自學(xué)習(xí)循路的移動(dòng)機(jī)器人模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    摘要：介紹了一種具有自學(xué)習(xí)循路功能的輪式移動(dòng)機(jī)器人模型的設(shè)計(jì)方法。該模型由兩后輪作驅(qū)動(dòng)輪來控制前進(jìn)速度和方向，并可在道路學(xué)習(xí)時(shí)以數(shù)據(jù)形式記錄和存儲(chǔ)兩輪的瞬時(shí)速率，然后再由微控制器MCU輸出控制信號來驅(qū)動(dòng)后輪以實(shí)現(xiàn)道路的循跡。

    關(guān)鍵詞：MCU；機(jī)器人；學(xué)習(xí)記憶；循路

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在航天、海洋、軍事、建筑、交通、工業(yè)及服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)取得廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。而在一些特殊場合（如航天、深海作業(yè)及核工業(yè)等領(lǐng)域），以無人探察車、無人排險(xiǎn)車及無人運(yùn)輸車等為代表的機(jī)器人技術(shù)越來越受到關(guān)注。為此，筆者設(shè)計(jì)了一種具有道路記憶功能、使用靈活方便、應(yīng)用范圍較廣的輪式移動(dòng)機(jī)器人模型。

該機(jī)器人模型以微控制器ＭＣＵ為核心，先由人對機(jī)器人模型按照所要行走的路線進(jìn)行訓(xùn)練，即讓機(jī)器人模型記憶該路線（將路線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中）。以后機(jī)器人模型就可沿此路線重復(fù)行走。其記憶路線的方式靈活方便，可根據(jù)不同的要求和需要對其進(jìn)行不同的路線訓(xùn)練以完成不同的任務(wù)。

該模型可以應(yīng)用于一些人類不宜活動(dòng)或較難控制的場合（如微型核反應(yīng)堆的金屬罐管系統(tǒng)、火場探測、輻射、消防、有毒、易燃、易爆物體場所的探測等），也可作為室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人使用，以代替人完成家務(wù)勞動(dòng)、廠區(qū)貨物搬運(yùn)、醫(yī)院病歷及資料的傳遞等。

該機(jī)器人模型具有以下特性：

●具有道路學(xué)習(xí)記憶和道路循跡重復(fù)功能；

●可模擬地圖仿真訓(xùn)練，輸出放大倍數(shù)可按需要設(shè)定；

●在實(shí)際工作時(shí)，如遇到障礙物?可采用道路轉(zhuǎn)移法繞過障礙物并沿原學(xué)習(xí)道路繼續(xù)前進(jìn)；

    ●工作時(shí)無人控制；

●光線較暗時(shí)會(huì)自動(dòng)打開光源；

●前進(jìn)距離可用ＬＣＤ實(shí)時(shí)顯示；

●運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用指示燈實(shí)時(shí)顯示；

●具有系統(tǒng)故障報(bào)警功能。

１ 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖１所示，核心控制部分采用Ａｔｍｅｌ公司的普及型８位ＭＣＵ ＡＴ８９Ｃ５１。作為一款目前廣泛應(yīng)用的ＭＣＵ，ＡＴ８９Ｃ５１提供有電機(jī)控制、ＬＣＤ驅(qū)動(dòng)顯示以及傳感信息等多種驅(qū)動(dòng)功能和接口，另一方面，該ＭＣＵ價(jià)格低廉，有很高的性價(jià)比。外接存儲(chǔ)模塊采用容量為２５６ｋＢ的２４ＬＣ２５６閃存芯片，當(dāng)然，也可以根據(jù)實(shí)際需要選用其它容量的閃存芯片。感光探測選用光敏電阻即可感應(yīng)外界光線的強(qiáng)弱。障礙物探測采用美國邦納工程有限公司的ＰｉｃｏＤｏｔ ＰＤ系列激光傳感器，該傳感器能對被測物體進(jìn)行精確的到位檢測、定位和計(jì)數(shù)。

２ 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

輪式移動(dòng)機(jī)器人模型的速度及方向可由兩個(gè)后輪作為驅(qū)動(dòng)輪來控制，ＭＣＵ通過驅(qū)動(dòng)芯片Ｌ２９３Ｂ驅(qū)動(dòng)兩個(gè)后輪電機(jī)。ＡＴ８９Ｃ５可通過兩個(gè)后輪對應(yīng)的兩個(gè)計(jì)速器來分別控制這兩個(gè)后輪的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)模型的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向功能。

