【正文】 的環(huán)節(jié)，使得傳感器工作在最佳狀態(tài)。穩(wěn)定性和快速性：一旦傳感器移動到引導條帶邊緣，傳感器應當及時、快速、穩(wěn)定地觸發(fā)，不允許有狀態(tài)的抖動，否則會引起機器人的搖晃。成本低廉：對于比賽機器人，價格是一個重要的因素。盡管市售產品中有性能良好的光電傳感器，但是一般還是以自己開發(fā)制作為宜。5．2．1 紅外光電反射式傳感器原理紅外線的波長介于可見光和無線電波之間，～1000 um。一般紅外光電反射式傳感器都選擇工作在近紅外區(qū)，～ um段內。大多數發(fā)光器件為880 nm、930nm兩個系列。880 nm較易受到外界光的干擾。紅外發(fā)光管的材料一般為砷化鉀（GaAS）半導體。～ um。小功率（小于100 wM）～ V，平均工作電流20～50 mA。紅外發(fā)光管有指向角、光軸、波長、輝度等性能指標。光敏元件常用光電二極管（也稱光敏二極管）與光電三極管（也稱光敏三極管），均為近紅外線接收管。它們接收到光的變化之后造成電流的改變，再經過放大及相關處理，用于各種控制目的。光電二極管是一種光電變換器件，當光照到PN結上時，它能吸收光能將之轉變?yōu)殡娔?。它有兩種工作狀態(tài)：加反向電壓時，二極管中的電流隨光照強度的大小而改變，光照強度越大，反向電流越大；不加電壓時，PN結受光照射作用，產生正向電壓，可充當微型光電池。在無光照情況下，光電二極管的正向電阻約10 kΩ，反向電阻為 ∞；有光照時，反向電阻隨光照強度增加而減小，阻值可達幾kΩ 或1 kΩ以下。無反壓時，正向電壓與光照強度成比例，～ V。5．2．2 基于反射光強度測量的紅外光電反射式傳感器電路如圖52所示，光電二極管工作在反向電壓下，當無反射光照射或光照較弱時（即檢測到深藍色底色），電阻為 ∞。比較器的負端由于上拉了電阻，與地之間有阻值為∞的光電二極管隔開，所以此時2端的電壓值較高；當反射光較強時（檢測到白色引導線），阻值下降到幾kΩ，在R6和D構成的回路中，比較器的輸入端2口分得電壓，這時的電壓值較小。可見在檢測白色和深藍色時2端的電壓值是不同的，因此在比較端3口調整輸入一個合適的比較值就可以根據檢測的顏色在1端輸出相應的信號值了。即當檢測到深藍色時，通過比較器輸出低電平，經過反向器輸出高電平，用于表示檢測到深藍色底色的指示燈亮；當檢測到白色時，通過比較器輸出高電平，經過反向器輸出低電平，指示燈滅。為了使辨色性能更好，采用增強光來加強效果，即每個接收管周圍放置四個紅色發(fā)光二極管，讓發(fā)射的光線中心部分好在接收管中心。經試驗證明，這種增強光起到了很好的改善效果。圖52紅外光電反射式傳感器電路 在實際設計中，根據擺放位置和分模塊設計的需要，將光電二極管單獨布置于一塊PCB板上（圖53(a)、圖53(b)），只輸出光電二極管是否導通的信號；可調電阻和比較器布置在另一塊PCB板上(圖54)，將光電二極管是否導通的信號轉化成相應的高低電平。這樣達到了分模塊的構想，也使得在不同的場地情況下，很方便快速地調節(jié)可調電阻部分。(a) 置于底盤的光電二極管電路(b) 置于底盤傳感器實物圖圖53 傳感器放置圖圖54 傳感器調節(jié)電路5．3 紅外光電反射式傳感器布局光電傳感器應盡量靠近地面，以便減少外界光源對傳感器的入侵。一般垂直高度為5～10 mm。離地面過遠，光反射效果差，信號不強；離地面過近，會導致反射角度太大，加劇光漫射干擾的影響，故應當適當，以保證傳感器具有最佳的反應。