基于測距紅外傳感器的輪式迷宮機器人設計

2013-10-10 01:56:06金余義劉克申任陽暉

單片機與嵌入式系統(tǒng)應用 2013年9期

金余義，劉克申，任陽暉

（青島工學院機電工程學院，青島266300）

引言

輪式迷宮機器人是由微控制器、傳感器和機電運動部件構成的一種智能行走裝置，可以在不同“迷宮”中自動記憶和選擇路徑，采用相應的算法，快速地達到所設定的目的地。目前普遍使用5組或者6組紅外傳感器對迷宮墻壁信息進行檢測。本文介紹使用4組測距紅外傳感器排列布局的方案，能夠穩(wěn)定實現(xiàn)搜索迷宮、直行姿態(tài)調(diào)整以及快速轉彎等功能。

1 紅外傳感器的電路設計與布局

紅外傳感器相當于輪式迷宮機器人的眼睛，在輪式迷宮機器人的組成中具有重要的地位。利用紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外接收管接收來自墻壁的反射，用來探測迷宮墻壁的信息以及校正機器人的行走身姿。本設計所選用的紅外發(fā)射管為OP245，紅外接收管為TSL262R。電路設計如圖1所示。

在距離迷宮墻壁不同的距離下，紅外接收管輸出不同的電壓，在經(jīng)過高精度運算放大器LMV358的放大后，其輸出電壓與實際距離的數(shù)據(jù)如表1所列。紅外傳感器輸出電壓與實際距離的關系如圖2所示。

圖1 紅外發(fā)射接收電路

圖2 紅外傳感器輸出電壓與實際距離的關系

表1 輸出電壓與實際距離數(shù)據(jù)

根據(jù)曲線可得出其輸出電壓與實際距離的關系式為：

其中，s為實際距離，U為紅外傳感器的輸出電壓，a、b為常數(shù)，不同的紅外傳感器取不同的值。經(jīng)多次測驗得出，a取值8.6左右，b取值－1.5左右。

由于微控制器處理冪函數(shù)運算時執(zhí)行效率低，并且使用相同的紅外傳感器，得到的結果也會有誤差。所以在計算實際距離s時，本設計采用的是查表法，查詢紅外傳感器輸出電壓所對應的實際距離。根據(jù)經(jīng)驗法得出針對不同組的紅外傳感器的數(shù)學表達式，分別利用此表達式設計35組紅外傳感器輸出電壓轉換成實際距離的數(shù)據(jù)，使查表法的精確度達到0.3cm，這樣的誤差是允許的。

為了使輪式迷宮機器人能夠適應各種光線強度的環(huán)境，程序采用自適應算法，在每次啟動時對各個紅外傳感器輸出的電壓值多次取平均，作為姿勢校正的參考基準。

本設計采用4組紅外傳感器，其中兩組為向前的紅外傳感器，另外兩組為斜45°角放置傳感器。具體排列方式如圖3所示。

其中，U1和U4是向前擺放的紅外傳感器。傳統(tǒng)的輪式迷宮機器人只有一組向前的傳感器擺放在中央，利用向前傳感器探測前方有無墻壁，而本文多設計一組傳感器，將它們擺放在兩側，不僅可以探測前方墻壁信息，而且當輪式迷宮機器人走V字型斜線時，可以利用這兩組紅外傳感器探測是否有碰撞的危險。

使用左右兩個斜45°角的紅外傳感器U2和U3探測墻壁信息，摒棄了傳統(tǒng)輪式迷宮機器人的左右水平方向的傳感器，使輪式迷宮機器人具有一定的前瞻性，對于提升輪式迷宮機器人的速度有很大幫助。另外，利用斜45°角的紅外傳感器可以快速校正身姿。紅外傳感器需要分時使用，以免發(fā)生干擾。

圖3 紅外傳感器排列方式

2 利用紅外傳感器姿勢修正與快速轉彎

輪式迷宮機器人在前進過程中需要不斷調(diào)整姿勢，以免碰到墻壁。它在迷宮中的理想姿勢是處于迷宮格的中央，且前進方向平行于擋板，在這種狀態(tài)下輪式迷宮機器人才不容易碰到墻壁。圖4為輪式迷宮機器人的最佳姿勢，是不需要被修正的。

利用斜45°角的紅外傳感器校正身姿誤差，具有一定的前瞻性，輪式迷宮機器人可以擁有較長的時間校正。若在此種情況下輪式迷宮機器人的姿勢發(fā)生左偏或者右偏，通過U2和U3傳感器測得的距離將會有較大的差值，當這個差值大于設定的閾值時，就需要修正姿勢。通過增量式PID對輸入的誤差進行處理，得到左右電機相應的PWM的占空比，從而通過差速調(diào)整到正確的姿勢。

假設只有左側存在墻壁，如圖5所示，當輪式迷宮機器人靠近左側時，U2傳感器測得的距離值大于設定的參考距離，需要向右調(diào)整姿勢。

圖4 輪式迷宮機器人的最佳姿勢

圖5 只有一側有墻壁的左側位置偏差示意

當輪式迷宮機器人靠近右側時，由于右側沒有墻壁，出現(xiàn)如圖6所示的情況，這時需要U2和U3傳感器共同判斷，當U2傳感器檢測出的距離大于設定的中間位置距離，且U3傳感器檢測距離不小于設定的中間位置距離，甚至大于一個迷宮格距離16.8cm時，就表明輪式迷宮機器人右側無墻壁而且偏向右側，需要向左調(diào)整。

在迷宮格里只有右邊墻壁時的修正情況與之相同。兩側均無墻壁的迷宮方塊排列是比較特別的，無法使用U2和U3傳感器。本設計將采用U1和U4紅外傳感器檢測，以校正身姿。特殊迷宮排列的校正方式如圖7所示。

由于迷宮的排列方式是固定的，迷宮方塊的墻壁排列方式也可以事先分析?？梢赞D彎的迷宮方塊可以分為圖8所示的5種排列方式，當輪式迷宮機器人需要轉彎時，程序上只需要針對這5種排列方式進行判斷即可。

圖6 右側無墻壁右偏示意圖

圖7 特殊迷宮排列的校正方式

圖8 轉彎的5種迷宮格排列方式

另外，迷宮格出現(xiàn)前、左、右皆有墻壁時，輪式迷宮機器人需要180°后轉彎。不管是90°轉彎還是180°轉彎，要獲得轉彎的精確度，需要陀螺儀傳感器的輔助。

當輪式迷宮機器人進行V字型斜線直走的運動時，利用U1和U4傳感器探測是否能探測到柱子，利用這樣的方法來修正車頭朝向的誤差。例如迷宮為圖9所示的情況，若其中一個紅外傳感器探測到柱子，所得到的探測距離突然變短，而另外一個傳感器的探測距離沒有太大改變，就表明輪式迷宮機器人的車頭朝向發(fā)生偏移，需要向探測距離不變的方向調(diào)整。

圖9 利用向前的兩個紅外傳感器校正斜線直走時的身姿誤差

需要特別注意的是，當迷宮出現(xiàn)圖10所示的情況，U1和U4傳感器能夠探測到下一格的墻壁，輪式迷宮機器人進行V字型斜線直走時，單靠一邊的向前方向的紅外傳感器就可以修正車頭朝向的誤差。如果輪式迷宮機器人左轉45°，則利用U4紅外傳感器校正，當此紅外傳感器探測到柱子，其探測距離會突然變短，這就表明輪式迷宮機器人發(fā)生偏轉，需要向左調(diào)整。若輪式迷宮機器人右轉45°，校正方法是相同的。