1 前言

　　機器人技術是融合了機械、電子、傳感器、計算機
、rengongzhinengdengxuduoxuekedezhishi
，shejidaodangjinxuduoqianyanlingyudejishu。yixiefadaguojiayibajiqirenzhizuobisaizuoweichuangxinjiaoyudezhanlvexingshouduan。ruribenmeiniandouyaojuxingzhuru“NHK杯大學生機器人大賽”、“全日本機器人相撲大會”、“機器人足球賽”等各種類型的機器人製作比賽，參加者多為學生，旨在通過大賽全麵培養學生的動手能力、創造能力、合作能力和進取精神，同時也普及智能機器人的知識.[1]

　　開(kai)展(zhan)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)製(zhi)作(zuo)活(huo)動(dong)
，是(shi)培(pei)養(yang)大(da)學(xue)生(sheng)的(de)創(chuang)新(xin)精(jing)神(shen)和(he)實(shi)踐(jian)能(neng)力(li)的(de)最(zui)佳(jia)實(shi)踐(jian)活(huo)動(dong)之(zhi)一(yi)

，特(te)別(bie)是(shi)機(ji)電(dian)專(zhuan)業(ye)學(xue)生(sheng)開(kai)展(zhan)綜(zong)合(he)知(zhi)識(shi)訓(xun)練(lian)的(de)最(zui)佳(jia)平(ping)台(tai)。本(ben)文(wen)針(zhen)對(dui)具(ju)有(you)引(yin)導(dao)線(xian)環(huan)境(jing)下(xia)的(de)路(lu)徑(jing)跟(gen)蹤(zong)這(zhe)一(yi)熱(re)點(dian)問(wen)題(ti)，基(ji)於(yu)單(dan)片(pian)機(ji)控(kong)製(zhi)及(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)原(yuan)理(li)，通(tong)過(guo)硬(ying)件(jian)電(dian)路(lu)製(zhi)作(zuo)和(he)軟(ruan)件(jian)編(bian)程(cheng)，製(zhi)作(zuo)了(le)一(yi)個(ge)機(ji)器(qi)人(ren)，實(shi)現(xian)了(le)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)路(lu)徑(jing)跟(gen)蹤(zong)和(he)自(zi)動(dong)糾(jiu)偏(pian)的(de)功(gong)能(neng)
，並(bing)能(neng)探(tan)測(ce)金(jin)屬(shu)，實(shi)時(shi)顯(xian)示(shi)距(ju)離(li)。

　　2 機器人要完成的功能

　　選取一塊光滑地板或木板，上麵鋪設白紙，白紙上畫任意黑色線條(線條不要交叉)，作為機器人行走的軌跡，引導機器人自主行走。紙下沿黑線軌跡隨機埋藏幾片薄鐵片
，鐵片厚度為0.5～1.0mm。機器人沿軌跡行走一周

，探測出埋藏在紙下鐵片，發出聲光報警
，並顯示鐵片距離起點的位置。

　　3 硬件設計方案

　　機器人總體構成

圖1機器人總體構成

　　如圖1所示
，以微處理器為核心
，接受傳感器傳來外部信息，進行處理，控製機器人的運行。

　　係統電源供電部分

　　由於機器人電機
，傳感器及係統CPU等部分均采用+5V供電
，考慮電動車功率和車載質量及摩擦阻力問題
，電源我們采用電動車自帶幹電池組
，功耗小
、體積小和質量輕，安裝較為方便。

　　電機驅動及PWM調速部分

　　機器人需控製在一個合適的速度行駛，速度太快
，因單片機對各傳感器傳來的信號有一個響應
、處理時間
，小車極易偏離軌道。小車的速度是由後輪直流電機轉速控製，改變直流電機轉速通常采用調壓、調磁等方式來實現。其中，調壓方式原理簡單
，易與實現。