２．１ 計(jì)速部分

系統(tǒng)計(jì)速部分由光電開關(guān)及帶有均勻分布小孔的圓盤組成，其電路及皮帶輪連接示意圖如圖２所示。當(dāng)光電開關(guān)中間有黑色物體擋住時(shí)，輸出電平為０；無遮擋時(shí)，輸出電平為１。當(dāng)均勻分布小孔的圓盤邊緣在光電開關(guān)的槽中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可根據(jù)輸出的一系列脈沖及圓盤上的孔數(shù)計(jì)算出圓盤的轉(zhuǎn)速Ｎ。皮帶輪１與圓盤粘在一起，因而轉(zhuǎn)速相同；皮帶輪２與模型后驅(qū)動(dòng)輪同軸，速度相同；皮帶輪１、皮帶輪２由皮帶相連。假設(shè)皮帶輪２周長是皮帶輪１周長的５倍，則皮帶輪２的轉(zhuǎn)速為Ｎ／５，即車輪轉(zhuǎn)速為Ｎ／５。

２．２ 道路學(xué)習(xí)記憶

計(jì)數(shù)芯片選用７級二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器ＣＤ４０２４，光電開關(guān)的輸出波形經(jīng)施密特觸發(fā)器整形為標(biāo)準(zhǔn)脈沖波形可使ＣＤ４０２４計(jì)數(shù)更方便。設(shè)每隔Ｔ時(shí)間記錄到脈沖數(shù)Ｍ，那么，Ｔ時(shí)間內(nèi)圓盤轉(zhuǎn)速Ｎ＝Ｍ／（ＬＴ）（設(shè)Ｌ為圓盤上的孔數(shù)），則車輪的速率為Ｎ／５＝Ｍ／（５ＬＴ）。由于Ｔ越小，結(jié)果越精確，故Ｔ取幾至幾十毫秒。記錄的數(shù)據(jù)經(jīng)微控制器ＭＣＵ送至外接閃存２４ＬＣ２５６儲(chǔ)存起來，供輸出使用。

通過上述過程可對模型進(jìn)行道路訓(xùn)練，即每隔Ｔ時(shí)間將兩個(gè)后輪速率分別記入閃存。訓(xùn)練結(jié)束后，閃存內(nèi)存儲(chǔ)的是兩個(gè)后輪每隔Ｔ時(shí)間一次的速率，這樣就可實(shí)現(xiàn)對訓(xùn)練道路的記憶。

２．３ 道路循跡重復(fù)

在對該模型進(jìn)行輸出控制時(shí)，先由微控制器ＭＣＵ從閃存中讀取數(shù)據(jù)，再將每隔Ｔ時(shí)間的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)通過脈沖輸出，并通過Ｌ２９３Ｂ芯片驅(qū)動(dòng)兩后輪電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。為保證輸出的轉(zhuǎn)速與原記錄的轉(zhuǎn)速一致，可用反饋控制的方法在后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，由計(jì)速器模塊同時(shí)檢測兩個(gè)后輪的轉(zhuǎn)速，然后分別比較兩個(gè)后輪的轉(zhuǎn)速是否與原記錄轉(zhuǎn)速相同：若小于原記錄轉(zhuǎn)速，可調(diào)用加速子程序；若大于，則調(diào)用減速子程序。

由于計(jì)數(shù)時(shí)間Ｔ較小，再加上反饋控制的作用，就可保證輸出的運(yùn)動(dòng)軌跡精確接近于原訓(xùn)練道路，誤差很小。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可在保證記錄和輸出精度的前提下把訓(xùn)練的道路模擬成與實(shí)際道路按比例縮小的地圖，即在地圖上對模型進(jìn)行道路訓(xùn)練，按比例倍數(shù)放大輸出，即可使機(jī)器人在實(shí)際道路上按訓(xùn)練道路運(yùn)動(dòng)。由于輸出放大倍數(shù)由程序決定，因而可按不同的需要設(shè)置，靈活性很高。

