感應(yīng)式火炬接力機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作

三峽電力職業(yè)學(xué)院 劉遠(yuǎn)明 高 曉 胡 瑞 李 莉

感應(yīng)式機(jī)器人是采用感應(yīng)循跡的方法制作的一種循跡機(jī)器人，機(jī)器人的軌道被隱藏起來(lái)，循跡方式與傳統(tǒng)的光電循跡機(jī)器人完全不同，由于這種循跡方式不受光線的干擾，因而大大擴(kuò)展了這種循跡機(jī)器人活動(dòng)空間，特別方便在室外進(jìn)行這樣的競(jìng)賽活動(dòng)。競(jìng)賽時(shí)，三個(gè)機(jī)器人組成一個(gè)競(jìng)賽隊(duì)，分別放置在賽道的不同位置，在裁判一聲哨響之后，第一個(gè)機(jī)器人被哨聲啟動(dòng)，點(diǎn)亮火炬，尋著賽道前進(jìn)，在與賽道第二個(gè)機(jī)器人相會(huì)時(shí)，第一個(gè)機(jī)器人火炬熄滅，停止前進(jìn)，第二個(gè)機(jī)器人點(diǎn)亮火炬繼續(xù)前進(jìn)，同樣的方式，第三個(gè)機(jī)器人接過(guò)火炬后，一直前進(jìn)至終點(diǎn)指定位置，機(jī)器人停止運(yùn)行，火炬熄滅。本競(jìng)賽以達(dá)到終點(diǎn)的時(shí)間評(píng)定成績(jī)，時(shí)間越短，成績(jī)?cè)胶谩Ｅc傳統(tǒng)光電循跡機(jī)器人競(jìng)賽不一樣，在競(jìng)賽的賽道上，沒(méi)有明顯的軌道線，機(jī)器人競(jìng)賽的賽場(chǎng)就是一副寫真的圖畫，機(jī)器人循跡的軌道，是隱藏在這幅圖畫背面的不干膠鋁箔膠帶，正因?yàn)檫@樣，這個(gè)競(jìng)賽給觀眾們?cè)鎏砹烁嗟纳衿婧蜆?lè)趣。

1.感應(yīng)式火炬接力機(jī)器人結(jié)構(gòu)

機(jī)器人包括循跡傳感器、傳感器電路板、單片機(jī)控制電路板、動(dòng)力電機(jī)、導(dǎo)向輪、碰觸開關(guān)、LED火炬燈、電源等，和光電循跡機(jī)器人結(jié)構(gòu)基本相同，可以直接用光電循跡機(jī)器人改裝。圖1是本文機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 感應(yīng)式火炬接力機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

2.感應(yīng)式循跡機(jī)器人電路設(shè)計(jì)

感應(yīng)式循跡機(jī)器人電路結(jié)構(gòu)與光電循跡機(jī)器人也基本相同，由循跡傳感器電路，單片機(jī)控制電路，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成，不同點(diǎn)在于，感應(yīng)式循跡機(jī)器人采用了金屬探測(cè)器作為循跡電路。

