1 前言

　　機器人技術是融合了機械、電子、傳(chuan) 感器、計算機、人工智能等許多學科的知識，涉及到當今許多前沿領域的技術。一些發達國家已把機器人製作比賽作為(wei) 創新教育的戰略性手段。如日本每年都要舉(ju) 行諸如“NHK杯大學生機器人大賽”、“全日本機器人相撲大會(hui) ”、“機器人足球賽”等各種類型的機器人製作比賽，參加者多為(wei) 學生，旨在通過大賽全麵培養(yang) 學生的動手能力、創造能力、合作能力和進取精神，同時也普及智能機器人的知識.[1]

　　開展機器人的製作活動，是培養(yang) 大學生的創新精神和實踐能力的最佳實踐活動之一，特別是機電專(zhuan) 業(ye) 學生開展綜合知識訓練的最佳平台。本文針對具有引導線環境下的路徑跟蹤這一熱點問題，基於(yu) 單片機控製及傳(chuan) 感器原理，通過硬件電路製作和軟件編程，製作了一個(ge) 機器人，實現了機器人的路徑跟蹤和自動糾偏的功能，並能探測金屬，實時顯示距離。

　　2 機器人要完成的功能

　　選取一塊光滑地板或木板，上麵鋪設白紙，白紙上畫任意黑色線條(線條不要交叉)，作為(wei) 機器人行走的軌跡，引導機器人自主行走。紙下沿黑線軌跡隨機埋藏幾片薄鐵片，鐵片厚度為(wei) 0.5～1.0mm。機器人沿軌跡行走一周，探測出埋藏在紙下鐵片，發出聲光報警，並顯示鐵片距離起點的位置。

　　3 硬件設計方案

　　機器人總體(ti) 構成

圖1機器人總體(ti) 構成

　　如圖1所示，以微處理器為(wei) 核心，接受傳(chuan) 感器傳(chuan) 來外部信息，進行處理，控製機器人的運行。

　　係統電源供電部分

　　由於(yu) 機器人電機，傳(chuan) 感器及係統CPU等部分均采用+5V供電，考慮電動車功率和車載質量及摩擦阻力問題，電源我們(men) 采用電動車自帶幹電池組，功耗小、體(ti) 積小和質量輕，安裝較為(wei) 方便。

　　電機驅動及PWM調速部分

　　機器人需控製在一個(ge) 合適的速度行駛，速度太快，因單片機對各傳(chuan) 感器傳(chuan) 來的信號有一個(ge) 響應、處理時間，小車極易偏離軌道。小車的速度是由後輪直流電機轉速控製，改變直流電機轉速通常采用調壓、調磁等方式來實現。其中，調壓方式原理簡單，易與(yu) 實現。

　　采用由晶體(ti) 管組成的H型PWM調製電路。通過圖2所示PWM調製電路，用單片機控製晶體(ti) 管使之工作在占空比可調狀態，實現調速。

圖2 電機驅動電路

　　令單片機P1.7口為(wei) 低電平，P1.6口為(wei) 高電平，此時Q1、Q4導通，Q2、Q3截止，電動機正常工作。改變P1.6口高電平周期，即改變 PWM調製脈衝(chong) 占空比，可以實現精確調速。脈衝(chong) 頻率對電機轉速有影響，脈衝(chong) 頻率高連續性好，但帶負載能力差;脈衝(chong) 頻率低則反之[2]。經實驗發現，脈衝(chong) 頻率在30Hz以上，電機轉動平穩，但小車行駛時，由於(yu) 摩擦力使電機轉速降低很快，甚至停轉;脈衝(chong) 頻率在10Hz以下，電機轉動有跳躍現象，實驗證明脈衝(chong) 頻率在25～35Hz效果最佳。我們(men) 選取脈衝(chong) 頻率為(wei) 30Hz。

　　引導線檢測模塊

　　根據白紙和黑線反射係數不同，通過以光電傳(chuan) 感器為(wei) 核心的光電檢測電路將路麵兩(liang) 種顏色進行區分，轉化為(wei) 不同電平信號，將此電平信號送單片機，由單片機控製轉向電機作相應的轉向，保證小車沿引導線行駛。考慮到小車與(yu) 路麵的相對位置，采用反射式光電檢測電路。

