一种机器人寻迹行走控制系统 张江梅,王姮

基金颁发部门：四川省教育厅；项目名称：基于CCD的嵌入式机器视觉系统在移动智能体中的应用研究；编号：2006C027 基金申请人：张江梅
一种机器人寻迹行走控制系统
张江梅，王 姮
四川绵阳西南科技大学 621010
【摘要】：本文介绍了一种机器人寻迹行走控制系统。

系统采用了光电检测寻线和直流电机驱动相结合的机器人控制技术，应用AVR单片机为核心控制器，来采集、存储、处理由光电检测寻迹系统输入的数字信号，并通过驱动系统来控制直流电机，使机器人按照预设的路线行走。

系统具有自动纠偏、准确可靠、抗干扰能力强等特点，为机器人行走的准确性提供了可靠保证。

【关键字】：机器人；寻迹行走；光电传感器；单片机；直流电机
【中图分类号】：TP242.6+2
【文献标识码】： A
在一种自动行走机器人的应用中，希望机器人能够自动按照地面上的某种白色指示线到达某一标志物上并使机器人停止完成相应动作。

若采用步进电机驱动可以满足以上要求，但由于地面的各种因素，比如地面较光滑等，导致机器人在运动过程中出现打滑或丢步，机器人在运动中一旦出现这些现象，就不能准确检测到标志物。

本文介绍了一种采用光电检测寻线系统和直流电机驱动相结合的机器人控制系统，可以使机器人非常准确、自动地到达理想的位置并完成相应的动作。

1 光电检测寻线系统
寻线系统即机器人的“眼睛”，在机器人的寻迹行走中起着非常重要的作用，为机器人行走过程中定位的准确性提供了保障。

每一套寻线系统由比较电路板和光发射接收板两大部分组成。

比较电路板主要是将光发射接收板输入的模拟信号经比较器比较后，转换为数字信号，输入到单片机中。

光发射接收板主要功能是完成光的发射、接收和将光信号转换为模拟信号。

每一块光发射接收板就是机器人的一个检测点，一般情况每个机器人需安装多个检测点，以保证机器人在运动过程中有较大的偏向检测能力和纠错能力。

本文介绍的机器人寻线系统，其实验场是在地面上放置了白色引导线及高约1cm、直径10cm的白色圆盘来测试机器人的寻线。

可以根据两个量来判断机器人是否在白线及圆盘上方。

一是接收管检测的模拟量的大小。

由于所用的光电管ST178是反射式的，它是根据发射管发射红外线经被测物反射后光的强弱来识别颜色的。

所以当光电管到白色上方时，接收管得到信号的值与在其他地上有明显不同，由此来判断光电检测阵列已经在白色检测物上方。

二是通过相应的软件模块判断在圆盘上方光电管的数目，如果光电管数目在某一范围内时则表明机器人在圆盘上并使机器人停止完成相应动作。

1.1总体电路图
光电检测阵列的电路框图如图1所示。

使用单片机的同步串行口（SPI）将串行数据送入移位寄存器74HC595中。

然后在锁存脉冲的作用下将串行数据并行发送。

采用SPI方式，串行数据传输的波特率可达2MHz，实际使用中效果并不亚于并口。

采用多片74HC595级连可以驱动多个发射管，同时最末端的74HC595为数据选择器提供位选信号和用于显示光电管
图1反射式光电寻迹系统
工作状态的LED导通信号。

由于74HC595的数据是并行发出的，这样可以保证在导通一个发射管的同时相应的接收管信号被送入单片机的A/D转换器中。

每排安放了8个光电管检测点，由一片74HC595完成对发射管的扫描，另一片74HC595为数据选择器CD4067提供位选信号。

1.2寻线电路
在寻线时，只要由一排光电管就可以实现机器人沿曲线行走。

图2所示是机器人寻线轨
图2 机器人沿曲线行走示意图
迹。

当机器人偏离白线时，根据在白线上光电管的分布情况来调整机器人的行进姿态。

图3中发射管阵列和接收管阵列采用不规则排布是为了使机器人偏离白线较远时两边的光电管也能检测到白线。

如图3所示，一排装了8个光电管，上面是接收管下面是发射管，虚线表
示白线的两边沿，可见机器人正常行走时中间两个对管始终在白线上。

图4是一个光电管的模拟光路图，它是反射式光电管，在距地面2—3cm 的高度检测效果最佳。

1.3 检测标志物电路
检测标志物（圆盘）的电路安放在机器人底盘的几何中心。

在检测圆盘的电路设计时，将光电管排列成（7，4）的阵列，每排光电管均匀排列，通过相应的软件模块判断检测到信号量的大小（圆盘高出地面1cm）和在圆盘上方光电管的数量来判断机器人是否处于圆盘上方。