2.1 感應(yīng)式循跡原理

感應(yīng)式循跡傳感器就是一個(gè)電感線圈。傳感器電路是一個(gè)電感三點(diǎn)式振蕩電路，這實(shí)際上是一個(gè)金屬探測(cè)器電路，見(jiàn)圖2-a，工作原理是，電感線圈L與電路中C1、C2、C3、VT1等構(gòu)成一個(gè)電感三點(diǎn)式振蕩電路，正常工作時(shí)，其產(chǎn)生的震蕩信號(hào)經(jīng)VT2放大，由D1、D2、C6等進(jìn)行整流、濾波，使三極管VT3的基極獲得了一定幅度的基極電壓而導(dǎo)通，其集電極輸出低電平。若把電感線圈L靠近金屬物體，線圈的變化磁場(chǎng)會(huì)在金屬物體內(nèi)感應(yīng)出渦流而產(chǎn)生鐵損，線圈的Q值下降，電路振蕩減弱直至停止振蕩。作用在VT3基極上的電壓將不復(fù)存在，三極管VT3由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗浼姌O輸出高電平，我們把這個(gè)信號(hào)經(jīng)處理后送給單片機(jī)I/O端口，單片機(jī)就可以通過(guò)檢測(cè)該端口的信號(hào)變化，了解機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，給出相應(yīng)的控制指令。電路中，通過(guò)調(diào)整可調(diào)電阻RP的電阻大小，可調(diào)節(jié)電路的正反饋幅度，使振蕩電路剛好處于振蕩的臨界點(diǎn)上，這樣可調(diào)節(jié)傳感器的探測(cè)靈敏度。圖2-b是作為傳感器的電感線圈實(shí)物。把不干膠鋁箔粘貼在賽道上作為軌道，就可以通過(guò)電感線圈與鋁箔的位置了解機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行方向控制。

圖2 感應(yīng)式傳感器電路原理圖

2.2 機(jī)器人控制電路

本電路需要實(shí)現(xiàn)這樣一些功能，1）聲控啟動(dòng)。第一棒機(jī)器人在拍手或有哨聲響后，要自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，點(diǎn)亮火炬，開始循跡前進(jìn)。2）第二、第三棒機(jī)器人由碰撞來(lái)啟動(dòng)電路。3）第一、第二棒機(jī)器人碰撞后停止運(yùn)行。4）火炬點(diǎn)亮和熄滅控制。5）循跡控制。6）電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制等。控制電路采用AT89S51單片機(jī)，根據(jù)上述這些功能，要為單片機(jī)的控制設(shè)置合理的I/O口。電路見(jiàn)圖2，P1.0口為聲控電路連接口，P3.2、P3.3為火炬交接時(shí)，碰撞開關(guān)連接口，在電路板上焊裝兩個(gè)按鈕開關(guān)，可以對(duì)碰撞效果進(jìn)行檢驗(yàn)、調(diào)試。P0.0為火炬連接口，該口連接一只LED模擬火炬。P3.4-P3.7為傳感器電路的連接口，這里安排了4個(gè)端口，連接4個(gè)感應(yīng)式傳感器電路。單片機(jī)的P2.0-P2.3連接電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路采用L293D專用集成塊，可使電路設(shè)計(jì)制作變得簡(jiǎn)單一些，圖4是一個(gè)聲控模塊電路原理圖。

圖3 單片機(jī)控制電路

圖4 聲控模塊電路

3.感應(yīng)式機(jī)器人循跡控制設(shè)計(jì)

3.1 循跡軌道線與傳感器布局

循跡用鋁箔軌道線寬度為25mm，設(shè)置在賽道的中間，帶不干膠，可以直接粘貼在賽場(chǎng)上。傳感器由4個(gè)電感組成，排布在鋁箔線兩邊，中間兩個(gè)電感基本騎跨在鋁箔線上，見(jiàn)圖5-a。

圖5 傳感器循跡狀態(tài)分析

3.2 循跡狀態(tài)分析

圖5示列出了機(jī)器人循跡過(guò)程中，傳感器可能出現(xiàn)的5種循跡狀態(tài)，圖5-a，傳感器L2、L3跨騎在鋁箔線上，此時(shí)，L1out=0，L2out=1，L3out=1、L4out=0。此時(shí)，機(jī)器人工作在前進(jìn)狀態(tài)。圖5-b，機(jī)器人出現(xiàn)右偏，傳感器L3向右脫離鋁箔線，4個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)輸出狀態(tài)為：L1out=0，L2out=1，L3out=0、L4out=0，這時(shí)，機(jī)器人需要向左調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向，其運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)為：左轉(zhuǎn)。圖5-c，L2也向右脫離鋁箔線，L1靠上鋁箔線，傳感器狀態(tài)為：L1out=1，L2out=0，L3out=0、L4out=0，此時(shí)，機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)為：急左轉(zhuǎn)。圖5-d，鋁箔線出現(xiàn)轉(zhuǎn)角，傳感器狀態(tài)為：L1out=1，L2out=1，L3out=1、L4out=0，機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)：左轉(zhuǎn)90度。有時(shí)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)快，可能沖出賽道循跡線，如圖5-e，此時(shí)傳感器狀態(tài)為：L1out=0，L2out=0，L3out=0、L4out=0，機(jī)器人離線處理方法：后退！運(yùn)行中傳感器的可能出現(xiàn)的狀態(tài)有很多，將其分類歸納，然后建立一個(gè)和運(yùn)行方式對(duì)應(yīng)的控制表，以此為基礎(chǔ)，作為我們的單片機(jī)程序編寫依據(jù)。

