摘要：機(jī)器人在軍事偵查、掃雷排險(xiǎn)、防核化污染等風(fēng)險(xiǎn)與惡劣環(huán)境中以及工業(yè)自動(dòng)化消費(fèi)的物料搬運(yùn)上應(yīng)用很廣，隨著任務(wù)復(fù)雜性的增加，對(duì)挪動(dòng)機(jī)器人的請(qǐng)求也越來(lái)越智能化。但是，功用較完備的途徑跟蹤控制辦法普遍具有計(jì)算復(fù)雜，不易完成等特性。主要針對(duì)挪動(dòng)機(jī)器人即智能小車的行走系統(tǒng)停止設(shè)計(jì)，以MCS-51單片機(jī)為控制中心的智能小車應(yīng)用單光束反射取樣紅外傳感器，探測(cè)正前方及左右兩側(cè)障礙物，應(yīng)用控制算法尋覓行進(jìn)道路，在無(wú)人控制的狀況下自主地走出迷宮。設(shè)計(jì)采用了輪式挪動(dòng)機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人能直線行走、左右轉(zhuǎn)彎、主要針對(duì)途徑跟蹤算法優(yōu)化問(wèn)題，提出一種有效可行的辦法，該法比以往算法更簡(jiǎn)單易行。
關(guān)鍵詞：智能小車；迷宮；控制算法；避障

    機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有幾個(gè)特征：挪動(dòng)功用，執(zhí)行功用、覺(jué)得和智能。目前全世界各國(guó)舉行的觸及硬件，軟件仿真的機(jī)器人大賽不下20余類。各種各樣的機(jī)器人競(jìng)賽都有一個(gè)共同的目標(biāo)：培育科學(xué)創(chuàng)新肉體，激起思想的想象力，鼓舞理論與理論的分離。不只如此，如今曾經(jīng)有越來(lái)越多的自動(dòng)控制產(chǎn)品曾經(jīng)介入消費(fèi)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)上都有普遍的應(yīng)用。新的工作方式將大大的縮短了人工作業(yè)的時(shí)間，并且減輕了人的膂力勞動(dòng)的支出。走迷宮的微型機(jī)器鼠主要是基于自動(dòng)引導(dǎo)小車(Auto Guided Vehicle，AGV)的原理，完成機(jī)器鼠辨認(rèn)道路，判別并自動(dòng)規(guī)避障礙，選擇正確的行進(jìn)道路走出迷宮。在此選擇制造一個(gè)簡(jiǎn)易的行進(jìn)安裝，使其能順利的走避障或是迷宮。為了完成小車辨認(rèn)道路，判別并自動(dòng)規(guī)避障礙，選擇正確的行進(jìn)道路，障礙判別采用單光束反射取樣紅外傳感器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流電機(jī)，控制中心采用MCS-51單片機(jī)?？刂粕喜捎梅謺r(shí)復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機(jī)完成了信號(hào)采集、線路判別、電機(jī)控制等功用。迷宮由16×16個(gè)區(qū)組成。起點(diǎn)設(shè)在拐角處，終點(diǎn)設(shè)在中央，占4個(gè)區(qū)。每個(gè)區(qū)為180 mm×180 mm大小，間壁高為50 mm，厚度為12 mm，側(cè)面涂白色，底面涂黑色，如圖1所示。

1 迷宮車控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)計(jì)劃
    迷宮車由墻壁傳感器、單片機(jī)控制板、動(dòng)力及轉(zhuǎn)向系組成的，控制框圖如圖2所示。

    迷宮車采用輪式挪動(dòng)方式。優(yōu)點(diǎn)是：構(gòu)造和控制簡(jiǎn)單而且技術(shù)成熟。從選定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輪胎直徑，能夠簡(jiǎn)單地計(jì)算出小車的速度。但是，有關(guān)路面的阻力或上坡的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩等成為重要的要素。思索這點(diǎn)，在輪胎上運(yùn)用無(wú)線遙控車的塑膠輪胎。如圖3所示，前輪1為萬(wàn)向腳輪或球形輪，后輪2和后輪3為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪，應(yīng)用它們的轉(zhuǎn)速差完成轉(zhuǎn)向。這種組合的特性是機(jī)樞組合容易，而且當(dāng)2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪以相同速度、相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)車體能繞2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪連線的中點(diǎn)自轉(zhuǎn)，值得留意的是自轉(zhuǎn)中心與車體中心不分歧。
    迷宮車車身體料的選擇。迷宮車運(yùn)用的資料大局部用于構(gòu)造，普通應(yīng)采用金屬資料。迷宮車承載和運(yùn)動(dòng)不應(yīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和斷裂，從力學(xué)角度講即具有足夠的強(qiáng)度。迷宮車負(fù)載小，自重輕，對(duì)壽命的請(qǐng)求不高。因而，選用鐵皮。
1．1 迷宮車控制電路的設(shè)計(jì)
    控制電路主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)接口電路，電源電路和傳感器電路組成?？刂瓶驁D如圖4所示。