實際使用過程中總會遇到意想不到的問題，因此調試環(huán)節(jié)很重要。實際調試時可以先讓傳感器分別在兩種不同顏色的區(qū)域工作，觀察其正常電壓輸出，應當調整到兩種電壓有明顯區(qū)別的效果；然后讓傳感器在工作狀態(tài)下反復通過兩種顏色的邊界區(qū)，即由一個顏色區(qū)進入另一個顏色區(qū)，觀察輸出變化的幅度和響應的靈敏度。通過調整發(fā)射光強度、各個傳感器距地面的距離和位姿、輸出放大倍數或增加調制電路，以獲取最佳效果。比賽現場調定也是改善光電傳感器性能重要的一步，因為比賽現場與模擬現場的條件總會存在差別，要在電路中備留臨時可調整環(huán)節(jié)，這就是為什么要把調節(jié)電路單獨布置在一塊PCB上的原因。光電傳感器的布置及線路設置與使用傳感器的目的有關。若只是要求機器人不偏離路線，在行走方向的兩側各安一個或一組（3～5個）傳感器以控制機器人的左右偏轉就可；若要求機器人時刻紀錄巡線信息，可將光電傳感器排成一條線（直線形或弧線形皆可），由傳感器的返回信息可以判斷哪個在線上，通過計算就可以求出偏離的大概方位；若要求機器人從一個或多個方向接近路線時都能計算出位置信息，則可將傳感器安裝成圓形，結合機器人的旋轉角度就可計算出相對于路線的位置。當光電傳感器檢測到的顏色是路面底色（深藍色）時向單片機輸出高電平；當檢測到的顏色是引導線顏色（白色）時向單片機輸出低電平。這些向單片機輸入的高低電平實際是底盤與引導線的相對位置的表征量，單片機根據這些表征量來做出調整輸出，通過電機驅動板控制直流電機的起或停。由于機器人的底盤整體較大，所以布置在底盤的傳感器應盡量多，這樣可以檢測到底盤的多個位置，做出相應位置的快速響應。如圖55所示傳感器布置方法，傳感器采用20個，其中18個用于機器人姿態(tài)定位，2個用于計算所走格子數。，某排傳感器檢測到水平白色引導線時，對應該排的輪中心剛好在白色引導線上，可方便轉彎和在交叉引導線處及時調整。每排每兩個傳感器的間距為30 mm，其中用于計數的傳感器相對偏移為50 mm。.對其標號～。圖55 傳感器布局圖圖56 機器人底盤傳感器布局實物圖第6章 電機驅動電路設計驅動部分是機器人運動的源動力，控制著機器人的運動方向、速度以及執(zhí)行機構的到位情況。設計性能穩(wěn)定、快速響應CPU信號的電機驅動電路是機器人運動精度的重要保證。6．1 驅動電機的選用移動機器人的主動輪有多種驅動方式，其中采用電機加必要的傳動裝置應用最為廣泛。驅動電機為小車移動提供動力源泉，傳動裝置具有調速、改變運動方式、方向等作用。利用電壓、電流、頻率（包括指令脈沖）等控制方式，可以實現定速或變速驅動、反復起停的增量驅動以及復雜驅動。目前常用的控制電機有：電壓控制感應電動機（制動電動機或兩相伺服電動機）、電壓控制直流電動機（DC伺服電動機）、頻率控制同步（SM）電動機（步進型伺服電動機）、頻率控制感應(IM)電動機（感應型伺服電動機）、頻率控制磁阻電動機（步進電動機）等，每種電機又衍生出不同的小類型，不同電機的控制方式、特點和應用場合也不相同。本設計中考慮使用電機驅動車輪，且盡力縮小車體的體積，所以帶減速器的電機成為首選，這樣只需要將電機輸出軸和驅動輪連接起來即可。目前移動機器人領域應用較多的是步進電機和直流無刷電機（BLDC）兩種。步進電機是一種將電脈沖信號轉換成機械角位移模擬量的控制電機，其輸出的位移大小與輸入脈沖個數成正比且時間上與脈沖同步，通過改變脈沖頻率調節(jié)步進電機轉速。