【正文】 器人走迷宮的硬件需要，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用 L298n 驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)能正常前進(jìn) ，同時(shí)在對(duì)一些經(jīng)典的智能搜索算法深度優(yōu)先搜索算法和廣度優(yōu)先搜索算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)，我設(shè)計(jì)出一種坐標(biāo)法。 迷宮場(chǎng)地要求 如下圖 21 所 示，迷宮場(chǎng)地由 88 個(gè) 18cm18cm 大小相同的正方形單元所組成。 圖 21 迷宮場(chǎng)地圖 終點(diǎn) 起點(diǎn) 3 迷宮的隔墻高 5cm，厚 ，迷宮的地面為木質(zhì)，使用油漆漆成黑色 迷宮隔墻的側(cè)面為白色，頂部為紅色。因此兩個(gè)隔墻所構(gòu)成通道的 。 實(shí)際距離為 16cm。外墻將整個(gè)迷宮封閉。隔墻側(cè)面和頂部的涂料能夠反射紅外線，地板的涂料 則能夠吸收紅外線。迷宮的起始單元可選設(shè)在迷宮四個(gè)角落之中的任何一個(gè)。迷宮制作的尺寸精度誤差應(yīng)不大于 6%，或小于 3cm。起始單元必須三面有隔墻，只留一個(gè)出口。除了終點(diǎn)區(qū)域的格點(diǎn)外，每個(gè)格點(diǎn)至少要 與一面隔墻相接觸 。 迷宮地板的接縫不能大于 ，接合點(diǎn)的坡度變化不超過 5 度。隔墻之間的空隙不大于 。在每個(gè)單元的四角可以插上一個(gè)小立柱，其截面為正方形。立柱長(zhǎng) ，寬 ，高6cm。小立柱所處的位置稱為 “格點(diǎn) ”。使用紅外傳感器計(jì)算穿越迷宮時(shí)間，起點(diǎn)處放置起點(diǎn)紅外傳感器，用于觸發(fā)啟動(dòng)計(jì)時(shí)；終點(diǎn)處放 置終點(diǎn)紅外傳感器，用于結(jié)束計(jì)時(shí)。 傳感器沿水平方向 。 發(fā)射紅外線，高出地面約 1cm。 迷宮機(jī)器人要求 機(jī)器人必須自成獨(dú)立系統(tǒng)，只能使用 電 作為機(jī)器人的動(dòng)力，并不能用帶線的電源供電，不能使用遙控，機(jī)器人的長(zhǎng)和寬限定在 15cm15cm。每次運(yùn)行中機(jī)器人幾何尺寸的變化不能超過 17cm17cm。對(duì)機(jī)器人的高度不能高出迷宮墻壁的 1/3。機(jī)器人不能跳越、攀爬、鉆挖和損毀迷宮隔墻。并且機(jī)器人在迷宮的行駛過程中任何東西都不允許留下。 4 第二 章 迷宮機(jī)器 硬件設(shè)計(jì) 機(jī)器人的主部件對(duì)于機(jī)器人來說是至關(guān)重要的，這種時(shí)間比賽， 絕大部分是硬件結(jié)構(gòu)的較量，強(qiáng)硬精妙合理的硬件結(jié)構(gòu)再加上好的控制策略必定能常立于不敗之地。機(jī)器人的主部件主要包括：電機(jī)、輪子、傳感器、控制器以及其他的一些輔助作材料等。 小車 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 迷宮機(jī)器人要求小巧靈活，能在最短時(shí)間達(dá)到目的地，因此小車地盤的選擇尤為重要，本次設(shè)計(jì)我選擇 的 底盤 的材料是有機(jī)玻璃板 ，自己用鋼鋸加工而成，輕便靈活而不失韌度， 旋轉(zhuǎn)快捷， 底盤為類圓形， 使得小車在迷宮中能很好的旋轉(zhuǎn)而不碰壁， 贏得較短時(shí)間；底盤直徑加大 至 150MM，可以安裝更多的傳感器，為小車提供了更多的升級(jí)空間。 底盤留有直徑 的推球槽，載重更強(qiáng)。車輪由 2 片車輪片拼裝而成，并帶有一個(gè)不銹鋼萬向輪。增加了車體的承重機(jī)械強(qiáng)度。 輪胎材質(zhì)選用抗老化的防滑硅膠， 不管是爬坡的路面還是適應(yīng)光滑路面都適合 。電源方案選用 2 節(jié) AA 電池盒，適合 51 系列、 AVR 系列、 PIC 系列等多種單片機(jī)或數(shù)字電路供電，本車還設(shè)計(jì)有鋰電池盒預(yù)留位，車體上安裝 2 支銅柱 。 用于固定小車主控板；并且還能提升小車空間，可以加大傳感器和控制器的安裝位置，為了方便升級(jí)小車，底盤預(yù)留了許多安裝孔，適合安裝配套的主控板和傳感器模塊等一系列配件，也可以安裝小車所需的其它電路板。 綜合所述，我們選用小車地盤的基本參數(shù)如下： 底盤直 徑： 150MM 車輪直徑： 50MM 安裝孔： 3MM 推球槽： 80MM 萬向輪： 5MM 5 圖 21 小車 底 部結(jié)構(gòu) 電機(jī) 迷宮機(jī)器人大賽是一場(chǎng)速度的較量，時(shí)間性比賽，這就要求該機(jī)器人具有很強(qiáng)的推動(dòng)力、靈活性好且能夠承受頻繁地加速、減速、改變轉(zhuǎn)向和制動(dòng)，因此我在選擇電機(jī)時(shí)就要注意選擇的電機(jī)必須滿足以下性能：控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、加減速性能好。 