【正文】 靠近引導(dǎo)線。圖62 (b)，后排中心傳感器檢測(cè)到引導(dǎo)線，前排左側(cè)、中的一個(gè)檢測(cè)到引導(dǎo)線。問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為讓傳感器盡量多地包圍引導(dǎo)線，此種做法可以保證在調(diào)整的過(guò)程中至少可以檢測(cè)到兩個(gè)引導(dǎo)線，不至于前排或后排傳感器都向一側(cè)偏離，使得最終巡線失??；并且可以保證在調(diào)整的過(guò)程中，、是不斷向引導(dǎo)線靠攏的。通過(guò)不同的優(yōu)先級(jí)處理這些狀態(tài)量校正底盤的偏移。對(duì)其標(biāo)號(hào)～。在這種排布方式下，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。如圖62所示傳感器布置方法，傳感器18個(gè)用于機(jī)器人姿態(tài)定位。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(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制直流電機(jī)的起或停。如圖62所示，機(jī)器人通過(guò)后排左右輪起或停從而調(diào)整底盤姿態(tài)，目的是保持底盤中心線與白色引導(dǎo)線重合，從而讓機(jī)器人沿著引導(dǎo)線行進(jìn)到達(dá)目的地。直流電機(jī)空載力矩大，可以很好地控制所驅(qū)動(dòng)的輪子起或停，萬(wàn)向輪在任何方向都可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此整個(gè)機(jī)器人的行走方向是依靠后排兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的起動(dòng)或者停止來(lái)改變的。機(jī)器人底盤長(zhǎng)700 mm，寬850 mm。 總體分析根據(jù)機(jī)器人的機(jī)械特征，分析了通過(guò)直流電機(jī)的起或?？刂茩C(jī)器人調(diào)整的可能性，然后把傳感器檢測(cè)到的機(jī)器人底盤與引導(dǎo)線的相對(duì)位置劃分為典型的7種狀態(tài)，做出相應(yīng)的調(diào)整策略。 下面，首先根據(jù)機(jī)器人的機(jī)械特性，分析了通過(guò)直流電機(jī)的起或?？刂茩C(jī)器人調(diào)整的可能性，然后把傳感器監(jiān)測(cè)到的機(jī)器人底盤與引導(dǎo)線的相對(duì)位置劃分為典型的7種狀態(tài)，做出相應(yīng)調(diào)整方法。如果不需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，則可以將PWM控制口直接接在+5V，減少對(duì)單片機(jī)端口的需求。這樣，一片L298N剛好可以控制兩路電機(jī)的起停和轉(zhuǎn)速，就直接可以將其用于控制機(jī)器人底盤的后排兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。同理，對(duì)于另一個(gè)通道也是一個(gè)道理。見圖514 L298N的邏輯原理圖和圖515采用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路圖，原理如下：在PMW_1=1的前提下：若INA1=1，INA2=0則OUTA1=VS，OUTA2=0，電機(jī)兩端有相對(duì)電勢(shì)差產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)（假設(shè)正轉(zhuǎn)）；若INA1=0，INA2=1則OUTA1=0，OUTA2=VS，電機(jī)兩端有相對(duì)電勢(shì)差產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，較上一次輸入反轉(zhuǎn)； 若INA1=0，INA2=0則OUTA1=0，OUTA2=0，電機(jī)兩端均為0，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)；若INA1=1，INA2=1則OUTA1=VS，OUTA2=VS，雖然電機(jī)兩端都有正向電壓，但是電勢(shì)差為0，所以不轉(zhuǎn)動(dòng)。L298N的邏輯如下圖所示：圖514 L298N的邏輯原理圖正是由于L298N每一路都有單獨(dú)的使能控制端，就將外部輸入的PWM信號(hào)加在使能端上，就可以很方便的控制電機(jī)供電了。它的兩個(gè)使能端可以控制芯片與外部輸入信號(hào)的通斷。L298N有15個(gè)管腳的集成電路，有直插和貼片兩種封裝。5．4基于L298N的驅(qū)動(dòng)電路圖512是專用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，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。施加在電機(jī)上的PWM信號(hào)一般為幾千赫至幾十千赫。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。不過(guò)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510），因此得以繼續(xù)維持轉(zhuǎn)動(dòng)。圖510 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。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。由于基本上不變，所以化也就是的變化。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58）。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。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。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。在圖56中開關(guān)可以采用三極管或FET。這時(shí)，可以改成56所示的橋式驅(qū)動(dòng)電路。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。圖55（c）與圖55（a）相似，但是改用大功率MOSFET。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。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。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。 通常采用半導(dǎo)體或繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。