步進電機一般分為反應式（VR）、用磁式（PM）和混合式（HM）三種。反應式結構簡單、工作可靠、運行頻率高但轉子阻尼大、噪聲大，～150之間；永磁式功率小、效率高、價格低，～180之間；混合式介于二者之間，具有步距角小、頻率高、功率小的有點，但結構相對來說比較復雜，～。直流無刷電動機（BLDC）通過位置傳感器檢測磁鋼位置后，控制相電流通斷實現電子換向，避免換向火花，且不產生電磁干擾，具有壽命長、運行可靠、維修簡便、變速不受換向條件限制、高速運行、調速范圍寬等優(yōu)點。如果采用PWM控制，只需要通過軟件改變PWM波的占空比就可實現調速，這對提高移動機器人在運動中的靈活性非常有用。另外，隨著具有PWM輸出的單片機在機器人控制器中的廣泛應用，采用直流無刷電動機（BLDC）作為驅動電動機的越來越多。對比二者的特點，尤其是考慮到使用單片機作為控制器時設計的可靠性，本設計的驅動電機就選用帶減速器的直流無刷電動機（BLDC）電機。直流電機的優(yōu)點表現在以下方面： 具有較大的轉矩，從而能夠克服傳動裝置的摩擦轉矩和負載轉矩； 具有快速響應能力，可以適應復雜的速度變化和控制信號的變換； 電機的負載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負載沖擊的影響，增加的系統(tǒng)的可靠性； 直流電機的空載力矩大，在控制系統(tǒng)發(fā)出停轉的同時可以立刻響應，并且可以產生相當大的力矩阻止機器人由于慣性繼續(xù)向前移動； 直流電機具有很好的環(huán)境適應能力。除此之外，DC直流電機相對其他電機來說運動起來平穩(wěn)，而且噪聲小。在這里我們選用直流電機主要技術參數（電機自帶減速器）是：Unom=24V； Inom=4A ； nnom=180 r/min；Pnom=40W。6．2 直流電機的轉動控制驅動系統(tǒng)是機器人的手和腳，即運動機構和執(zhí)行機構的基本組成部分，它的任務不僅是向機器人傳遞動力，而且要提供準確的運動定位和靈活的操作。通常機器人驅動有電氣、液壓、氣壓三種方式。本設計采用電氣驅動直流電機。將直流電機與直流電源或電池連接就可以實現轉動。不過作為機器人的動力使用時，必須對電機進行轉動的開關（ON/OFF）和轉動方向等控制。使直流電機轉動，必須將它與電池等直流電源連接，如圖61所示。圖61 直流電機與電源的連接以恒定的速度轉動時DC電機的等效電路如圖62。這里，R0是轉子線圈的電阻，E0表示轉子線圈在定子磁場中轉動時產生的反電動勢。圖62 DC電機的等效電路 若用公式表示，則有V=RaIa+Ec (V)。這里忽略了電刷與整流子之間的接觸電壓。 通常采用半導體或繼電器來驅動直流電機。繼電器電路比較簡單，缺點是由于利用機械觸點，所以易產生噪聲，反應速度也比較慢。半導體主要是受溫度變化影響很大，不易控制輸出電壓值。常用的晶體管一般都是大功率型的，分為以下幾種方式：（a）集電極驅動 （b）發(fā)射極驅動 （c）大功率MOSFET圖 63 直流電機驅動電路圖63（a）是常用的電路，三極管的集電極與直流電機連接，改變基極的電壓可以控制與集電極的電機的電流。由于驅動力大，所以這種方式可用于電機的開關（ON/OFF）控制。圖63（b）把三極管的發(fā)射極與直流電機連接，改變基極電壓可以控制與發(fā)射極連接的電機的電壓。由于三極管起到可變電阻的作用，所以它會造成電壓降并損耗一定的電能。在低速工作的場合，電壓降較大，導致電能的使用效率下降，所以常用于速度控制。