智能机器人实验

智能机器人实验

一、系统构成

智能机器人小车主要完成寻迹的功能，其实现主要包含机械结构和控制结构。

1．机械结构

图8.1车体结构

小车的车体结构如图8.1所示，主要由底盘、前后辅助托轮、控制板支架、光电传感器支架、左右驱动轮及步进电机等组成。

2．控制结构

小车的控制结构主要包含传感器及调理电路、步进电机及驱动电路、控制器等部分，下面将分别进行叙述。

2.1传感器及调理电路

机器人一旦启动进入运行过程是不允许人参与控制的，因此它的行为动作离不开传感器。图8.2的流程图表明设计传感器的方法和需要涉及的因素。

图8.2传感器设计流程

在这里，小车要实现寻迹功能，需要使用到3个光电传感器，其内部原理图和引脚图分别如图8.3和8.4所示。光电传感器需要加进一个由比较器构成的信号调理电路，使其输出兼容TTL 电平而能够与控制器接口，其应用电路如图8.5所示，因为需要使用到3个光电传感器，因此共需要3路这样的光电检测电路。

图8.3光电传感器内部原理图图8.4光电传感器引脚图

图8.5光电检测电路

2.2步进电机及驱动电路

在此采用的是四相八拍反应式步进电机，其典型结构图如图8.6所示。它共有5个接线

端，其中1个为12V电源输入端，其它4个为控制端，接线方式如图8.7所示。当A绕组

接通脉冲电流时，在磁力作用下使A相的定、转子对齐，相邻的B相和D相的定、转子小

齿错开。若换成B相通电，则磁力使B相定、转子小齿对齐，而与B相相邻的A、C相的

定、转子小齿又错开，从而使得步进电机转过一个步距角。若按A→B→C→D→A……规律

循环通电，则步进电机按一定的方向转动。若通电顺序改为A→D→C→B→A……，则电机

反向转动。这种方式称为四相单四拍。在实现上，只需要按一定的时钟周期（不小于1.25ms，

对应频率不高于800Hz）往这4个控制端循环输出一组固定的控制字即可，如图8.8所示。

当反转控制字输出顺序（6、7、3、B、9、D、C、E）或改变接线顺序（控制端4、控制端

3、控制端2、控制端1），就可以使转动反向。因为左右轮的安装是反向的，所以要使小车

前进，左右步进电机的转动必须反向。欲使小车左转，只需要使左轮停止而右轮前进转动即

可；反之，欲使小车右转，则只需要使右轮停止而左轮前进转动即可。当输出一个固定的控

制字时，因4个控制端输出波形之间不具有相位差，步进电机将停止转动。步进电机需要一

个驱动电路，可以采用ULN2803作单片机、CPLD、DSP等控制器与步进电机的接口，并

由之提供步进电机的驱动。ULN2803的内部原理图和应用电路图分别如图8.9和8.10所示

图8.6 反应式步进电机结构图 图8.7 步进电机接线图

图8.8 步进电机控制波形

+12V

RD0RD1RD2RD3OUTPUTA1OUTPUTA2OUTPUTA3OUTPUTA4GND

RD4RD5RD6RD7OUTPUTB1OUTPUTB2OUTPUTB3OUTPUTB4IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77IN88GND 9

VCC

10

OUT811OUT712OUT613OUT514OUT415OUT316OUT217OUT118ULN2803

C17104

+12V

图8.9 ULN2803内部原理图 图8.10 ULN2803应用电路图

2.3

控制器

控制器的作用是按一定的时钟周期（不小于300ms ）对3个光电检测器的输入进行抽样检测，并根据3个光电检测器的状态，判决小车是应该左转、右转还是前进，从而决定左右轮的步进电机是应该开动还是应该停止。当步进电机需要开动时，向该步进电机输出前面所述的具有固定相位差的控制信号，否则输出一个固定的控制字，使步进电机停止转动。后面将分别给出基于PIC 单片机、CPLD 和DSP 控制器的设计。

3． 智能机器人系统功能

智能机器人主要完成寻迹（路径检测）的功能，即当它发现需寻迹的线路后，应该能够自行绕着该线路行走而无需用户干预。当然用户也可以加进其他的扩展功能，如红外测距、金属检测、温度检测等，扩展功能需由用户自行设计。

二、 系统测试方法 1． 基本功能

在地面上用黑胶带粘成一个任意封闭曲线，如图8.15所示。加装蓄电池，当机器人小车找到线路后，应该能够自行沿着曲线行走而无需人工干预。

图8.15用于基本功能测试的任意封闭曲线2．扩展功能

扩展功能的测试需由设计者自行设定。例如：