基于STC單片機的輪式機器人運動控制研究

謝孟喆+王群

摘 要：最近幾年，隨著電子科學與技術的發展，為滿足不同的用戶要求，不同類型、不同功能的輪式機器人成為了多個高校、高新技術公司的研發熱點。通過研究雙輪輪式機器人的自動尋跡功能來研究機器人的設計和機器智能有著非常深遠的意義。本次研究的內容就是基于STC單片機的輪式機器人的運動控制研究，最終目標是完成智能小車的自動尋跡實驗。

關鍵詞：輪式機器人；智能小車；自動尋跡

1 輪式機器人硬件系統研究

輪式機器人集單片機控制技術，紅外傳感器技術，直流電機驅動技術于一體，可以在輸入相應的程序后，按照程序準確的完成動作。本文首先重點說明了智能小車直流電機驅動原理、紅外傳感器工作原理和雙輪輪式機器人的自動巡線原理。根據智能小車各個模塊的功能設計智能小車前進程序和智能小車的自動尋跡程序。最后，對雙輪輪式機器人的自動巡線實驗做了簡單的操作說明。

（一）硬件的電路原理

直流電機工作原理也可以叫做H橋路工作原理，下圖即為H橋路工作原理的電路圖，ENA、ENB為使能端，當使能端為高電平（ENA＼ENB=1）時使能，當使能端為低電平時則智能小車停止前進，IN1和IN2、IN3和IN4分別控制右電機和左電機的正轉、反轉，也可以控制剎車。另外，在直流電機可以正常工作的情況下，為了保護智能小車的電路，電源電壓一般在7.2V-9V之間。

（二）紅外傳感器

紅外傳感器由紅外發射管和接受管組成，安裝在機器人底盤前部，共設置了左右兩個檢測點。紅外發射管發出的光線經地面反射到紅外接收管，基于黑色引導線與場地底色的反射光強差異，導致輸出的電壓不同，從而識別黑色引導線。

紅外傳感器的發射部分采用一個紅外發光二極管，由于紅外發射管的工作頻率可以達到幾MHz或十幾MHz，屬于工作頻率較高的發光元件，接收部分可以選擇一個光敏二極管，其調制頻率在幾十至幾百kHz的范圍內，能夠滿足實驗要求。

發射部分的紅外發光二極管發出的紅外光經地面反射由光敏二極管接收，然后光信號通過轉換器轉變為電信號，但是這種電信號通常比較微小，不利于檢測，所以這種電信號需要進行濾波放大處理。信號處理模塊對放大后的信號進行識別，判斷被檢測對象的特性。根據檢測到的結果就可以判斷這個檢測點是不是在黑色引導線的上方，從而判斷出自動尋跡機器人和黑色引導線的相對位置。圖3為紅外傳感器的外部工作原理圖，a圖紅外發射器感應到淺色地面，反射光比較強；b圖為紅外傳感器檢測到黑色引導線，反射光經黑線反射弱。

（三）智能小車的巡線原理

智能循跡小車在貼有黑色引導線的淺白色地面上行駛，利用黑色對光線的反射率小這個特點，當傳感器檢測到地面的顏色不是黑色時，傳感器發射出去的紅外光被大部分反射回來。于是傳感器輸出低電平0。 當傳感器檢測到地面中的黑色引導線，說明紅外傳感器在黑線上方，因黑色的反射能力很弱，反射回來的紅外光很少，達不到傳感器動作的水平，所以傳感器輸出1。繼續用單片機判斷傳感器的輸出端是0或者是1， 就能檢測出智能小車有沒有偏離黑色引導線。

智能小車的兩路紅外傳感器呈一行布置在小車底盤前方，攤頭朝下，方便對地面黑色引導線的檢測。例如，當智能小車沿著黑色引導線前進，黑色引導線被左側側探頭檢測到，就意味著小車已經偏離，此時紅外傳感器模塊的左側傳感器輸出高電平，左電機停止轉動，右電機照常轉動，智能小車左轉，回到原軌道方向，巡線的過程中會出現三種情況：

情況1：黑色線被左側探頭檢測到，則意味著小車已經偏移到賽道右側，應該左轉，如圖2所示；情況2：黑色線被右側探頭檢測到，則意味著小車已經偏移到賽道左側，應該右轉，如圖3所示；情況3：黑線沒有被任何一個探頭檢測到，則繼續直行。

（四）智能小車的硬件連接

本系統以單片機為核心，主要研究單片機模塊、電機控制模塊和紅外傳感器模塊，將電機控制模塊的P1.1-P1.6、紅外傳感器模塊的P3.2-P3.5、VCC、GND分別與單片機模塊對應的引腳用杜邦線連接。

2 軟件編程

在完成硬件配置后，利用單片機語言匯編的軟件keil uVision4完成智能小車的前進編程和自動巡線編程，并將程序燒錄單片機中進行調試、測試。

3 總結

經測試，本設計可使智能小車完成自動巡線的任務目標，并有很好的穩定性。本次研究的智能小車自動巡線功能是研究智能小車一個方向，還可以從以下幾個方向展開研究，在小車上裝攝像頭進行實時視頻監控采集，還可以通過藍牙傳給遠端的主機，主機可以發送命令給小車，執行相應的動作等等，通過不同模塊的研究可以為智能小車的以后發展奠定一定基礎。

參考文獻

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