【正文】 ，即：當(dāng)小車(chē)的控制系統(tǒng)對(duì)車(chē)體左右輪發(fā)出相同的指令時(shí)，左右輪的轉(zhuǎn)速應(yīng)相同。 兩輪行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析 兩輪車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)的運(yùn)動(dòng)如圖所示。 小車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度在 X 、 Y 坐標(biāo)上的分量分別為： ?sinVVx ? （ 3） 10 ?cosVVy ? （ 4） 由物理關(guān)系有： yx VdtdyVdtdxwdtd ??? ,? 對(duì)（ 2）、（ 3）、（ 4）式取積分得： ??? t wdt00?? （ 5） ??? t a d tVXX00 s in （ 6） ??? t adtVYY00 cos （ 7） 其中 00 YX、 為小車(chē)的初試位置， 0a 為小車(chē)的初始方位角。著也就是說(shuō)明小車(chē)具有良好的轉(zhuǎn)彎性能。 減速裝置我們選用的是閉式直齒圓柱齒輪減速器。 驅(qū)動(dòng) 電機(jī) 的選用： 小車(chē)選用的 151 型微型直流電機(jī)（性能參數(shù)待定） 小車(chē)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 小車(chē)控制系統(tǒng)的功能框圖如 圖 。 11 光電 編碼盤(pán) L M339 L ED 顯示 Mega16L 光電尋線（反射式紅外傳感器） 避障檢測(cè)（ Me ga 8 系統(tǒng) ） 金屬探測(cè)（傳感器） L l 298 行走 電機(jī) 左右 298 6 B5 9 5 , 7 474 H C 595 光敏電阻（傳感器） 尋光電機(jī) 尋光驅(qū)動(dòng)單元 尋光雷達(dá) 圖 2. 3 小車(chē)控制系統(tǒng)的 電路原理框圖 小車(chē)控制系統(tǒng)的電路原理圖如 圖 。硬件電路框圖如圖 31 硬件電路圖如圖 。該電路串行顯示的數(shù)據(jù)由單片機(jī)的串行口輸出，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換電路 74HC595 將顯示數(shù)據(jù)的段碼動(dòng)態(tài)地送到各數(shù)碼管，各管的 位選信號(hào)由 Mega16 經(jīng) 6B595 送到各個(gè)數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)串行動(dòng)態(tài)顯示。 圖 人機(jī)接口電路圖 聲光報(bào)警單元 在小車(chē)行進(jìn)過(guò)程中，檢測(cè)到鐵片 后需要送出聲光信號(hào)。 圖 聲光報(bào)警電路圖 信息感知單元的設(shè)計(jì) 黑白區(qū)域檢測(cè) 及尋跡 單元 在尋線時(shí)，我們只需要用 三只反射式紅外傳感器 就可以實(shí)現(xiàn) 小車(chē) 沿曲線行走，如圖 所示。我們一排裝了 3 個(gè)光電管，上面是接收管下面是發(fā)射管，虛線表示 黑 線的兩邊沿，可見(jiàn)機(jī)器人正常行走時(shí)中間對(duì)管始終在白線上。 在電路設(shè)計(jì)中直接將光電管的輸出信號(hào)送至 Mega16 的 A/D 輸入端。首先，可以對(duì) 黑 色區(qū)域進(jìn)行采樣，然后采集白色區(qū)域的電平值。最后，每個(gè)光電管都得到了一個(gè)相應(yīng)的閥值電平。在機(jī)器人尋線的實(shí)際過(guò)程中，將實(shí)時(shí)采集到的電平值經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，與已經(jīng)存入在 SRAM 或 EEPROM 中的閥值進(jìn)行比較，按照比較結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的處理。軟件流程圖如圖 。 