基于Arduino單片機的智能搬運機器人研究

程赟

摘要：在工業時代，機器人是人造機器的“終極”形式，是人類智慧的結晶。在各處工地或者制造業工廠，經常能看到搬運重物的起重機或者小推車，但這些機械的運行都需要依靠人的操作和控制。本文以教育機器人為例，基于Arduino單片機對智能搬運小車做簡單的分析和研究，對電機模塊和顏色傳感器模塊進行適當的優化和測試，提升小車的準確度和高效性，能夠實現教育機器人的智能搬運。

說到20世紀最造福人類的創造之一，機器人技術的發明一定榜上有名。新型色色的特種機器人還有日漸技術成熟的工業機器人，宣告著智能制造技術的崛起。作為工業機器人的一種，智能搬運機器人也被廣泛的研究和設計，本文舉例說明如何實現車輪前進方向的調整，如何實現顏色的分辨。

本文智能搬運機器人基于Arduino平臺進行編程，能實現將不同顏色物體循跡分類搬運到對應顏色的目標地點。

一、電機控制

機器人所用的電機，又稱伺服電機，可以將收到的電子信號轉換為速度進行輸出，可以驅動車輪或者履帶前進。本次電機使用PWM即脈沖寬度調制這種方法能夠實現較簡單和靈活的控制，并且有較好的動態響應。電機在與Arduino控制板連線之后，注意首先控制機器人小車的車輪的速度，避免放在桌子上從桌子上跌落，其次根據控制脈沖信號時序圖進行電機調零。電機在使用脈沖序列控制并且經過零點標定后，不會旋轉。如果仍舊旋轉，需重新調零。

二、機器人運動控制原理及優化調整

下載程序將電機調零后，可以嘗試觀察用1400～1600之間的數字去修改高電平持續時間，進而觀察電機的轉速，不同的時間帶入，電機正反轉效果不同，同時速度也有差別。根據測量可得到一個電機旋轉與機器人運動控制表，如表1。

電機旋轉與機器人運動控制表，如表1。

根據表1可舉例說明，以下為全速前進程序：

void Fast_forward（uchar a） //快速前進

{

uchar i；

for（i=0；i

{

digitalWrite（right_moter，HIGH）；

delayMicroseconds（1450）；

digitalWrite（right_moter，LOW）；

digitalWrite（left_moter，HIGH）；

delayMicroseconds（1540）；

digitalWrite（left_moter，LOW）；

delay（20）；

}

}

右轉90度程序：

void turn_right_90（）

{uchar i；

for（i=0；i<65；i++） //慢右轉90度

{

digitalWrite（right_moter，HIGH）；

delayMicroseconds（1530）；

digitalWrite（right_moter，LOW）；

digitalWrite（left_moter，HIGH）；

delayMicroseconds（1530）；

digitalWrite（left_moter，LOW）；

delay（20）；

}

}

三、顏色傳感器的原理和程序設置

智能小車能成功搬運不同顏色的木塊去到目標地點要依靠于顏色傳感器和程序設置。顏色傳感器檢測或識別某個顏色是依靠檢測這個顏色中三原色的比例。三原色即紅、綠、藍三種顏色。本文顏色傳感器的型號是TCS230。當它對顏色進行判斷時，依次啟用紅色、綠色、藍色傳感器，從而只有該顏色光可以通過，不是這個顏色的光就被阻止。因此可以得出對應顏色的光強。S0、S1 輸入引腳用于選擇輸出比例因子或者電源關斷模式，不同的輸出比例因子可控制不同的輸出頻率，以適應不同的需求；S2、S3 輸入引腳用于選擇濾波器的類型；“LED”輸入引腳用于點亮兩個LED 燈；OUT 是頻率輸出引腳；GND 是芯片接地引腳，+5V 和 VDD接 5V 電源。TCS230顏色傳感器工作時，首先打開LED燈，選擇輸出比例因子，然后依次選定不同的顏色濾波器，每選通一個濾波器就檢測其輸出引腳輸出的不同頻率（即光強）的方波脈沖數，最后根據得到的三原色脈沖數比例判斷顏色。

在顏色判斷初期，由于傳感器對三種基本色的判斷和敏感程度不同，導致三種顏色的輸出值并不均等，影響顏色識別，為此，增加一個白平衡手段進行調整，主要是為了給傳感器定義什么是白色，使得三原色RGB輸出值相等。

安裝好顏色傳感器，做好白平衡之后，進行對色塊的不同顏色的學習。由于周圍光線和色塊的距離位置的影響，所以有可能會導致識別顏色出錯，所以在測量不同顏色輸出值時應考慮這些因素，適當的擴大三原色的范圍，同時設置防止出錯的條件直到對所有的顏色都識別正確。

對此，優化后的顏色識別的程序如下：

int Robot_checkColor（）

{

ColorreCognt（refer_time，clrpulses）；

if（（clrpulses[0] - clrpulses[2] > 90） && （clrpulses[0] - clrpulses[1] > 80））{

currentcolor = Red；

}

else if（（abs（clrpulses[0] - clrpulses[2]）<50）&&（abs（clrpulses[0] - clrpulses[1]）<50）&& （clrpulses[0]>100））{

currentcolor = White；

}

else if（（abs（clrpulses[0] - clrpulses[2]）<30）&& （abs（clrpulses[1] - clrpulses[2]）<10）&& clrpulses[0]<70）{

currentcolor = Black；

}

else if（（clrpulses[0] < clrpulses[1]） && （abs（clrpulses[1] - clrpulses[2]）>9））{

currentcolor = Blue；

}

else if（（clrpulses[2] > clrpulses[1]） && （clrpulses[0] - clrpulses[1] > 100））{

currentcolor = Yellow；

}

return currentcolor；

}

此數據均基于當時環境和光線測試得來，這樣才能實現較精準的顏色識別。

通過調用白平衡函數，可以知道三原色的濾波器的時間基準值，然后通過Robot_checkColor（）函數進行時間值對比，得到了相應顏色的時間值，依靠分辨條件，可以識別出不同色塊的顏色。

本文從電機參數的測試修改以及顏色傳感器設置和識別程序這兩大方面分析和優化了智能搬運機器人的程序，能夠更精確的實現小車轉彎的角度以及前進方式；并且基于三原色的濾波器，能夠實現對不同顏色的識別。在對電機和顏色模塊成功設置后，才能使得智能搬運機器人實現對不同色塊的識別，進而搬動色塊去到該色塊對應的目的地。關于智能搬運的循跡模塊，和尋找色塊模塊就不在這里詳述了。

參考文獻：

[1]基于RGB的顏色辨識系統設計[J]. 高富強，李嶺，安康. 傳感器與微系統. 2012（10）

[2]物料搬運移動機器人機械與控制系統設計與研究[D]. 彭天然.合肥工業大學 2016

[3]基于AVR的比賽機器人控制系統研究[J]. 王文斌，陳偉. 電氣傳動. 2010（07）