学习任务四机器人智能感应系统制作.docx
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学习任务四机器人智能感应系统制作
学习任务四：
机器人智能感应系统制作
任务描述：
机器人寻迹前进，并检测出障碍。
任务如图4-1所示。
图4-1运动场地示意图
运动场地：
场地是一个长300cm、宽300cm的区域。
场地表面可用白纸（或PVC板），颜色为白色。
场地中有一个圆形区域完成机器人的基本运动，宽度为15mm的黑色线由C点贯穿到D点，其间随机有4颗实心黑色的圆形图案，直径为30cm，称为“地雷“，场地示意图见上图4-1。
（注：
图中标注尺寸单位均为cm）
1．基本要求
（1）机器人在A点出发，先直线后退50cm到B点，终点误差不大于10cm;
（2）然后机器人从B点继续做直径为1米的圆周运动（从B点出发顺时针或者逆时针沿圆周运动再回到B点），总计100秒内完成；（如果不能自动从B点起动，可以人工将机器人放置B点出发，一共有两次机会，若两次都失败，则本项不得分。
（3）机器人回到B点后沿轨迹线从B点直线前进100cm到C点，终点误差不大于10cm;
（4）要求机器人从C点出发，自行寻找轨迹到达D点
2．发挥部分
（1）机器人在行驶过程中能探出轨迹中的地雷，每探到一个地雷小车必须停止1秒，并发出一声蜂鸣，每探得一个地雷得5分。
（2）自动记录、显示行驶时间（记录显示装置要求安装在机器人上）。
（3）其它特色与创新。
建议学时：
15学时
学习目标：
完成本学习任务后，应当能够：
1．能利用多种传感器设计机器人寻迹运动控制板；
2．能利用红外检测电路原理设计机器人查障电路；
3．能完成机器人障碍物检测软件程序的设计和调试；
4．能完成机器人障碍物方位判定程序的设计和调试。
学习内容：
1．地面灰度传感器、红外测障传感器、碰撞传感器原理与应用；
2．红外检测电路原理与应用；
3．障碍物检测案例分析与运用；
4．障碍物方位判定案例分析与运用。
引入问题一：
机器人如何看到黑线？
如何寻线行驶？
利用传感器，机器人能看见黑线并根据检测到的路况和车速的当前信息，控制两个后轮直流驱动电机，相应地调整机器人的行驶方向和速度；最终的目的是使机器人能快速、稳定地按给定的黑色引导线行驶。
方案一：
反射式红外发射-接收传感器
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。
采用脉冲调制的反射式红外发射-接收传感器。
考虑到环境干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以很大，这样也大大提高了信噪比，可以有效避免外界环境变化对系统检测精度的影响。
电路原理图如图4-1所示，由可调电阻R1，红外线发光管D1和三极管Q1构成的电路为红外线发射电路。
R1可以调节红外线发光管的发光强度，Q1起驱动作用。
图4-1红外电路原理图
小知识：
在接收电路中，U1为一体式红外线接收传感器IRM8601S，，它内部集成自动增益控制电路、带通滤波电路、解码电路及输出驱动电路。
但由于它是开漏输出，所以输出端需接一个上拉电阻，见图4-1中的R3。
其中R2是限流电阻，C1滤出电源高频干扰。
当连续收到38KHz的红外线信号时，将产生脉宽10ms左右的低电平。
如果没有收到信号，便立即输出高电平。
如图4-1所示，Pulse为发射控制端，高电平时发射38KHz的红外信号。
Out为接收输出端，低电平表示收到信号。
设计思路：
1．为了检测路面黑线，在机器人的前部安装了三组反射式红外传感器。
其中左右两旁各有一组传感器，由三个传感器组成“品”字形排列，中轴线上为一个传感器。
因为若采用中部的一组传感器的接法，有可能出现当驶出拐角时将无法探测到转弯方向。
若有两旁的传感器，则可以提前探测到哪一边有轨迹，方便程序的判断。
采用传感器组的目的是防止地面上个别点引起的误差。
组内的传感器采用并联形式连接，等效为一个传感器输出。
取组内电压输出高的值为输出值。
这样可以防止黑色轨迹线上出现的浅色点而产生的错误判断，但无法避免白色地面上的深色点造成的误判。
因此在软件控制中进行计数，只有连续检测到若干次信号后才认为是遇见了黑线。
