【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(dòng)到引導(dǎo)條帶邊緣，傳感器應(yīng)當(dāng)及時(shí)、快速、穩(wěn)定地觸發(fā)，不允許有狀態(tài)的抖動(dòng)，否則會(huì)引起機(jī)器人的搖晃。成本低廉：對(duì)于比賽機(jī)器人，價(jià)格是一個(gè)重要的因素。盡管市售產(chǎn)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(zhǎng)介于可見光和無(wú)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(nèi)。大多數(shù)發(fā)光器件為880 nm、930nm兩個(gè)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(dǎo)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(zhǎng)、輝度等性能指標(biāo)。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(jīng)過放大及相關(guān)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(dāng)光照到PN結(jié)上時(shí)，它能吸收光能將之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。它有兩種工作狀態(tài)：加反向電壓時(shí)，二極管中的電流隨光照強(qiáng)度的大小而改變，光照強(qiáng)度越大，反向電流越大；不加電壓時(shí)，PN結(jié)受光照射作用，產(chǎn)生正向電壓，可充當(dāng)微型光電池。在無(wú)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(shí)，反向電阻隨光照強(qiáng)度增加而減小，阻值可達(dá)幾kΩ 或1 kΩ以下。無(wú)反壓時(shí)，正向電壓與光照強(qiáng)度成比例，～ V。5．2．2 基于反射光強(qiáng)度測(cè)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(dāng)無(wú)反射光照射或光照較弱時(shí)（即檢測(cè)到深藍(lán)色底色），電阻為 ∞。比較器的負(fù)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(shí)2端的電壓值較高；當(dāng)反射光較強(qiáng)時(shí)（檢測(cè)到白色引導(dǎo)線），阻值下降到幾kΩ，在R6和D構(gòu)成的回路中，比較器的輸入端2口分得電壓，這時(shí)的電壓值較小。可見在檢測(cè)白色和深藍(lán)色時(shí)2端的電壓值是不同的，因此在比較端3口調(diào)整輸入一個(gè)合適的比較值就可以根據(jù)檢測(cè)的顏色在1端輸出相應(yīng)的信號(hào)值了。即當(dāng)檢測(cè)到深藍(lán)色時(shí)，通過比較器輸出低電平，經(jīng)過反向器輸出高電平，用于表示檢測(cè)到深藍(lán)色底色的指示燈亮；當(dāng)檢測(cè)到白色時(shí)，通過比較器輸出高電平，經(jīng)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(qiáng)光來(lái)加強(qiáng)效果，即每個(gè)接收管周圍放置四個(gè)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(jīng)試驗(yàn)證明，這種增強(qiáng)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(shí)際設(shè)計(jì)中，根據(jù)擺放位置和分模塊設(shè)計(jì)的需要，將光電二極管單獨(dú)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(dǎo)通的信號(hào)；可調(diào)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(dǎo)通的信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的高低電平。這樣達(dá)到了分模塊的構(gòu)想，也使得在不同的場(chǎng)地情況下，很方便快速地調(diào)節(jié)可調(diào)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(shí)物圖圖53 傳感器放置圖圖54 傳感器調(diào)節(jié)電路5．3 紅外光電反射式傳感器布局光電傳感器應(yīng)盡量靠近地面，以便減少外界光源對(duì)傳感器的入侵。一般垂直高度為5～10 mm。離地面過遠(yuǎn)，光反射效果差，信號(hào)不強(qiáng)；離地面過近，會(huì)導(dǎo)致反射角度太大，加劇光漫射干擾的影響，故應(yīng)當(dāng)適當(dāng)，以保證傳感器具有最佳的反應(yīng)。實(shí)際使用過程中總會(huì)遇到意想不到的問題，因此調(diào)試環(huán)節(jié)很重要。實(shí)際調(diào)試時(shí)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(yīng)當(dāng)調(diào)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(fù)通過兩種顏色的邊界區(qū)，即由一個(gè)顏色區(qū)進(jìn)入另一個(gè)顏色區(qū)，觀察輸出變化的幅度和響應(yīng)的靈敏度。通過調(diào)整發(fā)射光強(qiáng)度、各個(gè)傳感器距地面的距離和位姿、輸出放大倍數(shù)或增加調(diào)制電路，以獲取最佳效果。