基于MCS-51單片機(jī)的智能機(jī)器人迷宮車設(shè)計(jì)

摘要：機(jī)器人在軍事偵察、掃雷排險(xiǎn)、防核化污染等危險(xiǎn)與惡劣環(huán)境中以及工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的物料搬運(yùn)上應(yīng)用很廣，隨著任務(wù)復(fù)雜性的增加，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的要求也越來越智能化。然而，功能較完備的路徑跟蹤控制方法普遍具有計(jì)算復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。主要針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人即智能小車的行走系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以MCS-51單片機(jī)為控制核心的智能小車?yán)脝喂馐瓷淙蛹t外傳感器，探測(cè)正前方及左右兩側(cè)障礙物，利用控制算法尋找行進(jìn)路線，在無人控制的情況下自主地走出迷宮。設(shè)計(jì)采用了輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人能直線行走、左右轉(zhuǎn)彎、主要針對(duì)路徑跟蹤算法優(yōu)化問題，提出一種有效可行的方法，該法比以往算法更簡(jiǎn)單易行。
關(guān)鍵詞：智能小車；迷宮；控制算法；避障

機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有幾個(gè)特征：移動(dòng)功能，執(zhí)行功能、感覺和智能。目前全世界各國舉辦的涉及硬件，軟件仿真的機(jī)器人大賽不下20余類。各種各樣的機(jī)器人比賽都有一個(gè)共同的宗旨：培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新精神，激發(fā)思維的想象力，鼓勵(lì)理論與實(shí)踐的結(jié)合。不僅如此，現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的自動(dòng)控制產(chǎn)品已經(jīng)介入生產(chǎn)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)上都有廣泛的應(yīng)用。新的工作方式將大大的縮短了人工作業(yè)的時(shí)間，并且減輕了人的體力勞動(dòng)的支出。走迷宮的微型機(jī)器鼠主要是基于自動(dòng)引導(dǎo)小車(Auto Guided Vehicle，AGV)的原理，實(shí)現(xiàn)機(jī)器鼠識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)躲避障礙，選擇正確的行進(jìn)路線走出迷宮。在此選擇制作一個(gè)簡(jiǎn)易的行進(jìn)裝置，使其能順利的走避障或是迷宮。為了實(shí)現(xiàn)小車識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)躲避障礙，選擇正確的行進(jìn)路線，障礙判斷采用單光束反射取樣紅外傳感器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流電機(jī)，控制核心采用MCS-51單片機(jī)?？刂粕喜捎梅謺r(shí)復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、線路判斷、電機(jī)控制等功能。迷宮由16×16個(gè)區(qū)組成。起點(diǎn)設(shè)在拐角處，終點(diǎn)設(shè)在中央，占4個(gè)區(qū)。每個(gè)區(qū)為180 mm×180 mm大小，間壁高為50 mm，厚度為12 mm，側(cè)面涂白色，底面涂黑色，如圖1所示。

1 迷宮車控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案
迷宮車由墻壁傳感器、單片機(jī)控制板、動(dòng)力及轉(zhuǎn)向系組成的，控制框圖如圖2所示。

迷宮車采用輪式移動(dòng)方式。優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單而且技術(shù)成熟。從選定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輪胎直徑，可以簡(jiǎn)單地計(jì)算出小車的速度。但是，有關(guān)路面的阻力或上坡的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩等成為重要的因素?？紤]這點(diǎn)，在輪胎上使用無線遙控車的塑膠輪胎。如圖3所示，前輪1為萬向腳輪或球形輪，后輪2和后輪3為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪，利用它們的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。這種組合的特點(diǎn)是機(jī)樞組合容易，而且當(dāng)2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪以相同速度、相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)車體能繞2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪連線的中點(diǎn)自轉(zhuǎn)，值得注意的是自轉(zhuǎn)中心與車體中心不一致。
迷宮車車身材料的選擇。迷宮車使用的材料大部分用于結(jié)構(gòu)，一般應(yīng)采用金屬材料。迷宮車承載和運(yùn)動(dòng)不應(yīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和斷裂，從力學(xué)角度講即具有足夠的強(qiáng)度。迷宮車負(fù)載小，自重輕，對(duì)壽命的要求不高。因此，選用鐵皮。
1．1 迷宮車控制電路的設(shè)計(jì)
控制電路主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)接口電路，電源電路和傳感器電路組成。控制框圖如圖4所示。

(1)紅外線光感電路傳感器通過發(fā)光二極管發(fā)出紅外線，若有障礙物在前方，紅外線會(huì)被反射回來，被感光三極管接收，單片機(jī)程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行比較處理，按設(shè)定的動(dòng)作要求向后輪的兩個(gè)電機(jī)發(fā)出控制命令，控制小車行進(jìn)。
(2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用89S51單片機(jī)，通過L293D芯片來控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作。89S51根據(jù)紅外傳感器對(duì)外界進(jìn)行探測(cè)后反饋回來的信號(hào)，依據(jù)迷宮車探路算法，判定迷宮車行進(jìn)方向，分別向左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出控制指令，該信號(hào)經(jīng)L293D芯片驅(qū)動(dòng)后，直接控制相應(yīng)電機(jī)動(dòng)作，使迷宮車按既定動(dòng)作進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向。