摘要：介紹了一種具有自學(xué)習(xí)循路功能的輪式移動機器人模型的設(shè)計方法。該模型由兩后輪作驅(qū)動輪來控制前進速度和方向，并可在道路學(xué)習(xí)時以數(shù)據(jù)形式記錄和存儲兩輪的瞬時速率，然后再由微控制器MCU輸出控制信號來驅(qū)動后輪以實現(xiàn)道路的循跡。 關(guān)鍵詞：MCU；機器人；學(xué)習(xí)記憶；循路 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人技術(shù)在航天、海洋、軍事、建筑、交通、工業(yè)及服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)取得廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。而在一些特殊場合（如航天、深海作業(yè)及核工業(yè)等領(lǐng)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(shù)越來越受到關(guān)注。為此，筆者設(shè)計了一種具有道路記憶功能、使用靈活方便、應(yīng)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(xùn)練，即讓機器人模型記憶該路線（將路線數(shù)據(jù)存儲在存儲器中）。以后機器人模型就可沿此路線重復(fù)行走。其記憶路線的方式靈活方便，可根據(jù)不同的要求和需要對其進行不同的路線訓(xùn)練以完成不同的任務(wù)。 該模型可以應(yīng)用于一些人類不宜活動或較難控制的場合（如微型核反應(yīng)堆的金屬罐管系統(tǒng)、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(nèi)服務(wù)機器人使用，以代替人完成家務(wù)勞動、廠區(qū)貨物搬運、醫(yī)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(xué)習(xí)記憶和道路循跡重復(fù)功能； ●可模擬地圖仿真訓(xùn)練，輸出放大倍數(shù)可按需要設(shè)定； ●在實際工作時，如遇到障礙物可采用道路轉(zhuǎn)移法繞過障礙物并沿原學(xué)習(xí)道路繼續(xù)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(tài)可用指示燈實時顯示； ●具有系統(tǒng)故障報警功能。 1、系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)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MCU AT89C51｡作為一款目前廣泛應(yīng)用的MCU,AT89C51提供有電機控制､LCD驅(qū)動顯示以及傳感信息等多種驅(qū)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(dāng)然,也可以根據(jù)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(yīng)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PicoDot PD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(shù)｡ 2、系統(tǒng)設(shè)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(qū)動輪來控制,MCU通過驅(qū)動芯片L293B驅(qū)動兩個后輪電機｡AT89C5可通過兩個后輪對應(yīng)的兩個計速器來分別控制這兩個后輪的轉(zhuǎn)速,從而實現(xiàn)模型的前進和轉(zhuǎn)向功能｡ 2.1 計速部分 系統(tǒng)計速部分由光電開關(guān)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(dāng)光電開關(guān)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(dāng)均勻分布小孔的圓盤邊緣在光電開關(guān)的槽中轉(zhuǎn)動時,可根據(jù)輸出的一系列脈沖及圓盤上的孔數(shù)計算出圓盤的轉(zhuǎn)速N｡皮帶輪1與圓盤粘在一起,因而轉(zhuǎn)速相同;皮帶輪2與模型后驅(qū)動輪同軸,速度相同;皮帶輪1､皮帶輪2由皮帶相連｡假設(shè)皮帶輪2周長是皮帶輪1周長的5倍,則皮帶輪2的轉(zhuǎn)速為N/5,即車輪轉(zhuǎn)速為N/5｡ 2.2 道路學(xué)習(xí)記憶 計數(shù)芯片選用7級二進制串行計數(shù)器CD4024,光電開關(guān)的輸出波形經(jīng)施密特觸發(fā)器整形為標(biāo)準(zhǔn)脈沖波形可使CD4024計數(shù)更方便｡設(shè)每隔T時間記錄到脈沖數(shù)M,那么,T時間內(nèi)圓盤轉(zhuǎn)速N=M/（LT）（設(shè)L為圓盤上的孔數(shù)）,則車輪的速率為N/5=M/（5LT）｡由于T越小,結(jié)果越精確,故T取幾至幾十毫秒｡記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)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(xùn)練,即每隔T時間將兩個后輪速率分別記入閃存｡訓(xùn)練結(jié)束后,閃存內(nèi)存儲的是兩個后輪每隔T時間一次的速率,這樣就可實現(xiàn)對訓(xùn)練道路的記憶｡ 2.3 道路循跡重復(fù) 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(shù)據(jù),再將每隔T時間的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)通過脈沖輸出,并通過L293B芯片驅(qū)動兩后輪電機的轉(zhuǎn)動｡為保證輸出的轉(zhuǎn)速與原記錄的轉(zhuǎn)速一致,可用反饋控制的方法在后輪驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的同時,由計速器模塊同時檢測兩個后輪的轉(zhuǎn)速,然后分別比較兩個后輪的轉(zhuǎn)速是否與原記錄轉(zhuǎn)速相同:若小于原記錄轉(zhuǎn)速,可調(diào)用加速子程序;若大于,則調(diào)用減速子程序｡ 由于計數(shù)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(xùn)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(xùn)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(xùn)練,按比例倍數(shù)放大輸出,即可使機器人在實際道路上按訓(xùn)練道路運動｡由于輸出放大倍數(shù)由程序決定,因而可按不同的需要設(shè)置,靈活性很高｡ 2.4 道路轉(zhuǎn)移法繞障 該機器人模型在訓(xùn)練完成后,即可從預(yù)設(shè)地點開始行走｡模型在前進過程中,當(dāng)傳感器探測到前方有障礙物時,可調(diào)用繞障礙物程序繞過障礙物并返回到原記錄道路繼續(xù)前進｡其繞障過程示意圖如圖3所示,當(dāng)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(dāng)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(shù)據(jù),并使模型在A點左轉(zhuǎn)90°,接著以勻速v直線前進t1時間到B點,再在B點右轉(zhuǎn)90°,接著從原中斷處調(diào)用原記錄路線數(shù)據(jù)前進t2時間到達C點｡之后再在C點以方向 C 1 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)移到實際的BC段運動以繞開障礙物,同時保持它應(yīng)有的運動狀態(tài)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?。┯嘘P(guān),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(yīng)用時也可根據(jù)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(shù)碼像機來記錄工作區(qū)域周圍的情況｡當(dāng)模型探測到周圍環(huán)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(shè)計了工作指示燈來實時指示模型的工作狀態(tài),不同指示燈分別指示其正常､左轉(zhuǎn)､右轉(zhuǎn)及出錯狀態(tài),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(zhuǎn)數(shù)×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(fā)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(tǒng)軟件設(shè)計 圖4、圖5分別為機器人模型道路學(xué)習(xí)記憶、循跡重復(fù)的軟件流程。本程序中，道路學(xué)習(xí)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(nèi)比較6次（每5ms計一次數(shù)，再乘以6與原記錄數(shù)相比較，以判斷應(yīng)加速還是減速），以使輸出更精確于原記錄數(shù)據(jù)。圖6為繞障礙物程序流程圖，其中模型方向轉(zhuǎn)過一定角度可由一輪靜止、另一輪運動時的兩輪間距×轉(zhuǎn)動角弧度的距離來實現(xiàn)。 4、結(jié)束語 該機器人模型相比無線遙控操作機器人的優(yōu)勢在于，可工作在電磁波屏蔽的場合；而相比有線遙控操作機器人來說，其優(yōu)點是工作過程中無需人實時控制，可自主完成活動，并具有活動精度高、效率高的特點；相比固定軌道機器人，該模型能夠擺脫固定軌道的限制，其活動路線靈活易變，適應(yīng)范圍更廣。