同时，采用探测器组的形式，可以在其中一个传感器失灵的情况下继续工作。
中间的一个传感器在寻光源阶段开启，用于检测最后的黑线标志。
每个寻迹传感器由三个ST178反射式红外光电传感器组成，内部由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，具体电路如图4-2。
图4-2红外模块原理
子任务一：
根据该硬件电路，编制相应的控制程序。
程序流程图参考如图4-3所示。
图4-3寻迹控制程序流程图
2．整个传感装置是由四个ST178组成，完成寻线控制:
主要是根据光电扫描得来的值判断过后,采取不同的选择。
当装置只有最左边的传感器在引导线上,而其他的都没在的情况下,表明小车在引导线的右边,于是小车改变行驶方向,使能控制前轮方向的电机,前轮默认向左传,PWM波改变,使高电平的占空比下降,从降低后轮电机的转速,使小车以极慢速度行驶。
当装置左边两个传感器都在引导线上,而右边两个不在引导线上的情况,表明小车也是在引导线的右边,于是小车同样改变方向,使能控制前轮方向的电机,前轮也是默认向左传,PWM波使后轮电机的转速稍微增加,小车以较快速度行驶。
当装置中间两个传感器在引导线上,而左右两个都不在引导线上的情况,表明小车的行驶方向是正好与线一致,于是使控制前轮的电机停转,前轮会在弹性材料的作用下,返回正前方,电极在PWM波的控制下,以比前两种情况转速都快的情况下工作,小车全速前进。
当装置右边的两个传感器在引导线上,而左边两个不在引导线上的情况,表明小车在引导线的左边,应该向右行驶,于是前轮电机在继电器控制下,反向转动,将前轮置为向右转,后轮电机速度回到情况2的等级。
当装置最右边的传感器在引导线上,而其他三个都不在引导线上的情况,表明小车在引导线的左边,应该向右行驶,于是前轮电机在继电器控制下,反向转动,将前轮置为向右转,后轮电机速度回到情况1的等级。
当然这样的判断逻辑,是在引导线的宽度大于相临两个传感器间距而小于其两倍间距时,最适合机器人寻线的控制。
子任务二：
根据该硬件电路，绘制相应的程序流程图。
用中断来响应路面检测信号并对电机做相应的调整。
方案二：
色标传感器。
探测路面黑线的大致原理是:
光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，
根据接收到的反射光强弱判断是否沿黑线前进。
设计思路：
在机器人底中部安装两个GDK一Znw型色标传感器，将两个色标传感器探头置于运行轨迹中间，其间距调整为小于黑线的宽度。
色标传感器接受到不同的颜色后会有不同的电平输出。
本电路中当色标传感器检测到黑色，③脚输出为高电平；检测到白色，③脚输出为低电平。
实际行驶时，只有当两个色标传感器同时检测为高电平，小车才直线运行，否则运用差步原理，调整方向。
检测电路如图4-4。
图4-4路面黑线检测电路
色标传感器工作电流大，抗干扰能力强，检测精度高，在黑色引导线两侧检测，可使小车沿运行轨迹精确行驶。
子任务三：
根据该硬件电路，编制相应的控制程序。
方案三：
灰度传感器。
灰度传感器是模拟传感器。
灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同的原理进行颜色深浅检测。
灰度传感器有一只发光二极管和一只光敏电阻，安装在同一面上。
如图4-5所示。
在有效的检测距离内，发光二极管发出白光，照射在检测面上，检测面反射部分光线，光敏电阻检测此光线的强度并将其转换为机器人可以识别的信号。
图4-5灰度传感器结构图
设计思路：
地面灰度传感器通过发光二极管照亮地面，地面的反射光线被光敏电阻接收，电阻值根据反射光线强弱而改变。
地面灰度深，光敏电阻值小；地面灰度浅，光敏电阻值大。
然后，阻值的变化转变成电信号，通过模拟口输入到机器人主板上的微控制器，再由微控制器中的A/D转换器将电信号进行转换后供程序使用。
案例一：
并行A/D转换
ADC0809是一种8位的并行数据输出的AD转换器，它将输入进来的模拟电压量进行采样、量化后以一定的数字转结果输出出来，这样就实现了数字化的单片机系统与模拟电路系统的接口。
完成一次AD转换后，将转换得到的值显示在8个发光管上。
如图4-6所示。
图4-6ADC0809模数转换电路
参考程序：
转换函数
