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摘要：采用Freescale公司的MC9SDG128單片機(jī)進(jìn)行控制，使用ROHM公司生產(chǎn)的發(fā)送接收一體化反射型光電傳感器RPR220，設(shè)計(jì)了一種新型迷宮機(jī)器人。該迷宮機(jī)器人能夠在程序中嚴(yán)格控制光電傳感器的開關(guān)，同時(shí)用軟件消除外界干擾，取得了很好的探測效果 引言 迷宮機(jī)器人走迷宮競賽是一項(xiàng)綜合性十分強(qiáng)的競賽，它涉及的學(xué)科包括了計(jì)算機(jī)學(xué)、機(jī)械學(xué)、電工學(xué)、嵌入式開發(fā)知識以及算法的實(shí)現(xiàn)等。迷宮機(jī)器人是一種人工智能的機(jī)器人，又稱為電腦鼠(Micromouse)。它擁有靈活的“雙腿”，銳利的“眼睛”，還有聰明的“大腦”用于控制“眼睛”和“雙腿”協(xié)調(diào)工作，最終走出IEEE標(biāo)準(zhǔn)迷宮。迷宮由256個(gè)方塊(單元)組成，每個(gè)方塊的大小為18 cm見方，排成16行×16列。 迷宮機(jī)器人在迷宮中要能按照一定規(guī)則完成行走，所以機(jī)器人必須具備以下幾種能力： ◆穩(wěn)定且快速的行走能力; ◆正確判斷能力; ◆記憶路徑的能力。 很明顯，這些能力必須建立在迷宮墻壁能夠被準(zhǔn)確探知的基礎(chǔ)上，這就要求迷宮機(jī)器人要有很強(qiáng)的“觀察力”，即具有一雙“慧眼”。現(xiàn)實(shí)中，能夠進(jìn)行避障的傳感器有很多，如CCD攝像頭、超聲波傳感器、光電傳感器等。從設(shè)計(jì)成本和使用方面綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用紅外式光電傳感器。紅外傳感器的功能有兩個(gè)：一是判斷迷宮墻壁的有無，確定迷宮機(jī)器人的行進(jìn)方向;二是根據(jù)傳感器獲得的數(shù)值判斷迷宮機(jī)器人和墻壁之間的距離，從而對迷宮機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，避免迷宮機(jī)器人和墻壁發(fā)生碰撞。 1 光電傳感器原理 
紅外光電傳感器工作原理如圖1所示。發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源、發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器由光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面裝有光學(xué)元件(如透鏡和光圈等);在接收器后面的是檢測電路，用于濾除無效信號，以及對有效信號進(jìn)行利用。 隨著車體和墻壁的距離不同，接收管接收到的信號的強(qiáng)弱也不同。當(dāng)車體距離墻壁較近時(shí)，大量發(fā)射的紅外光線經(jīng)墻壁反射后被接收管接收，產(chǎn)生的電壓較高;反之，車體距離墻壁較遠(yuǎn)時(shí)，反射的紅外光線在傳播過程中會損耗，被接收管接收到的信號較弱，產(chǎn)生的電壓也就較低。根據(jù)接收管產(chǎn)生電壓的強(qiáng)弱，可以判斷車體與墻壁之間的距離，為迷宮機(jī)器人避障提供數(shù)據(jù)。 2 光電傳感器的選用 光電傳感器的特點(diǎn)：不受電磁波的干擾，非噪聲源，可實(shí)現(xiàn)非接觸性測量;受環(huán)境的影響非常大，物體的顏色、方向、周圍的光線都可能導(dǎo)致測量誤差;由于發(fā)射光線是光而不是聲音，可以在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)獲得較多的紅外線傳感器測量值;測距范圍較近，大致為40 cm以內(nèi)。紅外傳感器發(fā)射管和接收管的類型很多，其工作光波長約為800～1100 nm。通常在小功率條件下的工作電壓為1.5～5 V左右，工作電流為3～10 mA左右。在本設(shè)計(jì)中選用了日本ROHM公司生產(chǎn)的發(fā)送接收一體化反射型光電傳感器RPR220。該光電管功率為80 mW，工作波長為800 nm，完全滿足迷宮機(jī)器人的使用要求。 3 光電傳感器應(yīng)用電路 在本設(shè)計(jì)中，采用Freescale公司的16位單片機(jī)MC9S12DG128對光電傳感器進(jìn)行控制。單片機(jī)的A/D模塊進(jìn)行信號采集，獲知當(dāng)前的墻壁信息和車體的位置信息。