图5所示为机器人底盘光电对管布置情况。

2 单片机控制系统
单片机控制系统原理框图如图6 所示。

该系统以AVR 单片机8535为主控制器，实现光电检测阵列的数据采集、处理、驱动电机的电路框图。

它由光电检测阵列、移位寄存器、数据选择器、驱动电路组成。

光电检测阵列由几十个光电管组成，每个光电管由发射管和接收管构成，发射管与接收管封装于同一模块内，这是一种反射式光电管，可以在7cm 的范围内分辨黑白色区域。

移位寄存器是用来扩展单片机的I/O 口的。

由于光电检测阵列的光电管较多，而单片机的I/O 口有限，所以必须扩展I/O 口才能驱动多个光电管。

采用移位寄存器来扩展I/O 口具有硬件电路简洁、软件控制简单等优点。

图4 模拟光路图
2—3cm 图6 单片机控制原理框图
图5 机器人底盘光电对管布置
数据选择器是用来选择某一个接收管的信号，然后送入单片机的。

由于接收管与发射管一一对应，数量与发射管一样，而单片机的A/D转换只有8个通道，所以采用数据选择器来选取某个接收管的信号读入单片机，这样当发射管依次导通的同时对应的接收管的信号进入单片机的A/D转换器中进行A/D转换。

驱动电路是用来驱动两个轮子的电机的。

机器人采用直流电机二轮驱动方式。

我们采用的驱动电路是由L298N构成的，它是双H桥高电压大电流功率集成电路，正常工作时可以提供2A的驱动电流。

其外围电路简单、控制方便、驱动能力强，可以驱动两路直流电机或步进电机等感性负载。

采用L298N作为电机驱动电路可靠性高，可以方便地控制电机的正反转。

单片机输出PWM波对电机进行调速。

由于两个轮子的线速度不一致，所以建了一个速度表，将左右轮的速度各分为8档，根据机器人行进姿态的判断结果来调用速度表中的值，实现了机器人在曲线上较平滑的转弯。

3 结束语
采用本文阐述的设计方法，成功实现了机器人对白线和圆盘的识别。

本文提出的光电检测寻线系统和直流电机驱动相结合的机器人控制系统易于实现、成本低，已成功用于机器人竞赛等多种场合，取得了良好的应用效果。

作者创新点：
采用光电检测寻线系统和直流电机驱动相结合的机器人控制系统，可以使机器人非常准确、自动地到达理想的位置并完成相应的动作。

作者简介：张江梅(1975- )，女，山西省昔阳县人，西南科技大学讲师，学士，在读工程硕士，主要从事机器人控制技术和嵌入式系统的研究工作。

Biography: Zhang Jiangmei(1975-),Female, Sanxi province, Working Southwest University of Science and Technology, Bachelor's degree ,Be reading engineering Master, mainly be engaged in the research work of the robot control technique and built-in system.
参 考 文 献
[1] 宋晖，高小明，张华.智能机器人路径规划及算法研究[J].微计算机信息，2006，11-2: 244-246
[2] 吴杰. 光电信号检测[M] .哈尔滨 :哈尔滨工业大学出版社, 1990.
[3] 钱浚霞. 光电检测技术[M] .北京 :机械工业出版社, 1993.
[4] 潘天明. 半导体光电器件及其应用[M] .北京 :冶金工业出版社, 1985.
[5] 秦积荣. 光电检测原理及应用[M] .北京 :国防工业出版社, 1985.
[6] (美)TsangWT. 半导体光检测器[M] .杜宝勋 .北京:电子工业出版社, 1992.
[7] 齐丕智. 光敏感器件及其应用[M] .北京:科学出版社, 1987.
A Line-tracking Control System of Mobile Robot
ZHAGNJIANGMEI，WANG-HENG
(Southwest University of Science and Techenology, Mianyang City and Sichuan
Province，China， 621010)
Abstract:This paper describes a line-tracking control system of mobile robot. This system use top quality photoelectric sensor and directmotor to control robot’s ambulation. Under the control of the single-chip microcomputer subsystem, the system can collect,save and process the digital signal from the line-tracking system,then controls the directmotor through the driving system, and with the system robot can move according to preinstalling tracking.It shows that the system has the characteristics of automatic cut-away, credibility, accuracy and high anti-disturbance ability and so on.and the system guarantees accuracy of the robot moving .
Keywords: robot , line-tracking, photoelectric sensor, single chip microcomputer , dirctmotor
项目经济效益：500万元
作者已向所在学校图书馆提出书面材料，图书馆正在办理订阅本杂志的手续。