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自主式寻迹机器人小车的设计


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第 25 卷   7 期 第 2006 年 7 月

国              外 电 子 测 量 技 术
Fo reign Elect ro nic Measurement Technology

V

ol. 25 , No . 7 J ul. , 2006

研究与设计

自主式寻迹机器人小车的设计
朱益斌 胡学龙 朱亚锋 过晓星
( 扬州大学信息工程学院

扬州 225009)

摘 要 : 本文结合机器人竞赛 ,介绍了自主式寻迹机器人小车的设计和具体实现 。机器人以凌阳公 司的 SPCE061A 为平台 。机器人由传感器 、 控制器和驱动器等模块组成 。采用反射式红外传感器 来辨别路线 。传感器模块包括了消除干扰信号的电路 。对反射光强进行测量 ,以此为依据设置阈值 电压以保证系统的可靠性和准确性 。控制模块预置了导航地图并实现访问景点的 PID 控制算法 。 驱动模块的电机速度采用 PWM 方式进行控制 。 关键词 : 寻迹机器人   红外传感器 光电编码器 PID 算法 PWM

0  引

   随着科学技术的发展 , 机器人在社会各领域的 作用越来越大 。对机器人的研究已成为热门课题 。 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 。它是在给定的区域内 延着轨迹完成对各个目标点的访问 。其主要指标是 速度和顺利完成访问得分点的能力 。智能寻迹机器 人涉及到传感器技术 , 单片机控制 、 信号处理 、 电机 驱动 、 人工智能 、 驱动电源的设计等诸多领域 。本文 描述的智能寻迹机器人采用的是凌阳 SPCE061A 十六位单片机 ,利用红外传感器感知外界信号 、 光电 编码器和 PID 算法控制直线行走姿态 。

1
1. 1

对机器人赛车的要求    机器人赛车必须是全自主方式 。比赛场地内的

作者简介 : 朱益斌 (1983 - ) ,男 ,扬州大学电子信息工程专业 。

Abstract : Co mbined wit h ro bot co ntest , t he design and implementatio n of auto2searching for t rack vehicle in ro bot is int roduced. The ro bot is designed o n t he basis of t he SPCE061A system. It co n2 sist s of sensor , co nt roller and driver . Inf rared sensor is used to recognize t he ro ute. The sensor cir2 cuit can eliminate t he noise. The st rengt h of t he reflected light is measured and suitable t hreshold voltage is set to ensure t he reliabilit y and p recisio n of t he system. Certain elect ro2map is p re2set in t he co nt roller and t he PID algorit hm is run to visit t he scenic spot s following t he map . The velocit y of motor in driver is co nt rolled in PWM manner . Keywords : Robot of auto2searching for track , infrared sensor , photoelectric encoder , PID algorithm , PWM.



技术方案

胡学龙 (1960 - ) ,男 ,扬州大学电子信息工程学院教授 ,主要研究方向为信号与信息处理 。

Design of auto2searching f or track car in robot
Zhu Yibin  Hu Xuelo ng  Zhu Yafeng  Guo Xiao xing
( Yangz hou Uni versit y , Yangz hou 225009 , Chi na)

光线不能保证绝对均匀 。在比赛过程中 , 除了启动 操作之外 ,不得用任何有线或无线方式对机器人赛 车进行操作 。比赛在 6m ×6m 的场地进行 。共有 12 个景点 ( 景点的难度不同 ,分值不同) 和起止点组 成 ,路径具有多个十字或丁字路口 。所有的景点都 在道路 的 两 旁 , 景 点 与 主 干 道 最 短 距 离 不 小 于 50cm ,两个路口之间的距离也不小于 50cm 。赛道 的表面为绿色 ,没有明确的边界 ,赛道的中心线是宽 度为 2. 4cm 的白线 ,用于机器人的导航 。在每个景 点处都安装有一块白色挡板 , 用于代表各景点 。机 器人碰到白色挡板 ,即可获得该景点的分值 。 1. 2   传感器模块    由于机器人活动场地的背景为绿色 , 行走路线 为白色导航线 ,所以首先要解决的是机器人如何分 辨白色和绿色 ,这就涉及到传感器的选择 。    本机器人采用红外传感器 ,相对于 CCD 等传感 器 ,红外反射式传感器具有价格低廉 , 外围电路简

