自动循迹机器人控制系统的设计

马家庆,于兆勤,刘建群,黄惠敬,陈炜楠

摘要：循迹机器人是智能机器人领域内非常重要且被广泛研究的一种智能移动装置，国内许多重要的比赛都以循迹机器人为核心进行开展的。本文设计的智能循迹避障机器人的控制系统主要由四个模块组成：最小系统模块、循迹模块、避障模块、电机驱动模块。该机器人能在规定的场地上按指定路线行走，实现各种直走、转弯、调头、加速、减速、爬坡、探测障碍的能力。

关键词：机器人；循迹；单片机；传感器

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）20-0150-02

一、绪言

大学生创新能力的培养是高等教育创新教育、素质教育的本质要求，是建设创新型国家、构建国家创新体系的重要组成部分，是校园文化的更高层次，是促进科研体制改革和产学研结合的有效途径，必将直接推动生产力发展，产生直接的经济和社会效益。[1]

机器人竞赛作为一种高科技创新活动为大学生创新能力的培养提供了广阔的舞台。智能机器人作为一种人的思维与机器融为一体的自动化设备正在为改善人们的生产、生活环境，促进人类社会文明的发展发挥着越来越重要的作用[2]。人们已经研制了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人[3]，如水下机器人、军用机器人、空中空间机器人、搬运机器人、娱乐机器人等。可见，机器人技术的应用已经从制造业向非制造业领域发展，循迹机器人的研究也成为机器人研究领域不可或缺的一部分。循迹机器人是一种能够自动按照给定的路线进行移动的机器人，它是一个运用传感器、信号处理、电机驱动及自动控制等技术来实现路面探测、障碍检测、信息反馈和自动行驶的技术综合体，对提高学生的创新能力、综合工程应用能力将起到积极的作用。

本文针对“中国机器人大赛中的机器人游中国项目”比赛，设计制作了智能循迹避障机器人。该比赛场地采用与地面颜色有较大差别的线条作为引导线，场地上有桥、减速坡等各种障碍，并根据机器人到达景点的多少及其难度计算比赛成绩。为了能够在竞赛中取得好成绩，就必须能够对赛场上的引导线和各种障碍进行准确的检测，以便准确控制机器人行进。本文开发的机器人采用灰度传感器自动检测引导线，并沿引导线移动，采用红外传感器判断障碍物实现循迹避障的功能。

二、控制系统的硬件设计

机器人控制系统的硬件部分主要由5个模块组成：控制模块、循迹模块、避障模块、电机驱动模块、电源模块。机器人控制系统的框图如图1所示。

1.控制系统模块。在机器人游中国的比赛中，要时时准确的检测引导线和障碍，保证机器人准确快速到达各个景点，为此本机器人采用ATmega128控制芯片。ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，运算速度快，具有多路PWM输出，可将测速、避障等电路产生的输入信号进行处理，并输出控制信号给驱动放大电路，从而控制电机转速，此方式产生的PWM信号比用定时器中断产生的PWM信号实时性更好，而且不会占用系统的定时器资源。

基于ATmega128开发的机器人控制系统具有速度调节性能好、稳定性高、功能易拓展、成本低、体积小等特点。

2.循迹模块。循迹是指小车在比赛场地上循白色引导线线行走，循迹模块的原理图如图2所示。循迹模块采用灰度传感器，发射管为普通LED灯，接收管为光敏三极管3DU33。工作原理为：不同颜色的物体对LED发射光反射不同的亮度，光敏三极管3DU33接收这些不同亮度的光线，就会呈现不同的电压Vx。Vx输入到比较器LM339的同相端，并与电位器设定的电压V0相比较，当Vx>V0时，比较器输出高电平，当Vx

循迹机器人前后两端均是由7个灰度传感器组成的循迹模块。7个灰度传感器的布置图如图3所示。其中，中间三个灰度传感器起巡线的作用，两端的灰度传感器起探测弯道作用，剩下两个灰度传感器交替进行巡线和探测弯道。实验证明，这样的灰度传感器的布置图，机器人循迹的效果好，且“性价比”非常高。

