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

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　　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(jué)和智能。目前全世界各國(guó)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(lái)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。

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　　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(wú)線遙控車的塑膠輪胎。如圖3所示，前輪1為萬(wàn)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?？刂瓶驁D如圖4所示。

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　　(1)紅外線光感電路傳感器通過(guò)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(lái)，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(guò)L293D芯片來(lái)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(lái)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。

　　1.2 迷宮車控制程序設(shè)計(jì)

　　控制算法：

　　迷宮車一般有四種控制算法：

　　(1)靠左算法

　?、倌J(rèn)靠左走法。即一直沿著左墻壁走，左邊有墻時(shí)一直沿著左邊墻壁前進(jìn)，當(dāng)左邊沒(méi)有墻時(shí)左轉(zhuǎn)，然后繼續(xù)靠左邊墻壁運(yùn)行。該算法使用于最簡(jiǎn)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。

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　?、谒惴鞒虉D如圖6所示。

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　?、劭孔笏惴ǖ谋锥?。按照該算法，小車在走第二遍迷宮的時(shí)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(gè)圓點(diǎn)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(huì)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。

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　　(2)靠前算法

　?、倏壳八惴匆恢毖刂胺降缆非靶?前方?jīng)]有任何障礙時(shí)一直前進(jìn))，當(dāng)前邊沒(méi)有墻時(shí)判斷左邊，左邊沒(méi)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(jiǎn)單的迷宮走法。

　?、谒惴鞒虉D如圖8所示。

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　?、鄢绦蛩悸罚呵斑厸](méi)墻靠前走，前面有墻判斷左邊，左邊沒(méi)墻靠左轉(zhuǎn)，左邊前邊都有墻再判斷右邊，右邊沒(méi)有墻靠右轉(zhuǎn)，三面都?jí)χ苯雍笸宿D(zhuǎn)180°，繼續(xù)靠前走。0表示有墻，1表示沒(méi)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。

　　轉(zhuǎn)角控制思路：計(jì)算輪子的轉(zhuǎn)速，測(cè)出小車轉(zhuǎn)90°時(shí)每個(gè)輪子所行的路程，用路程來(lái)除速度，求出一個(gè)時(shí)間作為小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的延遲時(shí)間，再通過(guò)調(diào)試進(jìn)一步精確轉(zhuǎn)角。

　　(3)洪水算法

　　洪水算法即使用256 B額外內(nèi)存，會(huì)大幅提高性能。該算法比一般迷宮算法的有效率高20～50倍。同時(shí)可以在內(nèi)存中建立一個(gè)區(qū)域，與實(shí)際中的迷宮格數(shù)一一對(duì)應(yīng)。在實(shí)際使用時(shí)算法并不太復(fù)雜。該額外內(nèi)存區(qū)域稱為“浪頭”，它將體現(xiàn)在內(nèi)存區(qū)域的實(shí)際狀況中如圖9所示。當(dāng)迷宮被淹沒(méi)的時(shí)候，一個(gè)波浪的前頭從目標(biāo)格向外擴(kuò)展。在內(nèi)存區(qū)域中這種單元格是惟一需要處理的，當(dāng)浪頭到達(dá)開始的單元格子，機(jī)器人已經(jīng)被淹沒(méi)。通常來(lái)說(shuō)，開始的單元格可以是任何一個(gè)格子。但是為了方便起見，把開始點(diǎn)設(shè)在迷宮的第一個(gè)單元格，終點(diǎn)任意。反過(guò)來(lái)也可以把出口放在第一個(gè)單元格，把開始點(diǎn)設(shè)在中間或希望的位置。一旦到達(dá)了起點(diǎn)即搜索完成，最短的路徑可以使機(jī)器老鼠移動(dòng)到周圍的格子中數(shù)值比較小的那個(gè)格子去，依次類推機(jī)器老鼠就能走到終點(diǎn)。

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　　洪水算法的優(yōu)缺點(diǎn)：

　?、侔凑赵撍惴ㄐ≤囋诘谝淮巫呙詫m的時(shí)候，必須把迷宮中所有的道路都走一遍。但是該算法可以讓小車走任何迷宮，即使迷宮本身有“孤島”小車一樣可以順利的走出迷宮。

　?、诋?dāng)小車再走第二遍迷宮的時(shí)候小車可以1次性走正確的路線走出迷宮，并且該路線一定為最短的路線。

　　(4)鋪路算法

　　在內(nèi)存中建立一個(gè)區(qū)域與實(shí)際中的迷宮格數(shù)一一對(duì)應(yīng)，并將所有走過(guò)的路進(jìn)行記憶，如果發(fā)現(xiàn)前方是死胡同或走過(guò)的路就轉(zhuǎn)回前一個(gè)岔道口;在行走過(guò)程中遇岔道口默認(rèn)靠左。因?yàn)橛辛擞洃浌δ?，就可以走第二遍?/p>