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2006 年第 7 期

朱益斌 等 : 自主式寻迹机器人小车的设计

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单 ,并能够满足本机器人的要求 。当发光管照射在 白色导航线上时 ,反射光强 , 光敏三极管导通 ; 当照 射在绿色背景时反射光很弱 , 光敏三极管截止 。反 射光的强弱受到多种因素的影响 , 如反射表面的形 状、 、 、 颜色 阳光 灯光照射等 。如果直接将测量到的 信号传输给单片机 , 容易受干扰而产生错误 。采用 对反射光强进行测量 , 以此为依据设置阈值电压的 方法可以提高系统的可靠性和准确性 。    反射光强度是反射面与传感器之间距离的非线 性函数 ,根据系统的实际情况 ,通过实验得出传感器 在测到导航线时的电压 , 运算放大器 L M324 就以 此作为比较的依据 。表 1 列出了本系统的四个传感 器的测量数据 。 表1  实验数据
传感器编号
1 2 3 4

现平台 。SPCE061A 型单片机是凌阳公司的 16 位 微处理器 ,具有体积小 、 集成度高 、 易扩展 、 功耗低 、 中断 处 理 能 力 强 等 特 点 。内 嵌 32 K 字 闪 存 FL A S H ,处理速度高 , 能够方便地完成普通单片机 的功能 ,还具有较强的语音信号的处理能力 。 1. 4 驱动模块    机器人的电机由单片机提供的不同占空比的方 波信号控制 。电机驱动芯片是 L M293 ,它能最大提 供 1A 的驱动电流 , 能同时控制两组电机 。电机的 驱动电路如图 2 所示 。

检测白线时的电压
1. 18 V 1. 36 V 1. 41 V 1. 59 V

检测绿纸时的电压
0. 23 V 0. 31 V 0. 27 V 0. 44 V

   由此可见 ,传感器的特性差异很大 ,若直接作为 图 2 电机驱动电路 控制器的输入信号会产生误差 , 解决方法有以下几 种:    若不采用适当的算法 , 机器人行走时会出现   ( 1) 先把每个红外传感器的特性都测量好 ,然后 “S” 形曲线 ,不光影响速度 , 还容易偏离轨迹 。采用 分别改变它们外围电阻值把它们的输出电压调节到 光电编码器和码盘 ,以及鲁棒性较强的算法 ,就能很 同一门限上 。 好地克服这种现象 ,并能够测出机器人的速度 ,以及   ( 2) 分别调节各个传感器的高度 ,让它们的输出 转弯的角度 。 电压具有同样的门限 。   SPCE061A 的两个定时/ 计数器 TIMEA 、 TIMEB   ( 3) 为比较器选择一个合适的比较电压 。 和 LM293 的两使能端 EN1 、 连接 ,产生 PWM 信 EN2    前两种方法由于硬件电路不容易再改动 , 不能 号控制电机 ,控制方波的占空比可以控制机器人的速 很简单的实现 ,即使能实现 ,如果有传感器或相关器 度 。LM293 的 4 个输入端 IN1~ IN4 被分为两组 ,通 件损坏 ,就不容易更换 。本系统采用第三种方案 ,设 过输入高/ 低或低/ 高电平实现电机的正/ 反转 ,从而 定阈值电压为 0. 9V 。传感器实际电路如图 1 所示 。 使机器人前进/ 倒退。值得注意的是每组输入端禁止 出现同高或同低 ,以免烧毁驱动芯片。

2  程序和算法
   主程序流程图如图 3 所示 。机器人能否成功访 问各点 ,关键就是能否走好直线和在各交叉点按照 人的意愿正确转向 。为此 , 需要建立导航地图和编 写鲁棒性较强的直线行走算法 。经实际使用 , 机器 人寻迹效果很好 。 2. 1   导航地图    机器人寻迹的是一条连续的线路 , 在线路上有 不同的结点 ,而结点有可能只是转弯点 ,也有可能结 点上有景点 。这和链表的数据结构类似 , 把线路上 的结点作为链表的结点 ( 设有 N - 1 个 ) , 结点是一

图1
1. 3

传感器原理图

控制器模块    机器人以凌阳公司的 SPCE061A 开发板为实

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国              外 电 子 测 量 技 术

第 25 卷

图3

程序流程图

结构体 ,结构体内包含了结点编号 ,如果只是转弯点 则提供转弯的方向 、 如果有景点则提供景点的方向 和编号 。结点结构体如下 :
   St ruct Rdpoint    { char PointNo ;    / 3 结点编号 3 /    char RdBranch ;    / 3 道路转弯方向 3 /    char SpotNo ;    3 该结点上的景点的编号 3 / /    char SpotOrnt ;    3 该结点上的景点的方向 3 / /    st ruct Rdpoint 3 next    }