圖63（c）與圖63（a）相似，但是改用大功率MOSFET。大功率MOSFET是電壓驅動元件，僅僅施加門電壓即可動作，因此電路簡單，可在高速下工作。此外，此類元件工作的熱特性穩(wěn)定，最近使用得越來越多。不過上面介紹的電路只能使電機沿一個固定的方向轉動，不大符合機器人的實際要求，因為它不僅需要前進，也需要后退。這時，可以改成圖64所示的橋式驅動電路。該電路可實現電機的正轉、反轉。在圖64中開關可以采用三極管或FET。（a）正轉 （b） 反轉圖64 橋式電路的動作原理（1）圖64借助對角線方向的一對開關的開閉組合來控制電機的轉向，而圖65（a）表示還能利用開關的開閉實現電機的制動功能。其原理是由于電機線圈兩端處于短路狀態(tài)，當外力企圖使電機轉動時，產生的反電動勢將起到制動的作用。（a）制動 （b）短路圖65 橋式電路的動作原理（2）可是，在橋式電路中，當同側開關處于圖65（b）所示的閉合狀態(tài)時，電源實際上將被短路，電路中將出現過大的電流。這時，原來擔負開關的任務的三極管或FET將被損壞，因此必須注意避免這種情況的發(fā)生。6．3 直流電機的速度控制用開關（ON/OFF）控制直流電機，只能控制起轉動或停止。實際應用的場合，根據任務的要求，需要控制直流電機的速度。兩種典型的控制電機速度的方法是改變施加在電機上的電壓以及PWM（脈寬調制）。第一種方法，如果使用的使三極管，那么控制電路（發(fā)射極?? 跟蹤電路）基本上與電機的開關控制差不多（參加圖66）。與控制電壓Vcont相比，施加在電機上的端電壓VM僅僅低出VBE（三極管基極與發(fā)射極之間的電壓降）。由于VBE基本上不變，所以Vcont的變化也就是VM的變化。圖66 改變電壓實現速度控制圖66的電路中，電源電壓在三極管的集電極和發(fā)射極之間產生電壓降，會造成集電極發(fā)熱加劇，因此需要對三極管采取散熱措施。特別地，在低電壓、低速轉動區(qū)段，三極管中的電壓降低很大，電源效率會顯著降低。第二種方法，即PWM控制就是給DC電機輸入高速的開關脈沖信號，通過改變脈沖信號開關的比例，達到速度控制的效果，如圖67所示。圖67 基于PWM的速度控制 施加給電機的電壓呈圖68所示的脈沖波形，它的占空比，即信號中ON和OFF的比例也是可以改變的。圖68 PWM控制采用的波形簡單的解釋是，由于在ON的時間內施加電壓，OFF的時間內切斷電壓，因此電機的轉動將是斷續(xù)的。不過在脈沖波形的OFF區(qū)段，電機線圈內部存儲的能量能夠產生沿續(xù)流二極管流動的電壓（參見圖67），因此得以繼續(xù)維持轉動。由此可見，脈沖波形的比例（占空比）和儲存在電線圈中的能量，以及二極管釋放的能量三者均可以任意改變，這個作用與上面改變電壓的方法類似，同樣能實現速度控制。實際上，為了使電機能平穩(wěn)地工作，脈沖的重復周期應該具有相當程度的快速性。PWM控制的基本電路與ON/OFF控制相同，電路構成也很簡單。施加在電機上的PWM信號一般為幾千赫至幾十千赫。在電機的PWM速度控制方法中還可以區(qū)分若干種方法，如將脈沖發(fā)生電路與電機驅動電路組合、PWM控制專用芯片的硬件控制、以及借助軟件產生脈沖等等。6．4 電機驅動電路設計為了機器人的驅動部分有更多的選擇條件，本設計既用了半導體驅動電路，也用了電磁繼電器驅動電路。6．4．1 基于L298的驅動電路圖69是專用的電機驅動IC，如果選用這樣的驅動芯片，電路設計就變得非常簡單了。 圖69電機驅動芯片L298圖610 L2