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        基于單片機(jī)的紅外傳感器智能擂臺對抗機(jī)器人設(shè)計

        2021-09-19 10:14:48雷道仲
        中阿科技論壇(中英文) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:紅外線紅外單片機(jī)

        雷道仲

        (湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙 410200)

        1 問題提出

        擂臺對抗機(jī)器人是一種常見的競賽機(jī)器人。這類機(jī)器人在競賽過程中,通常是甲、乙兩方機(jī)器人在一個規(guī)定的區(qū)域內(nèi),在限定的時間內(nèi)誰先將對方機(jī)器人推出比賽規(guī)定的區(qū)域,誰就獲得該場次比賽的“冠軍”。本文所介紹的這款機(jī)器人就是中國教育機(jī)器人大賽的擂臺對抗機(jī)器人項目中的一款機(jī)器人。在這個擂臺對抗競賽項目中,雙方都要設(shè)計紅外傳感器、紅外遙控、超聲波三個機(jī)器人。本文主要介紹這個擂臺對抗競賽項目中的紅外傳感器機(jī)器人的設(shè)計過程。

        2 系統(tǒng)設(shè)計方案

        2.1 系統(tǒng)功能分析

        根據(jù)擂臺對抗機(jī)器人競賽規(guī)則分析,紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人設(shè)計最關(guān)鍵的是能夠及時捕捉到對方機(jī)器人的位置,并能夠準(zhǔn)確地識別比賽區(qū)域。因此,選取能夠快速感應(yīng)對方機(jī)器人位置的傳感器,能夠識別黑、白區(qū)域的傳感器以及整個系統(tǒng)的控制芯片十分重要。能夠感知對方位置的傳感器有很多種,比如超聲波傳感器、紅外傳感器等;識別黑、白區(qū)域的傳感器有灰度傳感器、顏色傳感器等;作為整個系統(tǒng)的控制芯片的有51單片機(jī)、ARM處理芯片等[1]。

        2.2 系統(tǒng)方案論證

        方案一:以ARM720T為本系統(tǒng)的控制核心,選取紅外光電傳感器作為位置捕捉傳感器,使用顏色傳感器來識別擂臺對抗機(jī)器人比賽的黑色區(qū)域。ARM處理芯片負(fù)責(zé)根據(jù)紅外光電傳感器收集的對方機(jī)器人的位置信號以及顏色傳感器判別的本機(jī)機(jī)器人的位置信號輸出相應(yīng)的控制信號,控制機(jī)器人前進(jìn)、后退或者左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎等。該方案系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。該方案結(jié)構(gòu)簡單、控制方便,軟件設(shè)計容易實現(xiàn),但顏色傳感器在識別黑、白競賽區(qū)域的過程中,耗時相對較長,不利于本機(jī)機(jī)器人及時調(diào)整位置。

        圖1 方案一系統(tǒng)框圖

        方案二:系統(tǒng)采用“單片機(jī)+紅外傳感器+執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的總體設(shè)計方案,系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。其中,紅外發(fā)射傳感器在機(jī)器人行走的過程中對外發(fā)射出紅外信號,當(dāng)紅外信號遇到對方機(jī)器人后,會被反射回來,紅外接收傳感器接收到反射回的紅外信號后,再由MCU根據(jù)紅外傳感器接收到的紅外發(fā)射信號來判斷對方機(jī)器人的位置,并調(diào)用相應(yīng)的決策攻擊函數(shù)去攻擊對方的機(jī)器人,最終將對方機(jī)器人推出比賽的擂臺范圍,從而獲得本局比賽的勝利。QTI傳感器負(fù)責(zé)紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人的導(dǎo)航功能。

        圖2 紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人系統(tǒng)框圖

        3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        3.1 硬件電路圖

        紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人的電路原理圖如圖3所示。紅外傳感器由圖中的紅外發(fā)射開關(guān)、紅外發(fā)射二極管以及紅外接收器組成。紅外發(fā)射開關(guān)負(fù)責(zé)控制紅外發(fā)射二極管對外發(fā)射的紅外線的頻率,當(dāng)發(fā)射出的紅外線碰到對方機(jī)器人后會被反射回來,被自己的紅外接收器接收,紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人收到反射回來的紅外信號后,會向?qū)Ψ綑C(jī)器人發(fā)出相應(yīng)攻擊,直至將對方機(jī)器人推出擂臺范圍,則比賽獲勝。如果自己被推出擂臺,則比賽失敗。圖中的左右QTI傳感器用于支持擂臺對抗機(jī)器人的巡線功能,該QTI裝在機(jī)器人控制電路板底部,負(fù)責(zé)識別黑色比賽區(qū)域。左、右輪驅(qū)動電機(jī)為機(jī)器人的運動系統(tǒng),在單片機(jī)發(fā)出的電機(jī)控制信號作用下完成擂臺對抗機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎等動作。