發(fā)射部分：由 Mega8 內(nèi)部計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的 38KHZ 載波信號(hào)。它的中心頻率為 ， 抑制 自然光的干擾。它的輸出腳在沒(méi)接收到載波信號(hào)是輸出為高，當(dāng)一旦接收到與其中心頻率相符的信號(hào)時(shí) ，輸出就為低。 14 ABL 陷波電 路 帶通 濾波器 整形電 路 Out put G ND f o V S 圖 紅外一體化接收頭結(jié)構(gòu)圖 單片機(jī)部分： 由 時(shí)鐘振蕩器和 Mega8 嵌入式單片機(jī)組成，經(jīng)過(guò)編程，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)、計(jì)算時(shí)間 t，并判斷是否有障礙物。 2．工作原理 此系統(tǒng)的工作原理電路圖如 所示 。當(dāng)發(fā)射管發(fā)出占空比為 25%的高電平的調(diào)制信號(hào)時(shí)，紅外一體化接收頭經(jīng)過(guò)解調(diào)，輸出的也應(yīng)該是頻 率為 1KHZ 占空比為 25%的低電平。本系統(tǒng)的避障機(jī)理就是發(fā)出 10 組此信號(hào)（見(jiàn)圖 ），紅外一體接收頭再將解調(diào)后輸出的 10 組信號(hào)的低電平時(shí)間用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)下來(lái)，求得其平均值（也就是所謂的概率事件，當(dāng)然因?yàn)楦蓴_和各方面的原因，即使在同一位置，接收到的低電平的值也會(huì)不一樣，甚至因?yàn)橥饨绲膹?qiáng)烈紅外光，有可能收到的信號(hào)會(huì)多于所發(fā)出的，不過(guò)這個(gè)應(yīng)該算小概率事件，可以用軟件進(jìn)行排除、更正）后與事先給定的閥值進(jìn)行比較，小于此閥值認(rèn)為無(wú)障礙物；如果大于此閥值，就認(rèn)為有障礙物。 初始化 設(shè)置定時(shí)器 和時(shí)間常數(shù) 啟動(dòng)傳感器 啟動(dòng)定時(shí)器 定時(shí)計(jì)數(shù)低 電平的時(shí)間 的時(shí)間 Y 停止計(jì)時(shí)計(jì)算時(shí)間 N 計(jì)算平均值 有無(wú)障礙物 策 略 Y 選擇地址 N 圖 反射式紅外線障礙檢測(cè) 軟件流程圖 判斷是否為十組信號(hào) Y N 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要有幾個(gè)重點(diǎn)，發(fā) 1KHZ 信號(hào)端口（ PD5），地址選擇端口（ PD0和 PD1），以及捕獲 中斷端口（ PD6）。 光 傳感器單元 用于尋光的光傳感器的光路示意圖如圖 所示。 V cc 尋光電動(dòng)機(jī) A / D Meg a 8 I / O L 2 9 8 M 圖 尋光電路原理框圖 16 尋光軟件基本流程圖如 。編碼器又稱(chēng) “碼盤(pán) ”，是直接把位移變換為代碼的數(shù)字式傳感器。我們采用的是光電碼盤(pán)。原理是在一圓盤(pán)上刻制節(jié)距和尺寸相等的透光小孔。根據(jù)光線時(shí)斷時(shí)續(xù)的變化（當(dāng)光線透過(guò)小孔時(shí)感光元件就感受信號(hào)，反之，當(dāng)光線被圓盤(pán)遮斷時(shí)，信號(hào)即被截止）來(lái)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 為了判別方向，可以安裝兩對(duì)發(fā)光器和受光器。若圓盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) V1 超前 V2，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)則 V2 超前 V1。 