一種機(jī)器人的尋跡算法

1 引言

近年來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國(guó)防等領(lǐng)域，機(jī)器人的智能水平不斷提高。在自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)中，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能就必須要感知導(dǎo)引線，即常說的“尋跡”，這相當(dāng)于給機(jī)器人一個(gè)視覺功能。

筆者所設(shè)計(jì)的機(jī)器人是一個(gè)自動(dòng)導(dǎo)引小車(AGV)，包括兩大部分：一是行進(jìn)方向的檢測(cè)處理；二是步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

在該系統(tǒng)里，采用與地面顏色有較大差別的線條作引導(dǎo)，使用傳感器感知導(dǎo)引線，用單片機(jī)AT89C52掃描光電傳感器組，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理并做出邏輯判斷后，得到行進(jìn)方向，然后根據(jù)一定的步數(shù)去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的循跡行進(jìn)。

小車的驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有快速起停能力，且轉(zhuǎn)換精度高，正反轉(zhuǎn)控制靈活。

2 硬件電路

采用AT89C52單片機(jī)作為控制核心對(duì)光電傳感器送來(lái)的各種信號(hào)進(jìn)行分析處理，以控制機(jī)器人的方向和驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)顯示等，如圖1所示。

為了檢測(cè)黑色導(dǎo)引線，筆者采用了8個(gè)光電傳感器組成的矩陣組。如圖2所示，相對(duì)于小車底盤的中心，我們布置了內(nèi)外兩層各4個(gè)傳感器。每層4個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)著中心的4個(gè)方向：前、后、左前、右前?？刹捎脪呙璺绞椒謨纱蔚玫礁餍袛?shù)據(jù)。

圖1 硬件框圖

圖2 光電傳感器矩陣組

導(dǎo)引線檢測(cè)的具體電路如圖3所示。此處采用的是TCRT1000反射式紅外光電傳感器。以第1行第1列的光電傳感器為例，其工作原理是這樣的：P1 .0輸出低電平時(shí)，三極管A1015導(dǎo)通，光電傳感器工作，TCRT1000的發(fā)射端發(fā)出不可見的紅外光。當(dāng)反射物由非黑色導(dǎo)引線變?yōu)楹谏珜?dǎo)引線時(shí)，光電三極管的基極接受不到反射光，從而光敏三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，使得集電極電壓由低電平變?yōu)楦唠娖剑?jīng)過74LS14反相器反相整形，輸出值由邏輯1變?yōu)檫壿?后，送入單片機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步處理。

值得指出的是在此處PNP三極管A1015的使用。此處如果選用NPN三極管，則在開機(jī)或復(fù)位時(shí)P1口各位輸出高電平會(huì)誤掃描傳感器矩陣，而選用PNP三極管就可以避免這種情況，能很好的控制光電傳感器的工作，并可以增加驅(qū)動(dòng)能力。

圖3 光電傳感器尋跡電路圖

3 尋跡

單片機(jī)控制尋跡的原理是這樣的：第一步，通過矩陣式掃描，即給光電傳感器矩陣分別輸入兩個(gè)“1”信號(hào)的行值，將輸出的4個(gè)列值信號(hào)分別存入兩個(gè)地址（如30H、31H）的低4位，低4位從高到低分別對(duì)應(yīng)著4個(gè)方向：前、后、左前、右前。然后用“F0”與這八位做“或”邏輯運(yùn)算，即屏蔽掉高四位后作為本次的信號(hào)值；第二步，將本次的信號(hào)值與上一次掃描處理后的信號(hào)值進(jìn)行邏輯處理，得出一個(gè)新方向，作為機(jī)器人行進(jìn)的方向。

在這個(gè)程序里，邏輯處理內(nèi)外層得到新方向是尋跡的關(guān)鍵。筆者在其中按先后步驟使用了3種規(guī)則：

前后比較規(guī)則，內(nèi)外層切換規(guī)則，優(yōu)先級(jí)規(guī)則。

（1） 前后比較規(guī)則

此規(guī)則是這個(gè)算法的核心規(guī)則。它的目的是盡可能的用新探測(cè)到的黑點(diǎn)作為新方向。新方向F通過

（1）

來(lái)求得。（其中 為本次的信號(hào)值， 為前次的信號(hào)值）邏輯處理前“0”表示黑線軌跡，邏輯處理后“1”表示軌跡行進(jìn)方向。舉例如下：以內(nèi)層為例，設(shè)當(dāng)前測(cè)得的值為

且前一次測(cè)得的值為

經(jīng)過上述（1）邏輯處理后，假設(shè)結(jié)果為

則正前方是行進(jìn)的新方向。

（2） 內(nèi)外層切換規(guī)則

如果光電傳感器組前后兩次所檢測(cè)的值完全一樣，則在邏輯處理后會(huì)出現(xiàn)全零，這時(shí)保持原方向行進(jìn)。如果碰到曲線拐彎或者曲線斷續(xù)，則有可能出現(xiàn)多個(gè) “1”即多個(gè)方向，這時(shí)可采用“內(nèi)外層切換規(guī)則”，也就是說從內(nèi)層切換到外層，啟用外層掃描值重復(fù)上述前后比較規(guī)則來(lái)進(jìn)行判斷。啟用外層信號(hào)進(jìn)行二次判斷能很好的處理曲線拐彎及曲線斷續(xù)等內(nèi)層處理不好的情況。但用外層信號(hào)判斷，因?yàn)槠鋫鞲衅鞑贾玫拈g隙距離比內(nèi)層大，其控制精度不如用內(nèi)層信號(hào)判斷高。