比賽現(xiàn)場(chǎng)調(diào)定也是改善光電傳感器性能重要的一步，因?yàn)楸荣惉F(xiàn)場(chǎng)與模擬現(xiàn)場(chǎng)的條件總會(huì)存在差別，要在電路中備留臨時(shí)可調(diào)整環(huán)節(jié)，這就是為什么要把調(diào)節(jié)電路單獨(dú)布置在一塊PCB上的原因。光電傳感器的布置及線路設(shè)置與使用傳感器的目的有關(guān)。若只是要求機(jī)器人不偏離路線，在行走方向的兩側(cè)各安一個(gè)或一組（3～5個(gè)）傳感器以控制機(jī)器人的左右偏轉(zhuǎn)就可；若要求機(jī)器人時(shí)刻紀(jì)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(gè)在線上，通過計(jì)算就可以求出偏離的大概方位；若要求機(jī)器人從一個(gè)或多個(gè)方向接近路線時(shí)都能計(jì)算出位置信息，則可將傳感器安裝成圓形，結(jié)合機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)角度就可計(jì)算出相對(duì)于路線的位置。當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到的顏色是路面底色（深藍(lán)色）時(shí)向單片機(jī)輸出高電平；當(dāng)檢測(cè)到的顏色是引導(dǎo)線顏色（白色）時(shí)向單片機(jī)輸出低電平。這些向單片機(jī)輸入的高低電平實(shí)際是底盤與引導(dǎo)線的相對(duì)位置的表征量，單片機(jī)根據(jù)這些表征量來(lái)做出調(diào)整輸出，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制直流電機(jī)的起或停。由于機(jī)器人的底盤整體較大，所以布置在底盤的傳感器應(yīng)盡量多，這樣可以檢測(cè)到底盤的多個(gè)位置，做出相應(yīng)位置的快速響應(yīng)。如圖55所示傳感器布置方法，傳感器采用20個(gè)，其中18個(gè)用于機(jī)器人姿態(tài)定位，2個(gè)用于計(jì)算所走格子數(shù)。，某排傳感器檢測(cè)到水平白色引導(dǎo)線時(shí)，對(duì)應(yīng)該排的輪中心剛好在白色引導(dǎo)線上，可方便轉(zhuǎn)彎和在交叉引導(dǎo)線處及時(shí)調(diào)整。每排每?jī)蓚€(gè)傳感器的間距為30 mm，其中用于計(jì)數(shù)的傳感器相對(duì)偏移為50 mm。.對(duì)其標(biāo)號(hào)～。圖55 傳感器布局圖圖56 機(jī)器人底盤傳感器布局實(shí)物圖第6章 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)部分是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的源動(dòng)力，控制著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向、速度以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的到位情況。設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定、快速響應(yīng)CPU信號(hào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度的重要保證。6．1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用移動(dòng)機(jī)器人的主動(dòng)輪有多種驅(qū)動(dòng)方式，其中采用電機(jī)加必要的傳動(dòng)裝置應(yīng)用最為廣泛。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為小車移動(dòng)提供動(dòng)力源泉，傳動(dòng)裝置具有調(diào)速、改變運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)定速或變速驅(qū)動(dòng)、反復(fù)起停的增量驅(qū)動(dòng)以及復(fù)雜驅(qū)動(dòng)。目前常用的控制電機(jī)有：電壓控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（制動(dòng)電動(dòng)機(jī)或兩相伺服電動(dòng)機(jī)）、電壓控制直流電動(dòng)機(jī)（DC伺服電動(dòng)機(jī)）、頻率控制同步（SM）電動(dòng)機(jī)（步進(jìn)型伺服電動(dòng)機(jī)）、頻率控制感應(yīng)(IM)電動(dòng)機(jī)（感應(yīng)型伺服電動(dòng)機(jī)）、頻率控制磁阻電動(dòng)機(jī)（步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）等，每種電機(jī)又衍生出不同的小類型，不同電機(jī)的控制方式、特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合也不相同。本設(shè)計(jì)中考慮使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，且盡力縮小車體的體積，所以帶減速器的電機(jī)成為首選，這樣只需要將電機(jī)輸出軸和驅(qū)動(dòng)輪連接起來(lái)即可。目前移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用較多的是步進(jìn)電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)（BLDC）兩種。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移模擬量的控制電機(jī)，其輸出的位移大小與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比且時(shí)間上與脈沖同步，通過改變脈沖頻率調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)一般分為反應(yīng)式（VR）、用磁式（PM）和混合式（HM）三種。