基于MCS-51單片機的智能機器人迷宮車設計

摘要：機器人在軍事偵察、掃雷排險、防核化污染等危險與惡劣環(huán)境中以及工業(yè)自動化生產(chǎn)的物料搬運上應用很廣，隨著任務復雜性的增加，對移動機器人的要求也越來越智能化。然而，功能較完備的路徑跟蹤控制方法普遍具有計算復雜，不易實現(xiàn)等特點。主要針對移動機器人即智能小車的行走系統(tǒng)進行設計，以MCS-51單片機為控制核心的智能小車利用單光束反射取樣紅外傳感器，探測正前方及左右兩側(cè)障礙物，利用控制算法尋找行進路線，在無人控制的情況下自主地走出迷宮。設計采用了輪式移動機構，使機器人能直線行走、左右轉(zhuǎn)彎、主要針對路徑跟蹤算法優(yōu)化問題，提出一種有效可行的方法，該法比以往算法更簡單易行。
關鍵詞：智能小車；迷宮；控制算法；避障

機器人應當具有幾個特征：移動功能，執(zhí)行功能、感覺和智能。目前全世界各國舉辦的涉及硬件，軟件仿真的機器人大賽不下20余類。各種各樣的機器人比賽都有一個共同的宗旨：培養(yǎng)科學創(chuàng)新精神，激發(fā)思維的想象力，鼓勵理論與實踐的結(jié)合。不僅如此，現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的自動控制產(chǎn)品已經(jīng)介入生產(chǎn)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)上都有廣泛的應用。新的工作方式將大大的縮短了人工作業(yè)的時間，并且減輕了人的體力勞動的支出。走迷宮的微型機器鼠主要是基于自動引導小車(Auto Guided Vehicle，AGV)的原理，實現(xiàn)機器鼠識別路線，判斷并自動躲避障礙，選擇正確的行進路線走出迷宮。在此選擇制作一個簡易的行進裝置，使其能順利的走避障或是迷宮。為了實現(xiàn)小車識別路線，判斷并自動躲避障礙，選擇正確的行進路線，障礙判斷采用單光束反射取樣紅外傳感器，驅(qū)動電機采用直流電機，控制核心采用MCS-51單片機。控制上采用分時復用技術，僅用一塊單片機實現(xiàn)了信號采集、線路判斷、電機控制等功能。迷宮由16×16個區(qū)組成。起點設在拐角處，終點設在中央，占4個區(qū)。每個區(qū)為180 mm×180 mm大小，間壁高為50 mm，厚度為12 mm，側(cè)面涂白色，底面涂黑色，如圖1所示。

1 迷宮車控制系統(tǒng)的總體設計方案
迷宮車由墻壁傳感器、單片機控制板、動力及轉(zhuǎn)向系組成的，控制框圖如圖2所示。

迷宮車采用輪式移動方式。優(yōu)點是：結(jié)構和控制簡單而且技術成熟。從選定電動機轉(zhuǎn)速和輪胎直徑，可以簡單地計算出小車的速度。但是，有關路面的阻力或上坡的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩等成為重要的因素。考慮這點，在輪胎上使用無線遙控車的塑膠輪胎。如圖3所示，前輪1為萬向腳輪或球形輪，后輪2和后輪3為獨立驅(qū)動輪，利用它們的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。這種組合的特點是機樞組合容易，而且當2個驅(qū)動輪以相同速度、相反方向轉(zhuǎn)動時車體能繞2個驅(qū)動輪連線的中點自轉(zhuǎn)，值得注意的是自轉(zhuǎn)中心與車體中心不一致。
迷宮車車身材料的選擇。迷宮車使用的材料大部分用于結(jié)構，一般應采用金屬材料。迷宮車承載和運動不應產(chǎn)生嚴重的變形和斷裂，從力學角度講即具有足夠的強度。迷宮車負載小，自重輕，對壽命的要求不高。因此，選用鐵皮。
1．1 迷宮車控制電路的設計
控制電路主要由電機驅(qū)動電路，單片機接口電路，電源電路和傳感器電路組成。控制框圖如圖4所示。

(1)紅外線光感電路傳感器通過發(fā)光二極管發(fā)出紅外線，若有障礙物在前方，紅外線會被反射回來，被感光三極管接收，單片機程序?qū)π盘栠M行比較處理，按設定的動作要求向后輪的兩個電機發(fā)出控制命令，控制小車行進。
(2)電機驅(qū)動電路采用89S51單片機，通過L293D芯片來控制兩個驅(qū)動電機動作。89S51根據(jù)紅外傳感器對外界進行探測后反饋回來的信號，依據(jù)迷宮車探路算法，判定迷宮車行進方向，分別向左右兩個驅(qū)動電機發(fā)出控制指令，該信號經(jīng)L293D芯片驅(qū)動后，直接控制相應電機動作，使迷宮車按既定動作進行前進、后退、轉(zhuǎn)向。