　　紅外光電傳(chuan) 感器TCRT1000，它是一種光電子掃描，光電二極管發射，三極管接收並輸出的裝置 .它的特點是尺寸小、使用方便、信號高輸出、工作狀態受溫度影響小。它的外圍電路簡單，(如圖3所示)。二極管的C端和三極管的E端接地，二極管的A端通過一電阻和電源相接，組成偏置電流電路;三極管的C端也通過一電阻和電源相接，組成輸出電路。當檢測器檢測到白色時，其輸出低電平;當檢測到黑色時，則輸出高電平。

　　為(wei) 提高檢測精度，采用了多傳(chuan) 感器信息融合技術。設計中，在車頭均勻布置三個(ge) 光電傳(chuan) 感器，其中，中間一個(ge) (Q1)安裝在小車正中央。Q1的輸出經一級比較器和非門，接單片

圖3 光電檢測轉換電路

　　機的P1.3腳.Q1左右兩(liang) 端分別布置一個(ge) 傳(chuan) 感器，經與(yu) 圖3相同的電路後也連接到單片機P1口。若兩(liang) 側(ce) 某一傳(chuan) 感器檢測到黑線，表明小車正脫離軌道，將3個(ge) 檢測點的結果融合後作為(wei) 單片機的輸入，機器人按照單片機P1口信息進行判斷調整，實現路徑跟蹤和自動糾偏[3]。

　　金屬探測部分

圖4 金屬探測電路

　　如圖4所示，金屬探測器使用一接近開關(guan) ，探測有效距離約為(wei) 4mm，將它固定在機器人上，當探測到金屬片時，探測器輸出端輸出低電平，經反向器後接一發光二極管和一蜂鳴器，發出聲光指示信號。同時輸出反向後接單片機，對探測到的金屬片個(ge) 數進行計數。

　　霍爾元件測距設計

　　霍爾集成片內(nei) 部由三片霍爾金屬板組成，當磁鐵正對金屬板時，根據霍爾效應，金屬板發生橫向導通[4]，因此可以在車輪上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈衝(chong) 計數進行距離測量。小車後輪每轉一圈，霍爾元件產(chan) 生的脈衝(chong) 送入單片機的T0口進行計數，單片機完成脈衝(chong) 數到距離的轉換。在後輪安裝一個(ge) 磁極，測量誤差是一個(ge) 車輪的周長，可在軟件中給予補償(chang) 。

　　LCD顯示

　　液晶顯示器以其微功耗、體(ti) 積小、顯示內(nei) 容豐(feng) 富、超薄輕巧的諸多優(you) 點，在袖珍式儀(yi) 表和低功耗應用係統中得到越來越廣泛的應用。 這裏采用2行16個(ge) 字的DM-162液晶模塊，通過與(yu) 單片機連接，編程，完成顯示功能。

　　4 係統軟件流程

　　係統軟件流程如圖5所示。

圖5 係統軟件流程圖

　　5 結論

　　本文基於(yu) 單片機及傳(chuan) 感器原理，以單片機為(wei) 控製器的核心，小型直流電機作為(wei) 驅動元件，配置不同類型的傳(chuan) 感器，通過軟件編程，製作出了一個(ge) 價(jia) 格低廉、模塊化結構的小型機器人。大量的行走實驗證明，該機器人能夠順利路徑跟蹤和自動糾偏自主行走，並完成探測、顯示等功能。

　　本文作者創新點：本文針對具有引導線環境下的路徑跟蹤這一熱點問題，采用多傳(chuan) 感器信息融合技術，通過單片機控製，實現了機器人的路徑跟蹤和自動糾偏的功能，方法簡單，易於(yu) 實現，造價(jia) 低廉，效果較好。

　　參考文獻

　　[1]韓建海，趙書(shu) 尚，張國躍等。基於(yu) PIC 單片機的六足機器人製作。機器人技術與(yu) 應用，2003,06#p#分頁標題#e#

　　[2] 薑長漲，於(yu) 萬(wan) 元，王冬蕾。基於(yu) AVR單片機的直流電動機的PWM調速係統設計。儀(yi) 器儀(yi) 表用戶，2006,02

　　[3] 薛豔茹，鄭冰， 郝興(xing) 貞，等。基於(yu) 模糊控製信息融合方法的機器人導航係統。微計算機信息，2005年第11-2期

　　[4] 張壽安。霍爾效應在位置控製中的應用。長沙鐵道學院學報(社會(hui) 科學版)，2005,02