复杂路线下机器人的三点三轮寻迹系统

智能寻迹机器人是一种被广泛研究的机器人，而且国内外都有许多重要的比赛都以寻迹机器人为核心展开，如我国的“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛，以及吸引亚太地区众多国家参赛的亚广联(ABU)机器人大赛等。

所谓的复杂路线，即由小半径弯道、各种角度折道、直道等组成的不规则导引线，它是相对由大半径弯道组成、过渡平滑的简单路线而言的。笔者所设计的寻迹机器人小车，以AT89C52单片机为控制芯片，采用自制的3个红外光电传感器，以简单的设计、较低的成本实现了复杂路线下机器人的自主寻迹。

1 硬件及电路

1．1 控制芯片

考虑到实用性和性价比，采用AT89C52单片机作为机器人的控制芯片。AT89C52是美国 Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8 KB的可反复擦写的只读存储器(PEROM)和256B的随机存取数据存储器(RAM)，32个I／O口线，3个16位定时／计数器，1个全双工串行通行口。器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容。

1．2 传感器模块

作为寻迹机器人的“眼睛”，选择合适的传感器是关键。目前市面上可选用的传感器主要有CCD传感器和红外光电传感器两种。近年来CCD传感器技术已趋成熟，在近几届“飞思卡尔”杯智能车大赛上，采用CCD传感器的智能车越来越多，并取得了不错的成绩。不过，CCD传感器价格较高，体积较大，数据处理相当复杂，因此在按既定路线行走的寻迹机器人设计中，红外光电传感器以其体积小、价格低、数据处理简单而显得更有优势。

红外光电传感器由1个红外发射管和1个光敏二极管组成。工作时，红外发射管发射的红外光被被测表面反射回来，光敏二极管接收被反射光。由于被测表面的材质不同，反射率也不一样。当被测表面为白色时，反射光较强，光敏二极管将导通；反之，被测表面为黑色时，光敏二极管将截止。考虑到外界环境光照等干扰因素，输出的电压值有一定的波动范围，若直接输给单片机，可能导致检测判断错误。因此，需要将输出电压通过比较器(LM324)与预置的阈值电压比较，然后得出一个高低电平输给单片机。阈值电压通过试验测量得出，其电路如图1所示。其中LED为传感器工作指示灯，R1为阈值电压调节电阻。



根据上述电路，自制了3个简易的红外光电传感器。经测试表明，性能良好，有效检测距离为1～4 cm，满足机器人寻迹的要求。

1．3 驱动模块

驱动机器人行走的2个电机需要不同的转速来实现转弯。选用的驱动芯片为L293D，它包含4个输出通道，最大输出峰值电流为1．2 A，能同时驱动2个直流电机工作；其信号输入端和使能端接收到来自单片机的信号，控制电机的通断以及正、反转，还可以通过向使能端输入不同占空比的方波信号来调整电机转速(PWM方式)。如图2所示，IN端口接控制信号，OUT端口接电机的两端，EN端口接使能信号。一组IN端口输入为高／低或低／高电平时，能实现电机的正／反转。一组IN端口输入均为高或低电平时，电机将停转。EN使能端为高电平时，相应端口输入信号有效；反之，则输入信号无效。在EN 端输入PWM波，通过调整PWM波的占空比，即可实现电机的无级调速。



2 寻迹控制

机器人寻迹控制示意图如图3所示，机器人采用前轮驱动后轮辅助的三轮差动式行走方式。车体前部两轮均为主动轮，由两个电机分别驱动，利用它们的转速差来控制机器人运动方向；后轮为从动万向轮，仅起着支撑车体的作用。车底板前部以车体中心线为轴线对称放置着3个自制的红外光电传感器，作为机器人的寻迹传感器。



机器人寻迹场地中除了黑线，其他区域均为白色。当传感器正下方为黑线时，输出“0”状态，当其为白色区域时，输出“1”状态。因此，理论上3个传感器输出的组合状态会有8种，如表1所列。每一种组合状态都对应着一种机器人下一步的行走动作，共有前进、左转、快速左转、右转、快速右转、原地旋转、停止7种动作。



注：“+”指车轮向前运动，“-”表示车轮向后运动，“1．0”、“0．3”指的是控制相应电机转速的PWM波的占空比，可根据实际需要在程序中修改。

本机器人有着双级转弯的设计，即普通转弯和快速转弯。当机器人对黑线的偏离量比较小时，使用普通转弯，即两个驱动轮都向前运动，速度一大一小，依靠两轮的速度差来实现转弯；而当机器人偏离黑线较远时，使用快速转弯，即两个驱动轮一个向前运动，一个向后运动，这样能迅速实现转弯。普通转弯用于大半径弯道、大角度折道，而快速转弯则用于小半径弯道和直角锐角折道等非平滑过渡路线。对于非封闭路线，还设计了原地旋转的动作，来实现原路返回：一旦机器人小车走完全程，3个传感器将均检测到白色区域，输出组合状态“111”，此时一轮全速前进，一轮全速后退，小车原地旋转，直到掉过头来传感器检测到黑线为止。