引言

迷宮機(jī)器人走迷宮競(jìng)賽是一項(xiàng)綜合性十分強(qiáng)的競(jìng)賽，它涉及的學(xué)科包括了計(jì)算機(jī)學(xué)、機(jī)械學(xué)、電工學(xué)、嵌入式開(kāi)發(fā)知識(shí)以及算法的實(shí)現(xiàn)等。迷宮機(jī)器人是一種人工智能的機(jī)器人，又稱為電腦鼠（Micromouse）。它擁有靈活的“雙腿”，銳利的“眼睛”，還有聰明的“大腦”用于控制“眼睛”和“雙腿”協(xié)調(diào)工作，最終走出IEEE標(biāo)準(zhǔn)迷宮。迷宮由256個(gè)方塊（單元）組成，每個(gè)方塊的大小為18 cm見(jiàn)方，排成16行×16列。

迷宮機(jī)器人在迷宮中要能按照一定規(guī)則完成行走，所以機(jī)器人必須具備以下幾種能力：

◆穩(wěn)定且快速的行走能力;

◆正確判斷能力;

◆記憶路徑的能力。

很明顯，這些能力必須建立在迷宮墻壁能夠被準(zhǔn)確探知的基礎(chǔ)上，這就要求迷宮機(jī)器人要有很強(qiáng)的“觀察力”，即具有一雙“慧眼”。現(xiàn)實(shí)中，能夠進(jìn)行避障的傳感器有很多，如CCD攝像頭、超聲波傳感器、光電傳感器等。從設(shè)計(jì)成本和使用方面綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用紅外式光電傳感器。紅外傳感器的功能有兩個(gè)：一是判斷迷宮墻壁的有無(wú)，確定迷宮機(jī)器人的行進(jìn)方向;二是根據(jù)傳感器獲得的數(shù)值判斷迷宮機(jī)器人和墻壁之間的距離，從而對(duì)迷宮機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，避免迷宮機(jī)器人和墻壁發(fā)生碰撞。

1 光電傳感器原理

紅外光電傳感器工作原理如圖1所示。發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體光源、發(fā)光二極管（LED）、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器由光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面裝有光學(xué)元件（如透鏡和光圈等）;在接收器后面的是檢測(cè)電路，用于濾除無(wú)效信號(hào)，以及對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行利用。

隨著車體和墻壁的距離不同，接收管接收到的信號(hào)的強(qiáng)弱也不同。當(dāng)車體距離墻壁較近時(shí)，大量發(fā)射的紅外光線經(jīng)墻壁反射后被接收管接收，產(chǎn)生的電壓較高;反之，車體距離墻壁較遠(yuǎn)時(shí)，反射的紅外光線在傳播過(guò)程中會(huì)損耗，被接收管接收到的信號(hào)較弱，產(chǎn)生的電壓也就較低。根據(jù)接收管產(chǎn)生電壓的強(qiáng)弱，可以判斷車體與墻壁之間的距離，為迷宮機(jī)器人避障提供數(shù)據(jù)。

2 光電傳感器的選用

光電傳感器的特點(diǎn)：不受電磁波的干擾，非噪聲源，可實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量;受環(huán)境的影響非常大，物體的顏色、方向、周圍的光線都可能導(dǎo)致測(cè)量誤差;由于發(fā)射光線是光而不是聲音，可以在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)獲得較多的紅外線傳感器測(cè)量值;測(cè)距范圍較近，大致為40 cm以內(nèi)。紅外傳感器發(fā)射管和接收管的類型很多，其工作光波長(zhǎng)約為800～1100 nm。通常在小功率條件下的工作電壓為1.5～5 V左右，工作電流為3～10 mA左右。在本設(shè)計(jì)中選用了日本ROHM公司生產(chǎn)的發(fā)送接收一體化反射型光電傳感器RPR220。該光電管功率為80 mW，工作波長(zhǎng)為800 nm，完全滿足迷宮機(jī)器人的使用要求。

3 光電傳感器應(yīng)用電路

在本設(shè)計(jì)中，采用Freescale公司的16位單片機(jī)MC9S12DG128對(duì)光電傳感器進(jìn)行控制。單片機(jī)的A/D模塊進(jìn)行信號(hào)采集，獲知當(dāng)前的墻壁信息和車體的位置信息。單片機(jī)采集到A/D數(shù)值后，通過(guò)RS232傳到PC機(jī)上。然后根據(jù)傳感器采得的數(shù)值為電機(jī)指定相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)，控制迷宮機(jī)器人在迷宮中的姿態(tài)，并且實(shí)時(shí)記錄迷宮墻壁有無(wú)的信息，為建立迷宮地圖提供數(shù)據(jù)。

