三峽電力職業(yè)學院 劉遠明 高 曉 胡 瑞 李 莉

感應式機器人是采用感應循跡的方法制作的一種循跡機器人，機器人的軌道被隱藏起來，循跡方式與傳統(tǒng)的光電循跡機器人完全不同，由于這種循跡方式不受光線的干擾，因而大大擴展了這種循跡機器人活動空間，特別方便在室外進行這樣的競賽活動。競賽時，三個機器人組成一個競賽隊，分別放置在賽道的不同位置，在裁判一聲哨響之后，第一個機器人被哨聲啟動，點亮火炬，尋著賽道前進，在與賽道第二個機器人相會時，第一個機器人火炬熄滅，停止前進，第二個機器人點亮火炬繼續(xù)前進，同樣的方式，第三個機器人接過火炬后，一直前進至終點指定位置，機器人停止運行，火炬熄滅。本競賽以達到終點的時間評定成績，時間越短，成績越好。與傳統(tǒng)光電循跡機器人競賽不一樣，在競賽的賽道上，沒有明顯的軌道線，機器人競賽的賽場就是一副寫真的圖畫，機器人循跡的軌道，是隱藏在這幅圖畫背面的不干膠鋁箔膠帶，正因為這樣，這個競賽給觀眾們增添了更多的神奇和樂趣。

1.感應式火炬接力機器人結(jié)構(gòu)

機器人包括循跡傳感器、傳感器電路板、單片機控制電路板、動力電機、導向輪、碰觸開關、LED火炬燈、電源等，和光電循跡機器人結(jié)構(gòu)基本相同，可以直接用光電循跡機器人改裝。圖1是本文機器人車體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 感應式火炬接力機器人結(jié)構(gòu)圖

2.感應式循跡機器人電路設計

感應式循跡機器人電路結(jié)構(gòu)與光電循跡機器人也基本相同，由循跡傳感器電路，單片機控制電路，電動機驅(qū)動電路等組成，不同點在于，感應式循跡機器人采用了金屬探測器作為循跡電路。

2.1 感應式循跡原理

感應式循跡傳感器就是一個電感線圈。傳感器電路是一個電感三點式振蕩電路，這實際上是一個金屬探測器電路，見圖2-a，工作原理是，電感線圈L與電路中C1、C2、C3、VT1等構(gòu)成一個電感三點式振蕩電路，正常工作時，其產(chǎn)生的震蕩信號經(jīng)VT2放大，由D1、D2、C6等進行整流、濾波，使三極管VT3的基極獲得了一定幅度的基極電壓而導通，其集電極輸出低電平。若把電感線圈L靠近金屬物體，線圈的變化磁場會在金屬物體內(nèi)感應出渦流而產(chǎn)生鐵損，線圈的Q值下降，電路振蕩減弱直至停止振蕩。作用在VT3基極上的電壓將不復存在，三極管VT3由導通變?yōu)榻刂?，其集電極輸出高電平，我們把這個信號經(jīng)處理后送給單片機I/O端口，單片機就可以通過檢測該端口的信號變化，了解機器人的運行狀態(tài)，給出相應的控制指令。電路中，通過調(diào)整可調(diào)電阻RP的電阻大小，可調(diào)節(jié)電路的正反饋幅度，使振蕩電路剛好處于振蕩的臨界點上，這樣可調(diào)節(jié)傳感器的探測靈敏度。圖2-b是作為傳感器的電感線圈實物。把不干膠鋁箔粘貼在賽道上作為軌道，就可以通過電感線圈與鋁箔的位置了解機器人的運行狀態(tài)并進行方向控制。

圖2 感應式傳感器電路原理圖

2.2 機器人控制電路

本電路需要實現(xiàn)這樣一些功能，1）聲控啟動。第一棒機器人在拍手或有哨聲響后，要自動進入運行狀態(tài)，點亮火炬，開始循跡前進。2）第二、第三棒機器人由碰撞來啟動電路。3）第一、第二棒機器人碰撞后停止運行。4）火炬點亮和熄滅控制。5）循跡控制。6）電機的驅(qū)動控制等?？刂齐娐凡捎肁T89S51單片機，根據(jù)上述這些功能，要為單片機的控制設置合理的I/O口。電路見圖2，P1.0口為聲控電路連接口，P3.2、P3.3為火炬交接時，碰撞開關連接口，在電路板上焊裝兩個按鈕開關，可以對碰撞效果進行檢驗、調(diào)試。P0.0為火炬連接口，該口連接一只LED模擬火炬。P3.4-P3.7為傳感器電路的連接口，這里安排了4個端口，連接4個感應式傳感器電路。單片機的P2.0-P2.3連接電動機驅(qū)動電路，驅(qū)動電路采用L293D專用集成塊，可使電路設計制作變得簡單一些，圖4是一個聲控模塊電路原理圖。

