循跡機(jī)器人是一種能按事先預(yù)定的路線自主行進(jìn)的機(jī)器人，能實(shí)現(xiàn)路徑檢測(cè)、信息反饋和自動(dòng)行駛，它在工業(yè)、民用和科學(xué)研究等方面已獲得了廣泛的應(yīng)用。

常見(jiàn)的機(jī)器人循跡方式有攝像頭循跡、紅外循跡和感應(yīng)式循跡等，這些循跡方式往往采用圖像處理、紅外檢測(cè)和無(wú)線射頻等技術(shù)，大多超出了中學(xué)生的知識(shí)范疇，理解和制作起來(lái)較困難。雖然有的學(xué)生按照說(shuō)明書(shū)能裝配成功，卻難以真正掌握其中的原理和調(diào)試技巧，不能達(dá)到培養(yǎng)自身創(chuàng)新能力的目的。

我在科技老師的指導(dǎo)和幫助下，利用所學(xué)物理知識(shí)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于磁導(dǎo)航的機(jī)器人循跡方式。該方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單、有效，在制作過(guò)程中，同學(xué)們可以有機(jī)地將理論和實(shí)際結(jié)合，享受制作的快樂(lè)。

一、工作原理

在高中物理中，我們學(xué)習(xí)過(guò)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論：變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。我的設(shè)計(jì)原理正是基于此展開(kāi)的。

我在循跡機(jī)器人的期望運(yùn)行路線下面鋪設(shè)銅導(dǎo)線，并通以20KHz的交流電。根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論可知，銅導(dǎo)線中變化的電場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，可通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)的檢測(cè)判斷機(jī)器人行進(jìn)路線的信息。

我在循跡機(jī)器人的底盤(pán)上安裝了若干個(gè)電感線圈，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)銅導(dǎo)線中的電流按一定規(guī)律發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)線周?chē)拇艌?chǎng)也隨之產(chǎn)生變化，機(jī)器人上安裝的電感線圈中將會(huì)感應(yīng)出一定的電動(dòng)勢(shì)。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與機(jī)器人底盤(pán)上的電感線圈到中心銅導(dǎo)線（期望路線）的距離r有關(guān)，是一個(gè)關(guān)于距離r的位置函數(shù)，即E=f（r）。磁導(dǎo)航循跡機(jī)器人實(shí)際上是將電感線圈作為自己的眼睛來(lái)識(shí)別路徑，從而達(dá)到自主行進(jìn)。

二、設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

對(duì)于機(jī)器人底盤(pán)上電感線圈的安裝布局，通過(guò)多種嘗試，我采用圖1所示的一字型擺放方式，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有效，電感線圈之間相互干擾小。因?yàn)殡姼芯€圈感應(yīng)的信號(hào)較弱，所以其與路面的垂直距離不能太高，大概為3cm至5cm。

針對(duì)單個(gè)電感線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)線位置的關(guān)系，我通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，畫(huà)出圖線，如圖2所示。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)線位置是偶函數(shù)關(guān)系，我就是通過(guò)這種規(guī)律來(lái)感知機(jī)器人所處的實(shí)時(shí)位置。

根據(jù)圖2中單個(gè)電感線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可得該電感線圈與銅導(dǎo)線（期望路線）之間的偏移量。通過(guò)對(duì)比全部電感線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，可以知道機(jī)器人與導(dǎo)航銅導(dǎo)線之間的位置關(guān)系。電感線圈A、B和C位置如圖1所示。

1.當(dāng)機(jī)器人偏向?qū)Ш姐~導(dǎo)線左側(cè)時(shí)，電感線圈C靠近銅導(dǎo)線，電壓值EC增大，而A遠(yuǎn)離銅導(dǎo)線，電壓值EA減小，此時(shí)EA-EC<0。

2.當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)在導(dǎo)航銅導(dǎo)線正中間時(shí)，A、C電感線圈電壓值EA和EC相等，此時(shí)EA-EC=0。

3.當(dāng)機(jī)器人偏向?qū)Ш姐~導(dǎo)線右側(cè)時(shí)，電感線圈A靠近銅導(dǎo)線，電壓值EA增大，而C遠(yuǎn)離銅導(dǎo)線，電壓值EC減小，此時(shí)EA-EC>0；

采用這種正負(fù)值判斷方法就可以判定運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的機(jī)器人與導(dǎo)航銅導(dǎo)線的位置關(guān)系，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)器人跟蹤導(dǎo)航線行駛。

由于電感線圈直接感應(yīng)出來(lái)的電動(dòng)勢(shì)很小，必須通過(guò)放大電路，將信號(hào)放大后使用。endprint