3.3 建立循跡狀態(tài)與電機(jī)控制編碼表

表1中，列出了部分循跡狀態(tài)的編碼，這個(gè)編碼對(duì)應(yīng)著電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的控制編碼，每個(gè)控制狀態(tài)要維持一定的時(shí)間，把時(shí)間參數(shù)的編碼和電機(jī)控制狀態(tài)的編碼組合后放入一個(gè)字節(jié)中，控制碼放入字節(jié)的高4位，時(shí)間參數(shù)的編碼放在低4位，這樣可以讓機(jī)器人運(yùn)行程序的編寫變得簡(jiǎn)捷起來(lái)。

表1 部分循跡狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制編碼表

4.火炬接力賽程序編寫

4.1 循跡控制程序編寫方法

按照表1的編碼方法，可以得到一個(gè)更加完整的編碼表，這個(gè)表以循跡碼為序，從0至F進(jìn)行編排，對(duì)不可能出現(xiàn)的循跡狀態(tài)，以“/”表示，這種狀態(tài)時(shí)，讓機(jī)器人的控制狀態(tài)都為“前進(jìn)”。這樣，我們就可以獲得16種循跡狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的組合控制碼。編寫程序時(shí)，按循跡編碼的大小順序，把這個(gè)組合碼放在表中，機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，讓單片機(jī)不斷掃描P3口獲取循跡碼的情況，通過(guò)查表的方式，取得到組合編碼，直接把高4位控制編碼送入P2端口，控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，把延時(shí)參數(shù)送入延時(shí)子程序，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)式機(jī)器人的運(yùn)行控制。

4.2 火炬接力賽軟件流程圖

除了實(shí)現(xiàn)感應(yīng)循跡控制外，還要完成機(jī)器人火炬接力競(jìng)賽任務(wù)，前面我們?cè)趩纹瑱C(jī)控制電路設(shè)計(jì)中，已經(jīng)為火炬接力安排了單片機(jī)控制端口，按照上述要求，實(shí)現(xiàn)火炬接力的軟件流程圖見(jiàn)圖6。

