基于51單片機(jī)的智能尋跡機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院 張玉帥 楊婷婷

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基于51單片機(jī)的智能尋跡機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院 張玉帥 楊婷婷

【摘要】本文針對智能機(jī)器人如何在比較復(fù)雜的道路上實(shí)現(xiàn)自主行走，設(shè)計出了一種利用灰度傳感器和光電傳感器作為引導(dǎo)，借用通信中分時復(fù)用概念，以51單片機(jī)為核心的智能機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)的機(jī)器人利用51單片機(jī)和傳感器，價格低廉。該機(jī)器人通過識別以黑色長條為邊線和模擬障礙物，實(shí)現(xiàn)了在道路快速、準(zhǔn)確行走，遇到障礙物尋找最佳路徑繞過的功能。經(jīng)過適當(dāng)改造之后具有多種用途。

【關(guān)鍵詞】PWM；分時復(fù)用；交叉足

0　引言

隨著現(xiàn)代科技發(fā)展，智能設(shè)備走入人們?nèi)粘Ｉ钜呀?jīng)成為一個趨勢。但是智能家居機(jī)器人因其造價較高，造成其售價較高，因此步入人們生活的步伐緩慢。

鑒于此，本設(shè)計提出了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的機(jī)器人尋跡可行性方案設(shè)計，該方案在保證成本低廉的同時，又能夠快捷、準(zhǔn)確和穩(wěn)定地完成直行、轉(zhuǎn)彎、避障等一系列動作，滿足機(jī)器人在運(yùn)動中所需要的基本要求。另外，該機(jī)器人系統(tǒng)是智能家居機(jī)器人的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

1　機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要。由于本設(shè)計采用的是交叉足方式，所以采用了以下的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本設(shè)計使用的交叉足是由兩個交叉的U型框組成，穩(wěn)定相比窄足來說要高出一個等級，每個寬度約為10厘米。

考慮到使用金屬制作的U型框表面非常光滑，無法很好的在平常道路上行走。為了解決這個問題，我們先后用過紙、毛巾等摩擦力較大的東西粘在腳底，然而后來發(fā)現(xiàn)用紙?zhí)菀啄テ疲砟Σ亮τ执螅瑢C(jī)器人的運(yùn)動產(chǎn)生阻礙。最后，本方案選擇了生活中常用而且價格便宜的鼠標(biāo)墊作為粘在腳底的東西。將鼠標(biāo)墊較為光滑的正面與腳底粘住，而摩擦力較大的背面與地面接觸。經(jīng)過測試，粘有鼠標(biāo)墊的機(jī)器人走路情況良好。

腿部的設(shè)計主要是兩腿之間的距離。不要小看兩腿之間的距離，這距離也會影響機(jī)器人整體運(yùn)動的效果。由于已知U型框的寬度約為10厘米，經(jīng)過不斷的嘗試，本設(shè)計最后將兩腿之間的距離確定為12厘米，這樣走起來相對比較穩(wěn)定，效果比較好。

本設(shè)計使用4個舵機(jī)，其中上面兩個舵機(jī)直立，下面兩個舵機(jī)平躺。在這種方式下，下面兩個舵機(jī)控制腳的上下運(yùn)動，而通過上面兩個舵機(jī)則可以控制舵機(jī)的前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎。前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎的差別主要在于，前進(jìn)時上面兩個舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度在數(shù)值上相等，而轉(zhuǎn)彎時，上面兩個舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度在數(shù)值上并不相等。

本設(shè)計使用一塊木板架在兩腿之間，然后將模塊放在木板之上。經(jīng)過綜合考慮單片機(jī)核心控制模塊和中介模塊放置方式，本設(shè)計使用的木板尺寸是長為16.8cm，寬為9.9厘米，然后將中介模塊和單片機(jī)核心控制模塊并行放在木板之上。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，使用木板之后的機(jī)器人非常牢固。同時，為了節(jié)省空間，我們將電池放置在木板之下，機(jī)器人的兩腿之間，利用粘布將其粘貼在木板之上，為了使粘貼更加牢固，我們又將其捆綁上膠帶加以固定。

2　硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件部分主要有單片機(jī)核心控制模塊、電池模塊、中介模塊、舵機(jī)運(yùn)動模塊和傳感器模塊組成。

單片機(jī)核心控制模塊，采用國產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)，功能較為強(qiáng)大。作為整個機(jī)器人的核心部分，主要是控制機(jī)器人的行走，負(fù)責(zé)根據(jù)傳感器傳遞來的信號，利用預(yù)先寫入的算法，控制舵機(jī)進(jìn)行躲避或者繞行的措施。其主要由單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路和在芯片引腳上接上拉電阻部分組成。一般情況下，使用的晶振是11.0592MHZ。本設(shè)計中所有定時器都基于此晶振來設(shè)計。

電池模塊，為整個機(jī)器人其它各個模塊的運(yùn)行提供穩(wěn)定的電源驅(qū)動。由于舵機(jī)需要至少6.6V的電壓，為此使用了一個標(biāo)稱電壓為7.2V的可充電的鋰電池。

中介模塊是整個機(jī)器人承上啟下的一個模塊。這個模塊主要有以下功能：①負(fù)責(zé)接收來自單片機(jī)核心控制模塊的信號，然后轉(zhuǎn)接到舵機(jī)上；②負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)接電池輸入電壓，為舵機(jī)提供合適電壓電源；③連接降壓模塊，為單片機(jī)和傳感器提供穩(wěn)定的5V電壓。

