迷宮機器人的硬件結構設計

王珺　單麗慧

摘要：迷宮機器人主要研究的幾個部分：行走機構、傳感器、驅動方式、控制系統。控制系統設計是迷宮機器人設計中很關鍵的一部分，只有具有合理的結構和穩定可靠的控制系統，才能保證迷宮機器人順利迅速地完成行走迷宮的過程，才能保證為研究復雜的迷宮算法打下良好的基礎。

關鍵詞：迷宮機器人，硬件結構，控制系統設計

1.引言

迷宮機器人的體系結構分為兩種：水平式體系結構，垂直式體系結構。

水平式結構最早由Nillsion提出來的，它采用從上而下的方法構造系統，根據信息的流向及行為功能，將機器人的控制過程分解成不同的子任務，由不同的功能模塊去執行，這些功能模塊組成了一條閉環鏈，信息流由環境經由傳感器進入機器人處理器，經過規劃決策處理后再經由執行機構返回環境，從而實施控制行為，構成一個閉環系統。

垂直式結構是采用從下而上的方法構造系統，將完成機器人某一特定控制的感知、規劃、任務執行等過程封裝在一起，稱為一個行為（如停止、避障、漫游、跟蹤探測等等），每一個行為都實現傳感器信息與機器人動作間的一種映射，某一時刻，只有一種行為能夠控制車體，機器人最終的動作是由各層行為間的相互競爭實現的.

2.迷宮機器人行走機構設計

行走機構是行走機器人的重要執行部件，它由驅動裝置、傳動裝置、傳動機構、位置檢測元件、傳感器、電纜及管路等組成。執行機構只要是機器人的足、腿、手、臂、腰及關節等，它是機器人運動和完成某項任務所必不可少的組成部分。驅動裝置和傳動裝置用來有效地驅動執行機構的裝置，通常采用液壓、電動和氣動，有直接驅動和間接驅動二種方式。

要研究迷宮機器人的路徑規劃，實現機器人在迷宮中的準確行走，都必須建立移動機器人的運動學模型，在輪式移動機器人中，差動轉向式機器人控制復雜，但精度比較高，因此迷宮機器人采用雙輪單獨驅動、前輪為萬向輪的結構，通過兩個后輪的轉速差來實現機器人的前進、后退、轉彎等動作，使得機器人能夠在迷宮中靈活地行走和避障。

機器人的機械結構主要是指機器人的機械構造、設備選型等，迷宮機器人的機械部分主要有車架、車輪、直流減速電機及其連接等。移動機器人的運動系統主要有輪式、足步式、履帶式和蛇形等幾種，其中應用最為廣泛的是輪式運動結構，在相對平坦的地面上，用車輪移動方式行走是相當優越的。

3.迷宮機器人傳感器系統設計

傳感器系統是迷宮機器人很重要的一部分，它的作用是建立合理的機器人感覺系統，以便機器人能建立起完整的信息獲取渠道，也是關系到迷宮機器人智能程度的關鍵，由于環境的多樣性、自身狀態的不確定性和單一傳感器的局限性，僅僅依靠一種傳感器難以完成對周圍環境的感知，為完成在復雜環境下的自主移動，機器人通常裝有用于導航需要的多種傳感器，機器人選擇什么樣的傳感器完全取決于機器人的工作需要和應用特點，并要求傳感器具有較強的抗干擾性、較好的穩定性、快速性以及較低的成本等。

環境感知能力是移動機器人除了移動之外最為基本的一種能力，感知能力的高低直接決定了一個機器人的智能性高低，它的作用是建立合理的機器人感覺系統，以便機器人能夠建立起完整的信息獲取渠道。機器人要具備智能行為就必需依靠傳感器不斷感知外界環境，從而做出相應的決策行為。目前傳感器的種類繁多，功能越來越豐富，像超聲波傳感器、紅外傳感器、光電傳感器等。傳感器系統是機器人很重要的部分，選擇機器人傳感器完全取決于機器人的工作需要和應用特點，因此迷宮機器人的傳感器系統包括三個紅外傳感器和三個黑標傳感器。

4迷宮機器人驅動系統設計

驅動方式分為電動式，液壓式，氣動式，本文采用直流伺服電動機。簡單介紹其它兩種。

氣動式分為直線氣缸，擺動汽缸及旋轉氣動馬達。

適合于節拍快、負載小且精度要求不高的場合（因為空氣具有可壓縮性）。

氣動馬達是將壓縮空氣的壓力能轉換成回轉機械能的轉換裝置。

液壓式從運動形式來分分為直線驅動如直線運動液壓缸和旋轉驅動如液壓馬達、擺動液壓缸。從控制水平的高低來分分為開環控制液壓系統和閉環控制液壓系統。

液壓系統具有較大的功率體積比，適合于大負載的情形。液壓驅動的本質優點在于它的安全性。如噴漆時要求工作區域所帶電壓不超過9V。

通電導體在磁場中一定會受到力的作用。判斷受力方向用左手法則：磁力線穿過手心，四指指向電流方向，大拇指則指向受力方向。電樞繞組在旋轉一周的過程中，每根導體中的電流方向發生了改變，但由于換向器的作用，保證了每個磁極下的導體的通電方向不變，從而使得電樞的受力方向不變。

5 迷宮機器人控制系統設計

控制系統是機器人的信息處理中心

微處理器是機器人系統的大腦，負責各種信息的處理和決策，目前比較常見的有8位、16位和32位處理器，考慮到迷宮機器人實際系統的特點，要求處理器具有高速度、低功耗、較大的存儲空間，多路PWM功能和豐富的IO口，以方便日后的功能擴展.因此微處理器采用C8051系列單片機。[11]

集成了豐富的外部設備接口。具有兩路UART和最多可達5個定時器及6個PCA模塊，此外還根據不同的需要集成了SPI、USB、CAN、LIN等接口，以及RTC部件。外設接口在不使用時可以分別禁止以降低系統功耗。與其他類型的單片機實現相同的功能需要多個芯片的組合才能完成相比，C8051單片機不僅減少了系統成本，更大大降低了功耗。

增強了在信號處理方面的性能，部分型號具有16x16 MAC以及DMA功能，可對所采集信號進行實時有效的算法處理并提高了數據傳送能力。

基于上述特點，Silicon Labs 公司C8051F系列單片機作為SoC芯片的杰出代表能夠滿足絕大部分場合的復雜功能要求，并在嵌入式領域的各個場合都得到了廣泛的應用：在工業控制領域，其豐富的模擬資源可用于工業現場多種物理量的監測、分析及控制和顯示；正是這些優勢，使得C8051單片機在進入中國市場的短短幾年內就迅速風靡，相信隨著新型號的不斷推出以及推廣力度的不斷加大，C8051系列單片機將迎來日益廣闊的發展空間，成為嵌入式領域的時代寵兒。

此系列單片機完全兼容MCS-51指令集，容易上手，開發周期短，大大節約了開發成本。C8051F系統集成度高，總線時鐘可達25M 。

參考文獻

[1] SU S，Tsuchiya K.Learning of a m e using a genetic algorithml c 1.Industrial ElectroniCS，Control and Instrumentation 1993，Proceedings of the IECON 93 International Conference On，1993，1：376—379.

[2] 王典洪等.基于單片機和傳感器的機器人設計與實現.微計算機信息， 2007， 23： 246～248123第36卷（2008）第3期

[3] 張雪平，王志斌.基于模糊控制PLC在溫度控制中的應用.電氣傳動，2005，35（8）：54—55

[4 胡壽松. 自動控制原理.北京：科學出版社.2001.83-90.