單片機(jī)采集到A/D數(shù)值后，通過RS232傳到PC機(jī)上。然后根據(jù)傳感器采得的數(shù)值為電機(jī)指定相應(yīng)的動作信號，控制迷宮機(jī)器人在迷宮中的姿態(tài)，并且實(shí)時(shí)記錄迷宮墻壁有無的信息，為建立迷宮地圖提供數(shù)據(jù)。 3.1 傳感器電路 傳感器電路是獲知迷宮信息的主要途徑，其電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響著機(jī)器人的工作。一般來說，傳感器電路由控制電路、發(fā)射管、接收管和信號處理電路構(gòu)成。陽光譜中含有紅外成分，所以在迷宮機(jī)器人中要想方設(shè)法將紅外光譜消除，才能保證迷宮機(jī)器人的正常運(yùn)行。本設(shè)計(jì)使用了5路傳感器，分置于迷宮機(jī)器人的正前、偏左45°、左側(cè)、偏右45°、右側(cè)。每一路的打開與關(guān)閉由處理器控制，如圖2所示。
本設(shè)計(jì)中的傳感器電路如圖3所示。CTR1為傳感器的開關(guān)控制口，CTR1置高時(shí)，發(fā)射管兩端沒有電壓差，所以傳感器不會對外發(fā)射紅外信號;CTR1置低時(shí)，發(fā)射管和傳感器均工作，對外發(fā)射紅外光譜信號。當(dāng)發(fā)射的紅外光譜經(jīng)迷宮墻壁發(fā)射反射回迷宮機(jī)器人時(shí)，接收管會產(chǎn)生感應(yīng)電流。此時(shí)，RPR220的3號端口的電阻將該端的電動勢拉高。如果電流增大，那么3號端口輸出的地電動勢也會相應(yīng)增大，從而實(shí)現(xiàn)對迷宮環(huán)境的信息探測。
3.2 傳感器電路的使用 從前面的分析可以知道，傳感器采集信號時(shí)存在著陽光干擾。在設(shè)計(jì)期間，我們也進(jìn)行了相應(yīng)的干擾實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，陽光的干擾十分強(qiáng)烈，完全可以使得紅外傳感器失去作用。因此，在傳感器電路的使用過程中必須考慮陽光對光電傳感器的干擾，可從硬件和軟件兩方面去消除陽光的影響。 在本設(shè)計(jì)中，采用了軟件消除誤差的方法。首先，CTR1置高，也就是傳感器發(fā)射管處于關(guān)閉狀態(tài)。這時(shí)使用處理器的A/D采集模塊對接收管的信號進(jìn)行采集，作為基值A(chǔ)D1。然后，將CTR1置低，將發(fā)射管打開，再一次用處理器的A/D采集功能進(jìn)行信號采集。這時(shí)采得的數(shù)據(jù)為AD2，是反射光譜和陽光紅外譜的混合信號，而真正的A/D值應(yīng)為AD=AD2-AD1。軟件消除陽光紅外光誤差的流程如圖4所示。
本設(shè)計(jì)采用MC9S12DG128處理器的PB0～PB4控制5個(gè)傳感器的開斷。實(shí)驗(yàn)表明，軟件消除陽光紅外光誤差的方法效果較好。 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 該實(shí)驗(yàn)使用RS232通信接口，將處理器采集獲得的A/D數(shù)值實(shí)時(shí)傳到上位機(jī)，然后改變車體與墻壁之間的距離，記錄各個(gè)點(diǎn)的A/D數(shù)值，利用MATLAB繪制出A/D值與距離之間的關(guān)系圖。 實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠有效地在迷宮中進(jìn)行距離的探測，最大探測距離達(dá)到20 cm，在1 cm處傳感器飽和，而迷宮機(jī)器人的要求能夠探測的最大距離為18 cm，飽和距離不能大于2 cm。顯然，該電路完全滿足使用要求。實(shí)驗(yàn)程序如下所示：
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，可見距離與A/D采樣值成反比。
4 結(jié)論 本文設(shè)計(jì)了一款新型迷宮機(jī)器人，其中光電傳感器的設(shè)計(jì)部分采用RPR220實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)的探測距離完全滿足迷宮機(jī)器人的使用要求。其創(chuàng)新點(diǎn)是使用軟件的方法進(jìn)行干擾消除，有效地避免了陽光紅外信號的干擾，提高了迷宮機(jī)器人走迷宮的成功率，機(jī)器人的可靠性也得到了大幅的提升。 |
