1 前言
機(jī)器人技術(shù)是融合了機(jī)械、電子、傳感器、計算機(jī)、人工智能等許多學(xué)科的知識，涉及到當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。一些發(fā)達(dá)國家已把機(jī)器人制作比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。如日本每年都要舉行諸如 “NHK杯大學(xué)生機(jī)器人大賽”、“全日本機(jī)器人相撲大會”、“機(jī)器人足球賽”等各種類型的機(jī)器人制作比賽，參加者多為學(xué)生，旨在通過大賽全面培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)造能力、合作能力和進(jìn)取精神，同時也普及智能機(jī)器人的知識.[1]
開展機(jī)器人的制作活動，是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力的最佳實踐活動之一，特別是機(jī)電專業(yè)學(xué)生開展綜合知識訓(xùn)練的最佳平臺。本文針對具有引導(dǎo)線環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點(diǎn)問題，基于單片機(jī)控制及傳感器原理，通過硬件電路制作和軟件編程，制作了一個機(jī)器人，實現(xiàn)了機(jī)器人的路徑跟蹤和自動糾偏的功能，并能探測金屬，實時顯示距離。
2 機(jī)器人要完成的功能
選取一塊光滑地板或木板，上面鋪設(shè)白紙，白紙上畫任意黑色線條（線條不要交叉），作為機(jī)器人行走的軌跡，引導(dǎo)機(jī)器人自主行走。紙下沿黑線軌跡隨機(jī)埋藏幾片薄鐵片，鐵片厚度為0.5～1.0mm。機(jī)器人沿軌跡行走一周，探測出埋藏在紙下鐵片，發(fā)出聲光報警，并顯示鐵片距離起點(diǎn)的位置。
3 硬件設(shè)計方案
機(jī)器人總體構(gòu)成
圖1機(jī)器人總體構(gòu)成
如圖1所示，以微處理器為核心，接受傳感器傳來外部信息，進(jìn)行處理，控制機(jī)器人的運(yùn)行。
系統(tǒng)電源供電部分
由于機(jī)器人電機(jī)，傳感器及系統(tǒng)CPU等部分均采用+5V供電，考慮電動車功率和車載質(zhì)量及摩擦阻力問題，電源我們采用電動車自帶干電池組，功耗小、體積小和質(zhì)量輕，安裝較為方便。
電機(jī)驅(qū)動及PWM調(diào)速部分
機(jī)器人需控制在一個合適的速度行駛，速度太快，因單片機(jī)對各傳感器傳來的信號有一個響應(yīng)、處理時間，小車極易偏離軌道。小車的速度是由后輪直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速通常采用調(diào)壓、調(diào)磁等方式來實現(xiàn)。其中，調(diào)壓方式原理簡單，易與實現(xiàn)。
采用由晶體管組成的H型PWM調(diào)制電路。通過圖2所示PWM調(diào)制電路，用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)狀態(tài)，實現(xiàn)調(diào)速。
圖2 電機(jī)驅(qū)動電路
令單片機(jī)P1.7口為低電平，P1.6口為高電平，此時Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止，電動機(jī)正常工作。改變P1.6口高電平周期，即改變 PWM調(diào)制脈沖占空比，可以實現(xiàn)精確調(diào)速。脈沖頻率對電機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差;脈沖頻率低則反之[2]。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻 率在30Hz 以上，電機(jī)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但小車行駛時，由于摩擦力使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低很快，甚至停轉(zhuǎn);脈沖頻率在10Hz以下，電機(jī)轉(zhuǎn)動有跳躍現(xiàn)象，實驗證明脈沖頻率在 25～35Hz效果最佳。我們選取脈沖頻率為30Hz。
引導(dǎo)線檢測模塊
根據(jù)白紙和黑線反射系數(shù)不同，通過以光電傳感器為核心的光電檢測電路將路面兩種顏色進(jìn)行區(qū)分，轉(zhuǎn)化為不同電平信號，將此電平信號送單片機(jī)，由單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)作相應(yīng)的轉(zhuǎn)向，保證小車沿引導(dǎo)線行駛?？紤]到小車與路面的相對位置，采用反射式光電檢測電路。
紅外光電傳感器TCRT1000，它是一種光電子掃描，光電二極管發(fā)射，三極管接收并輸出的裝置 .它的特點(diǎn)是尺寸小、使用方便、信號高輸出、工作狀態(tài)受溫度影響小。它的外圍電路簡單，（如圖3所示）。二極管的C端和三極管的E端接地，二極管的A端通 過一電阻和電源相接，組成偏置電流電路;三極管的C端也通過一電阻和電源相接，組成輸出電路。當(dāng)檢測器檢測到白色時，其輸出低電平;當(dāng)檢測到黑色時，則輸 出高電平。
為提高檢測精度，采用了多傳感器信息融合技術(shù)。設(shè)計中，在車頭均勻布置三個光電傳感器，其中，中間一個（Q1）安裝在小車正中央。Q1的輸出經(jīng)一級比較器和非門，接單片