　　鋪路算法的優(yōu)缺點(diǎn)：

　　①運(yùn)用該算法可以走復(fù)雜的迷宮，不存在走不出來(lái)的問(wèn)題。

　?、谶\(yùn)用該算法在小車第二次走迷宮的時(shí)候可以一次性的走出迷宮，但是不能保此條道路走的是最短的線路。

　　這幾種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)權(quán)衡比較，最終選擇靠前算法。

　　1.3 系統(tǒng)運(yùn)行及調(diào)試

　　程序運(yùn)行時(shí)遇到的問(wèn)題及解決方法：

　　(1)小車的外殼及輪子是純手工安裝的，精度不是很高，小車在行駛過(guò)程中不能一直走直線，很容易發(fā)生擦墻事故影響小車走迷宮。若是手工制作時(shí)所引起的，可通過(guò)給行駛時(shí)較落后的輪子上繞一些膠帶來(lái)增加輪子的周長(zhǎng)來(lái)解決。也可通過(guò)在電路中加入A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)程序進(jìn)行相對(duì)的改進(jìn)，不斷的測(cè)小車與周圍墻壁的距離，保持小車與周圍墻壁保持一定距離來(lái)解決。

　　(2)采用ST188型紅外線傳感器，易受外界干擾不能準(zhǔn)確地檢測(cè)墻壁信號(hào)，尤其是在強(qiáng)光下無(wú)法正常運(yùn)行，對(duì)某些材料反射的光無(wú)法接收，易受陽(yáng)光干擾，導(dǎo)致小車不能無(wú)誤地走出迷宮。引起干擾的原因是陽(yáng)光所發(fā)出的紅外線與紅外傳感器所發(fā)出的紅外線是一樣的，都是連續(xù)的，無(wú)法區(qū)別，所以易受周圍光線的干擾。對(duì)于該問(wèn)題的解決辦法是利用無(wú)線遙控基本原理使紅外傳感器所發(fā)出的紅外是一種有固定頻率有別于周圍紅外的信號(hào)。對(duì)于接收方也進(jìn)行電路處理，使有辨別能力直接收有固定頻率的紅外信號(hào)。這兩處的改進(jìn)都是通過(guò)改進(jìn)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。若是反射面所引起的，通過(guò)限制反射面的材料可以解決。根據(jù)555定時(shí)器原理，改進(jìn)傳感器電路如圖10所示。其工作原理是555電路發(fā)出頻率為100 Hz的方波，驅(qū)動(dòng)ST188放射端發(fā)光二極管以100 Hz的頻率閃動(dòng)，發(fā)出閃爍的光波，當(dāng)有障礙物接近時(shí)，反射光引起ST188接收端的光敏電阻以相同的頻率變化，使得圖10中A點(diǎn)的電壓值VA發(fā)生相應(yīng)變化。VA中包含有直流成分V直和頻率為100 Hz的交流成分V變，其中后者反映了障礙物的接近情況。為了保留有用的交流信號(hào)V交，清除直流成分V直，用隔直電容C1來(lái)完成隔直通交的功能，并由第一個(gè)運(yùn)放電路完成對(duì)V交進(jìn)行放大，由第二個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)遠(yuǎn)離障礙物時(shí)，運(yùn)放的輸出VO為高電平;當(dāng)傳感器接近障礙物時(shí)，VO輸出低電平。

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　　(3)小車的速度很難控制，通過(guò)程序控制很難把握小車的旋轉(zhuǎn)時(shí)間，小車在轉(zhuǎn)90°和180°時(shí)，經(jīng)常轉(zhuǎn)過(guò)規(guī)定的角度，以至影響小車不能直線走出迷宮。一種解決辦法是接入調(diào)壓電路，在給小車轉(zhuǎn)彎時(shí)間一定的情況，調(diào)節(jié)馬達(dá)上的電壓來(lái)改變車輪速度，不斷實(shí)踐直到達(dá)到預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)。另一種解決辦法是，在小車速度一定的情況下，不斷通過(guò)改變程序中的小車轉(zhuǎn)角時(shí)間來(lái)改變小車的轉(zhuǎn)角，多次實(shí)踐，以求達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。通過(guò)實(shí)際調(diào)試發(fā)現(xiàn)這兩種辦法單獨(dú)應(yīng)用很難達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。因此，將兩種結(jié)合起來(lái)，通過(guò)調(diào)試，容易達(dá)到目標(biāo)。

　　2 結(jié)語(yǔ)

　　機(jī)器人迷宮車是大學(xué)生電子制作常選項(xiàng)目，是電子電路、機(jī)械傳動(dòng)及自動(dòng)控制等多種知識(shí)的綜合應(yīng)用。對(duì)小車的轉(zhuǎn)向控制涉及到電機(jī)調(diào)速，可以先對(duì)小車建立控制模型，再應(yīng)用自動(dòng)控制原理知識(shí)給出具體控制算法，這樣就可以使小車轉(zhuǎn)向控制及路徑選擇更為精確。