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【摘 要】本巡线机器人设计运用了传感器技术和单片机智能控制技术。机器人前排安装万向轮、后排安装两个独立驱动轮，使其拥有较高的简易性和稳定性。采用光电传感器、MSP430 F449实现了机器人快速和准确的巡线功能。
【关键词】机器人；MSP430F449：巡线
一、引言
智能巡线机器人产生于二十世纪九十年代，其是一个移动的测控系统，采用线路颜色巡线。由机械机构、动力驱动单元、执行机构、传感测试单元和信息处理与控制单元五个部分。机械机构的作用类似于人体的骨骼。传感与测试单元的作用相当于人体的五官，对装备本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并将其变换成可识别信号，传输到信息处理单元。执行机构相当于人体的手和足，根据控制单元的指令，快速高精度地完成要求的动作。常用的执行机构是电磁式、液压式和气动式机构。信息处理与控制单元相当于人体中的头脑，将来自传感器与测试单元的检测信息和外部输入命令进行集中、存贮、分析、加工，根据信息处理结果和预设的控制算法，发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。当条带与场地底色的反射性能区别不明显时，根据反射光强识别线路的效果不会很好，所以采用色彩识别完成巡线[1]。
二、机械结构设计
机械部分是机器人的载体，设计性能良好的机械结构，将有利于简化机器人控制算法，机构在执行过程中可以实现控制精度。在本方案中采用了四轮移动机构的配置方式，灵活性和稳定性较高，而且能够使机器人在比较狭长的空间内实现转向，结构上采用两层机构，第一层底盘装万向轮和驱动轮电机，第二层底盘用于连接上层机构。两层之间用角铝连接，采用了在同一连接处紧固两个螺钉的方法来加强强度。
三、传感器接口电路设计
传感器采用超声波传感器检测是否有障碍物和有没有到达目的地。超声波传感器的工作方式是通过发送器发射出来的超声波被物体反射后传到接收器接受来判断是否检测到物体。超声波传感器内部都有一个振子（一块金属片上贴着压电陶瓷）通过给压电陶瓷加上电压，它就会根据电压的大小产生相应的机械变形，进而产生机械振动，这就是所谓的压电现象。超声波传感器也有透过式和反射式之分。超声波传感器不但可以检测到物体，还可以通过发射器的回波返回接收器所需要的时间来测量距离。
四、电机驱动电路设计
驱动部分是机器人运动的源动力，控制着机器人的运动方向和速度。设计性能稳定、快速响应CPU信号的电机驱动电路是机器人运动精度的重要保证。本设计的驱动电机就选用带减速器的直流无刷电动机（BLDC）电机。其具有较大的转矩，从而能够克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩。具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化和控制信号的变换。电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的影响，增加的系统的可靠性。直流电机的空载力矩大，在控制系统发出停转的同时可以立刻响应，并且可以产生相当大的力矩阻止机器人由于惯性继续向前移动。直流电机具有很好的环境适应能力，运动起来平穩，且噪声小。电机减速器的选择上海朗能机电设备有限公司生产的ZYT60-JB80永磁直流电机。直流电机的低速性能是偏软的，为使电机工作在稳态下，必须根据巡线机器人的实际运行需要，选择合适的减速器。另外电机的转速比较高，对于巡线机器人来说，容易在转弯的时候因惯性而循迹失败，所以它的速度在6km/小时左右就可以满足要求。本方案采用电气驱动直流电机的转动方向控制，L298N芯片控制两路电机的起停和转速，就直接可以将其用于控制机器人底盘的后排两个驱动轮。通过单片机向驱动电路输入控制信号继而控制驱动轮的起停和转速，便可以控制机器人的速度、方向了。如果不需要控制电机转速，则可以将PWM控制口直接接在+5V，减少对单片机端口的需求[2]。
五、智能巡线机器人姿态调整方法