舵機(jī)要求電壓為6V～7.4V，由于與電池標(biāo)稱電壓一致，在中介模塊上只需要設(shè)計一個轉(zhuǎn)接插針即可。

傳感器反饋模塊、單片機(jī)核心控制模塊需要5V的電壓供電，本設(shè)計從電池連接一個LM7805三端穩(wěn)壓器將電壓穩(wěn)定到5V左右，然后并聯(lián)一個電容，使電壓穩(wěn)壓，連接到多個排針，為以上兩個模塊供電。為了控制方便，本設(shè)計在電容和排針之間設(shè)置了一個開關(guān)。

舵機(jī)運(yùn)動模塊，是該機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)模塊。通過PWM占空比實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，這是機(jī)器人運(yùn)動的關(guān)鍵。

傳感器反饋模塊，可以說是機(jī)器人的“眼睛”，它分為光電傳感器和灰度傳感器兩個部分?；叶葌鞲衅髦饕獧z測邊界黑線位置，為單片機(jī)核心控制模塊判斷是否調(diào)整機(jī)器人路線做出決定的依據(jù)；光電傳感器負(fù)責(zé)感知圓筒障礙物，同樣也為單片機(jī)核心控制模塊判斷機(jī)器人是否轉(zhuǎn)向做出決定的依據(jù)。

3　軟件算法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1運(yùn)動算法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人的運(yùn)動可以分解為一個個簡單的步驟組成，而這個簡單的步驟是：左下舵機(jī)向上轉(zhuǎn)動一定角度，右下舵機(jī)向右轉(zhuǎn)動一定角度，左上和右上分別左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)相同的一定角度，使得機(jī)器人完成第一邁步動作。而后全部放下。右腳邁步動作與左腳邁步動作類似。

總體來說，本設(shè)計采用了“3+3”方式走法，即“左腳抬--＞左腳邁--＞左腳放”，然后“右腳抬--＞右腳邁--＞右腳放”，如此循環(huán)執(zhí)行。減慢降低速度有利于提高穩(wěn)定性，設(shè)置兩個灰度傳感器防止走出。其中，左腳的操作是通過單片機(jī)的定時器1來實(shí)現(xiàn)，右腳的操作是通過定時器0來實(shí)現(xiàn)的，最后通過中斷和定時器的分時復(fù)用實(shí)現(xiàn)整個機(jī)器人的運(yùn)動。

舵機(jī)接收到來自單片機(jī)的信號后，信號進(jìn)入調(diào)制芯片，獲得偏置電壓。由于其內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，能夠產(chǎn)生一個寬度約為1.5ms，周期為20ms的基準(zhǔn)信號。偏置電壓與基準(zhǔn)信號相比較獲得一個電壓差。然后，電壓差輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片，后者將決定舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和角度。

3.2傳感器算法設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

傳感器作為機(jī)器人的“眼睛”，對機(jī)器人的運(yùn)行非常重要。本設(shè)計選用了2個灰度傳感器和光電傳感器。

其實(shí)，無論是灰度傳感器還是光電傳感器，都可以看做是一個開關(guān)?；叶葌鞲衅鞴ぷ鲿r，當(dāng)檢測到是白色時，發(fā)回低電平（0）到單片機(jī)的I/O口，當(dāng)檢測到是黑色時，發(fā)送高電平（1）到單片機(jī)的I/O口；光電傳感器工作的時候，當(dāng)檢測到障礙物時候，會發(fā)送一個低電平（0）到單片機(jī)的I/O口。

本設(shè)計將左側(cè)灰度傳感器接到單片機(jī)的P3.4端口，右側(cè)灰度傳感器接到單片機(jī)的P3.3端口，光電傳感器接到P3.2端口。通過傳感器傳到單片機(jī)的高低電平，使單片機(jī)就當(dāng)前的位置作出判斷，進(jìn)而通過糾正方向的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的方向糾正。

3.3總體效果實(shí)現(xiàn)

當(dāng)機(jī)器人開始運(yùn)動的時候，機(jī)器人將嚴(yán)格按照所指定的路線前進(jìn)。由于舵機(jī)的設(shè)計誤差，可能會使機(jī)器人產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角度的誤差，造成其運(yùn)動方向偏移，或者到達(dá)轉(zhuǎn)彎地點(diǎn)時，傳感器將自動將信號傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)將做出修正機(jī)器人運(yùn)動方向的指令，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照較為合理的路線實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎和避障。

4　結(jié)束語

現(xiàn)代科技的發(fā)展使智能家居成為了可能。智能家居機(jī)器人將進(jìn)

一步進(jìn)入人們的日常生活，成為人們生活的一部分。本設(shè)計提出的機(jī)器人尋跡系統(tǒng)作為智能家居機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)，充分考慮了智能家居機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中可能面臨的問題，并給出了解決方案，實(shí)現(xiàn)效果良好?？梢哉f，本系統(tǒng)在未來將會有更深入的研究基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社， 1998.

［2］郭天祥.51單片機(jī)C語言教程［M］.哈爾濱：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］李宏俊.以單片機(jī)為核心的溫室智能控制系統(tǒng)［J］.電子元器件應(yīng)用，2007，9（5）：20-23.

［4］汪新浩.基于移動機(jī)器人的智能家居安防系統(tǒng)［J］.電子世界，2015.13：81-88.

作者簡介：

張玉帥（1995—），山東萊蕪人，現(xiàn)就讀于山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院通信工程系。

楊婷婷（1997—），山東濟(jì)南人，現(xiàn)就讀于山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院通信工程系。