迷宫机器人的硬件结构设计

王珺　单丽慧

摘要：迷宫机器人主要研究的几个部分：行走机构、传感器、驱动方式、控制系统。控制系统设计是迷宫机器人设计中很关键的一部分，只有具有合理的结构和稳定可靠的控制系统，才能保证迷宫机器人顺利迅速地完成行走迷宫的过程，才能保证为研究复杂的迷宫算法打下良好的基础。

关键词：迷宫机器人，硬件结构，控制系统设计

1.引言

迷宫机器人的体系结构分为两种：水平式体系结构，垂直式体系结构。

水平式结构最早由Nillsion提出来的，它采用从上而下的方法构造系统，根据信息的流向及行为功能，将机器人的控制过程分解成不同的子任务，由不同的功能模块去执行，这些功能模块组成了一条闭环链，信息流由环境经由传感器进入机器人处理器，经过规划决策处理后再经由执行机构返回环境，从而实施控制行为，构成一个闭环系统。

垂直式结构是采用从下而上的方法构造系统，将完成机器人某一特定控制的感知、规划、任务执行等过程封装在一起，称为一个行为（如停止、避障、漫游、跟踪探测等等），每一个行为都实现传感器信息与机器人动作间的一种映射，某一时刻，只有一种行为能够控制车体，机器人最终的动作是由各层行为间的相互竞争实现的.

2.迷宫机器人行走机构设计

行走机构是行走机器人的重要执行部件，它由驱动装置、传动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。执行机构只要是机器人的足、腿、手、臂、腰及关节等，它是机器人运动和完成某项任务所必不可少的组成部分。驱动装置和传动装置用来有效地驱动执行机构的装置，通常采用液压、电动和气动，有直接驱动和间接驱动二种方式。

要研究迷宫机器人的路径规划，实现机器人在迷宫中的准确行走，都必须建立移动机器人的运动学模型，在轮式移动机器人中，差动转向式机器人控制复杂，但精度比较高，因此迷宫机器人采用双轮单独驱动、前轮为万向轮的结构，通过两个后轮的转速差来实现机器人的前进、后退、转弯等动作，使得机器人能够在迷宫中灵活地行走和避障。

机器人的机械结构主要是指机器人的机械构造、设备选型等，迷宫机器人的机械部分主要有车架、车轮、直流减速电机及其连接等。移动机器人的运动系统主要有轮式、足步式、履带式和蛇形等几种，其中应用最为广泛的是轮式运动结构，在相对平坦的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的。

3.迷宫机器人传感器系统设计

传感器系统是迷宫机器人很重要的一部分，它的作用是建立合理的机器人感觉系统，以便机器人能建立起完整的信息获取渠道，也是关系到迷宫机器人智能程度的关键，由于环境的多样性、自身状态的不确定性和单一传感器的局限性，仅仅依靠一种传感器难以完成对周围环境的感知，为完成在复杂环境下的自主移动，机器人通常装有用于导航需要的多种传感器，机器人选择什么样的传感器完全取决于机器人的工作需要和应用特点，并要求传感器具有较强的抗干扰性、较好的稳定性、快速性以及较低的成本等。

环境感知能力是移动机器人除了移动之外最为基本的一种能力，感知能力的高低直接决定了一个机器人的智能性高低，它的作用是建立合理的机器人感觉系统，以便机器人能够建立起完整的信息获取渠道。机器人要具备智能行为就必需依靠传感器不断感知外界环境，从而做出相应的决策行为。目前传感器的种类繁多，功能越来越丰富，像超声波传感器、红外传感器、光电传感器等。传感器系统是机器人很重要的部分，选择机器人传感器完全取决于机器人的工作需要和应用特点，因此迷宫机器人的传感器系统包括三个红外传感器和三个黑标传感器。

4迷宫机器人驱动系统设计

驱动方式分为电动式，液压式，气动式，本文采用直流伺服电动机。简单介绍其它两种。

气动式分为直线气缸，摆动汽缸及旋转气动马达。

适合于节拍快、负载小且精度要求不高的场合（因为空气具有可压缩性）。

气动马达是将压缩空气的压力能转换成回转机械能的转换装置。

液压式从运动形式来分分为直线驱动如直线运动液压缸和旋转驱动如液压马达、摆动液压缸。从控制水平的高低来分分为开环控制液压系统和闭环控制液压系統。

液压系统具有较大的功率体积比，适合于大负载的情形。液压驱动的本质优点在于它的安全性。如喷漆时要求工作区域所带电压不超过9V。

通电导体在磁场中一定会受到力的作用。判断受力方向用左手法则：磁力线穿过手心，四指指向电流方向，大拇指则指向受力方向。电枢绕组在旋转一周的过程中，每根导体中的电流方向发生了改变，但由于换向器的作用，保证了每个磁极下的导体的通电方向不变，从而使得电枢的受力方向不变。

5 迷宫机器人控制系统设计

控制系统是机器人的信息处理中心

微处理器是机器人系统的大脑，负责各种信息的处理和决策，目前比较常见的有8位、16位和32位处理器，考虑到迷宫机器人实际系统的特点，要求处理器具有高速度、低功耗、较大的存储空间，多路PWM功能和丰富的IO口，以方便日后的功能扩展.因此微处理器采用C8051系列单片机。[11]

集成了丰富的外部设备接口。具有两路UART和最多可达5个定时器及6个PCA模块，此外还根据不同的需要集成了SPI、USB、CAN、LIN等接口，以及RTC部件。外设接口在不使用时可以分别禁止以降低系统功耗。与其他类型的单片机实现相同的功能需要多个芯片的组合才能完成相比，C8051单片机不仅减少了系统成本，更大大降低了功耗。

增强了在信号处理方面的性能，部分型号具有16x16 MAC以及DMA功能，可对所采集信号进行实时有效的算法处理并提高了数据传送能力。

基于上述特点，Silicon Labs 公司C8051F系列单片机作为SoC芯片的杰出代表能够满足绝大部分场合的复杂功能要求，并在嵌入式领域的各个场合都得到了广泛的应用：在工业控制领域，其丰富的模拟资源可用于工业现场多种物理量的监测、分析及控制和显示；正是这些优势，使得C8051单片机在进入中国市场的短短几年内就迅速风靡，相信随着新型号的不断推出以及推广力度的不断加大，C8051系列单片机将迎来日益广阔的发展空间，成为嵌入式领域的时代宠儿。

此系列单片机完全兼容MCS-51指令集，容易上手，开发周期短，大大节约了开发成本。C8051F系统集成度高，总线时钟可达25M 。

参考文献

[1] SU S，Tsuchiya K.Learning of a m e using a genetic algorithml c 1.Industrial ElectroniCS，Control and Instrumentation 1993，Proceedings of the IECON 93 International Conference On，1993，1：376—379.

[2] 王典洪等.基于单片机和传感器的机器人设计与实现.微计算机信息， 2007， 23： 246～248123第36卷（2008）第3期

[3] 张雪平，王志斌.基于模糊控制PLC在温度控制中的应用.电气传动，2005，35（8）：54—55

[4 胡寿松. 自动控制原理.北京：科学出版社.2001.83-90.