【摘 要】本巡線機(jī)器人設(shè)計(jì)運(yùn)用了傳感器技術(shù)和單片機(jī)智能控制技術(shù)。機(jī)器人前排安裝萬(wàn)向輪、后排安裝兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪，使其擁有較高的簡(jiǎn)易性和穩(wěn)定性。采用光電傳感器、MSP430 F449實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人快速和準(zhǔn)確的巡線功能。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人；MSP430F449：巡線

一、引言

智能巡線機(jī)器人產(chǎn)生于二十世紀(jì)九十年代，其是一個(gè)移動(dòng)的測(cè)控系統(tǒng)，采用線路顏色巡線。由機(jī)械機(jī)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試單元和信息處理與控制單元五個(gè)部分。機(jī)械機(jī)構(gòu)的作用類似于人體的骨骼。傳感與測(cè)試單元的作用相當(dāng)于人體的五官，對(duì)裝備本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并將其變換成可識(shí)別信號(hào)，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?。?zhí)行機(jī)構(gòu)相當(dāng)于人體的手和足，根據(jù)控制單元的指令，快速高精度地完成要求的動(dòng)作。常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電磁式、液壓式和氣動(dòng)式機(jī)構(gòu)。信息處理與控制單元相當(dāng)于人體中的頭腦，將來(lái)自傳感器與測(cè)試單元的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、存貯、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果和預(yù)設(shè)的控制算法，發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。當(dāng)條帶與場(chǎng)地底色的反射性能區(qū)別不明顯時(shí)，根據(jù)反射光強(qiáng)識(shí)別線路的效果不會(huì)很好，所以采用色彩識(shí)別完成巡線[1]。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械部分是機(jī)器人的載體，設(shè)計(jì)性能良好的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將有利于簡(jiǎn)化機(jī)器人控制算法，機(jī)構(gòu)在執(zhí)行過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)控制精度。在本方案中采用了四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的配置方式，靈活性和穩(wěn)定性較高，而且能夠使機(jī)器人在比較狹長(zhǎng)的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)上采用兩層機(jī)構(gòu)，第一層底盤裝萬(wàn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)，第二層底盤用于連接上層機(jī)構(gòu)。兩層之間用角鋁連接，采用了在同一連接處緊固兩個(gè)螺釘?shù)姆椒▉?lái)加強(qiáng)強(qiáng)度。

三、傳感器接口電路設(shè)計(jì)

傳感器采用超聲波傳感器檢測(cè)是否有障礙物和有沒(méi)有到達(dá)目的地。超聲波傳感器的工作方式是通過(guò)發(fā)送器發(fā)射出來(lái)的超聲波被物體反射后傳到接收器接受來(lái)判斷是否檢測(cè)到物體。超聲波傳感器內(nèi)部都有一個(gè)振子（一塊金屬片上貼著壓電陶瓷）通過(guò)給壓電陶瓷加上電壓，它就會(huì)根據(jù)電壓的大小產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械變形，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，這就是所謂的壓電現(xiàn)象。超聲波傳感器也有透過(guò)式和反射式之分。超聲波傳感器不但可以檢測(cè)到物體，還可以通過(guò)發(fā)射器的回波返回接收器所需要的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。

四、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)部分是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的源動(dòng)力，控制著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和速度。設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定、快速響應(yīng)CPU信號(hào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度的重要保證。本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)就選用帶減速器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）電機(jī)。其具有較大的轉(zhuǎn)矩，從而能夠克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化和控制信號(hào)的變換。電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過(guò)載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響，增加的系統(tǒng)的可靠性。直流電機(jī)的空載力矩大，在控制系統(tǒng)發(fā)出停轉(zhuǎn)的同時(shí)可以立刻響應(yīng)，并且可以產(chǎn)生相當(dāng)大的力矩阻止機(jī)器人由于慣性繼續(xù)向前移動(dòng)。直流電機(jī)具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力，運(yùn)動(dòng)起來(lái)平穩(wěn)，且噪聲小。電機(jī)減速器的選擇上海朗能機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZYT60-JB80永磁直流電機(jī)。直流電機(jī)的低速性能是偏軟的，為使電機(jī)工作在穩(wěn)態(tài)下，必須根據(jù)巡線機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行需要，選擇合適的減速器。另外電機(jī)的轉(zhuǎn)速比較高，對(duì)于巡線機(jī)器人來(lái)說(shuō)，容易在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候因慣性而循跡失敗，所以它的速度在6km/小時(shí)左右就可以滿足要求。本方案采用電氣驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制，L298N芯片控制兩路電機(jī)的起停和轉(zhuǎn)速，就直接可以將其用于控制機(jī)器人底盤的后排兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。通過(guò)單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)電路輸入控制信號(hào)繼而控制驅(qū)動(dòng)輪的起停和轉(zhuǎn)速，便可以控制機(jī)器人的速度、方向了。如果不需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，則可以將PWM控制口直接接在+5V，減少對(duì)單片機(jī)端口的需求[2]。

