智能機(jī)器人迷宮車控制系統(tǒng)設(shè)計方案

摘要：機(jī)器人在軍事偵察、掃雷排險、防核化污染等危險與惡劣環(huán)境中以及工業(yè)自動化生產(chǎn)的物料搬運上應(yīng)用很廣，隨著任務(wù)復(fù)雜性的增加，對移動機(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算復(fù)雜，不易實現(xiàn)等特點。主要針對移動機(jī)器人即智能小車的行走系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，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)計采用了輪式移動機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人能直線行走、左右轉(zhuǎn)彎、主要針對路徑跟蹤算法優(yōu)化問題，提出一種有效可行的方法，該法比以往算法更簡單易行。

機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有幾個特征：移動功能，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，鼓勵理論與實踐的結(jié)合。不僅如此，現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的自動控制產(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)的時間，并且減輕了人的體力勞動的支出。走迷宮的微型機(jī)器鼠主要是基于自動引導(dǎo)小車(Auto Guided Vehicle，AGV)的原理，實現(xiàn)機(jī)器鼠識別路線，判斷并自動躲避障礙，選擇正確的行進(jìn)路線走出迷宮。在此選擇制作一個簡易的行進(jìn)裝置，使其能順利的走避障或是迷宮。為了實現(xiàn)小車識別路線，判斷并自動躲避障礙，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)動電機(jī)采用直流電機(jī)，控制核心采用MCS-51單片機(jī)。控制上采用分時復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機(jī)實現(xiàn)了信號采集、線路判斷、電機(jī)控制等功能。迷宮由16×16個區(qū)組成。起點設(shè)在拐角處，終點設(shè)在中央，占4個區(qū)。每個區(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)計方案

迷宮車由墻壁傳感器、單片機(jī)控制板、動力及轉(zhuǎn)向系組成的，控制框圖如圖2所示。

迷宮車采用輪式移動方式。優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)和控制簡單而且技術(shù)成熟。從選定電動機(jī)轉(zhuǎn)速和輪胎直徑，可以簡單地計算出小車的速度。但是，有關(guān)路面的阻力或上坡的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩等成為重要的因素?？紤]這點，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為獨立驅(qū)動輪，利用它們的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。這種組合的特點是機(jī)樞組合容易，而且當(dāng)2個驅(qū)動輪以相同速度、相反方向轉(zhuǎn)動時車體能繞2個驅(qū)動輪連線的中點自轉(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。迷宮車承載和運動不應(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度。迷宮車負(fù)載小，自重輕，對壽命的要求不高。因此，選用鐵皮。

1.1 迷宮車控制電路的設(shè)計

控制電路主要由電機(jī)驅(qū)動電路，單片機(jī)接口電路，電源電路和傳感器電路組成?？刂瓶驁D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，紅外線會被反射回來，被感光三極管接收，單片機(jī)程序?qū)π盘栠M(jìn)行比較處理，按設(shè)定的動作要求向后輪的兩個電機(jī)發(fā)出控制命令，控制小車行進(jìn)。

(2)電機(jī)驅(qū)動電路采用89S51單片機(jī)，通過L293D芯片來控制兩個驅(qū)動電機(jī)動作。89S51根據(jù)紅外傳感器對外界進(jìn)行探測后反饋回來的信號，依據(jù)迷宮車探路算法，判定迷宮車行進(jìn)方向，分別向左右兩個驅(qū)動電機(jī)發(fā)出控制指令，該信號經(jīng)L293D芯片驅(qū)動后，直接控制相應(yīng)電機(jī)動作，使迷宮車按既定動作進(jìn)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向。

1.2 迷宮車控制程序設(shè)計

控制算法：

迷宮車一般有四種控制算法：

(1)靠左算法

①默認(rèn)靠左走法。即一直沿著左墻壁走，左邊有墻時一直沿著左邊墻壁前進(jìn)，當(dāng)左邊沒有墻時左轉(zhuǎn)，然后繼續(xù)靠左邊墻壁運行。該算法使用于最簡單的迷宮走法。如圖5所示，其中虛線表示小車前進(jìn)的路線。

②算法流程圖如圖6所示。

③靠左算法的弊端。按照該算法，小車在走第二遍迷宮的時候，可以一次性的走出迷宮，但是這條道路不一定是最短的道路;如果迷宮本身存在“孤島”，那么小車很有可能走不出迷宮。如圖7所示。圖7中兩個圓點分別表示入口和出口，小車從入口進(jìn)入迷宮，靠左前進(jìn)則會導(dǎo)致小車一直按照虛線所描繪出的路線一直在迷宮里循環(huán)，終走不出迷宮。

(2)靠前算法

①靠前算法即一直沿著前方道路前行(前方?jīng)]有任何障礙時一直前進(jìn))，當(dāng)前邊沒有墻時判斷左邊，左邊沒墻左轉(zhuǎn)，左邊有墻則判斷右邊。然后重復(fù)該循環(huán)。該算法使用于最簡單的迷宮走法。

②算法流程圖如圖8所示。

③程序思路：前邊沒墻靠前走，前面有墻判斷左邊，左邊沒墻靠左轉(zhuǎn)，左邊前邊都有墻再判斷右邊，右邊沒有墻靠右轉(zhuǎn)，三面都墻直接后退轉(zhuǎn)180°，繼續(xù)靠前走。0表示有墻，1表示沒墻，p3.0表示左傳感器;p3.1表示前傳感器;p3.2表示右傳感器。