目前市場(chǎng)應(yīng)用的電機(jī)種類繁多，根據(jù)電能種類分為交流電機(jī)和直流電機(jī)，由于交流電機(jī)需要交流電源控制 ，眾所周知，交流電不易存貯，而機(jī)器人要求能夠自主快速移動(dòng)，所以機(jī)器人不方便到場(chǎng)地外引用交流電源，最重要的一點(diǎn)就是，交流電 6 機(jī)的控制非常復(fù)雜，所以選用直流電機(jī)。 直流電機(jī)又分為直流無刷電機(jī)和直流有刷電機(jī)，直流無刷電機(jī)噪音低，電磁干擾低，轉(zhuǎn)速高，可靠性受電子元器件影響，通常還要配驅(qū)動(dòng)器，價(jià)格比較貴。直流有刷電機(jī)，相對(duì)噪音高，電磁干擾強(qiáng)（電刷、渦流等），轉(zhuǎn)速低，可靠性高，通常給電就可以轉(zhuǎn)，價(jià)格相對(duì)便宜一些，所以本機(jī)器人選用直流有刷 電機(jī) [2]。 綜合所述，我們選用 DC3V6V 長(zhǎng)尾軸直流減速電機(jī) ，該電機(jī)的基本參數(shù)如下 ： 電壓： 3V～ 6V 電流： 80100mA 轉(zhuǎn)速： 5000 轉(zhuǎn) /分鐘 減速比： 256 輸出負(fù)載轉(zhuǎn)速： 1422 轉(zhuǎn) /分 輸出扭矩： 圖 22 小車電機(jī) 主控芯片選擇 鑒于本次設(shè)計(jì)需要，我選用 AVRmegal6L 單片機(jī)，高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位 ,采用精簡(jiǎn)指令集，以字作為指令長(zhǎng)度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中，取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令 [3]。該單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取 8 位機(jī)與 16 位機(jī)的折中策略，即采用局部寄存器存堆和單 體高速輸入 、 輸出的方案 (即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯 )。 AVR 單片機(jī)內(nèi)嵌高質(zhì)量的 Flash 程序存儲(chǔ)器，擦寫方便，支持 ISP 和 7 IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新。 AVR 單片機(jī)的 I/O 線全部帶可設(shè)置的上拉電阻、可單獨(dú)設(shè)定為輸入 、 輸出、可設(shè)定（初始）高阻輸入、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（可省去功率驅(qū)動(dòng)器件）等特性，使的得 I/O 口資源靈活、功能強(qiáng)大、可充分利用。 AVR單片機(jī)有自動(dòng)上電復(fù)位電路、獨(dú)立的看門狗電路、低電壓檢測(cè)電路 BOD，多個(gè)復(fù)位源 (自動(dòng)上下電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、 BOD 復(fù)位 )，可設(shè)置的 啟動(dòng)后延時(shí)運(yùn)行程序，增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。 AVR 單片機(jī)具有多種省電休眠模式，且可寬電壓運(yùn)行（ ），抗干擾能力強(qiáng)，可降低一般 8 位機(jī)中的軟件抗干擾 。 設(shè)計(jì)工作量和硬件的使用量。結(jié)合以上所說的優(yōu)點(diǎn)， 因此我選擇此單片機(jī) [4]。 根據(jù)外圍硬件的特點(diǎn)，我 軟件用的是 Altium Designer 版 本 PCB 繪圖軟件設(shè)計(jì)出單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路板，并 。印制出單片機(jī)最小系統(tǒng) PCB 板，并焊上所需原件，并通過實(shí)驗(yàn)，證明此電路板有效和運(yùn)行穩(wěn)定。得到如下圖的電路板。 圖 23 本機(jī)器人所選用的單片機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 本設(shè)計(jì)采用 L298N。