1、应变式传感器论文机器人传感器论文 基于单片机及传感器的机器人设计与实现 摘 要本设计基于单片机及多种传感器,完成了一个自主式移动机器人的制作。 单片机作为系统检测和控制的核心,实现对机器人小车的智能控制。反射式红 外光电传感器检测引导线,使机器人沿轨道自主行走;使用霍尔集成片,通过计 车轮转过的圈数完成机器人行走路程测量;接近开关可探测到轨道下埋藏的金 属片,发出声光信息进行指示,并能实时显示金属片距起点的位置。 关键词单片机 机器人 传感器 本文针对具有引导线环境下的路径跟踪这一热点问题,基于单片机控制 及传感器原理,通过硬件电路制作和软件编程,制作了一个机器人,实现了机器 人的路径跟踪和自
2、动纠偏的功能,并能探测金属,实时显示距离。 1 机器人要完成的功能 选取一块光滑地板或木板,上面铺设白纸,白纸上画任意黑色线条(线条不 要交叉),作为机器人行走的轨迹,引导机器人自主行走。纸下沿黑线轨迹随机 埋藏几片薄铁片,铁片厚度为 0.51.0mm。机器人沿轨迹行走一周,探测出埋 藏在纸下铁片,发出声光报警,并显示铁片距离起点的位置。 2 硬件设计方案 机器人总体构成 如图 1 所示,以微处理器为核心,接受传感器传来外部信息,进行处理,控制 机器人的运行。 (1)系统电源供电部分。由于机器人电机,传感器及系统 CPU 等部分均采用 +5V 供电,考虑电动车功率和车载质量及摩擦阻力问题,电源
3、我们采用电动车自 带干电池组,功耗小、体积小和质量轻,安装较为方便。 (2)电机驱动及 PWM 调速部分。机器人需控制在一个合适的速度行驶,速度 太快,因单片机对各传感器传来的信号有一个响应、处理时间,小车极易偏离轨 道。小车的速度是由后轮直流电机转速控制,改变直流电机转速通常采用调压、 调磁等方式来实现。其中,调压方式原理简单,易与实现。采用由晶体管组成的 H 型 PWM 调制电路。通过图 2 所示 PWM 调制电路,用单片机控制晶体管使之工 作在占空比可调状态,实现调速。 令单片机 P1.7 口为低电平,P1.6 口为高电平,此时 Q1、Q4 导通,Q2、Q3 截 止,电动机正常工作。改变
4、 P1.6 口高电平周期,即改变 PWM 调制脉冲占空比,可 以实现精确调速。脉冲频率对电机转速有影响,脉冲频率高连续性好,但带负载 能力差;脉冲频率低则反之2。经实验发现,脉冲频率在 30Hz 以上,电机转动 平稳,但小车行驶时,由于摩擦力使电机转速降低很快,甚至停转;脉冲频率在 10Hz 以下,电机转动有跳跃现象,实验证明脉冲频率在 2535Hz 效果最佳。我 们选取脉冲频率为 30Hz。 (3)引导线检测模块。根据白纸和黑线反射系数不同,通过以光电传感器为 核心的光电检测电路将路面两种颜色进行区分,转化为不同电平信号,将此电平 信号送单片机,由单片机控制转向电机作相应的转向,保证小车沿引
5、导线行驶。 考虑到小车与路面的相对位置,采用反射式光电检测电路。 红外光电传感器 TCRT1000,它是一种光电子扫描,光电二极管发射,三极管 接收并输出的装置.它的特点是尺寸小、使用方便、信号高输出、工作状态受 温度影响小。它的外围电路简单,(如图 3 所示)。二极管的 C 端和三极管的 E 端接地,二极管的 A 端通过一电阻和电源相接,组成偏置电流电路;三极管的 C 端也通过一电阻和电源相接,组成输出电路。当检测器检测到白色时,其输出低 电平;当检测到黑色时,则输出高电平。 为提高检测精度,采用了多传感器信息融合技术。设计中,在车头均匀布置 三个光电传感器,其中,中间一个(Q1)安装在小车
6、正中央。Q1 的输出经一级比 较器和非门,接单片 机的 P1.3 脚.Q1 左右两端分别布置一个传感器,经与图 3 相同的电路后也 连接到单片机 P1 口。若两侧某一传感器检测到黑线,表明小车正脱离轨道,将 3 个检测点的结果融合后作为单片机的输入,机器人按照单片机 P1 口信息进行 判断调整,实现路径跟踪和自动纠偏。 (4)金属探测部分。如图 4 所示,金属探测器使用一接近开关,探测有效距 离约为 4mm,将它固定在机器人上,当探测到金属片时,探测器输出端输出低电 平,经反向器后接一发光二极管和一蜂鸣器,发出声光指示信号。同时输出反向 后接单片机,对探测到的金属片个数进行计数。 (5)霍尔元
7、件测距设计。霍尔集成片内部由三片霍尔金属板组成,当磁铁正 对金属板时,根据霍尔效应,金属板发生横向导通,因此可以在车轮上安装磁片, 而将霍尔集成片安装在固定轴上,通过对脉冲计数进行距离测量。小车后轮每 转一圈,霍尔元件产生的脉冲送入单片机的 T0 口进行计数,单片机完成脉冲数 到距离的转换。在后轮安装一个磁极,测量误差是一个车轮的周长,可在软件中 给予补偿。 (6)LCD 显示。液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻 巧的诸多优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 这 里采用 2 行 16 个字的 DM-162 液晶模块,通过与单片机连接,编程,完成显示功 能。
8、 3 系统软件流程 系统软件流程如图 5 所示。 4 结语 本文针对具有引导线环境下的路径跟踪这一热点问题,采用多传感器信息 融合技术,通过单片机控制,实现了机器人的路径跟踪和自动纠偏的功能,方法 简单,易于实现,造价低廉,效果较好。 参考文献 1 韩建海,赵书尚,张国跃等.基于 PIC 单片机的六足机器人制作.机器 人技术与应用,2003,06.信息来自: . 2 姜长涨,于万元,王冬蕾.基于 AVR 单片机的直流电动机的 PWM 调速系 统设计.仪器仪表用户,2006,02 信息来自: . 3 薛艳茹,郑冰,郝兴贞,等.基于模糊控制信息融合方法的机器人导航系 统。微计算机信息,2005 年第 11-2 期信息来源: . 4 张寿安.霍尔效应在位置控制中的应用.长沙铁道学院学报(社会科学 版),2005,02.