圖54 DC電機(jī)的等效電路 若用公式表示，則有V=RaIa+Ec(V)。圖53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54。不過(guò)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。本設(shè)計(jì)采用電氣驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。5．2 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制驅(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。而在轉(zhuǎn)彎的狀態(tài)下，一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪將推動(dòng)兩個(gè)萬(wàn)向輪運(yùn)動(dòng)，從而在這種要考慮兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的摩擦阻力。當(dāng)F1 F2 時(shí),驅(qū)動(dòng)輪才不至于打滑或空轉(zhuǎn)。該載重極限由兩個(gè)萬(wàn)向輪與兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪共同分擔(dān)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪受力如圖所示。m）。為此采取的辦法是去掉電機(jī)到輪子中間的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，取而代之的是與電機(jī)相配的小型減速器，該減速器安裝在電機(jī)上后，整個(gè)尺寸不過(guò)280作用長(zhǎng)，直徑90mm左右，其質(zhì)量比較輕，=（kg經(jīng)過(guò)以上對(duì)電機(jī)和減速器相關(guān)分析計(jì)算后，我們可以最后確認(rèn)電機(jī)和減速器的型號(hào)。 根據(jù)機(jī)器人中一些主要零件的參數(shù)，對(duì)其電機(jī)減速器的減速比計(jì)算如下： 后輪驅(qū)動(dòng)輪的直徑：。具體的實(shí)物形狀如下圖所示圖51 機(jī)器人巡線驅(qū)動(dòng)用的直流電機(jī)及減速器 直流電機(jī)的低速性能是偏軟的，為使電機(jī)工作在穩(wěn)態(tài)下，必須根據(jù)巡線機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行需要，選擇合適的減速器。 這里選用上海朗能機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZYT60JB80永磁直流電機(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(guò)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。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。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）通過(guò)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)。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。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。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。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。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。對(duì)其標(biāo)號(hào)為～。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。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)。當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到的顏色是路面底色(深色)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。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)。通過(guò)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。實(shí)際使用過(guò)程中總會(huì)遇到意想不到的問(wèn)題，因此調(diào)試環(huán)節(jié)很重要。一般垂直高度為5～10 mm。然后用扁線把他們連接起來(lái)，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。經(jīng)試驗(yàn)證明，這種增強(qiáng)光起到了很好的改善效果。即當(dāng)檢測(cè)到深色時(shí)，通過(guò)比較器輸出低電平，經(jīng)過(guò)反向器輸出高電平，用于表示檢測(cè)到深色底色的指示燈亮；當(dāng)檢測(cè)到白色時(shí)，通過(guò)比較器輸出高電平，經(jīng)過(guò)反向器輸出低電平，指示燈滅。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。無(wú)反壓時(shí)，正向電壓與光照強(qiáng)度成比例，～ V。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。它們接收到光的變化之后造成電流的改變，再經(jīng)過(guò)放大及相關(guān)處理，用于各種控制目的。紅外發(fā)光管有指向角、光軸、波長(zhǎng)、輝度等性能指標(biāo)。～ um。880 nm較易受到外界光的干擾。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)。辨色傳感器的功能比較強(qiáng)，應(yīng)用面廣，工作穩(wěn)定，識(shí)別效果好，但是元件多，電路復(fù)雜，成本較高。辨色傳感器：根據(jù)線路顏色巡線。光電傳感器由一個(gè)發(fā)射光源和一個(gè)接收器（光敏二極管）組成。巡線光電傳感器就是基于對(duì)場(chǎng)地及線路反射光的處理結(jié)果來(lái)識(shí)別路線的一類光電傳感器。