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它是 S。T 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用 1把。 5腳封裝。主要特點(diǎn)是 L298N 雙 H 橋直流 /步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 工作電壓高， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源電壓 DC 5。40V， 在本次設(shè)計(jì)中用兩節(jié)鋰電池供電，供電電壓為 9V 左右 。 輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A，最大輸出功率 2。5W。可單獨(dú)控制 2。臺(tái)直流電機(jī)或 1臺(tái)兩相 。4線 (或 6。線 )步進(jìn)電機(jī)。 在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分 。在低電壓下 。工作；可以外接檢測(cè) 電阻，將變化量反饋給控制電路。 可以采用 把并聯(lián)接法控制一臺(tái)高達(dá) 3【【 A 的直流電機(jī)。可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可通過 P。W【【 M 方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 8 綜合所述，我選用 L298N 芯片驅(qū)動(dòng) ，該驅(qū)動(dòng)的基本參數(shù)如下： 尺寸： 80mm*45mm 主要芯片： L298N、光電耦合器 工作電壓：控制信號(hào)直流 5V； 最大工作電流： 3A 額定功率： 25W 圖 24 選用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 檢測(cè)迷宮墻壁的傳感器 由于迷宮場(chǎng)地是黑色地面，白色的墻，所選用的傳感器為光電開關(guān)（光電傳感器）。它是光電接近開關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢 測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步 回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無的 物體不限于金屬，所有能反射光 的物體均 （即除開黑色的物體） 可被檢測(cè)。光電開關(guān)將輸入 光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出 。 它的用途非常廣泛，在安防系統(tǒng)中常用 光電開關(guān)煙霧報(bào)警器 的檢測(cè)傳感器 ， 自動(dòng)門用來檢測(cè)是否有人進(jìn)入， 工業(yè)中經(jīng)常用它來記數(shù) 。 產(chǎn)品的生產(chǎn)個(gè)數(shù) 。本次設(shè)計(jì)用來檢查前方或兩側(cè)是否有墻，從而辨別機(jī)器 。 人所在迷宮的位置 ， 從而精確定位 [5]。 綜合所述，我選光電傳感器，該傳感器的基本參數(shù)如下： 9 型號(hào)： E3FDS30C4 品名：光電開關(guān)漫反射型 外形：直徑 18 毫米圓 柱體 檢測(cè)距離： 30 CM 距離可調(diào) 檢測(cè)物體：不透明體 工作電壓：直流 DC636V 以內(nèi) 輸出方式： NPN 三線常開 輸出電流： 300 毫安 外殼材料：塑料 ABS 圖 25 光電傳感器 10 第三 章 電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)軟件的介紹 電路設(shè)計(jì)軟件用的是 Altium Designer 它 是 Protel 的升級(jí)版本， Altium Designer Summer 6. 9 功能更加強(qiáng)大，這必將 把 幫助用戶更輕松地創(chuàng)建電子設(shè)計(jì)，更符合電子 設(shè)計(jì)師 的要求， Altium 的一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將硬件、 軟件 和可編程 。 硬件集合在一個(gè)單一的環(huán)境中，這將令用戶自由地探索新的設(shè)計(jì)構(gòu)想，在整個(gè)設(shè)計(jì)構(gòu)成中，每個(gè)人都使用同一個(gè)設(shè)計(jì)界面， Summer 版本解決了大量歷史遺留的工具問題，其中就包括了增加更多的機(jī)械層設(shè)置、增強(qiáng)的原理圖網(wǎng)絡(luò)類定義， 新版本中更關(guān)注于改進(jìn)測(cè)試點(diǎn)的分配和管理、精簡(jiǎn) 嵌入式軟件開發(fā) 、軟設(shè)計(jì)中智能化調(diào)試和流暢的License 理等功能 [6]。 