基于AT89C51微控制器實現具有道路學習記憶的機器人設計

隨著科學技術的不斷發展，機器人技術在航天、海洋、軍事、建筑、交通、工業及服務業等領域已經取得廣泛的應用和發展。而在一些特殊場合（如航天、深海作業及核工業等領域），以無人探察車、無人排險車及無人運輸車等為代表的機器人技術越來越受到關注。為此，筆者設計了一種具有道路記憶功能、使用靈活方便、應用范圍較廣的輪式移動機器人模型。

該機器人模型以微控制器ＭＣＵ為核心，先由人對機器人模型按照所要行走的路線進行訓練，即讓機器人模型記憶該路線（將路線數據存儲在存儲器中）。以后機器人模型就可沿此路線重復行走。其記憶路線的方式靈活方便，可根據不同的要求和需要對其進行不同的路線訓練以完成不同的任務。

該模型可以應用于一些人類不宜活動或較難控制的場合（如微型核反應堆的金屬罐管系統、火場探測、輻射、消防、有毒、易燃、易爆物體場所的探測等），也可作為室內服務機器人使用，以代替人完成家務勞動、廠區貨物搬運、醫院病歷及資料的傳遞等。

該機器人模型具有以下特性：

●具有道路學習記憶和道路循跡重復功能；

●可模擬地圖仿真訓練，輸出放大倍數可按需要設定；

●在實際工作時，如遇到障礙物？可采用道路轉移法繞過障礙物并沿原學習道路繼續前進；

●工作時無人控制；

●光線較暗時會自動打開光源；

●前進距離可用ＬＣＤ實時顯示；

●運動狀態可用指示燈實時顯示；

●具有系統故障報警功能。

1、系統硬件設計

系統硬件設計框圖如圖１所示，核心控制部分采用Ａｔｍｅｌ公司的普及型８位ＭＣＵＡＴ８９Ｃ５１。作為一款目前廣泛應用的ＭＣＵ，ＡＴ８９Ｃ５１提供有電機控制、ＬＣＤ驅動顯示以及傳感信息等多種驅動功能和接口，另一方面，該ＭＣＵ價格低廉，有很高的性價比。外接存儲模塊采用容量為２５６ｋＢ的２４ＬＣ２５６閃存芯片，當然，也可以根據實際需要選用其它容量的閃存芯片。感光探測選用光敏電阻即可感應外界光線的強弱。障礙物探測采用美國邦納工程有限公司的ＰｉｃｏＤｏｔＰＤ系列激光傳感器，該傳感器能對被測物體進行精確的到位檢測、定位和計數。

基于AT89C51微控制器實現具有道路學習記憶的機器人設計

２、系統設計要點

輪式移動機器人模型的速度及方向可由兩個后輪作為驅動輪來控制，ＭＣＵ通過驅動芯片Ｌ２９３Ｂ驅動兩個后輪電機。ＡＴ８９Ｃ５可通過兩個后輪對應的兩個計速器來分別控制這兩個后輪的轉速，從而實現模型的前進和轉向功能。

２．１計速部分

系統計速部分由光電開關及帶有均勻分布小孔的圓盤組成，其電路及皮帶輪連接示意圖如圖２所示。當光電開關中間有黑色物體擋住時，輸出電平為０；無遮擋時，輸出電平為１。當均勻分布小孔的圓盤邊緣在光電開關的槽中轉動時，可根據輸出的一系列脈沖及圓盤上的孔數計算出圓盤的轉速Ｎ。皮帶輪１與圓盤粘在一起，因而轉速相同；皮帶輪２與模型后驅動輪同軸，速度相同；皮帶輪１、皮帶輪２由皮帶相連。假設皮帶輪２周長是皮帶輪１周長的５倍，則皮帶輪２的轉速為Ｎ／５，即車輪轉速為Ｎ／５。

２．２道路學習記憶

計數芯片選用７級二進制串行計數器ＣＤ４０２４，光電開關的輸出波形經施密特觸發器整形為標準脈沖波形可使ＣＤ４０２４計數更方便。設每隔Ｔ時間記錄到脈沖數Ｍ，那么，Ｔ時間內圓盤轉速Ｎ＝Ｍ／（ＬＴ）（設Ｌ為圓盤上的孔數），則車輪的速率為Ｎ／５＝Ｍ／（５ＬＴ）。由于Ｔ越小，結果越精確，故Ｔ取幾至幾十毫秒。記錄的數據經微控制器ＭＣＵ送至外接閃存２４ＬＣ２５６儲存起來，供輸出使用。

