取是實(shí)現(xiàn)小車避障的核心工作，觸須的觸動(dòng)與否通過(guò)對(duì)微控制器即C51單片機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1說(shuō)明是如何工作的。當(dāng)觸須沒(méi)有碰到障礙物時(shí)，連接觸須的I/O管腳的電壓是高電平；當(dāng)觸須碰到障礙物時(shí)，I/O短接到地，所以I/O管腳的電壓是低電平。

C51單片機(jī)啟動(dòng)或復(fù)位時(shí)，所有的I/O插腳缺省為輸入。也就是說(shuō)，連接到觸須的I/O管腳會(huì)自動(dòng)作為輸入。作為輸入，如果I/O腳上的電壓為高電平（觸須沒(méi)有碰到障礙物），則其相應(yīng)的寄存器中的相應(yīng)位存儲(chǔ)1；如果電壓為低電平（觸須碰到障礙物），則存儲(chǔ)0.

4 觸覺(jué)導(dǎo)航避障策略實(shí)現(xiàn)

寶貝車行走過(guò)程中，導(dǎo)航避障程序需要接受觸須傳來(lái)的感知信息，判斷它的意義，調(diào)用一系列使寶貝車前進(jìn)、后退、朝不同方向行走的動(dòng)作子函數(shù)?？捎胕f…else…if多分支選擇語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]，子動(dòng)作流程框圖如圖2所示。

5 逃離墻角死區(qū)改進(jìn)

假如寶貝車進(jìn)入了墻角，左觸須觸碰到障礙物，于是它右轉(zhuǎn)，向前行走，右觸須觸碰到障礙物，于是左轉(zhuǎn)前進(jìn)，又碰到左邊障礙物，再次碰到右邊障礙物……如果不把它從墻角拿出來(lái)，它就會(huì)一直困在墻角里而出不來(lái)。

解決方案：

導(dǎo)航程序記錄每個(gè)觸須的前一次觸碰狀態(tài)，并和當(dāng)前觸碰狀態(tài)對(duì)比。如果狀態(tài)相反，就在交替總數(shù)上加1。如果這個(gè)交替總數(shù)超過(guò)了導(dǎo)航程序中預(yù)先給定的閥值，那么就該做一個(gè)“U”型轉(zhuǎn)彎，并且把觸須交替計(jì)數(shù)器復(fù)位。

逃離墻角死區(qū)流程框圖如圖3。

6 展望

由于觸須一旦被固定在寶貝車的前端，那么它所能觸覺(jué)避免障礙物的高度及障礙物被碰的角度都會(huì)受到一定的條件限制，如果障礙物太低，寶貝車在前進(jìn)過(guò)程當(dāng)中，觸須不能碰到障礙物的話，則寶貝車就無(wú)法實(shí)現(xiàn)避障功能；如果寶貝車以一個(gè)很小的傾斜角貼墻前進(jìn)時(shí)，此時(shí)寶貝車其實(shí)是受阻的，但由于角度太小，導(dǎo)致不能夠讓觸須碰到3-pin公-公接頭，則寶貝車也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)躲避轉(zhuǎn)向功能的。

下一階段還需研究解決措施，可以通過(guò)改變觸須的形狀，比如說(shuō)，將它向下折彎一定長(zhǎng)度，這樣就能觸覺(jué)到較低障礙物了，或者從根本上來(lái)改變導(dǎo)航避障原理，比如說(shuō)，用紅外探測(cè)距離來(lái)避障或者超聲波避障等等。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫育才.MCS-51 系列單片機(jī)及其應(yīng)用[M].東南大學(xué)出版社.

[2]王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京航空航天大學(xué)出版社.

[3]何建英.基于MCS-51單片機(jī)智能小車控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶文理學(xué)院.

[責(zé)任編輯：田吉捷]