机器人等级考试4级第五章

第五章自律型自动跟随小车

日常生活中，“机器人频繁出现在我们的视野中，在你心目中机器人是什么样子呢？你有没有思考过什么是机器人呢？本章我们先了解机器人的基本知识。ABB机器人示意图如图5-1所示。

图5-1 ABB机器人

5.1基本概念

机器人(ROBOT)是能自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序。它的任务是协助或取代人类工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。机器人的分类没有一个统一的标准，有的按负载重最分类，有的按控制方式分类，也有的按照自由度分类等等。

5.1.1自律型移动机器人

自律型移动机器人可以简单定义为一种以智能方式将感知和动作连接在一起的可自移动设备，它必须具有在一个位置的环境中独立完成某些工作的能力。这里的智能更多的是指通过传感器感受外界的变化，通过主控程序进行分析判断，最终通过执行器做出反应。自律型移动机器人一般包含以下几个要素：

1.感知

为了能在未知的复杂环境中有效的工作，机器人必须能够实时收集相应的环境信息。传

感器的作用就是为机器人提供这些信息。例如，超声波传感器就能感受距离的变化，并将变化转化为电信号，机器人接收到电信号后，就能够知道外部环境发生了改变。

绝大多数的传感器都是被动工作的，它们等待主控程序来询问外部环境的状态。机器人在工作过程中可能会每秒数百次、数千次地询问同一个传感器相同的问题，对于这些问题的回答可以使机器人明确自己所处的环境状况。

在使用传感器的过程中，首先要搞清楚传感器的回答是什么，是否能作为判断环境状况的依据。比如已经学习过的超声波传感器，经常用来判断前方物体的距离，但超声波返回的信号与环境温度、障碍物接触面积的大小、角度都有关系，知道传感器的影响因素，对于制作一个适用能力更强的自律型移动机器人是有很大帮助的。

2. 动作与结构

动作与结构是机器人对外界变化做出反应的机构。这个过程和传感器工作的过程相反，是将电信号转换成相应的物理量。其不但可以将电信号转换为声、光，还可以转换为动能、势能、磁能。

机器人的表现出来的动作与外围的机构件有非常紧密的联系，这些结构件通常体现为以下几种形式：杠杆、连轴、凸轮、皮带和齿轮等。不同的结构件所表现出的动作有很大的差异，比如同样是电机转动的动作，配合相应的凸轮机构就能表现为直线运动，配合齿轮机构就能表现为加速或减速的圆周运动。

3.智能

机器人的设计、机器人的控制程序、机器人的工作环境三者结合在一起决定了机器人的智能水平。

自律型移动机器人所处的是一个动态的环境，一旦环境改变就立即做出反应。机器人的智能是基于尽可能全面精确的传感器信号、合理灵活的结构设计、对环境因素的充分考虑再加上优秀的、逻辑性强的程序设计共同完成的。

5.1.2开环控制和闭环控制

当前控制机器人动作最广泛的两种方式是开环控制与闭环控制。

开环控制是当控制系统接收一个输入量后，不对输出量进行检测和反馈，输出与输入之间没有形成反馈环路的控制系统，称为开环控制系统，如图5-2所示。例如火炮发射，就是典型的开环控制系统，开炮前瞄准目标，炮弹一旦发射，控制活动已经结束。

5-2开环控制示意图

闭环控制是当控制系统接收一个输入量后，对输出量进行检测，计算实际输出结果和目标输出结果之间的偏差，并将计算偏差通过某种途径变换后反馈回输人端，以抑制内部或外部扰动对输出量的影响，称为闭环控制系统，如图5-3所示。例如导弹发射，导弹

发射后，导弹的控制系统会根据对目标的偏差，实时修正导弹的姿态，力争命中目标。

5-3闭环控制示意图

开环控制和闭环控制的区别主要有两点：

●有无反馈；

●是否对当前控制起作用。

闭环控制一定会持续一定的时间，借此来修正输入端的控制。自律型机器人的控制一般都采用闭环控制，以适应不断变化的环境。

5.2自动跟随小车

5.2.1知识准备

本项目自律型自动跟随小车的传感器模块采用超声波传感。自动跟随的原理是：首先设定一个反应距离范围，超声波传感器测量的距离只有在此范围内才起作用。其次再设定自动跟随保持距离，当超声波测量的距离超过该距离时，小车前进；当超声波测得的距离小于该距离时，小车后退。

5.2.2硬件搭建

5.2.2.1硬件清单

5.2.2.2模块安装

5.2.3编程实现

5.2.3.1程序编写

int dist;

int followDist = 30; //定义反应的距离（1）int followBalance = 10; //定义范围（2）

void loop()

{

followDrive();

}

//**************

//功能：跟随模式

//参数：无

//**************

void followDrive()

{

getDistance(); //(4) 获取当前的距离

if((dist>=followDist-followBalance)&&(dist<=followDist+followBalance)){ analogWrite(motor1PWMPin,motorSpeed);

analogWrite(motor2PWMPin,motorSpeed);

if(dist>=followDist){

forward();

}

else if(dist<=followDist){

backward();

}

else{

pause();

}

}

else{

pause();

}

}

5.2.3.2程序说明

（1）定义反应距离30cm

（2）设置反应的范围值为20-40cm，共20cm

（3）当超声波检测的距离在20 cm和40 cm之间时，小车自动跟随功能启用。自动跟随小车流程图如图5-4所示。

5-4自动跟随小车流程示意图

（4）通过超声波传感器获取当前的距离，保存在全局变量dist中。

5.2.3.3运行结果

程序上传后，将手放置在超声波传感器前30 cm的距离，此时手远离小车，小车向前运动；当手接近小车时，小车后退；当手移至20~40 cm范围以外时，小车静止。

5.2.3.4项目进阶

在程序运行过程中，当手静止时，小车并没有静止，而是在前后不停地小幅抖动。究其原因，超声波返回的距离值是一个变化的值，当返回的值小于30 cm时，小车后退，小车一后退，距离就大30 cm, 当距离大于30 cm时，小车又收到前进的命令，如此往复，小车就会处于一个前后小幅往复运动的状态，从而导致抖动现象的发生。

抖动现象当两种不同的行为轮流控制机器人时，或者一个行为的两个不同部分相互抵触时，机器人就有可能发生抖动现象。

循环诊断行为解决抖动问题的一个方法是使用循环诊断行为。这种行为能使机器人具有一定的适应能力，它检测的对象不是机器人外部的环境信息，而是机器人反复的运动状态。例如，将机器的行为状态（命令动作、时间间隔）保存至状态变量数组，当感知到程序正在相应的时间间隔下不断切换前进和后退操作时，循环诊断行为将接管机器人的控制权，执行一些能够打破目前这种状态的命令。

更好的办法是深人分析了解出现抖动现象的相互影响方式。如本项目，在前进和后退之间设定一个小的区域作为过渡，就会大大减轻抖动现象的发生。此外控制小车的运动精度，避免因为小车运动惯性而产生抖动。

if (dist > = followDist + 1 ) { //

forward();

）

else if(dist <= followDist -1) { backward();

}

else{

pause();

}