unsignedcharADC（）
{
charvalue;
//P2=0x00;//转换通道地址锁存,暂不使用
START=0;
START=1;//开始转换命令
START=0;
while（EOC==0）;//等待转换结束
OE=1;
value=P0;
OE=0;
returnvalue;
}
/************************************************/
voidmain（）
{
init（）;
START=1;//ST端产生正脉冲
START=0;
while
（1）
{
P1=ADC（）;//输出转换得到的数据
}
}
引入问题二：
机器人如何判别障碍物及其方位？
和寻迹一样，也是通过传感器判定障碍物的方位，中断响应后转入子程序控制后轮左右电机的速度，从而控制机器人的转向，达到避障的目的。
方案一：
红外传感器检测
避障的原理和循线一样，在车头的前中后各装了一个传感器，当左边传感器检测到障碍物时，右轮减速，机器人向右转，当右边检测到障碍物时，左轮减速，当中间或全部的传感器都检测到障碍物时，机器人定向转动，从而避开障碍物。
设计思路：
红外部分是用的红外对管，基本原理就是电路通过一个红外管发射红外线，另一个在一起的接收管接收，当前面有障碍物（最好是白色）的时候，红外线会被反射回来，同时就会被在一起的接收管接收到，并将相应单片机I/O口置为高电平，通过程序检测红外管的编号，来控制电机的转动情况（左、右转向，后退等），从而实现避障。
硬件图如4-7所示。
图4-7红外检测电路示意图
红外避障电路原理图如下图4-8所示。
图4-8红外避障电路原理图
子任务四：
根据红外避障电路，设计避障程序流程图及编制程序。
方案二：
超声波传感器避障
ST-H超声波传感器使用超声波技术直接对固体障碍物进行检测。
利用监视测量发射脉冲（40KHZ波）和接收反脉冲（回波）的时间差，计算出小车到障碍物的距离来实现避障。
设计思路：
采用外部中断INT0对回波信号进行检测（回波信号送到单片机的为一序列方波脉冲）。
当收到障碍物反射回来的回波，即产生外中断。
小提示：
当发送超声波时，需要延时约0.1ms，这是为了避免余波信号。
所谓余波信号，即超声波接收头在发射头发射信号（一组40KHz的脉冲）后，马上就接收到了超声波信号，这是超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射信号。
这也是超声波检测中存在最小测量盲区的主要原因。
程序流程图如图4-9所示。
图4-9超声波测障碍物的流程图
子任务五：
根据避障程序流程图，设计避障子程序。
任务实施：
基本要求中任务要求是寻迹，方案论证中主要问题是黑线探测技术。
一、方案论证
1．路面情况检测方案的选择
方案一：
反射式红外发射-接收传感器
当连续收到38KHz的红外线信号时，将产生脉宽10ms左右的低电平。
如果没有收到信号，便立即输出高电平。
可用高、低电平作为判断依据。
可选用三组反射式红外传感器或是四个ST178来作方案。
提示：
轨迹黑线有弧度，要保证机器人始终行驶在黑线上，应注意传感器的安装位置及程序判断的设计。
方案二：
色标传感器。
色标传感器接受到不同的颜色后会有不同的电平输出。
本电路中当色标传感器检测到黑色，③脚输出为高电平；检测到白色，③脚输出为低电平。
只有③脚输出同为高电平时，才能保证机器人行驶在黑线上。
色标传感器安装在车体的中部，当机器人在弯道上行驶时，可能发生判断失误，对电机的修正产生误导。
方案三：
灰度传感器。
灰度传感器是模拟传感器。
单片机作数据采集时，还需另加A/D转换电路，在硬件电路上稍显复杂。
小组经讨论后提交设计方案。
2．电动机的选择
方案一：
采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。
另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。
方案二：
采用普通直流电机。
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。
由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此建议采用直流电机作为动力源。
