单片机与传感器在机器人设计中的融合及实现过程详解

摘要
:
本设计基于单片机及多种传感器
,
完成了一个自主式移动机器人的制作。单片机作为系统检测和控制的核心
,
实现对机器人小车的智能控制。反射式红外光电传感器检测引导线,
使机器人沿轨道自主行走
;
使用霍尔集成片
,
通过计车轮转过的圈数完成机器人行走路程测量;
接近开关可探测到轨道下埋藏的金属片
,
发出声光信息进行指示
,
并能实时显示金属片距起点的位置。

关键词
:
单片机
;
机器人
;
传感器

1 前言

机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识,
涉及到当今许多前沿领域的技术。一些发达国家已把机器人制作比赛作为创新教育的战略性手段。如日本每年都要举行诸如 “NHK
杯大学生机器人大赛”、“全日本机器人相扑大会”、“机器人足球赛”等各种类型的机器人制作比赛,
参加者多为学生
,
旨在通过大赛全面培养学生的动手能力、创造能力、合作能力和进取精神,
同时也普及智能机器人的知识.

开展机器人的制作活动
,
是培养大学生的创新精神和实践能力的最佳实践活动之一,
特别是机电专业学生开展综合知识训练的最佳平台。本文针对具有引导线环境下的路径跟踪这一热点问题,
基于单片机控制及传感器原理
,
通过硬件电路制作和软件编程,
制作了一个机器人
,
实现了机器人的路径跟踪和自动纠偏的功能,
并能探测金属
,
实时显示距离。

2 机器人要完成的功能

选取一块光滑地板或木板
,
上面铺设白纸
,
白纸上画任意黑色线条(
线条不要交叉
)
,
作为机器人行走的轨迹
,
引导机器人自主行走。纸下沿黑线轨迹随机埋藏几片薄铁片,
铁片厚度为0.5～
1.0mm
。机器人沿轨迹行走一周
,
探测出埋藏在纸下铁片
,发出声光报警,
并显示铁片距离起点的位置。

3 硬件设计方案

机器人总体构成

如图
1
所示
,
以微处理器为核心
,
接受传感器传来外部信息,
进行处理
,
控制机器人的运行。

系统电源供电部分

由于机器人电机
,
传感器及系统
CPU
等部分均采用
+5V
供电,
考虑电动车功率和车载质量及摩擦阻力问题
,
电源我们采用电动车自带干电池组,
功耗小、体积小和质量轻
,
安装较为方便。

电机驱动及 PWM 调速部分

机器人需控制在一个合适的速度行驶
,
速度太快
,
因单片机对各传感器传来的信号有一个响应、处理时间,
小车极易偏离轨道。小车的速度是由后轮直流电机转速控制,
改变直流电机转速通常采用调压、调磁等方式来实现。其中,
调压方式原理简单,
易与实现。

采用由晶体管组成的
H
型
PWM
调制电路。通过图
2
所
PWM
调制电路
, 用单片机控制晶体管使之工作在占空比可状态,
实现调速。

令单片机
P1.7
口为低电平
,
P1.6
口为高电平
,
此时
Q1
、
Q4导通,
Q2
、
Q3
截止
,
电动机正常工作。改变
P1.6
口高电平周期
,即改变 PWM
调制脉冲占空比
,
可以实现精确调速。脉冲频率对电机转速有影响,
脉冲频率高连续性好
,
但带负载能力差
;
脉冲频率低则反之。经实验发现,
脉冲频率在
30Hz
以上
,
电机转动平稳,
但小车行驶时
,
由于摩擦力使电机转速降低很快
,
甚至停转;
脉冲频率在
10Hz
以下
,
电机转动有跳跃现象
,
实验证明脉冲频率在 25
～
35Hz
效果最佳。我们选取脉冲频率为
30Hz
。

引导线检测模块

根据白纸和黑线反射系数不同
,
通过以光电传感器为核心的光电检测电路将路面两种颜色进行区分,
转化为不同电平信号,
将此电平信号送单片机
,
由单片机控制转向电机作相应的转向,
保证小车沿引导线行驶。考虑到小车与路面的相对位置
,采用反射式光电检测电路。

红外光电传感器
TCRT1000
,
它是一种光电子扫描
,
光电二极管发射,
三极管接收并输出的装置
.
它的特点是尺寸小、使用方便、信号高输出、工作状态受温度影响小。它的外围电路简单,
(
如图
3
所示
)
。二极管的
C
端和三极管的
E
端接地
,
二极管的 A
端通过一电阻和电源相接
,
组成偏置电流电路
;
三极管的C 端也通过一电阻和电源相接
,
组成输出电路。当检测器检测到白色时,
其输出低电平
;
当检测到黑色时
,
则输出高电平。为提高检测精度,
采用了多传感器信息融合技术。设计中
,在车头均匀布置三个光电传感器,
其中
,
中间一个
(Q1)
安装在小车正中央。Q1
的输出经一级比较器和非门
,
接单片机的
P1.3脚.Q1
左右两端分别布置一个传感器
,
经与图
3
相同的电路后也连接到单片机 P1
口。若两侧某一传感器检测到黑线
,
表明小车正脱离轨道,
将
3
个检测点的结果融合后作为单片机的输入,
机器人按照单片机
P1
口信息进行判断调整
,
实现路径跟踪和自动纠偏。

金属探测部分

如图
4
所示
,
金属探测器使用一接近开关
,
探测有效距离约为 4mm
,
将它固定在机器人上
,
当探测到金属片时
,
探测器输出端输出低电平,
经反向器后接一发光二极管和一蜂鸣器
,
发出声光指示信号。同时输出反向后接单片机,
对探测到的金属片个数进行计数。

霍尔元件测距设计

霍尔集成片内部由三片霍尔金属板组成
,
当磁铁正对金属板时,
根据霍尔效应
,
金属板发生横向导通
,
因此可以在车轮上安装磁片,
而将霍尔集成片安装在固定轴上
,
通过对脉冲计数进行距离测量。小车后轮每转一圈,
霍尔元件产生的脉冲送入单片机的 T0
口进行计数
,
单片机完成脉冲数到距离的转换。在后轮安装一个磁极,
测量误差是一个车轮的周长
,
可在软件中给予补偿。