反應(yīng)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、運(yùn)行頻率高但轉(zhuǎn)子阻尼大、噪聲大，～150之間；永磁式功率小、效率高、價(jià)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(diǎn)，但結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，～。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）通過位置傳感器檢測(cè)磁鋼位置后，控制相電流通斷實(shí)現(xiàn)電子換向，避免換向火花，且不產(chǎn)生電磁干擾，具有壽命長(zhǎng)、運(yùn)行可靠、維修簡(jiǎn)便、變速不受換向條件限制、高速運(yùn)行、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)調(diào)速，這對(duì)提高移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中的靈活性非常有用。另外，隨著具有PWM輸出的單片機(jī)在機(jī)器人控制器中的廣泛應(yīng)用，采用直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的越來(lái)越多。對(duì)比二者的特點(diǎn)，尤其是考慮到使用單片機(jī)作為控制器時(shí)設(shè)計(jì)的可靠性，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)就選用帶減速器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）電機(jī)。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面： 具有較大的轉(zhuǎn)矩，從而能夠克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化和控制信號(hào)的變換； 電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響，增加的系統(tǒng)的可靠性； 直流電機(jī)的空載力矩大，在控制系統(tǒng)發(fā)出停轉(zhuǎn)的同時(shí)可以立刻響應(yīng)，并且可以產(chǎn)生相當(dāng)大的力矩阻止機(jī)器人由于慣性繼續(xù)向前移動(dòng)； 直流電機(jī)具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力。除此之外，DC直流電機(jī)相對(duì)其他電機(jī)來(lái)說(shuō)運(yùn)動(dòng)起來(lái)平穩(wěn)，而且噪聲小。在這里我們選用直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)（電機(jī)自帶減速器）是：Unom=24V； Inom=4A ； nnom=180 r/min；Pnom=40W。6．2 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人的手和腳，即運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本組成部分，它的任務(wù)不僅是向機(jī)器人傳遞動(dòng)力，而且要提供準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)定位和靈活的操作。通常機(jī)器人驅(qū)動(dòng)有電氣、液壓、氣壓三種方式。本設(shè)計(jì)采用電氣驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。將直流電機(jī)與直流電源或電池連接就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。不過作為機(jī)器人的動(dòng)力使用時(shí)，必須對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的開關(guān)（ON/OFF）和轉(zhuǎn)動(dòng)方向等控制。使直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jī)與電源的連接以恒定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)DC電機(jī)的等效電路如圖62。這里，R0是轉(zhuǎn)子線圈的電阻，E0表示轉(zhuǎn)子線圈在定子磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。圖62 DC電機(jī)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(dǎo)體或繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。繼電器電路比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是由于利用機(jī)械觸點(diǎn)，所以易產(chǎn)生噪聲，反應(yīng)速度也比較慢。半導(dǎo)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(qū)動(dòng) （b）發(fā)射極驅(qū)動(dòng) （c）大功率MOSFET圖 63 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖63（a）是常用的電路，三極管的集電極與直流電機(jī)連接，改變基極的電壓可以控制與集電極的電機(jī)的電流。由于驅(qū)動(dòng)力大，所以這種方式可用于電機(jī)的開關(guān)（ON/OFF）控制。圖63（b）把三極管的發(fā)射極與直流電機(jī)連接，改變基極電壓可以控制與發(fā)射極連接的電機(jī)的電壓。