智能機器人迷宮車控制系統(tǒng)設計方案

摘要：機器人在軍事偵察、掃雷排險、防核化污染等危險與惡劣環(huán)境中以及工業(yè)自動化生產的物料搬運上應用很廣，隨著任務復雜性的增加，對移動機器人的要求也越來越智能化。然而，功能較完備的路徑跟蹤控制方法普遍具有計算復雜，不易實現等特點。主要針對移動機器人即智能小車的行走系統(tǒng)進行設計，以MCS-51單片機為控制核心的智能小車利用單光束反射取樣紅外傳感器，探測正前方及左右兩側障礙物，利用控制算法尋找行進路線，在無人控制的情況下自主地走出迷宮。設計采用了輪式移動機構，使機器人能直線行走、左右轉彎、主要針對路徑跟蹤算法優(yōu)化問題，提出一種有效可行的方法，該法比以往算法更簡單易行。

機器人應當具有幾個特征：移動功能，執(zhí)行功能、感覺和智能。目前全世界各國舉辦的涉及硬件，軟件仿真的機器人大賽不下20余類。各種各樣的機器人比賽都有一個共同的宗旨：培養(yǎng)科學創(chuàng)新精神，激發(fā)思維的想象力，鼓勵理論與實踐的結合。不僅如此，現在已經有越來越多的自動控制產品已經介入生產，在農業(yè)、工業(yè)上都有廣泛的應用。新的工作方式將大大的縮短了人工作業(yè)的時間，并且減輕了人的體力勞動的支出。走迷宮的微型機器鼠主要是基于自動引導小車(Auto Guided Vehicle，AGV)的原理，實現機器鼠識別路線，判斷并自動躲避障礙，選擇正確的行進路線走出迷宮。在此選擇制作一個簡易的行進裝置，使其能順利的走避障或是迷宮。為了實現小車識別路線，判斷并自動躲避障礙，選擇正確的行進路線，障礙判斷采用單光束反射取樣紅外傳感器，驅動電機采用直流電機，控制核心采用MCS-51單片機?？刂粕喜捎梅謺r復用技術，僅用一塊單片機實現了信號采集、線路判斷、電機控制等功能。迷宮由16×16個區(qū)組成。起點設在拐角處，終點設在中央，占4個區(qū)。每個區(qū)為180 mm×180 mm大小，間壁高為50 mm，厚度為12 mm，側面涂白色，底面涂黑色，如圖1所示。

1 迷宮車控制系統(tǒng)的總體設計方案

迷宮車由墻壁傳感器、單片機控制板、動力及轉向系組成的，控制框圖如圖2所示。

迷宮車采用輪式移動方式。優(yōu)點是：結構和控制簡單而且技術成熟。從選定電動機轉速和輪胎直徑，可以簡單地計算出小車的速度。但是，有關路面的阻力或上坡的驅動轉矩等成為重要的因素?？紤]這點，在輪胎上使用無線遙控車的塑膠輪胎。如圖3所示，前輪1為萬向腳輪或球形輪，后輪2和后輪3為獨立驅動輪，利用它們的轉速差實現轉向。這種組合的特點是機樞組合容易，而且當2個驅動輪以相同速度、相反方向轉動時車體能繞2個驅動輪連線的中點自轉，值得注意的是自轉中心與車體中心不一致。

迷宮車車身材料的選擇。迷宮車使用的材料大部分用于結構，一般應采用金屬材料。迷宮車承載和運動不應產生嚴重的變形和斷裂，從力學角度講即具有足夠的強度。迷宮車負載小，自重輕，對壽命的要求不高。因此，選用鐵皮。

1.1 迷宮車控制電路的設計

控制電路主要由電機驅動電路，單片機接口電路，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通過發(fā)光二極管發(fā)出紅外線，若有障礙物在前方，紅外線會被反射回來，被感光三極管接收，單片機程序對信號進行比較處理，按設定的動作要求向后輪的兩個電機發(fā)出控制命令，控制小車行進。

(2)電機驅動電路采用89S51單片機，通過L293D芯片來控制兩個驅動電機動作。89S51根據紅外傳感器對外界進行探測后反饋回來的信號，依據迷宮車探路算法，判定迷宮車行進方向，分別向左右兩個驅動電機發(fā)出控制指令，該信號經L293D芯片驅動后，直接控制相應電機動作，使迷宮車按既定動作進行前進、后退、轉向。

1.2 迷宮車控制程序設計

控制算法：

迷宮車一般有四種控制算法：

(1)靠左算法

①默認靠左走法。即一直沿著左墻壁走，左邊有墻時一直沿著左邊墻壁前進，當左邊沒有墻時左轉，然后繼續(xù)靠左邊墻壁運行。該算法使用于最簡單的迷宮走法。如圖5所示，其中虛線表示小車前進的路線。

②算法流程圖如圖6所示。

③靠左算法的弊端。按照該算法，小車在走第二遍迷宮的時候，可以一次性的走出迷宮，但是這條道路不一定是最短的道路;如果迷宮本身存在“孤島”，那么小車很有可能走不出迷宮。如圖7所示。圖7中兩個圓點分別表示入口和出口，小車從入口進入迷宮，靠左前進則會導致小車一直按照虛線所描繪出的路線一直在迷宮里循環(huán)，終走不出迷宮。

(2)靠前算法

①靠前算法即一直沿著前方道路前行(前方沒有任何障礙時一直前進)，當前邊沒有墻時判斷左邊，左邊沒墻左轉，左邊有墻則判斷右邊。然后重復該循環(huán)。該算法使用于最簡單的迷宮走法。

②算法流程圖如圖8所示。

③程序思路：前邊沒墻靠前走，前面有墻判斷左邊，左邊沒墻靠左轉，左邊前邊都有墻再判斷右邊，右邊沒有墻靠右轉，三面都墻直接后退轉180°，繼續(xù)靠前走。0表示有墻，1表示沒墻，p3.0表示左傳感器;p3.1表示前傳感器;p3.2表示右傳感器。