一种简易智能机器人的设计及应用

1、设计思想与总体方案

1．1　简易智能机器人的设计思想

本机器人能在任意区域内沿引导线行走，自动绕障，在有光源引导的条件下能沿光源行走。同时，能检测埋在地下的金属片，发出声光指示信息，并能实时存储、显示检测到的金属片数目以及各金属片至起跑线间的距离，最后能停在指定地点，显示出整个运行过程的时间。

1．2　总体设计方案和框图

本设计以AT89C51单片机作为检测和控制核心。采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍物，使用金属传感器检测路面下金属铁片，应用光电码盘测距，用光敏电阻检测、判断车库位置，利用PWM技术动态控制电动机的转动方向和转速。通过软件编程实现机器人行进、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。我们通过对电路的优化组合，最大限度的利用51单片机的全部资源。P0口用于数码管显示，P1口用于电动机的PWM驱动控制，P2，P3口用于传感器的数据采集与中断控制。这样做的优点很明显：充分地利用了单片机的内部资源，降低了总体设计的成本。该方案的系统图如图1所示。

2、系统的硬件组成及原理

此系统的硬件部分由单片机单元、传感器单元、传感器单元、电源单元、声光报警单元、键盘输入单元、电机控制单元和显示单元组成，如图2所示。

2．1　单片机单元

本系统采用AT89C51单片机作为中央处理器。他的主要任务是扫描键盘输入的信号启动机器人，在机器人行走过程中不断读取传感器采集到的数据，将得到的数据进行处理后，根据不同的情况产生占空比不同的PWM脉冲来控制电机，同时将相关数据送显示单元动态显示，产生声光报警信号。其中，P0口用于数码管动态显示，P1．0～P1．5控制2个电机，P1．6，P1．7为独立式键盘接口，P2口接传感器，P3．2接计里程的光电码盘，P3．7接声光报警单元，P3．4，P3．5，P3．6接用于显示金属片数目的发光二极管。

2．2　电机控制单元

本机器人采用了双电机双轮驱动的小车作为其底座。他的2个电机分别独立控制其左右两边的车轮，靠两边电机的转速的不同来实现转弯功能，还可让其原地转弯，便于控制。而传统的小车是靠动力电机和转向电机驱动，转弯角度难以控制，不便于使用。

电机控制电路采用大功率对管BD139，BD140组成的H型驱动电路，通过单片机产生占空比不同的PWM脉冲，精确调整电机的转速。这种电路由于工作在晶体管的饱和或截止状态下，避免了在线性放大区工作时晶体管的管耗，可以最大限度地提高效率；H型电路保证了可以简单地实现电机转速和方向的控制；电子开关的速度和稳定性也完全可以满足需要，整套驱动电路是一种被广泛采用的电机驱动技术。电路如图3所示。

2．3　传感器单元

整个机器人共采用了9个传感器，他们分布在整个机器人的不同部位，相互配合起着不同的作用，如图4所示。

图4中各传感器说明如下：

传感器1　置于机器人正前方朝下的金属探测传感器，用于探测金属。

传感器2　置于机器人正前方朝前的超声波传感器，用于检测障碍物。超声波来源于555产生40 kHz的方波信号，经超声波发射头发出。发射头不断发出信号，当遇到障碍物时，信号会被反射回来，从而接收头会接受到信号，将信号送入单片机进行相应的判断和处理。

传感器3　置于机器人正前方朝下的红外光电传感器，用于检测停止线。红外发射管发出信号，经不同的反射介质反射，根据红外接受管是否接受到信号做出相应的判断。

传感器4，5　置于机器人底座下方朝下的红外光电传感器，用于检测地面的引导线，原理同传感器3。

传感器6，7　置于机器人正前方朝前的光敏电阻传感器，用于寻找光源。当机器人前方有光源照射时，光敏电阻的大小将会改变，将2个传感器的改变量进行比较处理后送入单片机，单片机将会产生相应的调整信号，使机器人朝着光强的方向行走。

传感器8　置于机器人后方两侧朝外的超声波传感器，用于在机器人遇到障碍物时的转弯处理，判断机器人是否完全绕开障碍物，原理同传感器2。

传感器9　置于机器人正后方的光电码盘，用于计里程，他借助于鼠标原理，选用直径为2．6 cm的塑料小轮自制光电码盘，经过打磨使其周长为8 cm，再在该小轮上打等距离的8个孔，(如图5所示)，最小测距精度可达到1 cm，足以满足要求，两侧装上光电传感器，将其安装在车尾，使之与车的行驶同步。就实际情况自制出来的各个孔之间的距离无法精确相等，但经过具体测量该光电码盘能保证行驶50 cm能产生50个脉冲，于是采用他作为计算距离的基准单位。在直道区，可由该电路产生的脉冲数，计算出铁片中心线至起跑线间的距离。

此外，为了清楚直观的观察到各传感器的工作状态，电路中还专门为每个传感器设计了工作指示灯，实时显示每个传感器的工作状态。

2．4　键盘输入单元

键盘输入单元采用独立式键盘，由2个按键组成，其中一个为启动键，另一个为显示切换键，当机器人行走完全程后，按下该键，将显示整个行走过程的时间。

2．5　显示单元

显示单元由2个7段数码管组成，为了减少整个系统的功耗，采用了由单片机软件译码，动态显示，实时显示每个金属片到起点的距离以及整个运行过程的时间。

2．6　声光报警单元

用555作振荡源，用单片机触发振荡源驱动电磁讯响器作为声音指示器和1只发光二极管作为光指示装置，从而组成声光报警单元。

2．7　电源单元

本系统采用2套电源分别对电机和控制电路进行单独供电。系统控制电路采用经7805稳压后的输出供电(5 V)，电机则采用4节AA电池来供电。

3、系统的软件设计

该系统配套的软件程序采用模块结构，由C语言编写完成。主要由初始化程序、偏道调整程序、偏离光源调整程序、声光指示子程序、读传感器状态、显示程序、定时器0的中断服务程序、定时器1的中断服务程序、外部中断0的服务程序、停车处理等模块组成。系统的主体流程如图6所示。

4、结语

该机器人在认为设定的跑道上经过多次实验，达到了预期的效果，但是其智能化程度还远远不够。随着人工智能和神经网络技术的不断研究和深入，智能机器人的发展前景将会越来越广阔。

参考文献
［1］段九州．振荡电路使用设计手册［M］．沈阳：辽宁科学技术出版社，2002．
［2］段九州．电源电路使用设计手册［M］．沈阳：辽宁科学技术出版社，2002．
［3］方大千，鲍俏伟．实用电子控制电路［M］．北京：国防工业出版社，2002．
［4］张培仁．基于C语言编程-MCS-51单片机原理与应用［M］．北京：清华大学出版社，2002．
［5］徐爱钧，彭秀华．单片机高级语言C51 Windows环境变成与应用［M］．北京：电子工业出版社，2001．