自動循跡機器人控制系統的設計

馬家慶,于兆勤,劉建群,黃惠敬,陳煒楠

摘要：循跡機器人是智能機器人領域內非常重要且被廣泛研究的一種智能移動裝置，國內許多重要的比賽都以循跡機器人為核心進行開展的。本文設計的智能循跡避障機器人的控制系統主要由四個模塊組成：最小系統模塊、循跡模塊、避障模塊、電機驅動模塊。該機器人能在規定的場地上按指定路線行走，實現各種直走、轉彎、調頭、加速、減速、爬坡、探測障礙的能力。

關鍵詞：機器人；循跡；單片機；傳感器

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）20-0150-02

一、緒言

大學生創新能力的培養是高等教育創新教育、素質教育的本質要求，是建設創新型國家、構建國家創新體系的重要組成部分，是校園文化的更高層次，是促進科研體制改革和產學研結合的有效途徑，必將直接推動生產力發展，產生直接的經濟和社會效益。[1]

機器人競賽作為一種高科技創新活動為大學生創新能力的培養提供了廣闊的舞臺。智能機器人作為一種人的思維與機器融為一體的自動化設備正在為改善人們的生產、生活環境，促進人類社會文明的發展發揮著越來越重要的作用[2]。人們已經研制了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器人[3]，如水下機器人、軍用機器人、空中空間機器人、搬運機器人、娛樂機器人等。可見，機器人技術的應用已經從制造業向非制造業領域發展，循跡機器人的研究也成為機器人研究領域不可或缺的一部分。循跡機器人是一種能夠自動按照給定的路線進行移動的機器人，它是一個運用傳感器、信號處理、電機驅動及自動控制等技術來實現路面探測、障礙檢測、信息反饋和自動行駛的技術綜合體，對提高學生的創新能力、綜合工程應用能力將起到積極的作用。

本文針對“中國機器人大賽中的機器人游中國項目”比賽，設計制作了智能循跡避障機器人。該比賽場地采用與地面顏色有較大差別的線條作為引導線，場地上有橋、減速坡等各種障礙，并根據機器人到達景點的多少及其難度計算比賽成績。為了能夠在競賽中取得好成績，就必須能夠對賽場上的引導線和各種障礙進行準確的檢測，以便準確控制機器人行進。本文開發的機器人采用灰度傳感器自動檢測引導線，并沿引導線移動，采用紅外傳感器判斷障礙物實現循跡避障的功能。

二、控制系統的硬件設計

機器人控制系統的硬件部分主要由5個模塊組成：控制模塊、循跡模塊、避障模塊、電機驅動模塊、電源模塊。機器人控制系統的框圖如圖1所示。

1.控制系統模塊。在機器人游中國的比賽中，要時時準確的檢測引導線和障礙，保證機器人準確快速到達各個景點，為此本機器人采用ATmega128控制芯片。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，運算速度快，具有多路PWM輸出，可將測速、避障等電路產生的輸入信號進行處理，并輸出控制信號給驅動放大電路，從而控制電機轉速，此方式產生的PWM信號比用定時器中斷產生的PWM信號實時性更好，而且不會占用系統的定時器資源。

基于ATmega128開發的機器人控制系統具有速度調節性能好、穩定性高、功能易拓展、成本低、體積小等特點。

2.循跡模塊。循跡是指小車在比賽場地上循白色引導線線行走，循跡模塊的原理圖如圖2所示。循跡模塊采用灰度傳感器，發射管為普通LED燈，接收管為光敏三極管3DU33。工作原理為：不同顏色的物體對LED發射光反射不同的亮度，光敏三極管3DU33接收這些不同亮度的光線，就會呈現不同的電壓Vx。Vx輸入到比較器LM339的同相端，并與電位器設定的電壓V0相比較，當Vx>V0時，比較器輸出高電平，當Vx

循跡機器人前后兩端均是由7個灰度傳感器組成的循跡模塊。7個灰度傳感器的布置圖如圖3所示。其中，中間三個灰度傳感器起巡線的作用，兩端的灰度傳感器起探測彎道作用，剩下兩個灰度傳感器交替進行巡線和探測彎道。實驗證明，這樣的灰度傳感器的布置圖，機器人循跡的效果好，且“性價比”非常高。

