1、学习任务四机器人智能感应系统制作学习任务四：机器人智能感应系统制作任务描述： 机器人寻迹前进，并检测出障碍。任务如图4-1所示。图4-1 运动场地示意图运动场地：场地是一个长300cm、宽300cm的区域。场地表面可用白纸（或PVC板），颜色为白色。场地中有一个圆形区域完成机器人的基本运动，宽度为15mm的黑色线由C点贯穿到D点，其间随机有4颗实心黑色的圆形图案，直径为30cm，称为“地雷“，场地示意图见上图4-1。（注：图中标注尺寸单位均为cm）1基本要求（1）机器人在A点出发，先直线后退50cm到B点，终点误差不大于10cm;（2）然后机器人从B点继续做直径为1米的圆周运动（从B点出发顺时
2、针或者逆时针沿圆周运动再回到B点），总计100秒内完成；（如果不能自动从B点起动，可以人工将机器人放置B点出发，一共有两次机会，若两次都失败，则本项不得分。（3） 机器人回到B点后沿轨迹线从B点直线前进100cm到C点，终点误差不大于10cm;（4）要求机器人从C点出发，自行寻找轨迹到达D点2发挥部分（1）机器人在行驶过程中能探出轨迹中的地雷，每探到一个地雷小车必须停止1秒，并发出一声蜂鸣，每探得一个地雷得5分。（2）自动记录、显示行驶时间（记录显示装置要求安装在机器人上）。（3）其它特色与创新。建议学时：15学时学习目标：完成本学习任务后，应当能够：1 能利用多种传感器设计机器人寻迹运动控制
3、板；2 能利用红外检测电路原理设计机器人查障电路；3 能完成机器人障碍物检测软件程序的设计和调试；4 能完成机器人障碍物方位判定程序的设计和调试。学习内容：1 地面灰度传感器、红外测障传感器、碰撞传感器原理与应用；2 红外检测电路原理与应用；3 障碍物检测案例分析与运用；4 障碍物方位判定案例分析与运用。引入问题一：机器人如何看到黑线？如何寻线行驶？ 利用传感器，机器人能看见黑线并根据检测到的路况和车速的当前信息，控制两个后轮直流驱动电机，相应地调整机器人的行驶方向和速度；最终的目的是使机器人能快速、稳定地按给定的黑色引导线行驶。方案一：反射式红外发射-接收传感器根据白纸和黑线反射系数不同，通
4、过以光电传感器为核心的光电检测电路将路面两种颜色进行区分，转化为不同电平信号，将此电平信号送单片机，由单片机控制转向电机作相应的转向，保证小车沿引导线行驶。采用脉冲调制的反射式红外发射-接收传感器。考虑到环境干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以很大，这样也大大提高了信噪比，可以有效避免外界环境变化对系统检测精度的影响。电路原理图如图4-1所示，由可调电阻R1，红外线发光管D1 和三极管Q1 构成的电路为红外线发射电路。R1 可以调节红外线发光管的发光强度，Q1 起驱动作用。图4-1 红外电路原理图小知识：在接收电路中，U1 为一体式红外线接收
5、传感器IRM8601S，它内部集成自动增益控制电路、带通滤波电路、解码电路及输出驱动电路。但由于它是开漏输出，所以输出端需接一个上拉电阻，见图4-1中的R3。其中R2 是限流电阻，C1 滤出电源高频干扰。当连续收到38KHz 的红外线信号时，将产生脉宽10ms 左右的低电平。如果没有收到信号，便立即输出高电平。如图4-1 所示，Pulse 为发射控制端，高电平时发射38KHz 的红外信号。Out 为接收输出端，低电平表示收到信号。设计思路：1 为了检测路面黑线，在机器人的前部安装了三组反射式红外传感器。其中左右两旁各有一组传感器，由三个传感器组成“品”字形排列，中轴线上为一个传感器。因为若采用
6、中部的一组传感器的接法，有可能出现当驶出拐角时将无法探测到转弯方向。若有两旁的传感器，则可以提前探测到哪一边有轨迹，方便程序的判断。采用传感器组的目的是防止地面上个别点引起的误差。组内的传感器采用并联形式连接，等效为一个传感器输出。取组内电压输出高的值为输出值。这样可以防止黑色轨迹线上出现的浅色点而产生的错误判断，但无法避免白色地面上的深色点造成的误判。因此在软件控制中进行计数，只有连续检测到若干次信号后才认为是遇见了黑线。同时，采用探测器组的形式，可以在其中一个传感器失灵的情况下继续工作。中间的一个传感器在寻光源阶段开启，用于检测最后的黑线标志。每个寻迹传感器由三个 ST178 反射式红外光
7、电传感器组成，内部由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，具体电路如图 4-2 。图4-2 红外模块原理子任务一：根据该硬件电路，编制相应的控制程序。程序流程图参考如图4-3所示。 图4-3 寻迹控制程序流程图2 整个传感装置是由四个ST178组成，完成寻线控制:主要是根据光电扫描得来的值判断过后,采取不同的选择。当装置只有最左边的传感器在引导线上,而其他的都没在的情况下,表明小车在引导线的右边,于是小车改变行驶方向,使能控制前轮方向的电机,前轮默认向左传,PWM波改变,使高电平的占空比下降,从降低后轮电机的转速,使小车以极慢速度行驶。 当装置左边两个传感器都在引导线上,而右边两个
