基于测距红外传感器的轮式迷宫机器人设计

2013-10-10 01:56金余义刘克申任阳晖

单片机与嵌入式系统应用 2013年9期

金余义，刘克申，任阳晖

（青岛工学院机电工程学院，青岛266300）

引言

轮式迷宫机器人是由微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走装置，可以在不同“迷宫”中自动记忆和选择路径，采用相应的算法，快速地达到所设定的目的地。目前普遍使用5组或者6组红外传感器对迷宫墙壁信息进行检测。本文介绍使用4组测距红外传感器排列布局的方案，能够稳定实现搜索迷宫、直行姿态调整以及快速转弯等功能。

1 红外传感器的电路设计与布局

红外传感器相当于轮式迷宫机器人的眼睛，在轮式迷宫机器人的组成中具有重要的地位。利用红外发射管发射红外线，红外接收管接收来自墙壁的反射，用来探测迷宫墙壁的信息以及校正机器人的行走身姿。本设计所选用的红外发射管为OP245，红外接收管为TSL262R。电路设计如图1所示。

在距离迷宫墙壁不同的距离下，红外接收管输出不同的电压，在经过高精度运算放大器LMV358的放大后，其输出电压与实际距离的数据如表1所列。红外传感器输出电压与实际距离的关系如图2所示。

图1 红外发射接收电路

图2 红外传感器输出电压与实际距离的关系

表1 输出电压与实际距离数据

根据曲线可得出其输出电压与实际距离的关系式为：

其中，s为实际距离，U为红外传感器的输出电压，a、b为常数，不同的红外传感器取不同的值。经多次测验得出，a取值8.6左右，b取值－1.5左右。

由于微控制器处理幂函数运算时执行效率低，并且使用相同的红外传感器，得到的结果也会有误差。所以在计算实际距离s时，本设计采用的是查表法，查询红外传感器输出电压所对应的实际距离。根据经验法得出针对不同组的红外传感器的数学表达式，分别利用此表达式设计35组红外传感器输出电压转换成实际距离的数据，使查表法的精确度达到0.3cm，这样的误差是允许的。

为了使轮式迷宫机器人能够适应各种光线强度的环境，程序采用自适应算法，在每次启动时对各个红外传感器输出的电压值多次取平均，作为姿势校正的参考基准。

本设计采用4组红外传感器，其中两组为向前的红外传感器，另外两组为斜45°角放置传感器。具体排列方式如图3所示。

其中，U1和U4是向前摆放的红外传感器。传统的轮式迷宫机器人只有一组向前的传感器摆放在中央，利用向前传感器探测前方有无墙壁，而本文多设计一组传感器，将它们摆放在两侧，不仅可以探测前方墙壁信息，而且当轮式迷宫机器人走V字型斜线时，可以利用这两组红外传感器探测是否有碰撞的危险。

使用左右两个斜45°角的红外传感器U2和U3探测墙壁信息，摒弃了传统轮式迷宫机器人的左右水平方向的传感器，使轮式迷宫机器人具有一定的前瞻性，对于提升轮式迷宫机器人的速度有很大帮助。另外，利用斜45°角的红外传感器可以快速校正身姿。红外传感器需要分时使用，以免发生干扰。

图3 红外传感器排列方式

2 利用红外传感器姿势修正与快速转弯

轮式迷宫机器人在前进过程中需要不断调整姿势，以免碰到墙壁。它在迷宫中的理想姿势是处于迷宫格的中央，且前进方向平行于挡板，在这种状态下轮式迷宫机器人才不容易碰到墙壁。图4为轮式迷宫机器人的最佳姿势，是不需要被修正的。

利用斜45°角的红外传感器校正身姿误差，具有一定的前瞻性，轮式迷宫机器人可以拥有较长的时间校正。若在此种情况下轮式迷宫机器人的姿势发生左偏或者右偏，通过U2和U3传感器测得的距离将会有较大的差值，当这个差值大于设定的阈值时，就需要修正姿势。通过增量式PID对输入的误差进行处理，得到左右电机相应的PWM的占空比，从而通过差速调整到正确的姿势。

假设只有左侧存在墙壁，如图5所示，当轮式迷宫机器人靠近左侧时，U2传感器测得的距离值大于设定的参考距离，需要向右调整姿势。

图4 轮式迷宫机器人的最佳姿势

图5 只有一侧有墙壁的左侧位置偏差示意

当轮式迷宫机器人靠近右侧时，由于右侧没有墙壁，出现如图6所示的情况，这时需要U2和U3传感器共同判断，当U2传感器检测出的距离大于设定的中间位置距离，且U3传感器检测距离不小于设定的中间位置距离，甚至大于一个迷宫格距离16.8cm时，就表明轮式迷宫机器人右侧无墙壁而且偏向右侧，需要向左调整。

在迷宫格里只有右边墙壁时的修正情况与之相同。两侧均无墙壁的迷宫方块排列是比较特别的，无法使用U2和U3传感器。本设计将采用U1和U4红外传感器检测，以校正身姿。特殊迷宫排列的校正方式如图7所示。

由于迷宫的排列方式是固定的，迷宫方块的墙壁排列方式也可以事先分析。可以转弯的迷宫方块可以分为图8所示的5种排列方式，当轮式迷宫机器人需要转弯时，程序上只需要针对这5种排列方式进行判断即可。

图6 右侧无墙壁右偏示意图

图7 特殊迷宫排列的校正方式

图8 转弯的5种迷宫格排列方式

另外，迷宫格出现前、左、右皆有墙壁时，轮式迷宫机器人需要180°后转弯。不管是90°转弯还是180°转弯，要获得转弯的精确度，需要陀螺仪传感器的辅助。

当轮式迷宫机器人进行V字型斜线直走的运动时，利用U1和U4传感器探测是否能探测到柱子，利用这样的方法来修正车头朝向的误差。例如迷宫为图9所示的情况，若其中一个红外传感器探测到柱子，所得到的探测距离突然变短，而另外一个传感器的探测距离没有太大改变，就表明轮式迷宫机器人的车头朝向发生偏移，需要向探测距离不变的方向调整。

图9 利用向前的两个红外传感器校正斜线直走时的身姿误差

需要特别注意的是，当迷宫出现图10所示的情况，U1和U4传感器能够探测到下一格的墙壁，轮式迷宫机器人进行V字型斜线直走时，单靠一边的向前方向的红外传感器就可以修正车头朝向的误差。如果轮式迷宫机器人左转45°，则利用U4红外传感器校正，当此红外传感器探测到柱子，其探测距离会突然变短，这就表明轮式迷宫机器人发生偏转，需要向左调整。若轮式迷宫机器人右转45°，校正方法是相同的。