3.避障模塊。避障模塊主要使用的是紅外發射接收傳感器，當紅外感應避障模塊靠近物體時，輸出低電平信號；當沒有感應到物體時，輸出高電平信號。將該信號線接入到單片機的控制端口，控制程序就能起到探測障礙物的作用，當在機器人行進的路徑上就可以發現有障礙物并及時避開繞行。

4.驅動模塊。循跡避障機器人要求行走靈活、反應快速，因此要求驅動電機具有“轉速快、制動及時”等特點。我們設計制作的循跡避障機器人采用中鳴公司的JMP-BE-3508I驅動板模塊，其輸入電壓為11V到24V，最大輸出電流為20A，滿足快速前進、制動、轉彎的要求。并且電機速度達到500rpm，堵轉力矩為8KG.CM，具有很強的剎車功能。利用單片機的四路PWM輸出信號，分別控制四個輪子的轉速。并采用“四輪驅動”、“差速轉彎”的方式實現機器人的前進、后退與轉彎。

5.電源模塊。循跡機器人的電源模塊主要實現以下三大功能：（1）穩定輸出5V工作電壓。故我們設計制作的電源模塊以7805芯片為核心，把輸入電壓截止到5V。（2）提供足夠的電流。7805芯片最大輸出電流為1.5A，而循跡機器人需要較大電流，所以我們使用了兩片7805芯片分別對控制系統和外部設備進行供電。（3）濾波。在7805芯片的輸入、輸出端分別并聯104貼片電容和10μF的電解電容，過濾高頻、低頻信號。

三、系統的軟件設計

在智能循跡避障機器人的軟件設計中，采用模塊化編程的方法。這種方法就是：針對機器人行駛過程中出現的情況和問題，分別編寫出相對應的模塊化程序。如機器人要走直線就編寫一個走直線的模塊程序。

機器人行走的軟件主流程框圖如圖4所示。

四、結束語

本文設計制作的智能循跡避障機器人，可在任意給定的與地面有明顯顏色差異的引導線上平穩地行駛，循跡效果良好。并且機器人安裝的避障模塊能有效識別障礙，快速做出反應。實驗表明，該智能循跡避障機器人性能良好，在“中國機器人大賽機器人游中國項目”比賽中取得了較好的成績。通過機器人的設計和制作，提高了我們創新能力和實際動手能力。

參考文獻：

[1]韓毅，張雪峰.一種低成本尋跡機器人的實現[J].微計算機信息，2008，24（5-2）：233-235.

[2]吳年祥，任啟宏，許錦蘋.基于AVR單片機智能機器人的設計[J].安慶師范學院學報（自然科學版），2011，17（2）：39-42.

[3]李本印，馬軍忠.基于SCM簡易尋跡機器人設計[J].隴東學院學報，2010，21（5）：43-46.

摘要：循跡機器人是智能機器人領域內非常重要且被廣泛研究的一種智能移動裝置，國內許多重要的比賽都以循跡機器人為核心進行開展的。本文設計的智能循跡避障機器人的控制系統主要由四個模塊組成：最小系統模塊、循跡模塊、避障模塊、電機驅動模塊。該機器人能在規定的場地上按指定路線行走，實現各種直走、轉彎、調頭、加速、減速、爬坡、探測障礙的能力。

關鍵詞：機器人；循跡；單片機；傳感器

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）20-0150-02

一、緒言

大學生創新能力的培養是高等教育創新教育、素質教育的本質要求，是建設創新型國家、構建國家創新體系的重要組成部分，是校園文化的更高層次，是促進科研體制改革和產學研結合的有效途徑，必將直接推動生產力發展，產生直接的經濟和社會效益。[1]

機器人競賽作為一種高科技創新活動為大學生創新能力的培養提供了廣闊的舞臺。智能機器人作為一種人的思維與機器融為一體的自動化設備正在為改善人們的生產、生活環境，促進人類社會文明的發展發揮著越來越重要的作用[2]。人們已經研制了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器人[3]，如水下機器人、軍用機器人、空中空間機器人、搬運機器人、娛樂機器人等。可見，機器人技術的應用已經從制造業向非制造業領域發展，循跡機器人的研究也成為機器人研究領域不可或缺的一部分。循跡機器人是一種能夠自動按照給定的路線進行移動的機器人，它是一個運用傳感器、信號處理、電機驅動及自動控制等技術來實現路面探測、障礙檢測、信息反饋和自動行駛的技術綜合體，對提高學生的創新能力、綜合工程應用能力將起到積極的作用。