8、不在引导线上的情况,表明小车也是在引导线的右边,于是小车同样改变方向,使能控制前轮方向的电机,前轮也是默认向左传,PWM波使后轮电机的转速稍微增加,小车以较快速度行驶。 当装置中间两个传感器在引导线上,而左右两个都不在引导线上的情况,表明小车的行驶方向是正好与线一致,于是使控制前轮的电机停转,前轮会在弹性材料的作用下,返回正前方,电极在PWM波的控制下,以比前两种情况转速都快的情况下工作,小车全速前进。 当装置右边的两个传感器在引导线上,而左边两个不在引导线上的情况,表明小车在引导线的左边,应该向右行驶,于是前轮电机在继电器控制下,反向转动,将前轮置为向右转,后轮电机速度回到情况2的等级。 当
9、装置最右边的传感器在引导线上,而其他三个都不在引导线上的情况,表明小车在引导线的左边,应该向右行驶,于是前轮电机在继电器控制下,反向转动,将前轮置为向右转,后轮电机速度回到情况1的等级。 当然这样的判断逻辑,是在引导线的宽度大于相临两个传感器间距而小于其两倍间距时,最适合机器人寻线的控制。子任务二：根据该硬件电路，绘制相应的程序流程图。 用中断来响应路面检测信号并对电机做相应的调整。方案二：色标传感器。探测路面黑线的大致原理是:光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，根据接收到的反射光强弱判断是否沿黑线前进。设计思路：在机器人底中部安装两个GDK一Znw型色标传感器，将两个色标传感
10、器探头置于运行轨迹中间，其间距调整为小于黑线的宽度。色标传感器接受到不同的颜色后会有不同的电平输出。本电路中当色标传感器检测到黑色，脚输出为高电平；检测到白色，脚输出为低电平。实际行驶时，只有当两个色标传感器同时检测为高电平，小车才直线运行，否则运用差步原理，调整方向。检测电路如图4-4。图4-4 路面黑线检测电路色标传感器工作电流大，抗干扰能力强，检测精度高，在黑色引导线两侧检测，可使小车沿运行轨迹精确行驶。子任务三：根据该硬件电路，编制相应的控制程序。方案三：灰度传感器。灰度传感器是模拟传感器。灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同的原理
11、进行颜色深浅检测。灰度传感器有一只发光二极管和一只光敏电阻，安装在同一面上。如图4-5所示。在有效的检测距离内，发光二极管发出白光，照射在检测面上，检测面反射部分光线，光敏电阻检测此光线的强度并将其转换为机器人可以识别的信号。图4-5 灰度传感器结构图设计思路：地面灰度传感器通过发光二极管照亮地面，地面的反射光线被光敏电阻接收，电阻值根据反射光线强弱而改变。地面灰度深，光敏电阻值小；地面灰度浅，光敏电阻值大。然后，阻值的变化转变成电信号，通过模拟口输入到机器人主板上的微控制器，再由微控制器中的A/D转换器将电信号进行转换后供程序使用。案例一：并行A/D转换ADC0809是一种8位的并行数据输出
12、的AD转换器，它将输入进来的模拟电压量进行采样、量化后以一定的数字转结果输出出来，这样就实现了数字化的单片机系统与模拟电路系统的接口。完成一次AD转换后，将转换得到的值显示在8个发光管上。如图4-6所示。图4-6 ADC0809模数转换电路参考程序：转换函数unsigned char ADC() char value; / P2 =0x00; /转换通道地址锁存,暂不使用 START=0; START=1; /开始转换命令 START=0; while(EOC=0);/等待转换结束 OE=1; value=P0; OE=0; return value; /*/void main() init(
13、); START = 1; / ST端产生正脉冲 START = 0; while(1) P1=ADC();/输出转换得到的数据 引入问题二：机器人如何判别障碍物及其方位？和寻迹一样，也是通过传感器判定障碍物的方位，中断响应后转入子程序控制后轮左右电机的速度，从而控制机器人的转向，达到避障的目的。方案一：红外传感器检测避障的原理和循线一样，在车头的前中后各装了一个传感器，当左边传感器检测到障碍物时，右轮减速，机器人向右转，当右边检测到障碍物时，左轮减速，当中间或全部的传感器都检测到障碍物时，机器人定向转动，从而避开障碍物。设计思路：红外部分是用的红外对管，基本原理就是电路通过一个红外管发射红外
14、线，另一个在一起的接收管接收，当前面有障碍物（最好是白色）的时候，红外线会被反射回来，同时就会被在一起的接收管接收到，并将相应单片机I/O口置为高电平，通过程序检测红外管的编号，来控制电机的转动情况（左、右转向，后退等），从而实现避障。硬件图如4-7所示。 图4-7 红外检测电路示意图红外避障电路原理图如下图4-8所示。 图4-8 红外避障电路原理图子任务四：根据红外避障电路，设计避障程序流程图及编制程序。方案二：超声波传感器避障 ST-H超声波传感器使用超声波技术直接对固体障碍物进行检测。利用监视测量发射脉冲（40KHZ波）和接收反脉冲（回波）的时间差，计算出小车到障碍物的距离来实现避障。设