    (1)紅外線光感電路傳感器經(jīng)過(guò)發(fā)光二極管發(fā)出紅外線，若有障礙物在前方，紅外線會(huì)被反射回來(lái)，被感光三極管接納，單片機(jī)程序?qū)π盘?hào)停止比擬處置，按設(shè)定的動(dòng)作請(qǐng)求向后輪的兩個(gè)電機(jī)發(fā)出控制命令，控制小車行進(jìn)。
    (2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用89S51單片機(jī)，經(jīng)過(guò)L293D芯片來(lái)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作。89S51依據(jù)紅外傳感器對(duì)外界停止探測(cè)后反應(yīng)回來(lái)的信號(hào)，根據(jù)迷宮車探路算法，斷定迷宮車行進(jìn)方向，分別向左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)出控制指令，該信號(hào)經(jīng)L293D芯片驅(qū)動(dòng)后，直接控制相應(yīng)電機(jī)動(dòng)作，使迷宮車按既定動(dòng)作停止行進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向。
    (3)洪水算法
    洪水算法即便用256 B額外內(nèi)存，會(huì)大幅進(jìn)步性能。該算法比普通迷宮算法的有效率高20～50倍。同時(shí)能夠在內(nèi)存中樹(shù)立一個(gè)區(qū)域，與實(shí)踐中的迷宮格數(shù)逐個(gè)對(duì)應(yīng)。在實(shí)踐運(yùn)用時(shí)算法并不太復(fù)雜。該額外內(nèi)存區(qū)域稱為“浪頭”，它將表現(xiàn)在內(nèi)存區(qū)域的實(shí)踐情況中如圖9所示。當(dāng)迷宮被吞沒(méi)的時(shí)分，一個(gè)波浪的前頭從目的格向外擴(kuò)展。在內(nèi)存區(qū)域中這種單元格是唯一需求處置的，當(dāng)浪頭抵達(dá)開(kāi)端的單元格子，機(jī)器人曾經(jīng)被吞沒(méi)。通常來(lái)說(shuō)，開(kāi)端的單元格能夠是任何一個(gè)格子。但是為了便當(dāng)起見(jiàn)，把開(kāi)端點(diǎn)設(shè)在迷宮的第一個(gè)單元格，終點(diǎn)恣意。反過(guò)來(lái)也能夠把出口放在第一個(gè)單元格，把開(kāi)端點(diǎn)設(shè)在中間或希望的位置。一旦抵達(dá)了起點(diǎn)即搜索完成，最短的途徑能夠使機(jī)器老鼠挪動(dòng)到四周的格子中數(shù)值比擬小的那個(gè)格子去，依次類推機(jī)器老鼠就能走到終點(diǎn)。

