基于C51單片機(jī)智能機(jī)器人觸覺導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷道仲

（湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南長沙,410200）

1 觸須傳感器

機(jī)完成機(jī)器人導(dǎo)航功能，直流伺服電機(jī)是機(jī)器人的行走系統(tǒng)，完成各種行走動(dòng)作。

觸覺傳感器工作原理非常簡單，其的等效電路原理圖如圖2中虛線所示[2]。傳感器在撲捉或感知外界信息是靠其裝在傳感器外面的觸須來完成，圖中的“右觸須”、“左觸須”實(shí)際上就是兩個(gè)帶觸須的觸覺型開關(guān)，當(dāng)它們平時(shí)沒有觸碰到實(shí)物時(shí)，它們處于常開狀態(tài)；將它們一端連接到單片機(jī)的I/O控制端口上（圖中P3.2/P3.3），則對(duì)應(yīng)的端口呈現(xiàn)出高電平狀態(tài)；當(dāng)胡須觸碰到物體時(shí)，與它聯(lián)動(dòng)的開關(guān)因受力而閉合，從而拉低對(duì)應(yīng)的單片機(jī)端口引腳電平，單片機(jī)則通過判斷對(duì)應(yīng)引腳電平的高低來間接感知外部事件（觸須觸碰到障礙物）是否發(fā)生。

圖1 機(jī)器人觸覺導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由單片機(jī)AT89C51、觸覺傳感器、直流伺服電機(jī)、供電電路等組成，其系構(gòu)成框圖如圖1所示。其中單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，用來接收觸覺傳感器傳回來的外界信息，并根據(jù)信息情況作出相應(yīng)決策；控制伺服電機(jī)作出相應(yīng)動(dòng)作，如：前進(jìn)、后退或左、右轉(zhuǎn)彎等。觸覺傳感器用來感知外界障礙物，配合單片

基金項(xiàng)目:湖南教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(No.12C1176)

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人觸覺導(dǎo)航系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.2 電路工作原理

如圖2所示的電路工作過程如下：電路通電后，單片機(jī)P2.0與P2.1輸出伺服電機(jī)的控制信號(hào)，從而引導(dǎo)機(jī)器人朝前行走，同時(shí)單片機(jī)P3.2、P3.3端口負(fù)責(zé)收集左、右觸覺傳感器采集到的信號(hào)，當(dāng)左、右傳感器沒有碰到障礙物時(shí)，P3.2=P3.3=1;當(dāng)某個(gè)時(shí)刻，左觸須碰到障礙物，P3.2=0;則進(jìn)入相應(yīng)左避障子程序，如：后退——右轉(zhuǎn)等，完成避障；右觸須工作過程跟左觸須類似。如同時(shí)檢測(cè)到P3.2=P3.3=0;則先后退——再掉頭往反方向走，完成避障和導(dǎo)航功能。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器人觸覺導(dǎo)航系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人觸覺導(dǎo)航系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思路如下，51單片機(jī)的兩個(gè)端口P3.2和P3.3分別負(fù)責(zé)對(duì)左、右觸覺傳感器觸須進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)過程中左前方有障礙物時(shí)，左邊的觸須碰到這個(gè)障礙物時(shí)，P3.2引腳電平會(huì)變成低電平，程序會(huì)立刻轉(zhuǎn)至左避障函數(shù)中去執(zhí)行，只要我們?cè)谧蟊苷虾瘮?shù)中合理設(shè)置相關(guān)避障函數(shù)，如：后退——右轉(zhuǎn)——再前進(jìn)等，便可以成功避開障礙，完成機(jī)器人導(dǎo)航。右觸須程序設(shè)計(jì)思路與此類似，右觸須被端口P3.3所監(jiān)控，整個(gè)系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖2 機(jī)器人觸覺導(dǎo)航系統(tǒng)電路