本文針對“中國機器人大賽中的機器人游中國項目”比賽，設計制作了智能循跡避障機器人。該比賽場地采用與地面顏色有較大差別的線條作為引導線，場地上有橋、減速坡等各種障礙，并根據機器人到達景點的多少及其難度計算比賽成績。為了能夠在競賽中取得好成績，就必須能夠對賽場上的引導線和各種障礙進行準確的檢測，以便準確控制機器人行進。本文開發的機器人采用灰度傳感器自動檢測引導線，并沿引導線移動，采用紅外傳感器判斷障礙物實現循跡避障的功能。

二、控制系統的硬件設計

機器人控制系統的硬件部分主要由5個模塊組成：控制模塊、循跡模塊、避障模塊、電機驅動模塊、電源模塊。機器人控制系統的框圖如圖1所示。

1.控制系統模塊。在機器人游中國的比賽中，要時時準確的檢測引導線和障礙，保證機器人準確快速到達各個景點，為此本機器人采用ATmega128控制芯片。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，運算速度快，具有多路PWM輸出，可將測速、避障等電路產生的輸入信號進行處理，并輸出控制信號給驅動放大電路，從而控制電機轉速，此方式產生的PWM信號比用定時器中斷產生的PWM信號實時性更好，而且不會占用系統的定時器資源。

基于ATmega128開發的機器人控制系統具有速度調節性能好、穩定性高、功能易拓展、成本低、體積小等特點。

2.循跡模塊。循跡是指小車在比賽場地上循白色引導線線行走，循跡模塊的原理圖如圖2所示。循跡模塊采用灰度傳感器，發射管為普通LED燈，接收管為光敏三極管3DU33。工作原理為：不同顏色的物體對LED發射光反射不同的亮度，光敏三極管3DU33接收這些不同亮度的光線，就會呈現不同的電壓Vx。Vx輸入到比較器LM339的同相端，并與電位器設定的電壓V0相比較，當Vx>V0時，比較器輸出高電平，當Vx

循跡機器人前后兩端均是由7個灰度傳感器組成的循跡模塊。7個灰度傳感器的布置圖如圖3所示。其中，中間三個灰度傳感器起巡線的作用，兩端的灰度傳感器起探測彎道作用，剩下兩個灰度傳感器交替進行巡線和探測彎道。實驗證明，這樣的灰度傳感器的布置圖，機器人循跡的效果好，且“性價比”非常高。

3.避障模塊。避障模塊主要使用的是紅外發射接收傳感器，當紅外感應避障模塊靠近物體時，輸出低電平信號；當沒有感應到物體時，輸出高電平信號。將該信號線接入到單片機的控制端口，控制程序就能起到探測障礙物的作用，當在機器人行進的路徑上就可以發現有障礙物并及時避開繞行。

4.驅動模塊。循跡避障機器人要求行走靈活、反應快速，因此要求驅動電機具有“轉速快、制動及時”等特點。我們設計制作的循跡避障機器人采用中鳴公司的JMP-BE-3508I驅動板模塊，其輸入電壓為11V到24V，最大輸出電流為20A，滿足快速前進、制動、轉彎的要求。并且電機速度達到500rpm，堵轉力矩為8KG.CM，具有很強的剎車功能。利用單片機的四路PWM輸出信號，分別控制四個輪子的轉速。并采用“四輪驅動”、“差速轉彎”的方式實現機器人的前進、后退與轉彎。

5.電源模塊。循跡機器人的電源模塊主要實現以下三大功能：（1）穩定輸出5V工作電壓。故我們設計制作的電源模塊以7805芯片為核心，把輸入電壓截止到5V。（2）提供足夠的電流。7805芯片最大輸出電流為1.5A，而循跡機器人需要較大電流，所以我們使用了兩片7805芯片分別對控制系統和外部設備進行供電。（3）濾波。在7805芯片的輸入、輸出端分別并聯104貼片電容和10μF的電解電容，過濾高頻、低頻信號。