圖3 單片機控制電路

圖4 聲控模塊電路

3.感應式機器人循跡控制設計

3.1 循跡軌道線與傳感器布局

循跡用鋁箔軌道線寬度為25mm，設置在賽道的中間，帶不干膠，可以直接粘貼在賽場上。傳感器由4個電感組成，排布在鋁箔線兩邊，中間兩個電感基本騎跨在鋁箔線上，見圖5-a。

圖5 傳感器循跡狀態(tài)分析

3.2 循跡狀態(tài)分析

圖5示列出了機器人循跡過程中，傳感器可能出現(xiàn)的5種循跡狀態(tài)，圖5-a，傳感器L2、L3跨騎在鋁箔線上，此時，L1out=0，L2out=1，L3out=1、L4out=0。此時，機器人工作在前進狀態(tài)。圖5-b，機器人出現(xiàn)右偏，傳感器L3向右脫離鋁箔線，4個傳感器對應輸出狀態(tài)為：L1out=0，L2out=1，L3out=0、L4out=0，這時，機器人需要向左調(diào)整運動方向，其運行狀態(tài)應為：左轉(zhuǎn)。圖5-c，L2也向右脫離鋁箔線，L1靠上鋁箔線，傳感器狀態(tài)為：L1out=1，L2out=0，L3out=0、L4out=0，此時，機器人運行狀態(tài)應為：急左轉(zhuǎn)。圖5-d，鋁箔線出現(xiàn)轉(zhuǎn)角，傳感器狀態(tài)為：L1out=1，L2out=1，L3out=1、L4out=0，機器人運行狀態(tài)：左轉(zhuǎn)90度。有時機器人運行過快，可能沖出賽道循跡線，如圖5-e，此時傳感器狀態(tài)為：L1out=0，L2out=0，L3out=0、L4out=0，機器人離線處理方法：后退！運行中傳感器的可能出現(xiàn)的狀態(tài)有很多，將其分類歸納，然后建立一個和運行方式對應的控制表，以此為基礎，作為我們的單片機程序編寫依據(jù)。

3.3 建立循跡狀態(tài)與電機控制編碼表

表1中，列出了部分循跡狀態(tài)的編碼，這個編碼對應著電動機狀態(tài)的控制編碼，每個控制狀態(tài)要維持一定的時間，把時間參數(shù)的編碼和電機控制狀態(tài)的編碼組合后放入一個字節(jié)中，控制碼放入字節(jié)的高4位，時間參數(shù)的編碼放在低4位，這樣可以讓機器人運行程序的編寫變得簡捷起來。

表1 部分循跡狀態(tài)對應的電機控制編碼表

4.火炬接力賽程序編寫

4.1 循跡控制程序編寫方法

按照表1的編碼方法，可以得到一個更加完整的編碼表，這個表以循跡碼為序，從0至F進行編排，對不可能出現(xiàn)的循跡狀態(tài)，以“/”表示，這種狀態(tài)時，讓機器人的控制狀態(tài)都為“前進”。這樣，我們就可以獲得16種循跡狀態(tài)下對應的機器人運行狀態(tài)的組合控制碼。編寫程序時，按循跡編碼的大小順序，把這個組合碼放在表中，機器人運行時，讓單片機不斷掃描P3口獲取循跡碼的情況，通過查表的方式，取得到組合編碼，直接把高4位控制編碼送入P2端口，控制電動機運行，把延時參數(shù)送入延時子程序，就可以實現(xiàn)對感應式機器人的運行控制。

4.2 火炬接力賽軟件流程圖

除了實現(xiàn)感應循跡控制外，還要完成機器人火炬接力競賽任務，前面我們在單片機控制電路設計中，已經(jīng)為火炬接力安排了單片機控制端口，按照上述要求，實現(xiàn)火炬接力的軟件流程圖見圖6。

