走迷宫机器人——控制系统的设计

走迷宫机器人——控制系统的设计
上海交通大学：钱真彦（F9903406班）苏稚英（F9903501班）
摘要
走迷宫机器人主要是基于自动导引小车（AGV——auto-guided vehicle）的原理，实现小车识别路线，判断并自动规避障碍，选择正确的行进路线。

导引方式采用与地面颜色有较大差别的导引线，使用反射式光电传感器感知导引线，障碍判断采用机械式传感器。

驱动电机采用直流电机，电机控制方式为单向PWM开环控制。

控制核心采用51单片机，控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰。

控制上采用分时复用技术，仅用一块单片机就实现了信号采集，路线判断，电机控制。

该技术可以应用于无人工厂，仓库，服务机器人等领域。

总体规划
对于走迷宫小车控制系统设计主要有三个方面：一、控制电路设计；二、传感器选择以及安放位置设计；三、程序设计。

从总的方面来考虑，传感器的使用数量应该尽量少以减少单片机的信号处理量，但是又必须能使小车行驶自如。

控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。

一、电路设计
控制电路主要有电机驱动电路，单片机接口电路，电源电路三个部分。

考虑到电机的起动电流和制动时比较大，会造成电源电压不稳定容易对单片机和传感器的工作产生干扰，所以，电机驱动电路和单片机以及传感器电路用光耦隔离。

传感器的电源直接使用24V蓄电池，单片机的电源则通过7805将24V电源转换到5V。

这里主要对驱动电路进行一下介绍：
小车使用24V直流电机，对于这种小功率直流电机的调速方法一般有两种。

（1）线性型
使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大。

（2）脉宽调制
另外一种是较常用的脉宽调速（PULSE WIDE MODULATION——PWM），这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转的等优点。

因此决定采用PWM方式控制直流电机。

PWM调速分为双向式和单向式两种
①双向式
图一即为较常用的PWM调速电路，在一个脉冲周期内(T=Ta＋Tb)，T1和T3导通的时间为Ta，T2和T4导通的时间为Tb，这样在Ta这段时间内，电机通过的是正向电流，在Tb这段时间内为反相电流。

当Ta=Tb时电机停转，Ta>Tb时电机正转，Ta
图一
②单向式
单向式的电路更双向式相同。

不同的是，在电机正转时，Tb这段时间内不通过反向电流，电机反转时，Ta内不通过正向电流。

其调速原理基本与双向式相同。

单向式与双向式相比，三极管的开关频率少一半，比较不容易发生上下三极管导通而造成电源短路的情况,故可靠性有所提高，但控制性能比双向式稍差。

外特性、低速性能也不如双向式好。

图二图三
如上左图所示为双向式调速方式下速度与占空比关系曲线，右图为单向式调速方式曲线。

综合以上两种方式的优缺点，并考虑到走迷宫机器人对调速精度不太高，以及省电，器件损耗等各方面因素，决定采用单向式PWM。

考虑到编程时可能会产生使T1、T2、T3、T4都导通的情况，以至电源短路，烧毁器件。

为避免出现这种情况，设计了图四所示的电路。

此电路只用一个三极管控制电路的通断，用四个继电器控制电流的流向，从而控制电机的转向。

这样无论如何，都不会出现因编程原因而造成电源短路的情况。

由于采用单片机控制电机，如果单片机的电源采用与电机同一电源，虽然经过稳压、滤波，但是单片机仍然容易受到电机以及继电器的干扰，为了避免干扰，采用光电隔离，单片机和电机采用两套电源。

如图二红色方框所示，4N26光耦一般需要2mA以上的驱动电流，由于单片机的输出电流只有几百微安，故需要先接74LS245或者接一个三极管增加驱动能力（74LS245的高电平驱动能力为15mA）。

光耦的输出再接给达林顿管，考虑到电机的短路电流有2A，故选用TIP132型号的达林顿管（允许通过的最大瞬时电流为8A）。

另外在达林顿管的C极和电源的正极之间接一个耐流为2A的二极管（蓝色方框中），这样在关断电源后，使继电器反相，可以让电机放电，这样小车不至于因为惯性而滑行太远（实验证明，如果不加二极管，同样的初速度，小车要在断电后继续前进20－30cm，如加了二级管则只要继续前进10cm左右）。

