1 前言

　　機器人技術是融合了機械,、電子,、傳感器、計算機,、人工智能等許多學科的知識,，涉及到當今許多前沿領域的技術。一些發(fā)達國家已把機器人制作比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段,。如日本每年都要舉行諸如“NHK杯大學生機器人大賽”,、“全日本機器人相撲大會”、“機器人足球賽”等各種類型的機器人制作比賽,，參加者多為學生,，旨在通過大賽全面培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)造能力,、合作能力和進取精神,，同時也普及智能機器人的知識.[1]

　　開展機器人的制作活動，是培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新精神和實踐能力的最佳實踐活動之一,，特別是機電專業(yè)學生開展綜合知識訓練的最佳平臺,。本文針對具有引導線環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點問題，基于單片機控制及傳感器原理,，通過硬件電路制作和軟件編程,，制作了一個機器人，實現(xiàn)了機器人的路徑跟蹤和自動糾偏的功能,，并能探測金屬,，實時顯示距離。

　　2 機器人要完成的功能

　　選取一塊光滑地板或木板,，上面鋪設白紙,，白紙上畫任意黑色線條（線條不要交叉），作為機器人行走的軌跡,，引導機器人自主行走,。紙下沿黑線軌跡隨機埋藏幾片薄鐵片,，鐵片厚度為0.5～1.0mm。機器人沿軌跡行走一周,，探測出埋藏在紙下鐵片,，發(fā)出聲光報警，并顯示鐵片距離起點的位置,。

　　3 硬件設計方案

　　機器人總體構成

圖1機器人總體構成

　　如圖1所示,，以微處理器為核心，接受傳感器傳來外部信息,，進行處理,，控制機器人的運行。

　　系統(tǒng)電源供電部分

　　由于機器人電機,，傳感器及系統(tǒng)CPU等部分均采用+5V供電,，考慮電動車功率和車載質量及摩擦阻力問題，電源我們采用電動車自帶干電池組,，功耗小,、體積小和質量輕，安裝較為方便,。

　　電機驅動及PWM調(diào)速部分

　　機器人需控制在一個合適的速度行駛,，速度太快，因單片機對各傳感器傳來的信號有一個響應,、處理時間,，小車極易偏離軌道。小車的速度是由后輪直流電機轉速控制,，改變直流電機轉速通常采用調(diào)壓,、調(diào)磁等方式來實現(xiàn)。其中,，調(diào)壓方式原理簡單,，易與實現(xiàn)。

　　采用由晶體管組成的H型PWM調(diào)制電路,。通過圖2所示PWM調(diào)制電路,，用單片機控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)狀態(tài)，實現(xiàn)調(diào)速,。

圖2 電機驅動電路

　　令單片機P1.7口為低電平,，P1.6口為高電平，此時Q1,、Q4導通，Q2,、Q3截止,，電動機正常工作,。改變P1.6口高電平周期，即改變PWM調(diào)制脈沖占空比,，可以實現(xiàn)精確調(diào)速,。脈沖頻率對電機轉速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好,，但帶負載能力差;脈沖頻率低則反之[2],。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在30Hz 以上,，電機轉動平穩(wěn),，但小車行駛時，由于摩擦力使電機轉速降低很快,，甚至停轉;脈沖頻率在10Hz以下,，電機轉動有跳躍現(xiàn)象，實驗證明脈沖頻率在 25～35Hz效果最佳,。我們選取脈沖頻率為30Hz,。

　　引導線檢測模塊

　　根據(jù)白紙和黑線反射系數(shù)不同，通過以光電傳感器為核心的光電檢測電路將路面兩種顏色進行區(qū)分,，轉化為不同電平信號,，將此電平信號送單片機，由單片機控制轉向電機作相應的轉向,，保證小車沿引導線行駛,。考慮到小車與路面的相對位置,，采用反射式光電檢測電路,。

