強(qiáng)勝嶺+初俊博+藺躍成

【摘 要】本次設(shè)計(jì)是對C51寶貝車機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，目的要實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于路徑規(guī)劃處理和智能避障的寶貝車機(jī)器人控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】觸須；避障；單片機(jī)

1 設(shè)計(jì)功能

本次設(shè)計(jì)中，我們采用了人性化的思想，利用觸覺感知能力來實(shí)現(xiàn)寶貝車的導(dǎo)航避障能力，C51單片機(jī)充當(dāng)寶貝車的大腦，在小車前端裝一對觸須傳感器用來充當(dāng)小車的觸覺開關(guān)，通過對觸覺狀態(tài)的監(jiān)視，以決定當(dāng)小車碰到障礙時(shí)如何動作，從而實(shí)現(xiàn)利用觸須觸覺來實(shí)現(xiàn)小車的導(dǎo)航避障功能[1]。

2 機(jī)器人伺服電機(jī)的控制

首先要對小車的兩個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行零點(diǎn)矯正，即用延時(shí)函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖信號持續(xù)1.5ms，低電平脈沖信號持續(xù)20ms，發(fā)送給伺服電機(jī)，若伺服電機(jī)不旋轉(zhuǎn)則電機(jī)已調(diào)零，若電機(jī)處于轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動狀態(tài)則需用螺絲刀對伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)零。我們可以根據(jù)控制信號脈寬調(diào)制調(diào)速原理，用延時(shí)函數(shù)設(shè)定的延時(shí)長短來控制控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及順逆轉(zhuǎn)狀態(tài)。由實(shí)驗(yàn)可知延時(shí)小于1.5ms時(shí)是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，大于1.5ms時(shí)是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)[2]。

根據(jù)以上實(shí)踐證明可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

已知左輪引腳接P1_1，右輪引腳接P1_0

1）停止

P1_1延時(shí)1.5ms，P1_0延時(shí)1.5ms；

2）前進(jìn)

P1_1延時(shí)1.7ms，P1_0延時(shí)1.3ms；

3）后退

P1_1延時(shí)1.3ms，P1_0延時(shí)1.7ms；

4）右轉(zhuǎn)

P1_1延時(shí)1.7ms，P1_0延時(shí)1.5ms；

5）左轉(zhuǎn)

P1_1延時(shí)1.5ms，P1_0延時(shí)1.3ms；

3 觸覺傳感器的安裝測試

3.1 安裝觸須

如圖1所示是安裝機(jī)器人觸覺觸須安裝示意圖及觸須電路圖。

3.2 測試機(jī)器人觸須

其實(shí)觸須感知傳感器的工作原理是通過傳感元件是否接地來控制左右驅(qū)動引腳的高低電平狀態(tài)，再將左右驅(qū)動引腳高低電平信息傳輸?shù)轿⒖刂破鲝亩鴮?shí)現(xiàn)避障導(dǎo)航的功能。觸須接地（GND）是通過主板外圍的鍍金孔都連接到GND，而金屬支架和螺絲釘提供電氣連接給觸須如圖1所示。

3.3 獲取觸須狀態(tài)

觸須狀態(tài)的獲取是實(shí)現(xiàn)小車避障的核心工作，觸須的觸動與否通過對微控制器即C51單片機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)。圖1說明是如何工作的。當(dāng)觸須沒有碰到障礙物時(shí)，連接觸須的I/O管腳的電壓是高電平；當(dāng)觸須碰到障礙物時(shí)，I/O短接到地，所以I/O管腳的電壓是低電平。

C51單片機(jī)啟動或復(fù)位時(shí)，所有的I/O插腳缺省為輸入。也就是說，連接到觸須的I/O管腳會自動作為輸入。作為輸入，如果I/O腳上的電壓為高電平（觸須沒有碰到障礙物），則其相應(yīng)的寄存器中的相應(yīng)位存儲1；如果電壓為低電平（觸須碰到障礙物），則存儲0.

4 觸覺導(dǎo)航避障策略實(shí)現(xiàn)

寶貝車行走過程中，導(dǎo)航避障程序需要接受觸須傳來的感知信息，判斷它的意義，調(diào)用一系列使寶貝車前進(jìn)、后退、朝不同方向行走的動作子函數(shù)。可用if…else…if多分支選擇語句來實(shí)現(xiàn)[3]，子動作流程框圖如圖2所示。

5 逃離墻角死區(qū)改進(jìn)

假如寶貝車進(jìn)入了墻角，左觸須觸碰到障礙物，于是它右轉(zhuǎn)，向前行走，右觸須觸碰到障礙物，于是左轉(zhuǎn)前進(jìn)，又碰到左邊障礙物，再次碰到右邊障礙物……如果不把它從墻角拿出來，它就會一直困在墻角里而出不來。

解決方案：

導(dǎo)航程序記錄每個(gè)觸須的前一次觸碰狀態(tài)，并和當(dāng)前觸碰狀態(tài)對比。如果狀態(tài)相反，就在交替總數(shù)上加1。如果這個(gè)交替總數(shù)超過了導(dǎo)航程序中預(yù)先給定的閥值，那么就該做一個(gè)“U”型轉(zhuǎn)彎，并且把觸須交替計(jì)數(shù)器復(fù)位。

逃離墻角死區(qū)流程框圖如圖3。

6 展望

由于觸須一旦被固定在寶貝車的前端，那么它所能觸覺避免障礙物的高度及障礙物被碰的角度都會受到一定的條件限制，如果障礙物太低，寶貝車在前進(jìn)過程當(dāng)中，觸須不能碰到障礙物的話，則寶貝車就無法實(shí)現(xiàn)避障功能；如果寶貝車以一個(gè)很小的傾斜角貼墻前進(jìn)時(shí)，此時(shí)寶貝車其實(shí)是受阻的，但由于角度太小，導(dǎo)致不能夠讓觸須碰到3-pin公-公接頭，則寶貝車也是無法實(shí)現(xiàn)躲避轉(zhuǎn)向功能的。

下一階段還需研究解決措施，可以通過改變觸須的形狀，比如說，將它向下折彎一定長度，這樣就能觸覺到較低障礙物了，或者從根本上來改變導(dǎo)航避障原理，比如說，用紅外探測距離來避障或者超聲波避障等等。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫育才.MCS-51 系列單片機(jī)及其應(yīng)用[M].東南大學(xué)出版社.

[2]王曉明.電動機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京航空航天大學(xué)出版社.

[3]何建英.基于MCS-51單片機(jī)智能小車控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶文理學(xué)院.

[責(zé)任編輯：田吉捷]