引言

　　智能尋跡機器人是一種被廣泛研究的機器人，而且國內外都有許多重要的比賽都以尋跡機器人為核心展開。

　　所謂的復雜路線，即由小半徑彎道、各種角度折道、直道等組成的不規則導引線，它是相對由大半徑彎道組成、過渡平滑的簡單路線而言的。筆者所設計的尋跡機器人小車，以AT89C52單片機為控制芯片，采用自制的3個紅外光電傳感器，以簡單的設計、較低的成本實現了復雜路線下機器人的自主尋跡。

　　1 硬件及電路

　　1.1 控制芯片

　　考慮到實用性和性價比，采用AT89C52單片機作為機器人的控制芯片。AT89C52是美國Atmel公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含8 KB的可反復擦寫的只讀存儲器(PEROM)和256B的隨機存取數據存儲器(RAM)，32個I/O口線，3個16位定時/計數器，1個全雙工串行通行口。器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準MCS51指令系統及8052產品引腳兼容。

　　1.2 傳感器模塊

　　作為尋跡機器人的“眼睛”，選擇合適的傳感器是關鍵。目前市面上可選用的傳感器主要有CCD傳感器和紅外光電傳感器兩種。近年來CCD傳感器技術已趨成熟，在近幾屆“飛思卡爾”杯智能車大賽上，采用CCD傳感器的智能車越來越多，并取得了不錯的成績。不過，CCD傳感器價格較高,體積較大,數據處理相當復雜,因此在按既定路線行走的尋跡機器人設計中,紅外光電傳感器以其體積小、價格低、數據處理簡單而顯得更有優勢。

　　紅外光電傳感器由1個紅外發射管和1個光敏二極管組成。工作時，紅外發射管發射的紅外光被被測表面反射回來，光敏二極管接收被反射光。由于被測表面的材質不同，反射率也不一樣。當被測表面為白色時，反射光較強，光敏二極管將導通;反之，被測表面為黑色時，光敏二極管將截止。考慮到外界環境光照等干擾因素，輸出的電壓值有一定的波動范圍，若直接輸給單片機，可能導致檢測判斷錯誤。因此，需要將輸出電壓通過比較器(LM324)與預置的閾值電壓比較，然后得出一個高低電平輸給單片機。閾值電壓通過試驗測量得出，其電路如圖1所示。其中LED為傳感器工作指示燈，R1為閾值電壓調節電阻。

　　圖1 傳感器電路圖

　　根據上述電路，自制了3個簡易的紅外光電傳感器。經測試表明，性能良好，有效檢測距離為1～4 cm，滿足機器人尋跡的要求。

　　1.3 驅動模塊

　　驅動機器人行走的2個電機需要不同的轉速來實現轉彎。選用的驅動芯片為L293D，它包含4個輸出通道，最大輸出峰值電流為1.2 A，能同時驅動2個直流電機工作;其信號輸入端和使能端接收到來自單片機的信號，控制電機的通斷以及正、反轉，還可以通過向使能端輸入不同占空比的方波信號來調整電機轉速 (PWM方式)。

　　如圖2所示，IN端口接控制信號，OUT端口接電機的兩端，EN端口接使能信號。一組IN端口輸入為高/低或低/高電平時，能實現電機的正/反轉。一組IN端口輸入均為高或低電平時，電機將停轉。EN使能端為高電平時,相應端口輸入信號有效;反之，則輸入信號無效。在EN端輸入PWM波，通過調整 PWM波的占空比，即可實現電機的無級調速。

　　圖2 電機驅動電路

　　2 尋跡控制

　　機器人尋跡控制示意圖如圖3所示，機器人采用前輪驅動后輪輔助的三輪差動式行走方式。車體前部兩輪均為主動輪，由兩個電機分別驅動，利用它們的轉速差來控制機器人運動方向;后輪為從動萬向輪，僅起著支撐車體的作用。車底板前部以車體中心線為軸線對稱放置著3個自制的紅外光電傳感器，作為機器人的尋跡傳感器。

　　圖3 尋跡控制示意圖

　　機器人尋跡場地中除了黑線，其他區域均為白色。當傳感器正下方為黑線時，輸出“0”狀態，當其為白色區域時，輸出“1”狀態。因此，理論上3個傳感器輸出的組合狀態會有8種，如表1所列。每一種組合狀態都對應著一種機器人下一步的行走動作，共有前進、左轉、快速左轉、右轉、快速右轉、原地旋轉、停止 7種動作。