２．４ 道路轉(zhuǎn)移法繞障

該機(jī)器人模型在訓(xùn)練完成后，即可從預(yù)設(shè)地點(diǎn)開始行走。模型在前進(jìn)過程中，當(dāng)傳感器探測到前方有障礙物時(shí)，可調(diào)用繞障礙物程序繞過障礙物并返回到原記錄道路繼續(xù)前進(jìn)。其繞障過程示意圖如圖３所示，當(dāng)模型傳感器在Ａ點(diǎn)探測到前方有障礙物時(shí)，會(huì)將障礙物模擬成一邊與當(dāng)時(shí)模型方向垂直的矩形物體（見圖中虛線矩形）。然后中斷從閃存中讀取路線數(shù)據(jù)，并使模型在Ａ點(diǎn)左轉(zhuǎn)９０°，接著以勻速ｖ直線前進(jìn)ｔ１時(shí)間到Ｂ點(diǎn)，再在Ｂ點(diǎn)右轉(zhuǎn)９０°，接著從原中斷處調(diào)用原記錄路線數(shù)據(jù)前進(jìn)ｔ２時(shí)間到達(dá)Ｃ點(diǎn)。之后再在Ｃ點(diǎn)以方向 Ｃ １ 轉(zhuǎn)動(dòng) Ｃ１與 Ｃ２方向的夾角θ（θ＝９０°－兩車輪前進(jìn)距離差／兩車輪間距），模型方向 從 Ｃ１轉(zhuǎn)動(dòng)到 Ｃ２ ，然后再以勻速ｖ直線前進(jìn)ｔ１時(shí)間到Ｄ點(diǎn)，此時(shí)方向?yàn)?ｄ２方向，然后再以Ｃ１到Ｃ２的相反方向從 ｄ２轉(zhuǎn)θ角到 ｄ１方向，即 ｄ１ ／／ Ｃ１。實(shí)際上，在沒有障礙物的情況下，模型依所記錄路線應(yīng)沿ＡＤ段前進(jìn)，到達(dá)Ｄ點(diǎn)方向?yàn)?ｄ１方向。由圖可見，ＢＣ段的運(yùn)動(dòng)情況完全等同于ＡＤ段的運(yùn)動(dòng)情況，也就是說，在遇到障礙物時(shí)，機(jī)器人會(huì)將ＡＤ段轉(zhuǎn)移到實(shí)際的ＢＣ段運(yùn)動(dòng)以繞開障礙物，同時(shí)保持它應(yīng)有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并返回原記錄路線。其中ｔ１、ｔ２的選取與虛線矩形的大?。ù碚系K物的大?。┯嘘P(guān)，它可由傳感器探測到的障礙物大小來確定。

２．５ 附加功能

應(yīng)用時(shí)也可根據(jù)特殊需要，在模型上安裝攝像機(jī)以實(shí)時(shí)觀察或安裝自動(dòng)拍照的數(shù)碼像機(jī)來記錄工作區(qū)域周圍的情況。當(dāng)模型探測到周圍環(huán)境的光線比較暗時(shí)，還可由微控制器ＭＣＵ打開光源，以便為像機(jī)提供照明。

此外，模型上還設(shè)計(jì)了工作指示燈來實(shí)時(shí)指示模型的工作狀態(tài)，不同指示燈分別指示其正常、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及出錯(cuò)狀態(tài)，以方便使用者及時(shí)了解模型的工作情況。外接ＬＣＤ可實(shí)時(shí)顯示模型的前進(jìn)距離，每個(gè)車輪前進(jìn)的距離＝記錄的車輪的轉(zhuǎn)數(shù)×車輪的周長，再取兩個(gè)車輪前進(jìn)距離的平均值作為模型的前進(jìn)距離，這樣可方便使用者及時(shí)了解模型的進(jìn)程。

若模型在工作過程中發(fā)生故障（如不能前進(jìn)、失控等），也可通過警鈴和警燈提醒用戶及時(shí)檢修。

３ 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖４、圖５分別為機(jī)器人模型道路學(xué)習(xí)記憶、循跡重復(fù)的軟件流程。本程序中，道路學(xué)習(xí)記憶時(shí)的記錄時(shí)間間隔Ｔ取３０ｍｓ，輸出控制時(shí)，在每一個(gè)記錄周期內(nèi)比較６次（每５ｍｓ計(jì)一次數(shù)，再乘以６與原記錄數(shù)相比較，以判斷應(yīng)加速還是減速），以使輸出更精確于原記錄數(shù)據(jù)。圖６為繞障礙物程序流程圖，其中模型方向轉(zhuǎn)過一定角度可由一輪靜止、另一輪運(yùn)動(dòng)時(shí)的兩輪間距×轉(zhuǎn)動(dòng)角弧度的距離來實(shí)現(xiàn)。

４ 結(jié)束語

該機(jī)器人模型相比無線遙控操作機(jī)器人的優(yōu)勢在于，可工作在電磁波屏蔽的場合；而相比有線遙控操作機(jī)器人來說，其優(yōu)點(diǎn)是工作過程中無需人實(shí)時(shí)控制，可自主完成活動(dòng)，并具有活動(dòng)精度高、效率高的特點(diǎn)；相比固定軌道機(jī)器人，該模型能夠擺脫固定軌道的限制，其活動(dòng)路線靈活易變，適應(yīng)范圍更廣