3.避障模块。避障模块主要使用的是红外发射接收传感器，当红外感应避障模块靠近物体时，输出低电平信号；当没有感应到物体时，输出高电平信号。将该信号线接入到单片机的控制端口，控制程序就能起到探测障碍物的作用，当在机器人行进的路径上就可以发现有障碍物并及时避开绕行。

4.驱动模块。循迹避障机器人要求行走灵活、反应快速，因此要求驱动电机具有“转速快、制动及时”等特点。我们设计制作的循迹避障机器人采用中鸣公司的JMP-BE-3508I驱动板模块，其输入电压为11V到24V，最大输出电流为20A，满足快速前进、制动、转弯的要求。并且电机速度达到500rpm，堵转力矩为8KG.CM，具有很强的刹车功能。利用单片机的四路PWM输出信号，分别控制四个轮子的转速。并采用“四轮驱动”、“差速转弯”的方式实现机器人的前进、后退与转弯。

5.电源模块。循迹机器人的电源模块主要实现以下三大功能：（1）稳定输出5V工作电压。故我们设计制作的电源模块以7805芯片为核心，把输入电压截止到5V。（2）提供足够的电流。7805芯片最大输出电流为1.5A，而循迹机器人需要较大电流，所以我们使用了两片7805芯片分别对控制系统和外部设备进行供电。（3）滤波。在7805芯片的输入、输出端分别并联104贴片电容和10μF的电解电容，过滤高频、低频信号。

三、系统的软件设计

在智能循迹避障机器人的软件设计中，采用模块化编程的方法。这种方法就是：针对机器人行驶过程中出现的情况和问题，分别编写出相对应的模块化程序。如机器人要走直线就编写一个走直线的模块程序。

机器人行走的软件主流程框图如图4所示。

四、结束语

本文设计制作的智能循迹避障机器人，可在任意给定的与地面有明显颜色差异的引导线上平稳地行驶，循迹效果良好。并且机器人安装的避障模块能有效识别障碍，快速做出反应。实验表明，该智能循迹避障机器人性能良好，在“中国机器人大赛机器人游中国项目”比赛中取得了较好的成绩。通过机器人的设计和制作，提高了我们创新能力和实际动手能力。

参考文献：

[1]韩毅，张雪峰.一种低成本寻迹机器人的实现[J].微计算机信息，2008，24（5-2）：233-235.

[2]吴年祥，任启宏，许锦苹.基于AVR单片机智能机器人的设计[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2011，17（2）：39-42.

[3]李本印，马军忠.基于SCM简易寻迹机器人设计[J].陇东学院学报，2010，21（5）：43-46.

摘要：循迹机器人是智能机器人领域内非常重要且被广泛研究的一种智能移动装置，国内许多重要的比赛都以循迹机器人为核心进行开展的。本文设计的智能循迹避障机器人的控制系统主要由四个模块组成：最小系统模块、循迹模块、避障模块、电机驱动模块。该机器人能在规定的场地上按指定路线行走，实现各种直走、转弯、调头、加速、减速、爬坡、探测障碍的能力。

关键词：机器人；循迹；单片机；传感器

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）20-0150-02

一、绪言

大学生创新能力的培养是高等教育创新教育、素质教育的本质要求，是建设创新型国家、构建国家创新体系的重要组成部分，是校园文化的更高层次，是促进科研体制改革和产学研结合的有效途径，必将直接推动生产力发展，产生直接的经济和社会效益。[1]