五、智能巡線機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整方法

為了使機(jī)器人的巡線更加準(zhǔn)確，針對(duì)特定場(chǎng)地的情況下，采用適合機(jī)器人自身機(jī)械特性的算法讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確行走定位是關(guān)鍵。后排左右輪是兩個(gè)獨(dú)立的由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輪子，前排放置兩個(gè)萬(wàn)向輪。直流電機(jī)空載力矩大，可以很好地控制所驅(qū)動(dòng)的輪子起或停，萬(wàn)向輪在任何方向都可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此整個(gè)機(jī)器人的行走方向是依靠后排兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的起動(dòng)或者停止來(lái)改變的。由于底盤安裝精度和后排左右驅(qū)動(dòng)輪子之間的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不可能完全一致，因此即使驅(qū)動(dòng)板向左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率相同，也會(huì)使機(jī)器人的中心線偏離引導(dǎo)線。機(jī)器人通過(guò)后排左右輪起或停從而調(diào)整底盤姿態(tài)，目的是保持底盤中心線與白色引導(dǎo)線重合，從而讓機(jī)器人沿著引導(dǎo)線行進(jìn)到達(dá)目的地。采用的傳感器是自制的光電傳感器，當(dāng)檢測(cè)到的顏色是路面底色（深色）時(shí)向單片機(jī)輸出高電平，當(dāng)檢測(cè)到的顏色是引導(dǎo)線顏色（白色）時(shí)向單片機(jī)輸出低電平。這些向單片機(jī)輸入的高低電平實(shí)際是底盤與引導(dǎo)線的相對(duì)位置的表征量，單片機(jī)根據(jù)這些表征量來(lái)做出調(diào)整輸出，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制直流電機(jī)的起或停。

六、主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主控系統(tǒng)負(fù)責(zé)信息處理和控制外部電路，相當(dāng)于人體中的頭腦。將來(lái)自傳感器與測(cè)試單元的檢測(cè)信息和外部輸入命令進(jìn)行集中、存貯、分析、加工，根據(jù)信息處理結(jié)果和預(yù)設(shè)的控制算法，發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個(gè)系統(tǒng)有目的地運(yùn)行。采用芯片MSP430F449，并在該芯片上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的相應(yīng)算法。芯片片內(nèi)有一個(gè)硬件乘法器。在處理數(shù)據(jù)乘法時(shí)響應(yīng)很快，便于適時(shí)處理。三個(gè)捕獲/比較寄存器的十六位定時(shí)器，定時(shí)器A和定時(shí)器B。定時(shí)器便于制定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。二路PWM輸出。底盤兩個(gè)電機(jī)需要有PWM控制，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差調(diào)整底盤。四十八個(gè)I/O引腳，每個(gè)I/O口分別對(duì)應(yīng)輸入、輸出、功能選擇、中斷等多個(gè)寄存器，使得功能口和通用I/O口可以復(fù)用，大大增強(qiáng)了端口功能和靈活性。四十八個(gè)端口可以滿足采集多路信號(hào)和有足夠的擴(kuò)展口便于滿足更多的要求[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]宗光華.機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2004.2.

[2]Fred G.Marin，機(jī)器人探索-工程實(shí)踐指導(dǎo)（美）[M].北京：電子工業(yè)出版社2004.8

[3]Davod Cook.機(jī)器人制作入門篇（美）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社2005

作者簡(jiǎn)介：

郭強(qiáng)（1977，10-），男，河北行唐縣，工程師，工學(xué)學(xué)士，研究方向：機(jī)械工程及自動(dòng)化。