　　表1

　　本機器人有著雙級轉彎的設計，即普通轉彎和快速轉彎。當機器人對黑線的偏離量比較小時，使用普通轉彎，即兩個驅動輪都向前運動，速度一大一小，依靠兩輪的速度差來實現轉彎;而當機器人偏離黑線較遠時，使用快速轉彎，即兩個驅動輪一個向前運動，一個向后運動，這樣能迅速實現轉彎。普通轉彎用于大半徑彎道、大角度折道，而快速轉彎則用于小半徑彎道和直角銳角折道等非平滑過渡路線。對于非封閉路線，還設計了原地旋轉的動作，來實現原路返回：一旦機器人小車走完全程，3個傳感器將均檢測到白色區域，輸出組合狀態“111”，此時一輪全速前進，一輪全速后退，小車原地旋轉，直到掉過頭來傳感器檢測到黑線為止。

　　3 程序設計

　　程序設計時，采用匯編語言編程。其思路為：第1步，系統初始化后，讀取單片機P2口的值，然后對其P2.0、P2.1、P2.2按位取與，得到傳感器模塊的組合值。第2步，將得到的組合值與預定的值比較，若相等則執行相應的動作，否則繼續比較，直到獲得正確的動作。比較完全部動作后，轉到第1步重新掃描傳感器的狀態值。

　　為了進一步提高系統的安全性和可靠性,還需增加異常處理算法。可能出現的異常情況有：過小彎道或小角度折道時，機器人還來不及轉過彎來，就已經完全偏離黑線。這種情況下，3個傳感器都輸出“1”，檢測不到黑線，若不及時處理，機器人將無法繼續尋跡。針對該情況，設計了原地旋轉動作來找回預定路線，不過原地旋轉有順、逆時針之分，因此還得區分開來。改進后編程的思路為：每次讀取P2口值之前，將其上一次的傳感器組合值存入某個寄存器，當出現組合值為 “111”的情況時，立即查詢上一次的值，根據該值，可以判斷出機器人是從哪一側偏離黑線的，從而進行順或逆時針原地旋轉。其主要程序如下：

　　……;系統初始化

　　SENSOR: MOVA,P2

　　ANLA,#07H;讀P2口值，對P2.0、P2.1、P2.2按位取與

　　CJNEA,#07H,NEXT;如組合值為111，直接轉到動作判斷程序，否則轉到NEXT

　　LJMPDATA_PROCESS

　　NEXT:MOVR5,A;將本次傳感器組合值賦給R5

　　LJMPDATA_PROCESS

　　DATA_PROCESS: CJNE A,#07H,D1;對組合值判斷，確認為常規動作還是旋轉動作

　　LJMP ROTATE

　　D1:……;繼續常規動作判斷

　　……

　　ROTATE: MOV A,R7 ;旋轉判斷，將上一次傳感器組合值賦給A

　　CJNE A,#06H,R1;對上一次傳感器組合值判斷，決定順逆旋轉

　　LJMPCLOCKWISE

　　R1:……;繼續順逆判斷

　　……

　　CLOCKWISE:……;順時針旋轉動作

　　LJMP DELAYS

　　DELAYS:MOV A,R5

　　MOV R7,A;將本次傳感器組合值賦給R7

　　LCALL DELAY;調用DELAYS子程序進行延時

　　LJMP SENSOR ;重新掃描傳感器狀態

　　END;程序結束

　　結語

　　根據上述設計思路，我們制作出尋跡機器人并進行了測試。測試場地如圖4所示，黑色導引線寬度為3 cm，黑線周圍區域均為白紙覆蓋。測試結果表明：該尋跡機器人能在此復雜路線下平穩、順利地沿著黑線走完全程，并在終點沿原路返回,達到了預期的目標。這為進一步研究復雜環境下的自動行走機器人提供了參考。

　　本文的創新點為：使用3個自制的紅外光電傳感器，以簡單的設計和較少的硬件實現了復雜路線下機器人的尋跡。而基于該機器人雙級轉彎的設計思想，可以增加傳感器數量、組成傳感器陣列來實現多級轉彎，從而對機器人的自主尋跡有著更為精確的控制。

　　參考文獻

　　[1] 韓毅，張雪峰.一種低成本尋跡機器人的實現[J].微計算機信息，2008，52：233235.

　　[2] 朱益斌，胡學龍，朱亞鋒,等.自主式尋跡機器人小車的設計[J].國外電子測量技術，2006，25(7)：4042.

　　[3] 何立民.MCS51系列單片機應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.