　　采用由晶體管組成的H型PWM調製電路。通過圖2所示PWM調製電路，用單片機控製晶體管使之工作在占空比可調狀態
，實現調速。

圖2 電機驅動電路

　　令單片機P1.7口為低電平，P1.6口為高電平，此時Q1、Q4導通
，Q2、Q3截止
，電動機正常工作。改變P1.6口高電平周期
，即改變PWM調製脈衝占空比，可以實現精確調速。脈衝頻率對電機轉速有影響
，脈衝頻率高連續性好
，但帶負載能力差;脈衝頻率低則反之[2]。經實驗發現，脈衝頻率在30Hz以上，電機轉動平穩，但小車行駛時
，由於摩擦力使電機轉速降低很快，甚至停轉;脈衝頻率在10Hz以下，電機轉動有跳躍現象，實驗證明脈衝頻率在25～35Hz效果最佳。我們選取脈衝頻率為30Hz。

　　引導線檢測模塊

　　根gen據ju白bai紙zhi和he黑hei線xian反fan射she係xi數shu不bu同tong，通tong過guo以yi光guang電dian傳chuan感gan器qi為wei核he心xin的de光guang電dian檢jian測ce電dian路lu將jiang路lu麵mian兩liang種zhong顏yan色se進jin行xing區qu分fen，轉zhuan化hua為wei不bu同tong電dian平ping信xin號hao，將jiang此ci電dian平ping信xin號hao送song單dan片pian機ji
，由you單dan片pian機ji控kong製zhi轉zhuan向xiang電dian機ji作zuo相xiang應ying的de轉zhuan向xiang，保bao證zheng小xiao車che沿yan引yin導dao線xian行xing駛shi。考kao慮lv到dao小xiao車che與yu路lu麵mian的de相xiang對dui位wei置zhi
，采cai用yong反fan射she式shi光guang電dian檢jian測ce電dian路lu。

　　紅外光電傳感器TCRT1000
，它是一種光電子掃描，光電二極管發射，三極管接收並輸出的裝置 .它的特點是尺寸小、使用方便、信號高輸出
、工作狀態受溫度影響小。它的外圍電路簡單，(如圖3所示)。二極管的C端和三極管的E端接地，二極管的A端通過一電阻和電源相接，組成偏置電流電路;三極管的C端也通過一電阻和電源相接

，組成輸出電路。當檢測器檢測到白色時，其輸出低電平;當檢測到黑色時
，則輸出高電平。

　　為提高檢測精度，采用了多傳感器信息融合技術。設計中
，在車頭均勻布置三個光電傳感器，其中
，中間一個(Q1)安裝在小車正中央。Q1的輸出經一級比較器和非門
，接單片

圖3 光電檢測轉換電路

　　機的P1.3腳.Q1左右兩端分別布置一個傳感器
，經與圖3相同的電路後也連接到單片機P1口。若兩側某一傳感器檢測到黑線
，表明小車正脫離軌道，將3個檢測點的結果融合後作為單片機的輸入
，機器人按照單片機P1口信息進行判斷調整，實現路徑跟蹤和自動糾偏[3]。

　　金屬探測部分

圖4 金屬探測電路

　　如圖4所示，金屬探測器使用一接近開關，探測有效距離約為4mm，將(jiang)它(ta)固(gu)定(ding)在(zai)機(ji)器(qi)人(ren)上(shang)，當(dang)探(tan)測(ce)到(dao)金(jin)屬(shu)片(pian)時(shi)，探(tan)測(ce)器(qi)輸(shu)出(chu)端(duan)輸(shu)出(chu)低(di)電(dian)平(ping)，經(jing)反(fan)向(xiang)器(qi)後(hou)接(jie)一(yi)發(fa)光(guang)二(er)極(ji)管(guan)和(he)一(yi)蜂(feng)鳴(ming)器(qi)
，發(fa)出(chu)聲(sheng)光(guang)指(zhi)示(shi)信(xin)號(hao)。同(tong)時(shi)輸(shu)出(chu)反(fan)向(xiang)後(hou)接(jie)單(dan)片(pian)機(ji)
，對(dui)探(tan)測(ce)到(dao)的(de)金(jin)屬(shu)片(pian)個(ge)數(shu)進(jin)行(xing)計(ji)數(shu)。