    洪水算法的優(yōu)缺陷：
    ①依照該算法小車在第一次走迷宮的時(shí)分，必需把迷宮中一切的道路都走一遍。但是該算法能夠讓小車走任何迷宮，即便迷宮自身有“孤島”小車一樣能夠順利的走出迷宮。
    ②當(dāng)小車再走第二遍迷宮的時(shí)分小車能夠1次性走正確的道路走出迷宮，并且該道路一定為最短的道路。
    (4)鋪路算法
    在內(nèi)存中樹(shù)立一個(gè)區(qū)域與實(shí)踐中的迷宮格數(shù)逐個(gè)對(duì)應(yīng)，并將一切走過(guò)的路停止記憶，假如發(fā)現(xiàn)前方是死胡同或走過(guò)的路就轉(zhuǎn)回前一個(gè)岔道口；在行走過(guò)程中遇岔道口默許靠左。由于有了記憶功用，就能夠走第二遍。
    鋪路算法的優(yōu)缺陷：
    ①運(yùn)用該算法能夠走復(fù)雜的迷宮，不存在走不出來(lái)的問(wèn)題。
    ②運(yùn)用該算法在小車第二次走迷宮的時(shí)分能夠一次性的走出迷宮，但是不能保此條道路走的是最短的線路。
    這幾種算法各有優(yōu)缺陷，經(jīng)權(quán)衡比擬，最終選擇靠前算法。
1．3 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)及調(diào)試
    程序運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)遇到的問(wèn)題及處理辦法：
    (1)小車的外殼及輪子是純手工裝置的，精度不是很高，小車在行駛過(guò)程中不能不斷走直線，很容易發(fā)作擦墻事故影響小車走迷宮。若是手工制造時(shí)所惹起的，可經(jīng)過(guò)給行駛時(shí)較落后的輪子上繞一些膠帶來(lái)增加輪子的周長(zhǎng)來(lái)處理。也可經(jīng)過(guò)在電路中參加A／D轉(zhuǎn)換器，對(duì)程序停止相對(duì)的改良，不時(shí)的測(cè)小車與四周墻壁的間隔，堅(jiān)持小車與四周墻壁堅(jiān)持一定間隔來(lái)處理。
    (2)采用ST188型紅外線傳感器，易受外界干擾不能精確地檢測(cè)墻壁信號(hào)，特別是在強(qiáng)光下無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)某些資料反射的光無(wú)法接納，易受陽(yáng)光干擾，招致小車不能無(wú)誤地走出迷宮。惹起干擾的緣由是陽(yáng)光所發(fā)出的紅外線與紅外傳感器所發(fā)出的紅外線是一樣的，都是連續(xù)的，無(wú)法區(qū)別，所以易受四周光線的干擾。關(guān)于該問(wèn)題的處理方法是應(yīng)用無(wú)線遙控根本原理使紅外傳感器所發(fā)出的紅外是一種有固定頻率有別于四周紅外的信號(hào)。關(guān)于接納方也停止電路處置，使有區(qū)分才能直接納有固定頻率的紅外信號(hào)。這兩處的改良都是經(jīng)過(guò)改良電路來(lái)完成的。若是反射面所惹起的，經(jīng)過(guò)限制反射面的資料能夠處理。依據(jù)555定時(shí)器原理，改良傳感器電路如圖10所示。其工作原理是555電路發(fā)出頻率為100 Hz的方波，驅(qū)動(dòng)ST188放射端發(fā)光二極管以100 Hz的頻率閃動(dòng)，發(fā)出閃爍的光波，當(dāng)有障礙物接近時(shí)，反射光惹起ST188接納端的光敏電阻以相同的頻率變化，使得圖10中A點(diǎn)的電壓值VA發(fā)作相應(yīng)變化。VA中包含有直流成分V直和頻率為100 Hz的交流成分V變，其中后者反映了障礙物的接近狀況。為了保存有用的交流信號(hào)V交，肅清直流成分V直，用隔直電容C1來(lái)完成隔直通交的功用，并由第一個(gè)運(yùn)放電路完成對(duì)V交停止放大，由第二個(gè)運(yùn)放完成直流到交流的轉(zhuǎn)換。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)遠(yuǎn)離障礙物時(shí)，運(yùn)放的輸出VO為高電平；當(dāng)傳感器接近障礙物時(shí)，VO輸出低電平。

    (3)小車的速度很難控制，經(jīng)過(guò)程序控制很難把握小車的旋轉(zhuǎn)時(shí)間，小車在轉(zhuǎn)90°和180°時(shí)，經(jīng)常轉(zhuǎn)過(guò)規(guī)則的角度，以致影響小車不能直線走出迷宮。一種處理方法是接入調(diào)壓電路，在給小車轉(zhuǎn)彎時(shí)間一定的狀況，調(diào)理馬達(dá)上的電壓來(lái)改動(dòng)車輪速度，不時(shí)理論直抵達(dá)到預(yù)定的規(guī)范。另一種處理方法是，在小車速度一定的狀況下，不時(shí)經(jīng)過(guò)改動(dòng)程序中的小車轉(zhuǎn)角時(shí)間來(lái)改動(dòng)小車的轉(zhuǎn)角，屢次理論，以求到達(dá)預(yù)定目的。經(jīng)過(guò)實(shí)踐調(diào)試發(fā)現(xiàn)這兩種方法單獨(dú)應(yīng)用很難到達(dá)預(yù)定目的。因而，將兩種分離起來(lái)，經(jīng)過(guò)調(diào)試，容易到達(dá)目的。

2 結(jié)語(yǔ)
    機(jī)器人迷宮車是大學(xué)生電子制造常選項(xiàng)目，是電子電路、機(jī)械傳動(dòng)及自動(dòng)控制等多種學(xué)問(wèn)的綜合應(yīng)用。對(duì)小車的轉(zhuǎn)向控制觸及到電機(jī)調(diào)速，能夠先對(duì)小車樹(shù)立控制模型，再應(yīng)用自動(dòng)控制原理學(xué)問(wèn)給出詳細(xì)控制算法，這樣就能夠使小車轉(zhuǎn)向控制及途徑選擇更為準(zhǔn)確。