机器人竞赛作为一种高科技创新活动为大学生创新能力的培养提供了广阔的舞台。智能机器人作为一种人的思维与机器融为一体的自动化设备正在为改善人们的生产、生活环境，促进人类社会文明的发展发挥着越来越重要的作用[2]。人们已经研制了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人[3]，如水下机器人、军用机器人、空中空间机器人、搬运机器人、娱乐机器人等。可见，机器人技术的应用已经从制造业向非制造业领域发展，循迹机器人的研究也成为机器人研究领域不可或缺的一部分。循迹机器人是一种能够自动按照给定的路线进行移动的机器人，它是一个运用传感器、信号处理、电机驱动及自动控制等技术来实现路面探测、障碍检测、信息反馈和自动行驶的技术综合体，对提高学生的创新能力、综合工程应用能力将起到积极的作用。

本文针对“中国机器人大赛中的机器人游中国项目”比赛，设计制作了智能循迹避障机器人。该比赛场地采用与地面颜色有较大差别的线条作为引导线，场地上有桥、减速坡等各种障碍，并根据机器人到达景点的多少及其难度计算比赛成绩。为了能够在竞赛中取得好成绩，就必须能够对赛场上的引导线和各种障碍进行准确的检测，以便准确控制机器人行进。本文开发的机器人采用灰度传感器自动检测引导线，并沿引导线移动，采用红外传感器判断障碍物实现循迹避障的功能。

二、控制系统的硬件设计

机器人控制系统的硬件部分主要由5个模块组成：控制模块、循迹模块、避障模块、电机驱动模块、电源模块。机器人控制系统的框图如图1所示。

1.控制系统模块。在机器人游中国的比赛中，要时时准确的检测引导线和障碍，保证机器人准确快速到达各个景点，为此本机器人采用ATmega128控制芯片。ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，运算速度快，具有多路PWM输出，可将测速、避障等电路产生的输入信号进行处理，并输出控制信号给驱动放大电路，从而控制电机转速，此方式产生的PWM信号比用定时器中断产生的PWM信号实时性更好，而且不会占用系统的定时器资源。

基于ATmega128开发的机器人控制系统具有速度调节性能好、稳定性高、功能易拓展、成本低、体积小等特点。

2.循迹模块。循迹是指小车在比赛场地上循白色引导线线行走，循迹模块的原理图如图2所示。循迹模块采用灰度传感器，发射管为普通LED灯，接收管为光敏三极管3DU33。工作原理为：不同颜色的物体对LED发射光反射不同的亮度，光敏三极管3DU33接收这些不同亮度的光线，就会呈现不同的电压Vx。Vx输入到比较器LM339的同相端，并与电位器设定的电压V0相比较，当Vx>V0时，比较器输出高电平，当Vx

循迹机器人前后两端均是由7个灰度传感器组成的循迹模块。7个灰度传感器的布置图如图3所示。其中，中间三个灰度传感器起巡线的作用，两端的灰度传感器起探测弯道作用，剩下两个灰度传感器交替进行巡线和探测弯道。实验证明，这样的灰度传感器的布置图，机器人循迹的效果好，且“性价比”非常高。

3.避障模块。避障模块主要使用的是红外发射接收传感器，当红外感应避障模块靠近物体时，输出低电平信号；当没有感应到物体时，输出高电平信号。将该信号线接入到单片机的控制端口，控制程序就能起到探测障碍物的作用，当在机器人行进的路径上就可以发现有障碍物并及时避开绕行。

4.驱动模块。循迹避障机器人要求行走灵活、反应快速，因此要求驱动电机具有“转速快、制动及时”等特点。我们设计制作的循迹避障机器人采用中鸣公司的JMP-BE-3508I驱动板模块，其输入电压为11V到24V，最大输出电流为20A，满足快速前进、制动、转弯的要求。并且电机速度达到500rpm，堵转力矩为8KG.CM，具有很强的刹车功能。利用单片机的四路PWM输出信号，分别控制四个轮子的转速。并采用“四轮驱动”、“差速转弯”的方式实现机器人的前进、后退与转弯。

5.电源模块。循迹机器人的电源模块主要实现以下三大功能：（1）稳定输出5V工作电压。故我们设计制作的电源模块以7805芯片为核心，把输入电压截止到5V。（2）提供足够的电流。7805芯片最大输出电流为1.5A，而循迹机器人需要较大电流，所以我们使用了两片7805芯片分别对控制系统和外部设备进行供电。（3）滤波。在7805芯片的输入、输出端分别并联104贴片电容和10μF的电解电容，过滤高频、低频信号。