圖6 機(jī)器人火炬接力賽程序流程圖

5.電路安裝與調(diào)試

5.1 感應(yīng)式傳感器的安裝與調(diào)試

感應(yīng)式機(jī)器人電路中，采用的元件和光電循跡機(jī)器人基本相同，可以直接用光電循跡機(jī)器人改裝，其循跡傳感器的傳感器元件L選用電感量為6.8mH的立式成品電感，根據(jù)傳感器數(shù)量，每個(gè)傳感器要制作一個(gè)金屬探測(cè)器電路，本文采用了4個(gè)傳感器，因此，需要把四個(gè)金屬探測(cè)器電路集中做在一個(gè)電路板上，這樣便于安裝。作為傳感器的電感元件，要事先固定在一個(gè)支架上，然后安裝在機(jī)器人前方底盤的合適位置。要注意的是：1）中間兩個(gè)傳感器不能距離太近，至少要相距20mm，不然會(huì)相互干擾，不能正常工作。2）傳感器底面距地面的距離3-5mm為宜，傳感器靈敏度交高的，可以適當(dāng)高一點(diǎn)，一般5mm足夠了。3）安裝之前，需要調(diào)整好傳感器的靈敏度，方法是，把要調(diào)的傳感器電路接入電感，傳感器電路板接上電源，如果電路處于震蕩狀態(tài)，電路板上的LED會(huì)亮著，這是，用螺絲刀調(diào)電路中相應(yīng)的可調(diào)電阻RP的大小，讓這個(gè)LED由亮變滅，滅了以后，再輕輕的旋動(dòng)螺絲刀，讓這個(gè)LED正好亮起來(lái)，這樣做，是為了讓電路處于震蕩的臨界狀態(tài)。這時(shí)，把螺絲刀靠近被調(diào)的這個(gè)電感元件的底部，LED應(yīng)該熄滅，讓螺絲刀正好熄滅的這個(gè)距離，就是傳感器的靈敏度，這個(gè)距離一般在3-8mm之間。每個(gè)傳感器電路，都要用這種方法進(jìn)行調(diào)試，這是感應(yīng)式循跡機(jī)器人正常工作的關(guān)鍵步驟，由于這個(gè)調(diào)試與環(huán)境因素沒(méi)有關(guān)系，較之光電傳感器的調(diào)試，要方便很多。

5.2 碰撞開關(guān)的安裝與調(diào)試

這之前，需要先把機(jī)器人運(yùn)行程序下載到單片機(jī)中，分別按下S1、S2，機(jī)器人應(yīng)能啟動(dòng)和停止，這表明碰撞開關(guān)的控制程序沒(méi)有問(wèn)題。

碰撞開關(guān)選用成品輕觸開關(guān)比較好，機(jī)器人前后各安裝兩個(gè)，兩兩并接起來(lái)，然后接入單片機(jī)對(duì)應(yīng)接口，在調(diào)試整機(jī)的時(shí)候，按下后面碰觸開關(guān)，機(jī)器人能被啟動(dòng)，作為火炬的LED亮起來(lái)，按下前面的碰觸開關(guān)，機(jī)器人能停止工作。

5.3 聲控模塊的調(diào)試

第一把火炬手機(jī)器人需要聲控啟動(dòng)，聲控模塊在接收到哨聲或拍手聲后，會(huì)輸出一個(gè)脈動(dòng)信號(hào)給單片機(jī)端口，以此來(lái)啟動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行，模塊的靈敏度不要太高，不然會(huì)出現(xiàn)還沒(méi)有準(zhǔn)備好，機(jī)器人就被外界聲音啟動(dòng)工作，在1米距離內(nèi)拍手或哨音能啟動(dòng)機(jī)器人就行。

5.4 接力運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

最后，檢驗(yàn)編寫的程序正確與否，可以把機(jī)器人接通電源后，用聲控或碰后面碰觸開關(guān)的方法啟動(dòng)機(jī)器人，把機(jī)器人拿在手上觀察，此時(shí)，機(jī)器人應(yīng)工作在后退狀態(tài)，把機(jī)器人放在貼好的鋁箔線上，機(jī)器人前進(jìn)運(yùn)行，并能在轉(zhuǎn)彎處自動(dòng)轉(zhuǎn)彎，把機(jī)器人4個(gè)傳感器都?jí)涸阡X箔線上時(shí)，機(jī)器人也應(yīng)該停止運(yùn)行。通過(guò)這樣的試驗(yàn)，就可以組隊(duì)參加機(jī)器人火炬接力的競(jìng)賽了。

6.結(jié)語(yǔ)

感應(yīng)式機(jī)器人由于采用了新的循跡方法，傳感器制作簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，運(yùn)行可靠。大大提高了循跡機(jī)器人抗干擾能力，擴(kuò)展了機(jī)器人的活動(dòng)空間，有利于促進(jìn)學(xué)生的機(jī)器人制作競(jìng)賽等科技活動(dòng)的開展，機(jī)器人火炬接力賽很好地利用了這一特點(diǎn)，受到學(xué)生的廣泛歡迎和積極參與。

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[3] 黃勇.金屬探測(cè)器的研究與設(shè)計(jì)[C].華南理工大學(xué),2010.