圖6 機器人火炬接力賽程序流程圖

5.電路安裝與調(diào)試

5.1 感應式傳感器的安裝與調(diào)試

感應式機器人電路中，采用的元件和光電循跡機器人基本相同，可以直接用光電循跡機器人改裝，其循跡傳感器的傳感器元件L選用電感量為6.8mH的立式成品電感，根據(jù)傳感器數(shù)量，每個傳感器要制作一個金屬探測器電路，本文采用了4個傳感器，因此，需要把四個金屬探測器電路集中做在一個電路板上，這樣便于安裝。作為傳感器的電感元件，要事先固定在一個支架上，然后安裝在機器人前方底盤的合適位置。要注意的是：1）中間兩個傳感器不能距離太近，至少要相距20mm，不然會相互干擾，不能正常工作。2）傳感器底面距地面的距離3-5mm為宜，傳感器靈敏度交高的，可以適當高一點，一般5mm足夠了。3）安裝之前，需要調(diào)整好傳感器的靈敏度，方法是，把要調(diào)的傳感器電路接入電感，傳感器電路板接上電源，如果電路處于震蕩狀態(tài)，電路板上的LED會亮著，這是，用螺絲刀調(diào)電路中相應的可調(diào)電阻RP的大小，讓這個LED由亮變滅，滅了以后，再輕輕的旋動螺絲刀，讓這個LED正好亮起來，這樣做，是為了讓電路處于震蕩的臨界狀態(tài)。這時，把螺絲刀靠近被調(diào)的這個電感元件的底部，LED應該熄滅，讓螺絲刀正好熄滅的這個距離，就是傳感器的靈敏度，這個距離一般在3-8mm之間。每個傳感器電路，都要用這種方法進行調(diào)試，這是感應式循跡機器人正常工作的關鍵步驟，由于這個調(diào)試與環(huán)境因素沒有關系，較之光電傳感器的調(diào)試，要方便很多。

5.2 碰撞開關的安裝與調(diào)試

這之前，需要先把機器人運行程序下載到單片機中，分別按下S1、S2，機器人應能啟動和停止，這表明碰撞開關的控制程序沒有問題。

碰撞開關選用成品輕觸開關比較好，機器人前后各安裝兩個，兩兩并接起來，然后接入單片機對應接口，在調(diào)試整機的時候，按下后面碰觸開關，機器人能被啟動，作為火炬的LED亮起來，按下前面的碰觸開關，機器人能停止工作。

5.3 聲控模塊的調(diào)試

第一把火炬手機器人需要聲控啟動，聲控模塊在接收到哨聲或拍手聲后，會輸出一個脈動信號給單片機端口，以此來啟動機器人運行，模塊的靈敏度不要太高，不然會出現(xiàn)還沒有準備好，機器人就被外界聲音啟動工作，在1米距離內(nèi)拍手或哨音能啟動機器人就行。

5.4 接力運行實驗

最后，檢驗編寫的程序正確與否，可以把機器人接通電源后，用聲控或碰后面碰觸開關的方法啟動機器人，把機器人拿在手上觀察，此時，機器人應工作在后退狀態(tài)，把機器人放在貼好的鋁箔線上，機器人前進運行，并能在轉(zhuǎn)彎處自動轉(zhuǎn)彎，把機器人4個傳感器都壓在鋁箔線上時，機器人也應該停止運行。通過這樣的試驗，就可以組隊參加機器人火炬接力的競賽了。

6.結(jié)語

感應式機器人由于采用了新的循跡方法，傳感器制作簡單，調(diào)試方便，運行可靠。大大提高了循跡機器人抗干擾能力，擴展了機器人的活動空間，有利于促進學生的機器人制作競賽等科技活動的開展，機器人火炬接力賽很好地利用了這一特點，受到學生的廣泛歡迎和積極參與。

[1] 李全利.單片機原理及應用[M].高等教育出版社,2001.

[2] 懂雷剛,崔曉微,張丹.智能循跡電動小車的設計[J].大慶師范學院學報,2010,30.

[3] 黃勇.金屬探測器的研究與設計[C].華南理工大學,2010.