Altium Designer Summer 所具有的新功能和新特性： （ 1） 增強(qiáng)了圖形化 DRC 違規(guī)顯示 Summer 版本改進(jìn)了在線實(shí)時(shí)及批量 DRC 檢測(cè)中顯示的傳統(tǒng)違規(guī)的圖形化信息，其含蓋了主要的設(shè)計(jì)規(guī)則，利用與一個(gè)可定義的指示違規(guī)信息的掩蓋 圖形的合成，用戶現(xiàn)在已經(jīng)可以更靈活的解決出現(xiàn)在設(shè)計(jì)中的 DRC 錯(cuò)誤 [7]。 （ 2） 用戶自定制 PCB 布線網(wǎng)絡(luò)顏色 Summer 版本允許用戶在 PCB 文件中自定義布線網(wǎng)絡(luò)顯示的顏色。現(xiàn)在，用戶完全可以使用一種指定的顏色替代常用當(dāng)前板層顏色作為布線網(wǎng)絡(luò)顯示的顏色，并將該特性延伸到圖形迭層模式，進(jìn)一步增強(qiáng)了 PCB 的可視化特性。 （ 3） PCB 板機(jī)械層設(shè)定增加到 32 層 Altium Designer 版本為板級(jí)設(shè)計(jì)新增了 16 個(gè)機(jī)械層定義，使總的機(jī)械層定義達(dá)到 32 層， 3D 單層顯示模式，改進(jìn)了測(cè)試點(diǎn)管理 系統(tǒng)。 （ 4） 改進(jìn)了 Direct X 圖形重建速度 在 Altium Designer Summer 的 PCB 應(yīng)用中增強(qiáng)了 Direct X 圖形引擎的功能，直接關(guān)系到圖形重建的速度，由于圖形重構(gòu)是不常用到的，如果不是非常必要，將不再執(zhí)行重構(gòu)的操作，同時(shí)也優(yōu)化了 Direct X 數(shù)據(jù)填充特性，經(jīng)過測(cè)試， Summer 將在原版本的基礎(chǔ)上提升 20%的圖形 處理性能 [8]。 11 圖 31 Altium Designer 全新界面 控制器最小系統(tǒng)電路 控 該系統(tǒng)模塊的控制核心是 AVR 高速 單片機(jī) ATmega16。 其 CPU 工作頻率最高可達(dá) 16MHz，內(nèi)部集成了 8 通道的高達(dá) 10 位精度的 A/D 采集模塊和 8 通道的 8 位或者 4 通道 16 位的脈沖寬度調(diào)制 PWM， 具有速度快、價(jià)格低、可靠性高，穩(wěn)定性強(qiáng)， I/O 口線驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)和片內(nèi)集成外設(shè)資源豐富等特點(diǎn)， 其硬件最小系統(tǒng)是指可以使內(nèi)部程序運(yùn)行的所必須的外圍電路，也可以包括寫入器接口電路，一般情況下，硬件最小系統(tǒng)有電源、晶振電路組成，芯片要工作必須有電源與工作時(shí)鐘，至 于復(fù)位電路則提供了不掉電情況下 MCU 重新啟動(dòng)的手段， 由于 AVR 單片機(jī) 具有高速性，可利用 I/O 端口線以 軟件 方式模擬 PDIUSBD12 的時(shí)序，對(duì)其讀寫 ， 大部分芯片提供了在板或在系統(tǒng)（ On System） 。 寫入程序功能， 這種方式可根據(jù)不同的 微處理器 。速度靈活控制 PDIUSBD12 的時(shí)序和地址，無需譯碼電路， 即把空白芯片焊接到電路板上后，再通過寫入器把程序下載到芯片中，這樣，硬件最小系統(tǒng)應(yīng)該把寫入器接口電路也包含在其中，基于這個(gè)思路，該硬件最小系統(tǒng)包括電源及其濾波電路、復(fù)位電路、晶振電路和寫入器接口 電路 [9]。其最小系統(tǒng)原理圖如下 。 12 圖 32 控制器最小系統(tǒng)電 圖 33 控制器最小系統(tǒng) PCB板走線圖 13 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)含兩個(gè) H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn) 。TTL 邏輯電平信 號(hào)，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載 ， 采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。驅(qū)動(dòng)的控制電壓來自于控制器，最高為 5V，而驅(qū)動(dòng)電壓為兩節(jié)電池直接供電。當(dāng)ENA 使能 IN1 IN2 控制 OUT1 OUT2，當(dāng) ENB 使能 IN3 IN4 控制 OUT3 OUT4。 圖 34 驅(qū)動(dòng)控制 圖 35