毛海懿/重慶育才中學(xué)

基于灰度傳感器的機(jī)器人路徑跟隨功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

毛海懿/重慶育才中學(xué)

智能小車是一種能夠通過編程手段完成特定任務(wù)的小型化機(jī)器人，具有制作成本低廉、電路結(jié)構(gòu)簡單、程序調(diào)試方便、趣味性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，深受廣大機(jī)器人愛好者以及學(xué)生的喜愛。路徑跟隨是智能小車應(yīng)具備的基本功能之一。本文介紹一種基于灰度傳感器的機(jī)器人路徑跟隨的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

路徑跟隨；灰度傳感器；智能小車；圖形化設(shè)計(jì)

一、設(shè)計(jì)制作背景

隨著機(jī)器人技術(shù)的成熟，智能車以及在智能車基礎(chǔ)上開發(fā)出來的產(chǎn)品已成為自動化物流運(yùn)輸、柔性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，某些場合要求工作小車有自動尋跡、自動避障功能。路線檢測的準(zhǔn)確與否直接影響小車尋跡時(shí)的行駛狀態(tài)及速度，而自動尋跡在實(shí)際生活中有廣泛應(yīng)用，因此尋求一種低成本、抗干擾性強(qiáng)并且位置指示準(zhǔn)確的路徑檢測方法具有重要意義。

路徑跟隨機(jī)器人系統(tǒng)主要由感知、執(zhí)行及控制三部分組成。感知部分包括信息監(jiān)測系統(tǒng)和信息融合系統(tǒng)，執(zhí)行部分包括驅(qū)動系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，控制部分包括人機(jī)交互系統(tǒng)和決策系統(tǒng)。

機(jī)器人尋跡所用到的傳感器多不勝數(shù)，如光電傳感器、灰度傳感器、電磁傳感器、激光傳感器及紅外傳感器等都屬于尋跡傳感器?；叶葌鞲衅髦饕脕頇z測地面的灰度值，進(jìn)行簡單的顏色識別和黑白線區(qū)別。

二、設(shè)計(jì)制作思路

本智能小車可分為硬件和軟件兩個部分。硬件包括用“博創(chuàng)”套件搭建好尋跡機(jī)器人的主體，以及將灰度傳感器正確地安裝在機(jī)器人的主體上。軟件包括正確地編寫程序并下載到機(jī)器人，使機(jī)器人能夠通過指令改變運(yùn)動軌跡并且始終保持在規(guī)定的路徑上面。具有代表性的搭建路徑常為蛇形路徑。當(dāng)傳感器監(jiān)測到路徑時(shí)機(jī)器人直行，當(dāng)傳感器監(jiān)測到非路徑時(shí)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎，讓機(jī)器人能夠始終行駛在路徑上直到路徑結(jié)束。圖1是其總體控制流程。

圖1 總體控制流程

三、硬件系統(tǒng)組成

“博創(chuàng)”套件包括有控制器單元、傳感器單元、執(zhí)行器單元和通用結(jié)構(gòu)零件等。其優(yōu)點(diǎn)是每個“積木”單元之間都能夠很容易地進(jìn)行拼接和組裝。采用這種套件可以很簡單地搭建出自己所需要的機(jī)器人樣式，并且能夠根據(jù)自己的喜好搭建出許多富有想象力的機(jī)器人并且能夠?yàn)樽约核罱ǔ鰜淼臋C(jī)器人進(jìn)行編程。本智能車硬件組成分為控制部分、檢測部分、運(yùn)動部分三個模塊。

MultiFLEX?2-PXA270控制器支持使用圖形化編程軟件NothSTAR,通過軟件的集成化開發(fā)環(huán)境可以快速簡潔地開發(fā)出程序。將CDS5516機(jī)器人專用舵機(jī)、輪子、傳感器、和控制器連接起來以形成機(jī)器人結(jié)構(gòu)部件。

傳感器是檢測部分的核心，在智能機(jī)器人中起了決定性的作用。灰度就是由純黑色到純白色的過渡色?；叶葌鞲衅魇怯筛吡罫ED燈和光敏電阻兩部分組成，當(dāng)高亮LDE燈所發(fā)出的白光照射到可檢測的路徑上時(shí)，路徑反射其部分光線，此時(shí)光敏電阻可檢測到反射光線的強(qiáng)度并且能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為控制器可識別、處理的模擬信號。