15、计思路：采用外部中断INT0对回波信号进行检测（回波信号送到单片机的为一序列方波脉冲）。当收到障碍物反射回来的回波，即产生外中断。小提示：当发送超声波时，需要延时约0.1ms，这是为了避免余波信号。所谓余波信号，即超声波接收头在发射头发射信号（一组40KHz的脉冲）后，马上就接收到了超声波信号，这是超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射信号。这也是超声波检测中存在最小测量盲区的主要原因。程序流程图如图4-9所示。 图 4-9 超声波测障碍物的流程图子任务五：根据避障程序流程图，设计避障子程序。任务实施：基本要求中任务要求是寻迹，方案论证中主要问题是黑线探测技术。一、方案论证1路面情况检测方案
16、的选择方案一：反射式红外发射-接收传感器当连续收到38KHz 的红外线信号时，将产生脉宽10ms 左右的低电平。如果没有收到信号，便立即输出高电平。可用高、低电平作为判断依据。可选用三组反射式红外传感器或是四个ST178来作方案。提示：轨迹黑线有弧度，要保证机器人始终行驶在黑线上，应注意传感器的安装位置及程序判断的设计。方案二：色标传感器。色标传感器接受到不同的颜色后会有不同的电平输出。本电路中当色标传感器检测到黑色，脚输出为高电平；检测到白色，脚输出为低电平。只有脚输出同为高电平时，才能保证机器人行驶在黑线上。色标传感器安装在车体的中部，当机器人在弯道上行驶时，可能发生判断失误，对电机的修正
17、产生误导。方案三：灰度传感器。灰度传感器是模拟传感器。单片机作数据采集时，还需另加A/D转换电路，在硬件电路上稍显复杂。小组经讨论后提交设计方案。2电动机的选择 方案一：采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。 方案二：采用普通直流电机。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此建议采用直流
18、电机作为动力源。3电动机驱动方案的选择方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。方案三：采用四个大功率晶体管组成H桥电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电动机的运行。该控制电路由
19、于四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。基于以上的分析，建议电动机驱动电路选择方案三。4供电电源方案的选择方案一：采用两个电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但是多一组电池，增加了车身重量，增大了小车的惯性。方案二：采用单一电源供电。电源直接给电动机供电，因电动机启动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分电路通过集成稳压块供电。其供电电路比较简单，通过比较，小车的机动性和灵活性更为重要，供
20、电电路建议采用方案二为好。如图4-10。图 4-10 +5V电源电路原理图发挥部份是寻找地雷并报警，地雷是一个实心黑色的圆形图案，直径为30cm。比寻迹黑线的宽度多了一倍。设计思路：可同样采用光电传感器，根据安装的间距来作判断；在车体中部加装色标传感器，安装控制在直径30 cm的圆圈内，如果全部输出为高电平，即为踩到地雷，可编程报警。二、具体设计与实现单片机为小车的控制核心，电路由黑线检测模块，电机驱动模块，声光指示模块，红外线探测模块，方向控制模块，等几部分构成（超声波测距及显示模块为发挥部分）。系统框图如图4-11所示。图4-11 系统框图1系统硬件设计（1）路面黑线检测设计与实现当检测到
21、黑线时，红外光管接收到反射回来的红外光，其输出立即发生高低电平跳变，该信号经放大整形后送单片机分析处理。为保证小车延黑线行驶，采用了两个检测器并行排列。在小车行走过程中，若向左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传给单片机。，单片机控制车头向右转。路面黑线检测电路如图4-12所示。（2）电动机驱动电路设计与实现由四个大功率晶体管组成H 桥电路组成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，以保证小车完成前进、后退、左传、右转等运行动作。原理图如图4-13所示。图4-12 路面黑线检测电路图4-13 电机驱动电路2软件设计智能小车的控制器使用ATMEL公司的AT89C51单片机。程序设计上
22、使用了时钟中断来控制小车行驶的状态检测，使用外部中断来记录小车行驶的距离，软件上设置了一个状态寄存器，来记录小车运行的状态，小车的运行为沿黑线行驶状态，探地雷状态等。在黑线上行驶时，控制器检测红外传感器，如果小车行驶偏离方向，则控制小车转向轮进行转向。 在探雷状态时，控制器检测色标传感器，判断前方是否有地雷，如果有地雷则控制机器人进行探雷，发出警报。主程序流程图如图4-14所示，定时中断流程如图4-15所示，外部中断流程如图4-16所示。图4-14 主程序流程图图4-15 定时中断流程图图4-16 外部中断流程图考核标准：项 目得 分基本要求方案设计与论证、理论计算与分析、电路图，设计报告50实际完成情况完成第一项10完成第二项10完成第三项10完成第四项20发挥部分实际完成情况完成第一项20完成第二项20完成第三项10