　　紅外光電傳感器TCRT1000，它是一種光電子掃描,，光電二極管發(fā)射,，三極管接收并輸出的裝置 .它的特點是尺寸小、使用方便,、信號高輸出,、工作狀態(tài)受溫度影響小。它的外圍電路簡單,，（如圖3所示）,。二極管的C端和三極管的E端接地，二極管的A端通過一電阻和電源相接,，組成偏置電流電路;三極管的C端也通過一電阻和電源相接,，組成輸出電路。當檢測器檢測到白色時,，其輸出低電平;當檢測到黑色時,，則輸出高電平,。

　　為提高檢測精度，采用了多傳感器信息融合技術,。設計中,，在車頭均勻布置三個光電傳感器，其中,，中間一個（Q1）安裝在小車正中央,。Q1的輸出經(jīng)一級比較器和非門，接單片

圖3 光電檢測轉換電路

　　機的P1.3腳.Q1左右兩端分別布置一個傳感器,，經(jīng)與圖3相同的電路后也連接到單片機P1口,。若兩側某一傳感器檢測到黑線，表明小車正脫離軌道,，將3個檢測點的結果融合后作為單片機的輸入,，機器人按照單片機P1口信息進行判斷調(diào)整，實現(xiàn)路徑跟蹤和自動糾偏[3],。

　　金屬探測部分

圖4 金屬探測電路

　　如圖4所示,，金屬探測器使用一接近開關，探測有效距離約為4mm,，將它固定在機器人上,，當探測到金屬片時，探測器輸出端輸出低電平,，經(jīng)反向器后接一發(fā)光二極管和一蜂鳴器,，發(fā)出聲光指示信號。同時輸出反向后接單片機,，對探測到的金屬片個數(shù)進行計數(shù),。

　　霍爾元件測距設計

　　霍爾集成片內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當磁鐵正對金屬板時,，根據(jù)霍爾效應,，金屬板發(fā)生橫向導通[4]，因此可以在車輪上安裝磁片,，而將霍爾集成片安裝在固定軸上,，通過對脈沖計數(shù)進行距離測量。小車后輪每轉一圈,，霍爾元件產(chǎn)生的脈沖送入單片機的T0口進行計數(shù),，單片機完成脈沖數(shù)到距離的轉換。在后輪安裝一個磁極,，測量誤差是一個車輪的周長,，可在軟件中給予補償。

 　　LCD顯示

　　液晶顯示器以其微功耗,、體積小,、顯示內(nèi)容豐富,、超薄輕巧的諸多優(yōu)點,，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用,。 這里采用2行16個字的DM-162液晶模塊，通過與單片機連接,，編程,，完成顯示功能。

　　4 系統(tǒng)軟件流程

　　系統(tǒng)軟件流程如圖5所示,。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

　　5 結論

　　本文基于單片機及傳感器原理,，以單片機為控制器的核心，小型直流電機作為驅動元件,，配置不同類型的傳感器,，通過軟件編程，制作出了一個價格低廉,、模塊化結構的小型機器人,。大量的行走實驗證明，該機器人能夠順利路徑跟蹤和自動糾偏自主行走,，并完成探測,、顯示等功能。

　　本文作者創(chuàng)新點：本文針對具有引導線環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點問題,，采用多傳感器信息融合技術,，通過單片機控制，實現(xiàn)了機器人的路徑跟蹤和自動糾偏的功能,，方法簡單,，易于實現(xiàn)，造價低廉,，效果較好,。

　　參考文獻

[1]韓建海，趙書尚,，張國躍等,。基于 PIC 單片機的六足機器人制作,。機器人技術與應用,，2003,06
[2] 姜長漲，于萬元,，王冬蕾,。基于AVR單片機的直流電動機的PWM調(diào)速系統(tǒng)設計,。儀器儀表用戶,，2006,02
[3] 薛艷茹,，鄭冰， 郝興貞,，等,。基于模糊控制信息融合方法的機器人導航系統(tǒng),。微計算機信息,，2005年第11-2期
[4] 張壽安?；魻栃谖恢每刂浦械膽?。長沙鐵道學院學報（社會科學版），2005,02