  U = K ( Ei + T/ T I × ∑ Ej + T d / T × ( Ei EI - 1 ) ) + U 0    这里 U 是控制量 ,作为 Drive 的控制参数 ,U0 是 控制量的基准即电机希望的速度 ,E 是实际速度与期 望速度的偏差 ,Ei 是第 i 次采样的偏差 ,Ei - 1 是第 i - 1 次的偏差 , ∑Ej 是偏差的累加 , K 是调节的比例系数 , T 为采样周期 , Ti 是积分时间 , Td 是微分时间 。    利用红外传感器来判断机器人处在直线上还是 结点上 ,在直线上就调用直线程序 。此程序的执行 要结合硬件光电编码器和码盘来使用 。码盘随着轮 子一起转动 ,码盘上的黑条和白条交替经过光电编 码器 ,构成脉冲串 , 脉冲串再输给单片机进行计数 。 程序中 d_1 和 d_2 是左右轮的分辨率 , 在不同的时 间段内读出光电编码器的脉冲数以及轮胎的转动圈 数求取平均值 ,利用下面的公式 :d = ( m × ) / p 计算 l 分辨率 。    因为两个轮子可能存在偏差 , 所以 d_1 和 d_2 要分别求出 ,否则会影响系统的稳定性 。比例系数 K 和采样周期 T 通过实验得到 。这些值的确定都 是为了尽可能地保证系统的稳定 。转弯时通过已经 得到的第 i 个点的转弯方向 , 单片机同时控制两个 轮子互相反转 , 使机器人的中轴保持在导航线上 。 利用红外传感器感测量转弯是否成功 。

3

结论

   当机器人走过一个结点后 ,就调用下一个结点为

它下一步的控制提供依据 ,直到最后一个结点结束 。 2. 2 直线的主要程序
v_1 = (float) round (1) 3 d_1/ t ; / 3 v_1 为左轮的速度 ,ro und (1) 为左轮在时间 t 内的 脉冲数 ,d_1 为左轮的分辨率 3 / error_1_i = v - v_1 ; / 3 求速度差 ,v_1 为左轮当前 速度 ,v 为期望值 3 / v_2 = (float) round (2) 3 d_2/ t ;    erro r_2_i = v - v_2 ; ??   u_1_i = k1 3 ( error_1_i + t/ ti1 3 erro r_ 1_i2 + td1/ t 3 ( erro r_1_i - error_1_i1) ) + v ;    3 求左轮的控制量 3 / /   u_2_i = k2 3 ( error_2_i + t/ ti2 3 erro r_ 2_i2 + td2/ t 3 ( erro r_2_i - error_2_i1) ) + v ;    drive ( 1 , (int ) u_1_i) ; / 3 对左轮进行控制 3 /    drive (2 , (int) u_2_i) ;

   本文给出了实现机器人寻迹的方法 。利用红外 传感器进行寻迹 ,用光电编码器和 PID 算法对走直 线进行控制 ,以链表结构作为电子地图 。制作的机 器人能很好的进行寻迹和访问目标点 , 运行过程稳 定 ,抗干扰能力较强 ,反应速度快 。对进一步研究自 动行走机器人技术有借鉴作用 , 可运用于小区和仓 库等场所的自动巡视机器人的研发 。 参考文献
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西安 : 西安电子科技大学出版社 ,2004.
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空航天大学出版社 ,2003.
[ 3 ] 吴建平 ,殷战国 ,曹思榕 ,等 . 红外反射式传感器在自主

   该程序采用 PID 算法进行反馈控制 。PID 控 制结构简单 ,参数容易调整 ,不必求出被控对象的数 学模型便可以进行调节 。PID 公式如下 :

式寻迹机器人导航中的应用 [J ] . 中国测试技术 ,2004 , 30 ( 6) :21223. [ 4 ] 沈猛 ,徐德民 ,李俊 ,等 . 轮式移动机器人组合导航方法 及试验研究 [J ] . 计算机仿真 ,2005 ,22 ( 7) :85287 ,152. [ 5 ] 王洪瑞 ,方一鸣 ,路宏广 ,等 . 光电脉冲编码器在并联机 器人位移检测中的应用 [J ] . 工业仪表与自动化装置 , 1994 ( 6) :35237. [ 6 ] 本书编写组编 . 最新国外线性器件手册 ( 下 ) [ M ] . 南 昌 : 江西科学技术出版社 ,1998.


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