通過上述過程可對模型進行道路訓練，即每隔Ｔ時間將兩個后輪速率分別記入閃存。訓練結束后，閃存內存儲的是兩個后輪每隔Ｔ時間一次的速率，這樣就可實現對訓練道路的記憶。

２．３道路循跡重復

在對該模型進行輸出控制時，先由微控制器ＭＣＵ從閃存中讀取數據，再將每隔Ｔ時間的轉速數據通過脈沖輸出，并通過Ｌ２９３Ｂ芯片驅動兩后輪電機的轉動。為保證輸出的轉速與原記錄的轉速一致，可用反饋控制的方法在后輪驅動電機轉動的同時，由計速器模塊同時檢測兩個后輪的轉速，然后分別比較兩個后輪的轉速是否與原記錄轉速相同：若小于原記錄轉速，可調用加速子程序；若大于，則調用減速子程序。

由于計數時間Ｔ較小，再加上反饋控制的作用，就可保證輸出的運動軌跡精確接近于原訓練道路，誤差很小。實際運行時，可在保證記錄和輸出精度的前提下把訓練的道路模擬成與實際道路按比例縮小的地圖，即在地圖上對模型進行道路訓練，按比例倍數放大輸出，即可使機器人在實際道路上按訓練道路運動。由于輸出放大倍數由程序決定，因而可按不同的需要設置，靈活性很高。

２．４道路轉移法繞障

該機器人模型在訓練完成后，即可從預設地點開始行走。模型在前進過程中，當傳感器探測到前方有障礙物時，可調用繞障礙物程序繞過障礙物并返回到原記錄道路繼續前進。其繞障過程示意圖如圖３所示，當模型傳感器在Ａ點探測到前方有障礙物時，會將障礙物模擬成一邊與當時模型方向垂直的矩形物體（見圖中虛線矩形）。然后中斷從閃存中讀取路線數據，并使模型在Ａ點左轉９０，接著以勻速ｖ直線前進ｔ１時間到Ｂ點，再在Ｂ點右轉９０，接著從原中斷處調用原記錄路線數據前進ｔ２時間到達Ｃ點。之后再在Ｃ點以方向Ｃ１轉動Ｃ１與Ｃ２方向的夾角θ（θ＝９０－兩車輪前進距離差／兩車輪間距），模型方向從Ｃ１轉動到Ｃ２，然后再以勻速ｖ直線前進ｔ１時間到Ｄ點，此時方向為ｄ２方向，然后再以Ｃ１到Ｃ２的相反方向從ｄ２轉θ角到ｄ１方向，即ｄ１／／Ｃ１。實際上，在沒有障礙物的情況下，模型依所記錄路線應沿ＡＤ段前進，到達Ｄ點方向為ｄ１方向。由圖可見，ＢＣ段的運動情況完全等同于ＡＤ段的運動情況，也就是說，在遇到障礙物時，機器人會將ＡＤ段轉移到實際的ＢＣ段運動以繞開障礙物，同時保持它應有的運動狀態并返回原記錄路線。其中ｔ１、ｔ２的選取與虛線矩形的大小（代表障礙物的大小）有關，它可由傳感器探測到的障礙物大小來確定。

２．５附加功能

應用時也可根據特殊需要，在模型上安裝攝像機以實時觀察或安裝自動拍照的數碼像機來記錄工作區域周圍的情況。當模型探測到周圍環境的光線比較暗時，還可由微控制器ＭＣＵ打開光源，以便為像機提供照明。

此外，模型上還設計了工作指示燈來實時指示模型的工作狀態，不同指示燈分別指示其正常、左轉、右轉及出錯狀態，以方便使用者及時了解模型的工作情況。外接ＬＣＤ可實時顯示模型的前進距離，每個車輪前進的距離＝記錄的車輪的轉數車輪的周長，再取兩個車輪前進距離的平均值作為模型的前進距離，這樣可方便使用者及時了解模型的進程。

若模型在工作過程中發生故障（如不能前進、失控等），也可通過警鈴和警燈提醒用戶及時檢修。

３、系統軟件設計

圖４、圖５分別為機器人模型道路學習記憶、循跡重復的軟件流程。本程序中，道路學習記憶時的記錄時間間隔Ｔ取３０ｍｓ，輸出控制時，在每一個記錄周期內比較６次（每５ｍｓ計一次數，再乘以６與原記錄數相比較，以判斷應加速還是減速），以使輸出更精確于原記錄數據。圖６為繞障礙物程序流程圖，其中模型方向轉過一定角度可由一輪靜止、另一輪運動時的兩輪間距轉動角弧度的距離來實現。