三、系统的软件设计

在智能循迹避障机器人的软件设计中，采用模块化编程的方法。这种方法就是：针对机器人行驶过程中出现的情况和问题，分别编写出相对应的模块化程序。如机器人要走直线就编写一个走直线的模块程序。

机器人行走的软件主流程框图如图4所示。

四、结束语

本文设计制作的智能循迹避障机器人，可在任意给定的与地面有明显颜色差异的引导线上平稳地行驶，循迹效果良好。并且机器人安装的避障模块能有效识别障碍，快速做出反应。实验表明，该智能循迹避障机器人性能良好，在“中国机器人大赛机器人游中国项目”比赛中取得了较好的成绩。通过机器人的设计和制作，提高了我们创新能力和实际动手能力。

参考文献：

[1]韩毅，张雪峰.一种低成本寻迹机器人的实现[J].微计算机信息，2008，24（5-2）：233-235.

[2]吴年祥，任启宏，许锦苹.基于AVR单片机智能机器人的设计[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2011，17（2）：39-42.

[3]李本印，马军忠.基于SCM简易寻迹机器人设计[J].陇东学院学报，2010，21（5）：43-46.

摘要：循迹机器人是智能机器人领域内非常重要且被广泛研究的一种智能移动装置，国内许多重要的比赛都以循迹机器人为核心进行开展的。本文设计的智能循迹避障机器人的控制系统主要由四个模块组成：最小系统模块、循迹模块、避障模块、电机驱动模块。该机器人能在规定的场地上按指定路线行走，实现各种直走、转弯、调头、加速、减速、爬坡、探测障碍的能力。

关键词：机器人；循迹；单片机；传感器

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）20-0150-02

一、绪言

大学生创新能力的培养是高等教育创新教育、素质教育的本质要求，是建设创新型国家、构建国家创新体系的重要组成部分，是校园文化的更高层次，是促进科研体制改革和产学研结合的有效途径，必将直接推动生产力发展，产生直接的经济和社会效益。[1]

机器人竞赛作为一种高科技创新活动为大学生创新能力的培养提供了广阔的舞台。智能机器人作为一种人的思维与机器融为一体的自动化设备正在为改善人们的生产、生活环境，促进人类社会文明的发展发挥着越来越重要的作用[2]。人们已经研制了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器人[3]，如水下机器人、军用机器人、空中空间机器人、搬运机器人、娱乐机器人等。可见，机器人技术的应用已经从制造业向非制造业领域发展，循迹机器人的研究也成为机器人研究领域不可或缺的一部分。循迹机器人是一种能够自动按照给定的路线进行移动的机器人，它是一个运用传感器、信号处理、电机驱动及自动控制等技术来实现路面探测、障碍检测、信息反馈和自动行驶的技术综合体，对提高学生的创新能力、综合工程应用能力将起到积极的作用。

本文针对“中国机器人大赛中的机器人游中国项目”比赛，设计制作了智能循迹避障机器人。该比赛场地采用与地面颜色有较大差别的线条作为引导线，场地上有桥、减速坡等各种障碍，并根据机器人到达景点的多少及其难度计算比赛成绩。为了能够在竞赛中取得好成绩，就必须能够对赛场上的引导线和各种障碍进行准确的检测，以便准确控制机器人行进。本文开发的机器人采用灰度传感器自动检测引导线，并沿引导线移动，采用红外传感器判断障碍物实现循迹避障的功能。

二、控制系统的硬件设计

机器人控制系统的硬件部分主要由5个模块组成：控制模块、循迹模块、避障模块、电机驱动模块、电源模块。机器人控制系统的框图如图1所示。

1.控制系统模块。在机器人游中国的比赛中，要时时准确的检测引导线和障碍，保证机器人准确快速到达各个景点，为此本机器人采用ATmega128控制芯片。ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，运算速度快，具有多路PWM输出，可将测速、避障等电路产生的输入信号进行处理，并输出控制信号给驱动放大电路，从而控制电机转速，此方式产生的PWM信号比用定时器中断产生的PWM信号实时性更好，而且不会占用系统的定时器资源。