三、系統的軟件設計

在智能循跡避障機器人的軟件設計中，采用模塊化編程的方法。這種方法就是：針對機器人行駛過程中出現的情況和問題，分別編寫出相對應的模塊化程序。如機器人要走直線就編寫一個走直線的模塊程序。

機器人行走的軟件主流程框圖如圖4所示。

四、結束語

本文設計制作的智能循跡避障機器人，可在任意給定的與地面有明顯顏色差異的引導線上平穩地行駛，循跡效果良好。并且機器人安裝的避障模塊能有效識別障礙，快速做出反應。實驗表明，該智能循跡避障機器人性能良好，在“中國機器人大賽機器人游中國項目”比賽中取得了較好的成績。通過機器人的設計和制作，提高了我們創新能力和實際動手能力。

參考文獻：

[1]韓毅，張雪峰.一種低成本尋跡機器人的實現[J].微計算機信息，2008，24（5-2）：233-235.

[2]吳年祥，任啟宏，許錦蘋.基于AVR單片機智能機器人的設計[J].安慶師范學院學報（自然科學版），2011，17（2）：39-42.

[3]李本印，馬軍忠.基于SCM簡易尋跡機器人設計[J].隴東學院學報，2010，21（5）：43-46.

摘要：循跡機器人是智能機器人領域內非常重要且被廣泛研究的一種智能移動裝置，國內許多重要的比賽都以循跡機器人為核心進行開展的。本文設計的智能循跡避障機器人的控制系統主要由四個模塊組成：最小系統模塊、循跡模塊、避障模塊、電機驅動模塊。該機器人能在規定的場地上按指定路線行走，實現各種直走、轉彎、調頭、加速、減速、爬坡、探測障礙的能力。

關鍵詞：機器人；循跡；單片機；傳感器

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）20-0150-02

一、緒言

大學生創新能力的培養是高等教育創新教育、素質教育的本質要求，是建設創新型國家、構建國家創新體系的重要組成部分，是校園文化的更高層次，是促進科研體制改革和產學研結合的有效途徑，必將直接推動生產力發展，產生直接的經濟和社會效益。[1]

機器人競賽作為一種高科技創新活動為大學生創新能力的培養提供了廣闊的舞臺。智能機器人作為一種人的思維與機器融為一體的自動化設備正在為改善人們的生產、生活環境，促進人類社會文明的發展發揮著越來越重要的作用[2]。人們已經研制了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能力的特種機器人和各種智能機器人[3]，如水下機器人、軍用機器人、空中空間機器人、搬運機器人、娛樂機器人等。可見，機器人技術的應用已經從制造業向非制造業領域發展，循跡機器人的研究也成為機器人研究領域不可或缺的一部分。循跡機器人是一種能夠自動按照給定的路線進行移動的機器人，它是一個運用傳感器、信號處理、電機驅動及自動控制等技術來實現路面探測、障礙檢測、信息反饋和自動行駛的技術綜合體，對提高學生的創新能力、綜合工程應用能力將起到積極的作用。

本文針對“中國機器人大賽中的機器人游中國項目”比賽，設計制作了智能循跡避障機器人。該比賽場地采用與地面顏色有較大差別的線條作為引導線，場地上有橋、減速坡等各種障礙，并根據機器人到達景點的多少及其難度計算比賽成績。為了能夠在競賽中取得好成績，就必須能夠對賽場上的引導線和各種障礙進行準確的檢測，以便準確控制機器人行進。本文開發的機器人采用灰度傳感器自動檢測引導線，并沿引導線移動，采用紅外傳感器判斷障礙物實現循跡避障的功能。

二、控制系統的硬件設計

機器人控制系統的硬件部分主要由5個模塊組成：控制模塊、循跡模塊、避障模塊、電機驅動模塊、電源模塊。機器人控制系統的框圖如圖1所示。

1.控制系統模塊。在機器人游中國的比賽中，要時時準確的檢測引導線和障礙，保證機器人準確快速到達各個景點，為此本機器人采用ATmega128控制芯片。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，運算速度快，具有多路PWM輸出，可將測速、避障等電路產生的輸入信號進行處理，并輸出控制信號給驅動放大電路，從而控制電機轉速，此方式產生的PWM信號比用定時器中斷產生的PWM信號實時性更好，而且不會占用系統的定時器資源。

