基于STC單片機(jī)的輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究

謝孟喆+王群

摘 要：最近幾年，隨著電子科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，為滿足不同的用戶要求，不同類型、不同功能的輪式機(jī)器人成為了多個(gè)高校、高新技術(shù)公司的研發(fā)熱點(diǎn)。通過(guò)研究雙輪輪式機(jī)器人的自動(dòng)尋跡功能來(lái)研究機(jī)器人的設(shè)計(jì)和機(jī)器智能有著非常深遠(yuǎn)的意義。本次研究的內(nèi)容就是基于STC單片機(jī)的輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制研究，最終目標(biāo)是完成智能小車的自動(dòng)尋跡實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：輪式機(jī)器人；智能小車；自動(dòng)尋跡

1 輪式機(jī)器人硬件系統(tǒng)研究

輪式機(jī)器人集單片機(jī)控制技術(shù)，紅外傳感器技術(shù)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)于一體，可以在輸入相應(yīng)的程序后，按照程序準(zhǔn)確的完成動(dòng)作。本文首先重點(diǎn)說(shuō)明了智能小車直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理、紅外傳感器工作原理和雙輪輪式機(jī)器人的自動(dòng)巡線原理。根據(jù)智能小車各個(gè)模塊的功能設(shè)計(jì)智能小車前進(jìn)程序和智能小車的自動(dòng)尋跡程序。最后，對(duì)雙輪輪式機(jī)器人的自動(dòng)巡線實(shí)驗(yàn)做了簡(jiǎn)單的操作說(shuō)明。

（一）硬件的電路原理

直流電機(jī)工作原理也可以叫做H橋路工作原理，下圖即為H橋路工作原理的電路圖，ENA、ENB為使能端，當(dāng)使能端為高電平（ENA＼ENB=1）時(shí)使能，當(dāng)使能端為低電平時(shí)則智能小車停止前進(jìn)，IN1和IN2、IN3和IN4分別控制右電機(jī)和左電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，也可以控制剎車。另外，在直流電機(jī)可以正常工作的情況下，為了保護(hù)智能小車的電路，電源電壓一般在7.2V-9V之間。

（二）紅外傳感器

紅外傳感器由紅外發(fā)射管和接受管組成，安裝在機(jī)器人底盤前部，共設(shè)置了左右兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。紅外發(fā)射管發(fā)出的光線經(jīng)地面反射到紅外接收管，基于黑色引導(dǎo)線與場(chǎng)地底色的反射光強(qiáng)差異，導(dǎo)致輸出的電壓不同，從而識(shí)別黑色引導(dǎo)線。

紅外傳感器的發(fā)射部分采用一個(gè)紅外發(fā)光二極管，由于紅外發(fā)射管的工作頻率可以達(dá)到幾MHz或十幾MHz，屬于工作頻率較高的發(fā)光元件，接收部分可以選擇一個(gè)光敏二極管，其調(diào)制頻率在幾十至幾百kHz的范圍內(nèi)，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

發(fā)射部分的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光經(jīng)地面反射由光敏二極管接收，然后光信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，但是這種電信號(hào)通常比較微小，不利于檢測(cè)，所以這種電信號(hào)需要進(jìn)行濾波放大處理。信號(hào)處理模塊對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，判斷被檢測(cè)對(duì)象的特性。根據(jù)檢測(cè)到的結(jié)果就可以判斷這個(gè)檢測(cè)點(diǎn)是不是在黑色引導(dǎo)線的上方，從而判斷出自動(dòng)尋跡機(jī)器人和黑色引導(dǎo)線的相對(duì)位置。圖3為紅外傳感器的外部工作原理圖，a圖紅外發(fā)射器感應(yīng)到淺色地面，反射光比較強(qiáng)；b圖為紅外傳感器檢測(cè)到黑色引導(dǎo)線，反射光經(jīng)黑線反射弱。

（三）智能小車的巡線原理

智能循跡小車在貼有黑色引導(dǎo)線的淺白色地面上行駛，利用黑色對(duì)光線的反射率小這個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到地面的顏色不是黑色時(shí)，傳感器發(fā)射出去的紅外光被大部分反射回來(lái)。于是傳感器輸出低電平0。 當(dāng)傳感器檢測(cè)到地面中的黑色引導(dǎo)線，說(shuō)明紅外傳感器在黑線上方，因黑色的反射能力很弱，反射回來(lái)的紅外光很少，達(dá)不到傳感器動(dòng)作的水平，所以傳感器輸出1。繼續(xù)用單片機(jī)判斷傳感器的輸出端是0或者是1， 就能檢測(cè)出智能小車有沒有偏離黑色引導(dǎo)線。

智能小車的兩路紅外傳感器呈一行布置在小車底盤前方，攤頭朝下，方便對(duì)地面黑色引導(dǎo)線的檢測(cè)。例如，當(dāng)智能小車沿著黑色引導(dǎo)線前進(jìn)，黑色引導(dǎo)線被左側(cè)側(cè)探頭檢測(cè)到，就意味著小車已經(jīng)偏離，此時(shí)紅外傳感器模塊的左側(cè)傳感器輸出高電平，左電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，右電機(jī)照常轉(zhuǎn)動(dòng)，智能小車左轉(zhuǎn)，回到原軌道方向，巡線的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)三種情況：

情況1：黑色線被左側(cè)探頭檢測(cè)到，則意味著小車已經(jīng)偏移到賽道右側(cè)，應(yīng)該左轉(zhuǎn)，如圖2所示；情況2：黑色線被右側(cè)探頭檢測(cè)到，則意味著小車已經(jīng)偏移到賽道左側(cè)，應(yīng)該右轉(zhuǎn)，如圖3所示；情況3：黑線沒有被任何一個(gè)探頭檢測(cè)到，則繼續(xù)直行。

（四）智能小車的硬件連接

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，主要研究單片機(jī)模塊、電機(jī)控制模塊和紅外傳感器模塊，將電機(jī)控制模塊的P1.1-P1.6、紅外傳感器模塊的P3.2-P3.5、VCC、GND分別與單片機(jī)模塊對(duì)應(yīng)的引腳用杜邦線連接。

2 軟件編程

在完成硬件配置后，利用單片機(jī)語(yǔ)言匯編的軟件keil uVision4完成智能小車的前進(jìn)編程和自動(dòng)巡線編程，并將程序燒錄單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試。

3 總結(jié)

經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)可使智能小車完成自動(dòng)巡線的任務(wù)目標(biāo)，并有很好的穩(wěn)定性。本次研究的智能小車自動(dòng)巡線功能是研究智能小車一個(gè)方向，還可以從以下幾個(gè)方向展開研究，在小車上裝攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控采集，還可以通過(guò)藍(lán)牙傳給遠(yuǎn)端的主機(jī)，主機(jī)可以發(fā)送命令給小車，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作等等，通過(guò)不同模塊的研究可以為智能小車的以后發(fā)展奠定一定基礎(chǔ)。

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