基于ATmega128开发的机器人控制系统具有速度调节性能好、稳定性高、功能易拓展、成本低、体积小等特点。

2.循迹模块。循迹是指小车在比赛场地上循白色引导线线行走，循迹模块的原理图如图2所示。循迹模块采用灰度传感器，发射管为普通LED灯，接收管为光敏三极管3DU33。工作原理为：不同颜色的物体对LED发射光反射不同的亮度，光敏三极管3DU33接收这些不同亮度的光线，就会呈现不同的电压Vx。Vx输入到比较器LM339的同相端，并与电位器设定的电压V0相比较，当Vx>V0时，比较器输出高电平，当Vx

循迹机器人前后两端均是由7个灰度传感器组成的循迹模块。7个灰度传感器的布置图如图3所示。其中，中间三个灰度传感器起巡线的作用，两端的灰度传感器起探测弯道作用，剩下两个灰度传感器交替进行巡线和探测弯道。实验证明，这样的灰度传感器的布置图，机器人循迹的效果好，且“性价比”非常高。

3.避障模块。避障模块主要使用的是红外发射接收传感器，当红外感应避障模块靠近物体时，输出低电平信号；当没有感应到物体时，输出高电平信号。将该信号线接入到单片机的控制端口，控制程序就能起到探测障碍物的作用，当在机器人行进的路径上就可以发现有障碍物并及时避开绕行。

4.驱动模块。循迹避障机器人要求行走灵活、反应快速，因此要求驱动电机具有“转速快、制动及时”等特点。我们设计制作的循迹避障机器人采用中鸣公司的JMP-BE-3508I驱动板模块，其输入电压为11V到24V，最大输出电流为20A，满足快速前进、制动、转弯的要求。并且电机速度达到500rpm，堵转力矩为8KG.CM，具有很强的刹车功能。利用单片机的四路PWM输出信号，分别控制四个轮子的转速。并采用“四轮驱动”、“差速转弯”的方式实现机器人的前进、后退与转弯。

5.电源模块。循迹机器人的电源模块主要实现以下三大功能：（1）稳定输出5V工作电压。故我们设计制作的电源模块以7805芯片为核心，把输入电压截止到5V。（2）提供足够的电流。7805芯片最大输出电流为1.5A，而循迹机器人需要较大电流，所以我们使用了两片7805芯片分别对控制系统和外部设备进行供电。（3）滤波。在7805芯片的输入、输出端分别并联104贴片电容和10μF的电解电容，过滤高频、低频信号。

三、系统的软件设计

在智能循迹避障机器人的软件设计中，采用模块化编程的方法。这种方法就是：针对机器人行驶过程中出现的情况和问题，分别编写出相对应的模块化程序。如机器人要走直线就编写一个走直线的模块程序。

机器人行走的软件主流程框图如图4所示。

四、结束语

本文设计制作的智能循迹避障机器人，可在任意给定的与地面有明显颜色差异的引导线上平稳地行驶，循迹效果良好。并且机器人安装的避障模块能有效识别障碍，快速做出反应。实验表明，该智能循迹避障机器人性能良好，在“中国机器人大赛机器人游中国项目”比赛中取得了较好的成绩。通过机器人的设计和制作，提高了我们创新能力和实际动手能力。

参考文献：

[1]韩毅，张雪峰.一种低成本寻迹机器人的实现[J].微计算机信息，2008，24（5-2）：233-235.

[2]吴年祥，任启宏，许锦苹.基于AVR单片机智能机器人的设计[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2011，17（2）：39-42.

[3]李本印，马军忠.基于SCM简易寻迹机器人设计[J].陇东学院学报，2010，21（5）：43-46.