機(jī)器人中的開環(huán)電子控制技術(shù)

陳顏龍

隨著STEM教育的提出，機(jī)器人教育越來越火熱。而目前各類機(jī)器人教材的核心，就是電子控制技術(shù)，即以電子電路為信息采集、處理核心，并根據(jù)設(shè)計(jì)輸出指令的控制技術(shù)。按照電子線路的工作原理，又可分為簡單模擬電子電路控制、邏輯電路控制以及計(jì)算機(jī)控制（含單片機(jī)）三類。

目前的教育用機(jī)器人，主要以邏輯電路控制及計(jì)算機(jī)控制為主。從控制方式來看，電子控制技術(shù)還分為開環(huán)電子控制技術(shù)和閉環(huán)電子控制技術(shù)。上期我們介紹了閉環(huán)電子控制技術(shù)，本期我們就以開環(huán)電子控制為例，來介紹機(jī)器人中的開環(huán)電子控制技術(shù)。

開環(huán)電子控制技術(shù)主要包括輸入部分、控制（處理）部分和輸出部分。

其中，輸入部分通常由各種傳感器組成，輸入信息可以有各種形式，包括作用力以及溫度、濕度、磁場、光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)。輸入部分相當(dāng)于人的感官，能將采集到的非電量變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏孔兓?。例如按?dòng)開關(guān)，輸入部分就能把開或關(guān)的非電量變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)（電壓或電流）的有或無的電量變化。

機(jī)器人中常用的傳感器包括顏色傳感器、觸碰傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器等等。其中，光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。機(jī)器人競賽中常見的巡線任務(wù)，就是由光電傳感器完成的。

控制（處理）部分一般由各種具備控制功能的電子電路（或微處理器）組成。它的作用相當(dāng)于人的大腦，能對(duì)送入的電信號(hào)進(jìn)行比較、分析和處理后發(fā)出指令。控制部分是一個(gè)機(jī)器人的核心單元，例如知名的樂高機(jī)器人，其控制器型號(hào)為EV3。還有一些開源的機(jī)器人，大都用arduino等開源的控制板作為控制器。

輸出部分由電機(jī)、電磁繼電器等多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。輸出信號(hào)可以是位移，如電磁繼電器中銜鐵的運(yùn)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)等，也可以是聲音、光等，如揚(yáng)聲器發(fā)出的音樂聲。輸出部分相當(dāng)于人的手和腳，其作用是執(zhí)行控制（處理）部分的指令，進(jìn)行某種操作，實(shí)現(xiàn)某種功能。機(jī)器人的輸出部分主要是電機(jī)，利用電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)很多功能，如行走、夾持、傳動(dòng)等等。

下面我們就以機(jī)器人競賽中常見的巡線為例，來了解機(jī)器人的控制過程。

我們通常采用常見的雙光感巡線方式來解決讓機(jī)器人沿著黑線走的問題。首先，將兩個(gè)光感作為控制系統(tǒng)的輸入部分裝在機(jī)器人的底部，分別位于黑線兩側(cè)。兩個(gè)光感負(fù)責(zé)將讀取到的光值信號(hào)傳給控制器。然后，控制器對(duì)輸入的光值信號(hào)進(jìn)行分析，將光感的探測結(jié)果分為左白右黑、左黑右白、雙白和雙黑四種情況。根據(jù)這四種探測結(jié)果，分別執(zhí)行右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)、直行和停車四種動(dòng)作的程序指令。接著，控制指令被傳送給執(zhí)行器，也就是機(jī)器人上的兩個(gè)馬達(dá)。如要前行，那么兩個(gè)馬達(dá)同時(shí)、同速朝前運(yùn)轉(zhuǎn);如要倒退，則同時(shí)、同速反向運(yùn)轉(zhuǎn);而左馬達(dá)不轉(zhuǎn)右馬達(dá)轉(zhuǎn)為左向轉(zhuǎn)彎，左馬達(dá)轉(zhuǎn)右馬達(dá)不轉(zhuǎn)為右向轉(zhuǎn)彎。由于是讓兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度較快，同時(shí)采取兩個(gè)光敏監(jiān)測黑線，精度也有所提高。

了解了機(jī)器人電子控制的基本組成之后，我們會(huì)在之后的文章中結(jié)合一些具體任務(wù)，來看看機(jī)器人是如何利用電子控制系統(tǒng)完成任務(wù)的。

（未完待續(xù)）