3．电动机驱动方案的选择
方案一：
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。
更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：
采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。
这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。
方案三：
采用四个大功率晶体管组成H桥电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电动机的运行。
该控制电路由于四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。
基于以上的分析，建议电动机驱动电路选择方案三。
4．供电电源方案的选择
方案一：
采用两个电源供电。
将电动机驱动电源与单片机以及其周电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。
这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但是多一组电池，增加了车身重量，增大了小车的惯性。
方案二：
采用单一电源供电。
电源直接给电动机供电，因电动机启动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分电路通过集成稳压块供电。
其供电电路比较简单，
通过比较，小车的机动性和灵活性更为重要，供电电路建议采用方案二为好。
如图4-10。
图4-10+5V电源电路原理图
发挥部份是寻找地雷并报警，地雷是一个实心黑色的圆形图案，直径为30cm。
比寻迹黑线的宽度多了一倍。
设计思路：
可同样采用光电传感器，根据安装的间距来作判断；
在车体中部加装色标传感器，安装控制在直径30cm的圆圈内，如果全部输出为高电平，即为踩到地雷，可编程报警。
二、具体设计与实现
单片机为小车的控制核心，电路由黑线检测模块，电机驱动模块，声光指示模块，红外线探测模块，方向控制模块，等几部分构成（超声波测距及显示模块为发挥部分）。
系统框图如图4-11所示。
图4-11系统框图
1．系统硬件设计
（1）路面黑线检测设计与实现
当检测到黑线时，红外光管接收到反射回来的红外光，其输出立即发生高低电平跳变，该信号经放大整形后送单片机分析处理。
为保证小车延黑线行驶，采用了两个检测器并行排列。
在小车行走过程中，若向左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传给单片机。
，单片机控制车头向右转。
路面黑线检测电路如图4-12所示。
（2）电动机驱动电路设计与实现
由四个大功率晶体管组成H桥电路组成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，以保证小车完成前进、后退、左传、右转等运行动作。
原理图如图4-13所示。
图4-12路面黑线检测电路
图4-13电机驱动电路
2．软件设计
智能小车的控制器使用ATMEL公司的AT89C51单片机。
程序设计上使用了时钟中断来控制小车行驶的状态检测，使用外部中断来记录小车行驶的距离，软件上设置了一个状态寄存器，来记录小车运行的状态，小车的运行为沿黑线行驶状态，探地雷状态等。
在黑线上行驶时，控制器检测红外传感器，如果小车行驶偏离方向，则控制小车转向轮进行转向。
在探雷状态时，控制器检测色标传感器，判断前方是否有地雷，如果有地雷则控制机器人进行探雷，发出警报。
主程序流程图如图4-14所示，定时中断流程如图4-15所示，外部中断流程如图4-16所示。
图4-14主程序流程图
图4-15定时中断流程图
图4-16外部中断流程图
考核标准：
项目
得分
基本要求
方案设计与论证、理论计算与分析、电路图，设计报告
50
实际完成情况
完成第一项
10
完成第二项
10
完成第三项
10
完成第四项
20
发挥部分
实际完成情况
完成第一项
20
完成第二项
20
完成第三项
10
升级会员 