为了使机器人的巡线更加准确，针对特定场地的情况下，采用适合机器人自身机械特性的算法让机器人实现准确行走定位是关键。后排左右轮是两个独立的由直流电机驱动的轮子，前排放置两个万向轮。直流电机空载力矩大，可以很好地控制所驱动的轮子起或停，万向轮在任何方向都可以实现运动，因此整个机器人的行走方向是依靠后排两个驱动轮的起动或者停止来改变的。由于底盘安装精度和后排左右驱动轮子之间的转动速度不可能完全一致，因此即使驱动板向左右驱动电机输出功率相同，也会使机器人的中心线偏离引导线。机器人通过后排左右轮起或停从而调整底盘姿态，目的是保持底盘中心线与白色引导线重合，从而让机器人沿着引导线行进到达目的地。采用的传感器是自制的光电传感器，当检测到的颜色是路面底色（深色）时向单片机输出高电平，当检测到的颜色是引导线颜色（白色）时向单片机输出低电平。这些向单片机输入的高低电平实际是底盘与引导线的相对位置的表征量，单片机根据这些表征量来做出调整输出，通过电机驱动控制直流电机的起或停。
六、主控系统的设计
主控系统负责信息处理和控制外部电路，相当于人体中的头脑。将来自传感器与测试单元的检测信息和外部输入命令进行集中、存贮、分析、加工，根据信息处理结果和预设的控制算法，发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。采用芯片MSP430F449，并在该芯片上实现机器人的相应算法。芯片片内有一个硬件乘法器。在处理数据乘法时响应很快，便于适时处理。三个捕获/比较寄存器的十六位定时器，定时器A和定时器B。定时器便于制定电机转动时间。二路PWM输出。底盘两个电机需要有PWM控制，产生转速差调整底盘。四十八个I/O引脚，每个I/O口分别对应输入、输出、功能选择、中断等多个寄存器，使得功能口和通用I/O口可以复用，大大增强了端口功能和灵活性。四十八个端口可以满足采集多路信号和有足够的扩展口便于满足更多的要求[3]。
参考文献：
[1]宗光华.机器人的创意设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社.2004.2.
[2]Fred G.Marin，机器人探索-工程实践指导（美）[M].北京：电子工业出版社2004.8
[3]Davod Cook.机器人制作入门篇（美）[M].北京：北京航空航天大学出版社2005
作者简介：
郭强（1977，10-），男，河北行唐县，工程师，工学学士，研究方向：机械工程及自动化。
【关键词】机器人；MSP430F449：巡线
一、引言
智能巡线机器人产生于二十世纪九十年代，其是一个移动的测控系统，采用线路颜色巡线。由机械机构、动力驱动单元、执行机构、传感测试单元和信息处理与控制单元五个部分。机械机构的作用类似于人体的骨骼。传感与测试单元的作用相当于人体的五官，对装备本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并将其变换成可识别信号，传输到信息处理单元。执行机构相当于人体的手和足，根据控制单元的指令，快速高精度地完成要求的动作。常用的执行机构是电磁式、液压式和气动式机构。信息处理与控制单元相当于人体中的头脑，将来自传感器与测试单元的检测信息和外部输入命令进行集中、存贮、分析、加工，根据信息处理结果和预设的控制算法，发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。当条带与场地底色的反射性能区别不明显时，根据反射光强识别线路的效果不会很好，所以采用色彩识别完成巡线[1]。
二、机械结构设计
机械部分是机器人的载体，设计性能良好的机械结构，将有利于简化机器人控制算法，机构在执行过程中可以实现控制精度。在本方案中采用了四轮移动机构的配置方式，灵活性和稳定性较高，而且能够使机器人在比较狭长的空间内实现转向，结构上采用两层机构，第一层底盘装万向轮和驱动轮电机，第二层底盘用于连接上层机构。两层之间用角铝连接，采用了在同一连接处紧固两个螺钉的方法来加强强度。
三、传感器接口电路设计
传感器采用超声波传感器检测是否有障碍物和有没有到达目的地。超声波传感器的工作方式是通过发送器发射出来的超声波被物体反射后传到接收器接受来判断是否检测到物体。超声波传感器内部都有一个振子（一块金属片上贴着压电陶瓷）通过给压电陶瓷加上电压，它就会根据电压的大小产生相应的机械变形，进而产生机械振动，这就是所谓的压电现象。超声波传感器也有透过式和反射式之分。超声波传感器不但可以检测到物体，还可以通过发射器的回波返回接收器所需要的时间来测量距离。