        圖3 紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人原理圖

        3.2 紅外傳感器原理

        本設(shè)計中的紅外傳感器由紅外線收、發(fā)對管以及紅外發(fā)射控制開關(guān)構(gòu)成。紅外線發(fā)射器則是將紅外線發(fā)射管封裝在了LED發(fā)光二極管中。通常是根據(jù)應(yīng)用場合的不同來封裝不同波長的紅外線發(fā)射管,比如用于紅外遙控器、紅外光電開關(guān)、紅外線發(fā)射設(shè)備的波長則要封裝940 nm;用于醫(yī)療設(shè)備則封裝875 nm;用于紅外線監(jiān)控設(shè)備的則需要封裝850 nm波長。本設(shè)計中選取采用封裝940 nm波長的紅外發(fā)射管。

        本設(shè)計中,運用紅外線收、發(fā)對管完成擂臺對抗機(jī)器人的位置識別。具體過程如下:擂臺對抗機(jī)器人在黑色比賽區(qū)域運動時,51單片機(jī)P1.4引腳發(fā)出一定頻率的高、低電平從而控制N2的導(dǎo)通與截止來控制向外發(fā)射紅外線光波的頻率,紅外線光波在空中傳播的過程中,遇到對方擂臺對抗機(jī)器人時會被反射回來,進(jìn)而被安裝在51單片機(jī)P1.5引腳的紅外線接收器所接收。

        3.3 擂臺對抗機(jī)器人工作原理

        擂臺對抗機(jī)器人通電后,在51單片機(jī)P1.2和P1.3引腳控制的左、右巡線QTI傳感器的引導(dǎo)下,在比賽的黑色區(qū)域運動。QTI在機(jī)器人運動過程中,當(dāng)掃描到底部的黑色區(qū)域時,返回給51單片機(jī)P1.2和P1.3引腳的信號為高電平,則控制機(jī)器人(電機(jī))繼續(xù)運動;如果機(jī)器人運動到比賽區(qū)域的邊緣,掃到白色時,返回給51單片機(jī)P1.2和P1.3引腳的則是低電平,這時51單片機(jī)的P1.0和P1.1引腳會輸出控制信號使機(jī)器人趕緊后退到比賽的黑色區(qū)域。

        擂臺對抗機(jī)器人在運動的過程中,51單片機(jī)P1.4引腳輪流輸出高、低不同的電平控制NPN型三極管N2的導(dǎo)通與截止,從而控制紅外線發(fā)光管向外發(fā)射紅外線光波的頻率。當(dāng)向外發(fā)射的紅外線光波遇到對方擂臺對抗機(jī)器人時,部分光波被反射回來,被安裝在本機(jī)機(jī)器人上的51單片機(jī)P1.5引腳的紅外線接收器所接收。51單片機(jī)接收此信號后,根據(jù)實際在51單片機(jī)的P1.0和P1.1引腳輸出電機(jī)控制信號,控制電機(jī)使機(jī)器人完成前進(jìn)(攻擊對方)、后退、左轉(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎等動作[2]。

        4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        4.1 程序設(shè)計思路

        擂臺對抗機(jī)器人主要完成以下幾個任務(wù):(1)擂臺對抗機(jī)器人的運動控制,包括機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎及右轉(zhuǎn)彎等;(2)不斷檢測比賽擂臺的邊緣線;(3)不斷檢測對方機(jī)器人的位置,并根據(jù)位置做出本機(jī)機(jī)器人位置的調(diào)整或是相應(yīng)攻擊等。以下是擂臺機(jī)器人運動控制函數(shù)。

        4.2 主程序流程圖

        根據(jù)上述程序設(shè)計思路,繪制出如圖4所示的主程序流程圖。系統(tǒng)通電后,擂臺對抗機(jī)器人向前直走,在直走過程中,巡線QTI傳感器不斷檢測是否到擂臺邊緣,如果是,繼續(xù)判斷機(jī)器人是否正對著邊緣;如果是,機(jī)器人直接后退;如果機(jī)器人處于邊緣偏左,則機(jī)器人先右轉(zhuǎn)調(diào)整角度,再后退;如果機(jī)器人處于邊緣靠右,則先左轉(zhuǎn)調(diào)整角度,再后退。

        圖4 紅外傳感器主程序流程圖

        5 系統(tǒng)調(diào)試

        按圖3所示的電路原理圖連接控制電路,在Keil C中編輯、編譯控制程序直到仿真通過,再通過51單片機(jī)程序下載器將產(chǎn)生的可執(zhí)行文件燒寫到紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人控制板中的單片機(jī)程序存儲器中。開機(jī)運行后,機(jī)器人會不斷檢測擂臺比賽范圍邊緣線,當(dāng)沒有發(fā)現(xiàn)對方機(jī)器人時,會一直在比賽范圍內(nèi)轉(zhuǎn)圈,在發(fā)現(xiàn)對方機(jī)器人后,會主動發(fā)起攻擊,直至將對方推出比賽范圍,獲得本局比賽勝利,如果自己被推出比賽范圍,則本局比賽失敗。

        6 結(jié)論

        該紅外傳感器擂臺對抗機(jī)器人參加2015年中國教育機(jī)器人大賽的擂臺對抗機(jī)器人項目競賽獲得了高職組“冠軍”。在比賽過程中,該機(jī)器人檢測紅外信號靈敏,捕捉對方擂臺對抗機(jī)器人能力強(qiáng),具有較強(qiáng)的攻擊策略,攻擊能力強(qiáng),且性能穩(wěn)定,能夠為同類擂臺對抗機(jī)器人的設(shè)計提供可靠參考和借鑒。

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