程赟

摘要：在工業(yè)時代，機(jī)器人是人造機(jī)器的“終極”形式，是人類智慧的結(jié)晶。在各處工地或者制造業(yè)工廠，經(jīng)常能看到搬運(yùn)重物的起重機(jī)或者小推車，但這些機(jī)械的運(yùn)行都需要依靠人的操作和控制。本文以教育機(jī)器人為例，基于Arduino單片機(jī)對智能搬運(yùn)小車做簡單的分析和研究，對電機(jī)模塊和顏色傳感器模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化和測試，提升小車的準(zhǔn)確度和高效性，能夠?qū)崿F(xiàn)教育機(jī)器人的智能搬運(yùn)。

說到20世紀(jì)最造福人類的創(chuàng)造之一，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)明一定榜上有名。新型色色的特種機(jī)器人還有日漸技術(shù)成熟的工業(yè)機(jī)器人，宣告著智能制造技術(shù)的崛起。作為工業(yè)機(jī)器人的一種，智能搬運(yùn)機(jī)器人也被廣泛的研究和設(shè)計，本文舉例說明如何實(shí)現(xiàn)車輪前進(jìn)方向的調(diào)整，如何實(shí)現(xiàn)顏色的分辨。

本文智能搬運(yùn)機(jī)器人基于Arduino平臺進(jìn)行編程，能實(shí)現(xiàn)將不同顏色物體循跡分類搬運(yùn)到對應(yīng)顏色的目標(biāo)地點(diǎn)。

一、電機(jī)控制

機(jī)器人所用的電機(jī)，又稱伺服電機(jī)，可以將收到的電子信號轉(zhuǎn)換為速度進(jìn)行輸出，可以驅(qū)動車輪或者履帶前進(jìn)。本次電機(jī)使用PWM即脈沖寬度調(diào)制這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)較簡單和靈活的控制，并且有較好的動態(tài)響應(yīng)。電機(jī)在與Arduino控制板連線之后，注意首先控制機(jī)器人小車的車輪的速度，避免放在桌子上從桌子上跌落，其次根據(jù)控制脈沖信號時序圖進(jìn)行電機(jī)調(diào)零。電機(jī)在使用脈沖序列控制并且經(jīng)過零點(diǎn)標(biāo)定后，不會旋轉(zhuǎn)。如果仍舊旋轉(zhuǎn)，需重新調(diào)零。

二、機(jī)器人運(yùn)動控制原理及優(yōu)化調(diào)整

下載程序?qū)㈦姍C(jī)調(diào)零后，可以嘗試觀察用1400～1600之間的數(shù)字去修改高電平持續(xù)時間，進(jìn)而觀察電機(jī)的轉(zhuǎn)速，不同的時間帶入，電機(jī)正反轉(zhuǎn)效果不同，同時速度也有差別。根據(jù)測量可得到一個電機(jī)旋轉(zhuǎn)與機(jī)器人運(yùn)動控制表，如表1。

電機(jī)旋轉(zhuǎn)與機(jī)器人運(yùn)動控制表，如表1。

根據(jù)表1可舉例說明，以下為全速前進(jìn)程序：

void Fast_forward（uchar a） //快速前進(jìn)