由于三極管起到可變電阻的作用，所以它會(huì)造成電壓降并損耗一定的電能。在低速工作的場(chǎng)合，電壓降較大，導(dǎo)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(qū)動(dòng)元件，僅僅施加門電壓即可動(dòng)作，因此電路簡(jiǎn)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(lái)越多。不過上面介紹的電路只能使電機(jī)沿一個(gè)固定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，不大符合機(jī)器人的實(shí)際要求，因?yàn)樗粌H需要前進(jìn)，也需要后退。這時(shí)，可以改成圖64所示的橋式驅(qū)動(dòng)電路。該電路可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。在圖64中開關(guān)可以采用三極管或FET。（a）正轉(zhuǎn) （b） 反轉(zhuǎn)圖64 橋式電路的動(dòng)作原理（1）圖64借助對(duì)角線方向的一對(duì)開關(guān)的開閉組合來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，而圖65（a）表示還能利用開關(guān)的開閉實(shí)現(xiàn)電機(jī)的制動(dòng)功能。其原理是由于電機(jī)線圈兩端處于短路狀態(tài)，當(dāng)外力企圖使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)將起到制動(dòng)的作用。（a）制動(dòng) （b）短路圖65 橋式電路的動(dòng)作原理（2）可是，在橋式電路中，當(dāng)同側(cè)開關(guān)處于圖65（b）所示的閉合狀態(tài)時(shí)，電源實(shí)際上將被短路，電路中將出現(xiàn)過大的電流。這時(shí)，原來(lái)?yè)?dān)負(fù)開關(guān)的任務(wù)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(jī)的速度控制用開關(guān)（ON/OFF）控制直流電機(jī)，只能控制起轉(zhuǎn)動(dòng)或停止。實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合，根據(jù)任務(wù)的要求，需要控制直流電機(jī)的速度。兩種典型的控制電機(jī)速度的方法是改變施加在電機(jī)上的電壓以及PWM（脈寬調(diào)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(jī)的開關(guān)控制差不多（參加圖66）。與控制電壓Vcont相比，施加在電機(jī)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(shí)現(xiàn)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(chǎn)生電壓降，會(huì)造成集電極發(fā)熱加劇，因此需要對(duì)三極管采取散熱措施。特別地，在低電壓、低速轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)段，三極管中的電壓降低很大，電源效率會(huì)顯著降低。第二種方法，即PWM控制就是給DC電機(jī)輸入高速的開關(guān)脈沖信號(hào)，通過改變脈沖信號(hào)開關(guān)的比例，達(dá)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(jī)的電壓呈圖68所示的脈沖波形，它的占空比，即信號(hào)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(jiǎn)單的解釋是，由于在ON的時(shí)間內(nèi)施加電壓，OFF的時(shí)間內(nèi)切斷電壓，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將是斷續(xù)的。不過在脈沖波形的OFF區(qū)段，電機(jī)線圈內(nèi)部存儲(chǔ)的能量能夠產(chǎn)生沿續(xù)流二極管流動(dòng)的電壓（參見圖67），因此得以繼續(xù)維持轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可見，脈沖波形的比例（占空比）和儲(chǔ)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(gè)作用與上面改變電壓的方法類似，同樣能實(shí)現(xiàn)速度控制。實(shí)際上，為了使電機(jī)能平穩(wěn)地工作，脈沖的重復(fù)周期應(yīng)該具有相當(dāng)程度的快速性。PWM控制的基本電路與ON/OFF控制相同，電路構(gòu)成也很簡(jiǎn)單。施加在電機(jī)上的PWM信號(hào)一般為幾千赫至幾十千赫。在電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路組合、PWM控制專用芯片的硬件控制、以及借助軟件產(chǎn)生脈沖等等。6．4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)為了機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部分有更多的選擇條件，本設(shè)計(jì)既用了半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路，也用了電磁繼電器驅(qū)動(dòng)電路。6．4．1 基于L298的驅(qū)動(dòng)電路圖69是專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC，如果選用這樣的驅(qū)動(dòng)芯片，電路設(shè)計(jì)就變得非常簡(jiǎn)單了。 圖69電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298圖610 L2