V1傳感器 V2傳感器 傳感器 參考點(diǎn) 0 1 V1 V2 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 V1 V2 向上計(jì)數(shù) 向下計(jì)數(shù) 圖 增量碼盤(pán)的相位輸出 17 測(cè)速傳感器完成了電機(jī)轉(zhuǎn)速向脈沖序列的轉(zhuǎn)換，把測(cè)速傳感器輸出的脈沖接到計(jì)數(shù)單元進(jìn)行計(jì)數(shù)，則將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。本系統(tǒng)采用單片機(jī)的硬件定時(shí)機(jī)計(jì)數(shù)器，工作穩(wěn)定。 電感式接近覺(jué) 傳感器的工作原理是外界的金屬性物體對(duì)傳感器的高頻 —振蕩器產(chǎn)生非接觸式感應(yīng)作用。震蕩器通過(guò)傳感器的感應(yīng)面，在其前方產(chǎn)生一個(gè)高頻交變的電磁場(chǎng)。這一震蕩的變化，即被開(kāi)關(guān)的后置電路放大處理并轉(zhuǎn)換為一確定的輸出信號(hào)，觸發(fā)開(kāi)關(guān)并驅(qū)動(dòng)控制器件，從而達(dá)到非接觸式目標(biāo)檢測(cè)之目的 。而鐵片的位置參數(shù) L 的計(jì)算公式為： 22 )()( 2121 SSrSrSL ?????? （ 9） 起跑線 鐵 片 r S 2 L S 1 r 為傳感器 作用半徑 圖 8 測(cè)量方法示意圖 小車(chē)距離及鐵片位置、長(zhǎng)度的測(cè)量軟件流程為圖 。 在軟件的速度控制單元中我們用了簡(jiǎn)單的閉環(huán)比例控制算法。由圖 可見(jiàn)，每個(gè) H 橋的下側(cè)橋臂晶體管發(fā)射極連在一起，其輸出腳（ SENSEA 和 SENSEB）用來(lái)連接電流檢測(cè)電阻。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。 圖 L298 原理框圖 19 3 特色與創(chuàng)新 本設(shè)計(jì)在基于 Mega8 芯片并采用概率分析的避障單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、串行掃描方式實(shí)現(xiàn)的人機(jī)接口、尋光雷達(dá) 及 小車(chē)位姿控制等方面具有一定的特色與創(chuàng)新。同時(shí)，該接口電路擴(kuò)展方便，能以較高的性?xún)r(jià)比實(shí)現(xiàn)漢字顯示、 LCD 驅(qū)動(dòng)等功能。 避障單元的設(shè)計(jì) 在避障單元的設(shè)計(jì)中， 判斷有無(wú)障礙物時(shí)使用的是求平均值，即求概率事件的值 的方式 。先將所有低電平的時(shí)間計(jì)數(shù)下來(lái)，放入數(shù)據(jù)寄存器中。 運(yùn)行試驗(yàn)也證明， 本設(shè)計(jì)中采用 的 Mega8 芯片基于概率分析的避障單元實(shí)現(xiàn)方式，取得很好的避障效果。將該尋光雷達(dá)檢測(cè)得到的標(biāo)志光信息送單片機(jī)，一方面控制小車(chē)下步運(yùn)行姿態(tài)，另外也送出控制“雷達(dá)”跟蹤光源的電機(jī)運(yùn)行。通過(guò)實(shí)驗(yàn)也得到同樣的結(jié)論。 測(cè)時(shí)間： DM1 型電子秒表 ， 用于測(cè)量有關(guān)時(shí)間。 仿真： E200Ｌ型仿真器 ， 用于調(diào)試和修改軟硬件。 電源： WYJ301A/3A 型穩(wěn)壓電源 ， 干電池 。 常用儀表： MF47 型模擬萬(wàn)用表、 VC98 型數(shù)字萬(wàn)用表 ， 用于電壓、電流以及其它電子元器件的測(cè)量 ， 數(shù)字萬(wàn)用表、 TDS210 存儲(chǔ)式 示波器、 AVR Studio。 2． 波形 21 v t v m i n R 2 = 27k v v m a x 圖 4. 1 單路未整形 光電對(duì)管 輸出 波形 v 通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輸出波形 幅值較小，所以需要外接整形電路。 避障 一體化紅外接收頭輸出波形如下。因此測(cè)量分兩部分來(lái)測(cè)量。 321 , LLL 分別為直道區(qū)中第一塊、第二塊、第三塊金屬片到出發(fā)點(diǎn)的距離。每個(gè)參數(shù)測(cè)量了