{

uchar i；

for（i=0；i

{

digitalWrite（right_moter，HIGH）；

delayMicroseconds（1450）；

digitalWrite（right_moter，LOW）；

digitalWrite（left_moter，HIGH）；

delayMicroseconds（1540）；

digitalWrite（left_moter，LOW）；

delay（20）；

}

}

右轉(zhuǎn)90度程序：

void turn_right_90（）

{uchar i；

for（i=0；i<65；i++） //慢右轉(zhuǎn)90度

{

digitalWrite（right_moter，HIGH）；

delayMicroseconds（1530）；

digitalWrite（right_moter，LOW）；

digitalWrite（left_moter，HIGH）；

delayMicroseconds（1530）；

digitalWrite（left_moter，LOW）；

delay（20）；

}

}

三、顏色傳感器的原理和程序設(shè)置

智能小車能成功搬運(yùn)不同顏色的木塊去到目標(biāo)地點(diǎn)要依靠于顏色傳感器和程序設(shè)置。顏色傳感器檢測或識別某個顏色是依靠檢測這個顏色中三原色的比例。三原色即紅、綠、藍(lán)三種顏色。本文顏色傳感器的型號是TCS230。當(dāng)它對顏色進(jìn)行判斷時，依次啟用紅色、綠色、藍(lán)色傳感器，從而只有該顏色光可以通過，不是這個顏色的光就被阻止。因此可以得出對應(yīng)顏色的光強(qiáng)。S0、S1 輸入引腳用于選擇輸出比例因子或者電源關(guān)斷模式，不同的輸出比例因子可控制不同的輸出頻率，以適應(yīng)不同的需求；S2、S3 輸入引腳用于選擇濾波器的類型；“LED”輸入引腳用于點(diǎn)亮兩個LED 燈；OUT 是頻率輸出引腳；GND 是芯片接地引腳，+5V 和 VDD接 5V 電源。TCS230顏色傳感器工作時，首先打開LED燈，選擇輸出比例因子，然后依次選定不同的顏色濾波器，每選通一個濾波器就檢測其輸出引腳輸出的不同頻率（即光強(qiáng)）的方波脈沖數(shù)，最后根據(jù)得到的三原色脈沖數(shù)比例判斷顏色。

在顏色判斷初期，由于傳感器對三種基本色的判斷和敏感程度不同，導(dǎo)致三種顏色的輸出值并不均等，影響顏色識別，為此，增加一個白平衡手段進(jìn)行調(diào)整，主要是為了給傳感器定義什么是白色，使得三原色RGB輸出值相等。

安裝好顏色傳感器，做好白平衡之后，進(jìn)行對色塊的不同顏色的學(xué)習(xí)。由于周圍光線和色塊的距離位置的影響，所以有可能會導(dǎo)致識別顏色出錯，所以在測量不同顏色輸出值時應(yīng)考慮這些因素，適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大三原色的范圍，同時設(shè)置防止出錯的條件直到對所有的顏色都識別正確。

對此，優(yōu)化后的顏色識別的程序如下：

int Robot_checkColor（）

{

ColorreCognt（refer_time，clrpulses）；

if（（clrpulses[0] - clrpulses[2] > 90） && （clrpulses[0] - clrpulses[1] > 80））{

currentcolor = Red；

}

else if（（abs（clrpulses[0] - clrpulses[2]）<50）&&（abs（clrpulses[0] - clrpulses[1]）<50）&& （clrpulses[0]>100））{

currentcolor = White；

}

else if（（abs（clrpulses[0] - clrpulses[2]）<30）&& （abs（clrpulses[1] - clrpulses[2]）<10）&& clrpulses[0]<70）{

currentcolor = Black；

}

else if（（clrpulses[0] < clrpulses[1]） && （abs（clrpulses[1] - clrpulses[2]）>9））{

currentcolor = Blue；

}

else if（（clrpulses[2] > clrpulses[1]） && （clrpulses[0] - clrpulses[1] > 100））{

currentcolor = Yellow；

}

return currentcolor；

}

此數(shù)據(jù)均基于當(dāng)時環(huán)境和光線測試得來，這樣才能實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)的顏色識別。

通過調(diào)用白平衡函數(shù)，可以知道三原色的濾波器的時間基準(zhǔn)值，然后通過Robot_checkColor（）函數(shù)進(jìn)行時間值對比，得到了相應(yīng)顏色的時間值，依靠分辨條件，可以識別出不同色塊的顏色。

本文從電機(jī)參數(shù)的測試修改以及顏色傳感器設(shè)置和識別程序這兩大方面分析和優(yōu)化了智能搬運(yùn)機(jī)器人的程序，能夠更精確的實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)彎的角度以及前進(jìn)方式；并且基于三原色的濾波器，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同顏色的識別。在對電機(jī)和顏色模塊成功設(shè)置后，才能使得智能搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對不同色塊的識別，進(jìn)而搬動色塊去到該色塊對應(yīng)的目的地。關(guān)于智能搬運(yùn)的循跡模塊，和尋找色塊模塊就不在這里詳述了。

參考文獻(xiàn)：

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