李 野，關(guān) 娜

智能機器人是近年來機器人應(yīng)用工程中一項前沿性的題目，本課題設(shè)計的垃圾搬運車是智能行走機器人的一種。垃圾搬運車就是針對上述情況，在參考了目前大多數(shù)智能小車的基礎(chǔ)上，以降低成本為原則設(shè)計的。小車具備檢測、巡跡、避障等功能。此垃圾搬運車具有性價比高、操作方便、可靠性好、功耗小等優(yōu)點。

1 設(shè)計方案

垃圾搬運車分為十部分，分別是：1）主控制器裝置；2）垃圾點檢測模塊；3）信號檢測模塊；4）障礙檢測模塊；5）車速測量模塊；6）巡跡模塊；7）車輛控制模塊；8）卸載裝置模塊；9）人機接口模塊；10）電源。

1.1 主控板

主控板主要用于對垃圾搬運車的控制，要求主控板小巧輕便，操作簡單，易于寫入和修改程序。選擇51 系列單片機作為主控板，主要原因有以下幾點：1.4k 字節(jié)FLASH 閃速存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部RAM；2.擁有32 個I/O 口線，2 個16 位定時/計數(shù)器，一個5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路；3.AT89C51 可以降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選的節(jié)電工作模式。

1.2 垃圾點檢測模塊

垃圾點檢測設(shè)備采用紅外線接收裝置。當(dāng)通過發(fā)射紅外線并檢測紅外線有無被反射來確定前方是否存在站臺，檢測到垃圾點，則停車卸載；反之繼續(xù)前行。這樣提高了整體系統(tǒng)的智能性。

1.3 垃圾搬運車的電機驅(qū)動模塊

選擇L293D 作為垃圾搬運車的電機驅(qū)動芯片。實現(xiàn)垃圾搬運車左右輪的轉(zhuǎn)動主要依靠單片機的I/O 接口，通過改變輸入的控制端電平，由單片機驅(qū)動L293D，此時不需要外加隔離電路，就可以實現(xiàn)垃圾搬運車的左右輪的共同轉(zhuǎn)動。接口p1.5 和p1.6 控制左邊電機，接口p1.0 和p1.4 控制右邊電機。取右邊電機為例，當(dāng)p1.0 輸入數(shù)字電平“1”，p1.4 輸入數(shù)字電平“0”時實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)；當(dāng)p1.0 輸入數(shù)字電平“0”，p1.4 輸入數(shù)字電平“1”時實現(xiàn)電機的反轉(zhuǎn)；當(dāng)p1.0 輸入數(shù)字電平“0（1）”，p1.4 輸入數(shù)字電平“0（1）”時電機停止；然后由單片機共同作用，完成垃圾搬運車的左右輪共同轉(zhuǎn)動。

1.4 避障檢測模塊

紅外測距速度快，便宜，安全，容易制作。此模塊要求具有一對紅外信號發(fā)射與接收的二極管，要求發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管能接收這種頻率的紅外信號。在范圍內(nèi)，當(dāng)紅外信號遇到障礙物時，紅外信號會被反射，進而被接收管接收，因此可利用紅外信號來識別周圍環(huán)境的變化。由于是光檢測距離，其反應(yīng)速度比超聲波傳感器要快，紅外測距速度快精度高。

1.5 底盤選擇

選擇金屬底盤，金屬地盤質(zhì)量較塑料地盤厚重，價格較貴。但是穩(wěn)定性能非常高，更加堅固。

1.6 巡跡模塊

利用集成型紅外對管作為尋跡單元的傳感器，其中紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線二極管進行接收，采用紅外線發(fā)射，外面可見光對接收信號的影響較小，再采用射極輸出器對信號進行隔離。

紅外傳感器巡線的基本原理是利用物體的反射性質(zhì)，目的是讓小車巡黑線行駛，當(dāng)紅外線照射到黑線上時，此時紅外線會被黑線吸收，反之照射到其他的顏色時，會有光反射到傳感器的接收管。其中中間兩路巡線是一直在黑線上，小車會直行，當(dāng)任意一個出來，則小車會自動糾正，如果最外面的檢測到黑線，則小車以更大速度糾正到正確黑線上面。紅外巡跡模塊原理如圖1 所示。

1.7 車輛控制模塊

垃圾搬運車采用STC89C52 作為該該車的主控制器。STC89C52 單片機的特點：1）超低功耗；2）具有運算速度快；3）抗干擾能力強；4）支持ISP在線編程；5）片內(nèi)含8k 空問的可反復(fù)擦寫1 000次的只讀存儲器；6）具有256 字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器；7）32 個I/O 接口，3 個16 位可編程程序定時計數(shù)器；8）兼容性好，軟件設(shè)計難度相對較低，價格低。

1.8 垃圾卸載裝置

垃圾搬運車上安裝一根管子并放上鋼球，模擬垃圾，當(dāng)收到信號時，運用舵機卸下指定的鋼球（垃圾）。該裝置可以隨時調(diào)整卸下鋼球的數(shù)量、結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

1.9 人機接口

人機接口處采用機械彈性開關(guān)，當(dāng)機械彈性開關(guān)閉合或者斷開時，由于其本身的彈性作用，并不會立刻接通或斷開，會伴有一連串的抖動。

圖1 紅外巡跡模塊原理示意圖

圖2 垃圾卸載裝置示意圖

1.10 電源

能源選擇關(guān)系到垃圾搬運小車的續(xù)航問題、動力問題，對于整個小車的制作至關(guān)重要。本設(shè)計采用目前應(yīng)用最為廣泛的電池——鋰電池。優(yōu)點是鋰電池電壓平臺高，達到3.7V，便于組成電池電源組，消極的一方面是，鋰離子電池很容易燃燒，因此，大多數(shù)鋰離子電池都帶有防短路的保護電路，還有防爆線。鋰電池價格便宜，性能較高，鋰電池使用壽命相對較長，使用壽命可達到6 年以上，綠色環(huán)保，對環(huán)境沒有危害。并且具備高功率承受力。

2 結(jié)語

整個系統(tǒng)的設(shè)計以單片機為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合。能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾搬運車的檢測、巡跡、避障等功能。