　　霍爾元件測距設計

　　霍爾集成片內部由三片霍爾金屬板組成，當磁鐵正對金屬板時
，根據霍爾效應，金屬板發生橫向導通[4]
，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)在(zai)車(che)輪(lun)上(shang)安(an)裝(zhuang)磁(ci)片(pian)，而(er)將(jiang)霍(huo)爾(er)集(ji)成(cheng)片(pian)安(an)裝(zhuang)在(zai)固(gu)定(ding)軸(zhou)上(shang)，通(tong)過(guo)對(dui)脈(mai)衝(chong)計(ji)數(shu)進(jin)行(xing)距(ju)離(li)測(ce)量(liang)。小(xiao)車(che)後(hou)輪(lun)每(mei)轉(zhuan)一(yi)圈(quan)
，霍(huo)爾(er)元(yuan)件(jian)產(chan)生(sheng)的(de)脈(mai)衝(chong)送(song)入(ru)單(dan)片(pian)機(ji)的(de)T0口進行計數
，單片機完成脈衝數到距離的轉換。在後輪安裝一個磁極
，測量誤差是一個車輪的周長
，可在軟件中給予補償。

　　LCD顯示

　　液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優點
，在袖珍式儀表和低功耗應用係統中得到越來越廣泛的應用。 這裏采用2行16個字的DM-162液晶模塊，通過與單片機連接，編程，完成顯示功能。

　　4 係統軟件流程

　　係統軟件流程如圖5所示。

圖5 係統軟件流程圖

　　5 結論

　　本(ben)文(wen)基(ji)於(yu)單(dan)片(pian)機(ji)及(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)原(yuan)理(li)，以(yi)單(dan)片(pian)機(ji)為(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)核(he)心(xin)，小(xiao)型(xing)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)作(zuo)為(wei)驅(qu)動(dong)元(yuan)件(jian)，配(pei)置(zhi)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)，通(tong)過(guo)軟(ruan)件(jian)編(bian)程(cheng)
，製(zhi)作(zuo)出(chu)了(le)一(yi)個(ge)價(jia)格(ge)低(di)廉(lian)
、模塊化結構的小型機器人。大量的行走實驗證明，該機器人能夠順利路徑跟蹤和自動糾偏自主行走，並完成探測
、顯示等功能。

　　本文作者創新點：本ben文wen針zhen對dui具ju有you引yin導dao線xian環huan境jing下xia的de路lu徑jing跟gen蹤zong這zhe一yi熱re點dian問wen題ti
，采cai用yong多duo傳chuan感gan器qi信xin息xi融rong合he技ji術shu，通tong過guo單dan片pian機ji控kong製zhi，實shi現xian了le機ji器qi人ren的de路lu徑jing跟gen蹤zong和he自zi動dong糾jiu偏pian的de功gong能neng
，方fang法fa簡jian單dan
，易yi於yu實shi現xian，造zao價jia低di廉lian，效xiao果guo較jiao好hao。

　　參考文獻

　　[1]韓建海，趙書尚
，張國躍等。基於 PIC 單片機的六足機器人製作。機器人技術與應用，2003,06

　　[2] 薑長漲
，於萬元，王冬蕾。基於AVR單片機的直流電動機的PWM調速係統設計。儀器儀表用戶
，2006,02

　　[3] 薛豔茹，鄭冰
， 郝興貞，等。基於模糊控製信息融合方法的機器人導航係統。微計算機信息，2005年第11-2期

　　[4] 張壽安。霍爾效應在位置控製中的應用。長沙鐵道學院學報(社會科學版)，2005,02