四、电机驱动电路设计
驱动部分是机器人运动的源动力，控制着机器人的运动方向和速度。设计性能稳定、快速响应CPU信号的电机驱动电路是机器人运动精度的重要保证。本设计的驱动电机就选用带减速器的直流无刷电动机（BLDC）电机。其具有较大的转矩，从而能够克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩。具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化和控制信号的变换。电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的影响，增加的系统的可靠性。直流电机的空载力矩大，在控制系统发出停转的同时可以立刻响应，并且可以产生相当大的力矩阻止机器人由于惯性继续向前移动。直流电机具有很好的环境适应能力，运动起来平穩，且噪声小。电机减速器的选择上海朗能机电设备有限公司生产的ZYT60-JB80永磁直流电机。直流电机的低速性能是偏软的，为使电机工作在稳态下，必须根据巡线机器人的实际运行需要，选择合适的减速器。另外电机的转速比较高，对于巡线机器人来说，容易在转弯的时候因惯性而循迹失败，所以它的速度在6km/小时左右就可以满足要求。本方案采用电气驱动直流电机的转动方向控制，L298N芯片控制两路电机的起停和转速，就直接可以将其用于控制机器人底盘的后排两个驱动轮。通过单片机向驱动电路输入控制信号继而控制驱动轮的起停和转速，便可以控制机器人的速度、方向了。如果不需要控制电机转速，则可以将PWM控制口直接接在+5V，减少对单片机端口的需求[2]。
五、智能巡线机器人姿态调整方法
为了使机器人的巡线更加准确，针对特定场地的情况下，采用适合机器人自身机械特性的算法让机器人实现准确行走定位是关键。后排左右轮是两个独立的由直流电机驱动的轮子，前排放置两个万向轮。直流电机空载力矩大，可以很好地控制所驱动的轮子起或停，万向轮在任何方向都可以实现运动，因此整个机器人的行走方向是依靠后排两个驱动轮的起动或者停止来改变的。由于底盘安装精度和后排左右驱动轮子之间的转动速度不可能完全一致，因此即使驱动板向左右驱动电机输出功率相同，也会使机器人的中心线偏离引导线。机器人通过后排左右轮起或停从而调整底盘姿态，目的是保持底盘中心线与白色引导线重合，从而让机器人沿着引导线行进到达目的地。采用的传感器是自制的光电传感器，当检测到的颜色是路面底色（深色）时向单片机输出高电平，当检测到的颜色是引导线颜色（白色）时向单片机输出低电平。这些向单片机输入的高低电平实际是底盘与引导线的相对位置的表征量，单片机根据这些表征量来做出调整输出，通过电机驱动控制直流电机的起或停。
六、主控系统的设计
主控系统负责信息处理和控制外部电路，相当于人体中的头脑。将来自传感器与测试单元的检测信息和外部输入命令进行集中、存贮、分析、加工，根据信息处理结果和预设的控制算法，发出相应的指令控制整个系统有目的地运行。采用芯片MSP430F449，并在该芯片上实现机器人的相应算法。芯片片内有一个硬件乘法器。在处理数据乘法时响应很快，便于适时处理。三个捕获/比较寄存器的十六位定时器，定时器A和定时器B。定时器便于制定电机转动时间。二路PWM输出。底盘两个电机需要有PWM控制，产生转速差调整底盘。四十八个I/O引脚，每个I/O口分别对应输入、输出、功能选择、中断等多个寄存器，使得功能口和通用I/O口可以复用，大大增强了端口功能和灵活性。四十八个端口可以满足采集多路信号和有足够的扩展口便于满足更多的要求[3]。
参考文献：
[1]宗光华.机器人的创意设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社.2004.2.
[2]Fred G.Marin，机器人探索-工程实践指导（美）[M].北京：电子工业出版社2004.8
[3]Davod Cook.机器人制作入门篇（美）[M].北京：北京航空航天大学出版社2005
作者简介：
郭强（1977，10-），男，河北行唐县，工程师，工学学士，研究方向：机械工程及自动化。