3.1 傳感器電路

傳感器電路是獲知迷宮信息的主要途徑，其電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響著機(jī)器人的工作。一般來(lái)說(shuō)，傳感器電路由控制電路、發(fā)射管、接收管和信號(hào)處理電路構(gòu)成。陽(yáng)光譜中含有紅外成分，所以在迷宮機(jī)器人中要想方設(shè)法將紅外光譜消除，才能保證迷宮機(jī)器人的正常運(yùn)行。本設(shè)計(jì)使用了5路傳感器，分置于迷宮機(jī)器人的正前、偏左45°、左側(cè)、偏右45°、右側(cè)。每一路的打開(kāi)與關(guān)閉由處理器控制，如圖2所示。

本設(shè)計(jì)中的傳感器電路如圖3所示。CTR1為傳感器的開(kāi)關(guān)控制口，CTR1置高時(shí)，發(fā)射管兩端沒(méi)有電壓差，所以傳感器不會(huì)對(duì)外發(fā)射紅外信號(hào);CTR1置低時(shí)，發(fā)射管和傳感器均工作，對(duì)外發(fā)射紅外光譜信號(hào)。當(dāng)發(fā)射的紅外光譜經(jīng)迷宮墻壁發(fā)射反射回迷宮機(jī)器人時(shí)，接收管會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。此時(shí)，RPR220的3號(hào)端口的電阻將該端的電動(dòng)勢(shì)拉高。如果電流增大，那么3號(hào)端口輸出的地電動(dòng)勢(shì)也會(huì)相應(yīng)增大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)迷宮環(huán)境的信息探測(cè)。

3.2 傳感器電路的使用

從前面的分析可以知道，傳感器采集信號(hào)時(shí)存在著陽(yáng)光干擾。在設(shè)計(jì)期間，我們也進(jìn)行了相應(yīng)的干擾實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，陽(yáng)光的干擾十分強(qiáng)烈，完全可以使得紅外傳感器失去作用。因此，在傳感器電路的使用過(guò)程中必須考慮陽(yáng)光對(duì)光電傳感器的干擾，可從硬件和軟件兩方面去消除陽(yáng)光的影響。

在本設(shè)計(jì)中，采用了軟件消除誤差的方法。首先，CTR1置高，也就是傳感器發(fā)射管處于關(guān)閉狀態(tài)。這時(shí)使用處理器的A/D采集模塊對(duì)接收管的信號(hào)進(jìn)行采集，作為基值AD1。然后，將CTR1置低，將發(fā)射管打開(kāi)，再一次用處理器的A/D采集功能進(jìn)行信號(hào)采集。這時(shí)采得的數(shù)據(jù)為AD2，是反射光譜和陽(yáng)光紅外譜的混合信號(hào)，而真正的A/D值應(yīng)為AD=AD2-AD1。軟件消除陽(yáng)光紅外光誤差的流程如圖4所示。

本設(shè)計(jì)采用MC9S12DG128處理器的PB0～PB4控制5個(gè)傳感器的開(kāi)斷。實(shí)驗(yàn)表明，軟件消除陽(yáng)光紅外光誤差的方法效果較好。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)使用RS232通信接口，將處理器采集獲得的A/D數(shù)值實(shí)時(shí)傳到上位機(jī)，然后改變車體與墻壁之間的距離，記錄各個(gè)點(diǎn)的A/D數(shù)值，利用MATLAB繪制出A/D值與距離之間的關(guān)系圖。

實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠有效地在迷宮中進(jìn)行距離的探測(cè)，最大探測(cè)距離達(dá)到20 cm，在1 cm處傳感器飽和，而迷宮機(jī)器人的要求能夠探測(cè)的最大距離為18 cm，飽和距離不能大于2 cm。顯然，該電路完全滿足使用要求。實(shí)驗(yàn)程序如下所示：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，可見(jiàn)距離與A/D采樣值成反比。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款新型迷宮機(jī)器人，其中光電傳感器的設(shè)計(jì)部分采用RPR220實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)的探測(cè)距離完全滿足迷宮機(jī)器人的使用要求。其創(chuàng)新點(diǎn)是使用軟件的方法進(jìn)行干擾消除，有效地避免了陽(yáng)光紅外信號(hào)的干擾，提高了迷宮機(jī)器人走迷宮的成功率，機(jī)器人的可靠性也得到了大幅的提升。
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