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 觸覺傳感器測(cè)試

根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)硬件電路原理圖，焊接好電路控制板，并將觸覺傳感器的兩個(gè)觸須安裝在單片機(jī)P3.2與P3.3端口上。檢查供電正常后，開機(jī)運(yùn)行。將數(shù)字萬用表打至直流20V檔，黑表筆接地，紅表筆觸碰單片機(jī)P3.2引腳，如果此時(shí)觸覺傳感器的觸須沒有碰到障礙物時(shí)，萬用表在P3.2引腳應(yīng)該檢測(cè)到一個(gè)接近5V左右的高電平；觸須碰到障礙物則萬用表應(yīng)該檢測(cè)到接近0V的低電平；如果沒有檢測(cè)到相應(yīng)的電平，則說明觸覺傳感器未能正常工作。則應(yīng)逐步仔細(xì)排查電路，直至觸覺傳感器正常工作為止。

5.2 系統(tǒng)整體調(diào)試

根據(jù)機(jī)器人觸覺導(dǎo)航系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思路，在KEIL C中編寫、編譯完成相應(yīng)程序代碼，將產(chǎn)生的可執(zhí)行文件燒寫到單片機(jī)程序存儲(chǔ)器，開機(jī)運(yùn)行機(jī)器人，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在觸覺傳感器的引導(dǎo)下能夠很好規(guī)避正前方障礙物，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航功能。但如果機(jī)器人進(jìn)入到90度的墻角時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人總是左觸須觸墻，于是右轉(zhuǎn)，向前行走，右觸須觸墻，于是左轉(zhuǎn)，繼續(xù)前進(jìn)，又碰到左墻，再次碰到右墻……，如果不是你把它從墻角拿出來，它將會(huì)一直困在墻角里而出不來。要解決這個(gè)問題，需要運(yùn)用一些編程策略對(duì)程序中作一些修改。

基本思路是先判斷前方障礙物是不是墻角，如果確認(rèn)是墻角，那么就讓小車作一個(gè)U形轉(zhuǎn)彎，即掉頭逃離墻角，如果不是墻角，則按一般避障功能便可以解決。

圖3 主程序流程圖

判斷機(jī)器人進(jìn)入90度墻角的方法[1]：如果函數(shù)P3_2state()返回0，函數(shù)P3_3state()返回1；當(dāng)觸須碰到右墻時(shí)，函數(shù)P3_2state()返回1，函數(shù)P3_3state()返回0；由此可推測(cè)，若前方障礙物是90度墻角，那么這兩個(gè)函數(shù)返回的值彼此不相等，而且各自前后兩次返回的值也不相等，我們可以在程序中設(shè)兩個(gè)變量用來記錄兩個(gè)觸須前一次觸動(dòng)的舊狀態(tài)，再與兩個(gè)觸須的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如果前后兩次的狀態(tài)交替出現(xiàn)，就用一個(gè)變量作為計(jì)數(shù)器記錄交替的次數(shù)，若交替總數(shù)超過了程序中預(yù)先設(shè)定的閥值，就可以認(rèn)定前方的障礙物是墻角，那么就編程讓小車作一個(gè)U形轉(zhuǎn)彎，掉頭逃離墻角，同時(shí)將記錄交替次數(shù)的計(jì)數(shù)器變量復(fù)位，下面具體運(yùn)用這種思路修改的主函數(shù)，使智能機(jī)器人能夠逃離墻角，修改后的主函數(shù)如下：

void main(void)

{

uchar counter=1; //觸須碰撞總次數(shù)

uchar old_R=1; //右觸須舊狀態(tài)

uchar old_L=0; //左觸須舊狀態(tài)

while(1)

{

if(P3_2state()!=P3_3state())

{

if((old_R!=P3_3state())&&(old_L!=P3_2state()))

{

counter=counter+1;

old_R=P3_2state();

old_L=P3_3state();

if(counter＞4)

{

counter=1;

Backward();//向后

Left_Turn();//向左

Left_Turn();//向左

}

}

else

{按主程序流程圖避障}

6 結(jié)束語

實(shí)踐表明，運(yùn)用觸覺傳感器設(shè)計(jì)出的智能機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)能夠很好地規(guī)避正前方的障礙物，從而引導(dǎo)機(jī)器人完成導(dǎo)航功能；并且，觸覺傳感器具有價(jià)格低、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因此，它是機(jī)器人或智能玩具中設(shè)計(jì)避障、導(dǎo)航功能的不二選擇。

參考文獻(xiàn)

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