基于ATmega128開發的機器人控制系統具有速度調節性能好、穩定性高、功能易拓展、成本低、體積小等特點。

2.循跡模塊。循跡是指小車在比賽場地上循白色引導線線行走，循跡模塊的原理圖如圖2所示。循跡模塊采用灰度傳感器，發射管為普通LED燈，接收管為光敏三極管3DU33。工作原理為：不同顏色的物體對LED發射光反射不同的亮度，光敏三極管3DU33接收這些不同亮度的光線，就會呈現不同的電壓Vx。Vx輸入到比較器LM339的同相端，并與電位器設定的電壓V0相比較，當Vx>V0時，比較器輸出高電平，當Vx

循跡機器人前后兩端均是由7個灰度傳感器組成的循跡模塊。7個灰度傳感器的布置圖如圖3所示。其中，中間三個灰度傳感器起巡線的作用，兩端的灰度傳感器起探測彎道作用，剩下兩個灰度傳感器交替進行巡線和探測彎道。實驗證明，這樣的灰度傳感器的布置圖，機器人循跡的效果好，且“性價比”非常高。

3.避障模塊。避障模塊主要使用的是紅外發射接收傳感器，當紅外感應避障模塊靠近物體時，輸出低電平信號；當沒有感應到物體時，輸出高電平信號。將該信號線接入到單片機的控制端口，控制程序就能起到探測障礙物的作用，當在機器人行進的路徑上就可以發現有障礙物并及時避開繞行。

4.驅動模塊。循跡避障機器人要求行走靈活、反應快速，因此要求驅動電機具有“轉速快、制動及時”等特點。我們設計制作的循跡避障機器人采用中鳴公司的JMP-BE-3508I驅動板模塊，其輸入電壓為11V到24V，最大輸出電流為20A，滿足快速前進、制動、轉彎的要求。并且電機速度達到500rpm，堵轉力矩為8KG.CM，具有很強的剎車功能。利用單片機的四路PWM輸出信號，分別控制四個輪子的轉速。并采用“四輪驅動”、“差速轉彎”的方式實現機器人的前進、后退與轉彎。

5.電源模塊。循跡機器人的電源模塊主要實現以下三大功能：（1）穩定輸出5V工作電壓。故我們設計制作的電源模塊以7805芯片為核心，把輸入電壓截止到5V。（2）提供足夠的電流。7805芯片最大輸出電流為1.5A，而循跡機器人需要較大電流，所以我們使用了兩片7805芯片分別對控制系統和外部設備進行供電。（3）濾波。在7805芯片的輸入、輸出端分別并聯104貼片電容和10μF的電解電容，過濾高頻、低頻信號。

三、系統的軟件設計

在智能循跡避障機器人的軟件設計中，采用模塊化編程的方法。這種方法就是：針對機器人行駛過程中出現的情況和問題，分別編寫出相對應的模塊化程序。如機器人要走直線就編寫一個走直線的模塊程序。

機器人行走的軟件主流程框圖如圖4所示。

四、結束語

本文設計制作的智能循跡避障機器人，可在任意給定的與地面有明顯顏色差異的引導線上平穩地行駛，循跡效果良好。并且機器人安裝的避障模塊能有效識別障礙，快速做出反應。實驗表明，該智能循跡避障機器人性能良好，在“中國機器人大賽機器人游中國項目”比賽中取得了較好的成績。通過機器人的設計和制作，提高了我們創新能力和實際動手能力。

參考文獻：

[1]韓毅，張雪峰.一種低成本尋跡機器人的實現[J].微計算機信息，2008，24（5-2）：233-235.

[2]吳年祥，任啟宏，許錦蘋.基于AVR單片機智能機器人的設計[J].安慶師范學院學報（自然科學版），2011，17（2）：39-42.

[3]李本印，馬軍忠.基于SCM簡易尋跡機器人設計[J].隴東學院學報，2010，21（5）：43-46.