由于底盤安裝精度和后排左右驅(qū)動(dòng)輪子之間的轉(zhuǎn)動(dòng)速度在制作時(shí)并不能保證完全一致，一些關(guān)鍵部件的尺寸在手工制作時(shí)也不是嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)尺寸，因此即使驅(qū)動(dòng)板向左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的功率相同，也會(huì)使機(jī)器人的中心線偏離引導(dǎo)線。采用巡線的方法。圖44 超聲波發(fā)送和接受電路4．3 紅外光電反射式傳感器機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)可以選擇幾種方法：根據(jù)起點(diǎn)與終點(diǎn)的位置關(guān)系，編制機(jī)器人行走路徑（通過(guò)制定步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)或者通過(guò)直流電機(jī)編碼盤反饋控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)）。超聲波傳感器不但可以檢測(cè)到物體，還可以通過(guò)發(fā)射器的回波返回接收器所需要的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。超聲波傳感器就是利用這中原理實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收的。超聲波傳感器一般就是利用這樣的超聲波來(lái)檢測(cè)物體的。眾所周知，超聲波的傳播速度V可以用以下式表示： V=+（m/s） （）式中T(176。所謂超聲波，即空氣中傳播的超過(guò)人類聽覺頻率極限的聲波。超聲波傳感器的工作方式是通過(guò)發(fā)送器（相當(dāng)于蝙蝠的嘴）發(fā)射出來(lái)的超聲波被物體反射后傳到接收器（相當(dāng)于蝙蝠的耳朵）接受來(lái)判斷是否檢測(cè)到物體。本次用到超聲波傳感器的目的是為了檢測(cè)是否有障礙物和有沒有到達(dá)目的地。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。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。機(jī)器人對(duì)巡線傳感器的要求大致如下：抗干擾性：不同的環(huán)境可能存在各種形式的強(qiáng)光干擾、電磁干擾、顏色干擾，必須有較好的抗干擾能力。針對(duì)要求選用的傳感器類型有：超聲波傳感器、紅外光電反射式傳感器。 寬度方向上選擇為750mm，在保證運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，為了減小體積和重量。結(jié)構(gòu)如圖35和圖36所示：圖35 兩層底盤圖36 萬(wàn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪的安裝圖尺寸及分析：第一層底盤的尺寸為：700mm850mm第二層底盤的尺寸為：680cm750mm兩層底盤間間距為： 100mm. 選擇兩層底盤間距離為100mm，主要是為了有足夠的空間安裝輪子，電路板布線和電機(jī)，防止兩者產(chǎn)生干擾。3．2 機(jī)器人機(jī)械尺寸設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：底盤是安裝輪子和上層機(jī)構(gòu)的重要聯(lián)機(jī)部件，要求其十分牢固，與輪子和上層機(jī)構(gòu)可以緊密配合結(jié)構(gòu)：采用兩層機(jī)構(gòu):：第一層底盤裝萬(wàn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)等；第二層底盤用于連接上層機(jī)構(gòu)。綜合圖33所示的兩幅四輪驅(qū)動(dòng)配置圖，我們可以利用它們的優(yōu)點(diǎn)，去除它們的缺點(diǎn)，最終我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)配置如下圖34所示。綜合上面的考慮，在本系統(tǒng)中我們采用了四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的配置方式。從以上分析的關(guān)于機(jī)器人車體設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題著手，我們知道三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)配置的方式雖然簡(jiǎn)單而且在實(shí)際應(yīng)用中比較多，但是結(jié)合本課題的具體實(shí)際情況，由于機(jī)器人的總重量比較大、重心較高，如果采取三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)配置的方式，前面只有一個(gè)萬(wàn)向輪，而萬(wàn)向輪將和后面的驅(qū)動(dòng)輪共同承擔(dān)機(jī)器人本身的重量，這將導(dǎo)致在轉(zhuǎn)向的過(guò)程中前面的萬(wàn)向輪因?yàn)槌兄氐脑蚰Σ亮^(guò)大而不能靈活的完成轉(zhuǎn)向。3．1．2 本系統(tǒng)所采用的車輪驅(qū)動(dòng)方式配置在參考常用車輪驅(qū)動(dòng)方式配置的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體系統(tǒng)的實(shí)際情況做出適合本系統(tǒng)的最佳選擇，當(dāng)然這種選擇不是一個(gè)方面的最優(yōu)，但是它必須是在考慮到各種實(shí)際情況（如機(jī)器人車體的載重、材質(zhì)、控制方法以及加工手段）之后的一個(gè)最優(yōu)方案。兩個(gè)操舵輪需要同一個(gè)操舵機(jī)構(gòu)來(lái)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向，此外為了減少后輪的摩擦損耗，配備了差動(dòng)齒輪裝置，增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。圖33(b)是常見的汽車車輪配置方式。圖33 四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)的典型配置圖33(a)的組合是前后輪均為萬(wàn)向腳輪或球形輪，左右兩輪為獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪。在這種情況下，非驅(qū)動(dòng)輪應(yīng)為自由輪。其轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)通常有兩種方式：（1）鉸軸轉(zhuǎn)向式：轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過(guò)減速器和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)