（3） 糾錯(cuò)規(guī)則

在運(yùn)行中，傳感器有可能受到干擾而發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)導(dǎo)致機(jī)器人走錯(cuò)或迷失方向，這個(gè)時(shí)候糾錯(cuò)規(guī)則能讓機(jī)器人后退起到糾錯(cuò)作用。所謂糾錯(cuò)規(guī)則就是在走錯(cuò)后出現(xiàn)了內(nèi)外層左前、前、右前均沒有探測(cè)到引導(dǎo)線，而后向探測(cè)到了導(dǎo)引線的情況下，讓機(jī)器人后退，一直退到前面三個(gè)方向傳感器里有傳感器探測(cè)到導(dǎo)引線為止。此時(shí)再用（1）式求得新的行進(jìn)方向，從而實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)功能。

其中前后比較法的邏輯處理及隨后的判斷程序具體如下：（30H放本次信號(hào)值，32H放前次信號(hào)值）

DATADEAL：MOV A， 30H

XRL A， 32H

ANL A， 32H ；按（1）式求新向

MOV 36H， A ；保存

MOV R3， #8

MOV R4， #0

COUNT： JB ACC.0, ADDN

COUNT1： RR A

DJNZ R3， COUNT

CJNE R4， #1H， JUDGE ；R4里所含不是1個(gè)“1”時(shí)，

；轉(zhuǎn)“JUDGE”再判斷

AJMP MOTORRUN ；R4里只有一個(gè)“1”時(shí)，以此

；“1”所代表的方向作為新方向

ADDN： INC R4

AJMP COUNT1

JUDGE： JC KEEPMOVE ；少于一個(gè)“1”，保持原方向

AJMP OUTCHECK ；多于一個(gè)“1”，則取用外層

……

MOTORRUN：…… ；電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序

KEEPMOVE：…… ；保持原運(yùn)動(dòng)狀態(tài)子程序

OUTCHECK：…… ；取用外層信號(hào)值判斷子程序

4 執(zhí)行

導(dǎo)引機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式采用一驅(qū)動(dòng)輪一轉(zhuǎn)向輪方式：將后輪作為驅(qū)動(dòng)輪，前輪作為轉(zhuǎn)向輪，通過切換轉(zhuǎn)向輪向左或向右的方式改變機(jī)器人的方向。這種方式與汽車的控制方式一樣，直線行進(jìn)性能好，可以高速移動(dòng)。從1個(gè)步進(jìn)脈沖對(duì)應(yīng)的行進(jìn)路程，可以預(yù)算出應(yīng)給步進(jìn)電機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)。預(yù)定的行進(jìn)路程以小于內(nèi)層傳感器間隙距離的1/2為宜，這樣可以保證機(jī)器人位置測(cè)量的連續(xù)性和方向識(shí)別的準(zhǔn)確性。單片機(jī)AT89C52根據(jù)其邏輯處理出來(lái)的方向，調(diào)用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人循跡連續(xù)運(yùn)動(dòng)的功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者在做好硬件部分的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述思路編制了程序進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中筆者采用了與底色有較大差異的黑色膠帶作導(dǎo)引線，膠帶寬1.8cm，其中導(dǎo)引線總長(zhǎng)6000mm，斷續(xù)部分的間斷距離不大于10mm，步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行一次驅(qū)動(dòng)預(yù)定的行進(jìn)路程為4mm。在沒有強(qiáng)烈日光干擾的情況下，筆者所設(shè)計(jì)的尋跡系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別黑色導(dǎo)引線并選擇正確的方向運(yùn)動(dòng)。測(cè)試結(jié)果：系統(tǒng)總能在60S內(nèi)連續(xù)正確地走完全程，而且機(jī)器人（中心）所走的軌跡基本上在黑線上。可見，即使是比較復(fù)雜的曲線，筆者設(shè)計(jì)的導(dǎo)引機(jī)器人也能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)尋跡功能。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是：針對(duì)基于光電傳感器組尋跡的自動(dòng)導(dǎo)引機(jī)器人，設(shè)計(jì)了一種新的傳感器陣列的布置方式。根據(jù)此布置方式，提出了三個(gè)處理規(guī)則結(jié)合而成的軌跡識(shí)別算法。

參考文獻(xiàn)

1． 何立民.MCS—51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003年

2． 廖華麗，周祥，董豐，王延旗.基于模糊控制的AGV尋跡算法.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2005（7）

3． 胡銀彪，馮建超.拖靶高度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).微計(jì)算機(jī)信息 2002（11）