考虑到走迷宫机器人对电机转速，距离控制的要求不高，为了简化程序和外接电路，所以没
有考虑采用闭环PWM控制，用开环PWM控制就可以实现小车的功能。

图四
二、传感器：
1、传感器的选择：
小车要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当与给小车一个视觉功能。

实现机器人的视觉功能有多种方式，有使用CCD摄像头进行图象采集和识别方法，但是此方法，在资金上耗费较多，而且还牵涉到图象采集，图象识别等领域，为了简单起见，使用多个反射式光电传感器。

反射式光电传感器的光源有多种，有来自于红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传感器只接收很小个频率范围内的信号，不容易被干扰。

对于障碍物的检测方面，可以使用超声波传感器，效果也较好，但相比之下，用机械式的传感器（微动开关）价格便宜，使用方便，无需提供电源。

 
图五
2、传感器安放位置
（1）机械传感器：
放置在小车的最前端，当小车碰到障碍物后者墙壁时，机械传感器就能给单片机一个中断信
号，通知单片机遇到障碍，需要改变方向。

（2）光电传感器摆放位置：（如图六）
中间四个传感器用来检测小车是否走偏，前面两个用来判断小车是否到达路口，后面两个用
于转弯时，小车的位置调整。

图六
下表列举了几种主要传感器输入情况：
三、程序设计
主程序主要起到一个导向和决策功能，决定什么时候小车该做什么。

小车各种功能的实现主要通过调用具体的子程序。

子程序有以下几个：
（1）检测光电传感器子程序：根据需要直接从端口读取即可，不过为了防止出现干扰和错误信号，采用延时读取的方法，即在第一次读取后延时一段时间再读取，如果第二次读取的信号和第一次的不一样，则说明可能存在干扰信号，就重新读取并比较，直到两次读取的信
号一致为止。

（2）行走路线子程序：用于设定行走路线。

（3）PWM子程序：用于控制马达转速。

89C51芯片没有PWM输出功能，需要通过编程实现。

为了在输出PWM波时，单片机仍能执行其他程序，可以利用单片机内部的定时器溢出中断来实现。

占空比占用一个字节的RAM，占空比D=N/256。

（4）判断路口子程序：对传感器的输入值进行判断，以判断是否到达路口。

（5）延时子程序：定时功能。

（6）转弯子程序：当小车到达岔口并需要转弯时调用此程序。

主要让小车在到达需要转向的路口时减速，调整位置，转向，然后继续前进。

（7）走直线子程序：小车在直导引线行驶时的调整程序。

根据中间的四个光电传感器的反馈值来判断小车偏离导引线的距离，并根据偏离距离的不同，对电机进行调速，使左右电机有差速，以实现对小车的偏离进行调整（脉宽调速是使用单片机内部中断产生周期约为8ms 的方波，通过改变高电平的宽度来进行改变电机的转速）。

如图六所示，下半张是小车偏离导引线的情况，此时左轮减速，直到小车图六的2、3号传感器再次检测到导引线，即上半张图的情况，虽然此时小车回归导引线，但是小车的行进方向与导引线并不平行，小车仍会再次偏离，这样下去小车的行驶路线就变成了S型曲线，而且弧度会越来越大最终脱离导引线，因此如果小车出现偏离，就做下标记，当小车行驶回导引线时（中间四个光电的值为0110），调用一个调整子程序，根据前次小车偏离的程序，进行不同程度的调整。

也就是在小车回归导引线的时候让（如图中的情况）右电机停转一端时间，使小车的行驶方向纠正回来，与导引线平行。

以下是主程序的流程图：
四、走迷宫策略：
如果迷宫不太复杂，且主要为纵横方向的直线，可采用让小车在路口始终左转或者始终右转的方法走迷宫，也就是让小车沿迷宫的边沿走，只要在出口处放置一个标记，让小车用光电传感器识别即可。

另外也可以让小车在每个路口处记录下支路数，以及已经走过的支路，如果此路口不通，退回选择没有走过的支路。

这样最终也能走处迷宫。

附录
参考文献：
[1]胡汉才编著。

单片机原理及接口技术。

北京：清华大学出版社，1996年。

[2]钟约先，林亨编著。

机械系统计算机控制。

北京：清华大学出版社，2001年。

[3]王彦平，任延群，危胜军等编著。

PROTEL99电路设计指南。

北京：清华大学出版社，2000年。