為保證舵機(jī)能夠正常地運(yùn)作，對舵機(jī)進(jìn)行速度與角度的調(diào)試是必不可少的。Robot Servo Terminal軟件是專門用來對CDS5516機(jī)器人舵機(jī)進(jìn)行調(diào)試的軟件，如果在一個串聯(lián)線上有多個舵機(jī)則此軟件可以將每個舵機(jī)都檢測到并且按照先后順序?qū)Ω鱾€舵機(jī)依次進(jìn)行調(diào)試。

搭建智能車需要的基本套件有MultiFLEX?2-PXA270控制器、灰度傳感器、正六邊形底盤、機(jī)器人專用舵機(jī)、輪子、連接件組及舵機(jī)結(jié)構(gòu)件。搭建基本過程可以概括為首先用雙孔U型結(jié)構(gòu)件鉚釘及連接件將控制器連接到正六邊形底盤上，然后將黃色連接件安裝在舵機(jī)架中間的孔中，通過鉚釘將舵機(jī)安裝在舵機(jī)架的鏤空部分，再將輪子通過連接件安裝在固定好的舵機(jī)上并對稱地安裝在底盤的四周，最后將驅(qū)動部分的信號線連接到控制器的Robot Servo端口上，至此尋跡機(jī)器人的運(yùn)動部分搭建完成。灰度傳感器的使用數(shù)量及排列方式不同對機(jī)器人尋跡效果起著決定性的作用，為了獲得相對較好的尋跡效果而又不至于使得控制太復(fù)雜，本智能車采用三個灰度傳感器在正前方并排排列?；叶葌鞲衅鞯男盘柧€與控制器的AD Port接口相連。制作的效果圖如圖2所示。

圖2 搭建效果圖

四、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件工作流程如圖3所示。

圖3 控制軟件工作流程

為了使機(jī)器人能在不同的光照條件下正常運(yùn)行，需要分別在強(qiáng)光、正常光及暗光條件下對反射光線強(qiáng)度的上下限值進(jìn)行確定，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以看出，不管是在何種條件下路徑的上限值都要低于地面的下限值，綜合各種條件確定一個臨界值。

表1 三種條件下的反射光線強(qiáng)度值

由于每個傳感器所檢測到的信息都是相互獨(dú)立、互不影響的，于是可利用二進(jìn)制對每個傳感器是否檢測到路徑進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置：0表示傳感器沒有檢測到路徑、1表示傳感器檢測到路徑。三個傳感器檢測結(jié)果可用一個三位二進(jìn)制iNum來表示，其中左邊傳感器檢測結(jié)果為低位。根據(jù)iNum得出控制器控制舵機(jī)的運(yùn)行，如表2所示。當(dāng)傳感器檢測到不同的信息時(shí)，傳感器的光敏電阻將該信息反饋給控制器，得到檢測信息，并對其進(jìn)行編號以后，就可以對不同的編號進(jìn)行具體分析，得到機(jī)器人不同的運(yùn)動狀態(tài)。

表2 檢測信息編號的算法

NothSTAR是一個圖形化交互式機(jī)器人控制程序開發(fā)工具。在這個軟件中有許多實(shí)用的模塊，使用這個軟件我們不用特意地去編寫那些復(fù)雜的程序，只需要在軟件中將模塊進(jìn)行拖動連接并且將模塊的一些基本的屬性進(jìn)行設(shè)置，就能夠方便快捷地編寫出控制機(jī)器人運(yùn)動的程序。當(dāng)程序編寫完成并對程序進(jìn)行編譯后就可以將編譯完成后的程序下載到機(jī)器人的控制器中進(jìn)行運(yùn)行。

通過對傳感器檢測到的信息進(jìn)行編號后可得出8種不重復(fù)的組合，添加8個舵機(jī)控件，8個跳過控件、8個條件判斷控件及8個條件結(jié)束控件，對舵機(jī)直線運(yùn)動速度、平緩轉(zhuǎn)彎速度、劇烈轉(zhuǎn)彎速度分別進(jìn)行設(shè)定。至此可以得到完整的圖形化程序如圖4所示。

圖4 圖形化程序

五、結(jié)束語

通過自己查閱資料和老師指導(dǎo)，成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的路徑跟隨功能。雖然該機(jī)器人的功能比較簡單，但我相信通過不斷的學(xué)習(xí)，隨著知識應(yīng)用的提升，機(jī)器人智能化也將不斷提高。

[1] 張克明,畢春光.電磁尋跡車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)與信息化,2014(9):168-171.

[2] 王佳,胡俠,柳洪義.球形管道機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006(12):133-135.