巡线机器人创新实验的设计与实现

摘 要：设计并实现了基于教学机器人的巡线创新实验。结合“智能机器人”选修课程，通过对机械电子和软件的综合设计，提高学生学习兴趣，培养多学科协作和解决问题的能力。

关键词：创新实验；机器人；巡线；避障；传感器

中图分类号：TP242

为配合本校“智能机器人”选修课程，本教研室开设了机器人巡线的创新实验，把机器人理论和实际应用有机的结合起来，使学生在实验中认识集成系统，掌握机器人的行为控制，培养解决实际问题的能力。

为培养学生的创新能力，本实验要求学生自己动手安装伺服电机、碰撞传感器、巡线传感器、控制设备等，让学生对智能机器人的设计从感性到理性上有一个提升。

在实验场地中设置连续的环形黑色线条，设置机器人的控制程序，让机器人寻着黑色线条路径前进，并在岔路口直线入口设置障碍物，机器人在探测到直线障碍后选择无障碍弯道继续前进，最后到达终点。

要实现机器人的巡线和避障功能，需要用到多种传感器，用传感器感知引导线和障碍物，引导机器人寻着正确的轨道前行。

逻辑编程采用C语言，使用Keil开发环境。

1 工作原理

红外防碰撞传感器和巡线传感器使用的都是红外反射式光电传感器，包括发射红外光的固态发光二极管和接收用的固态光敏二极管，发射管将特定频率的红外光，接收管接收这种频率的红外信号，当红外检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被光敏二极管接收，形成反射光强度信号电压V，这个电压是传感器与障碍物之间距离x的函数，通过设置反射光的输出电压阀值作为目标，可以判断传感器和障碍物之间的距离。

由于自动巡线反射距离在1cm左右，而且探测环境是在底部阴影环境之下，不容易受外界光信号干扰，巡线传感器采取FS-359F红外反射传感器，048W封装，便于安装。对于防碰撞传感器，由于需要5cm以上的探测距离，选用性能比较合适的FS-359F 043W封装传感器，使用约40mA的发射电流在实验室环境没有强光干扰的情况下，探测距离可以达到10cm，满足避障需求。

2 逻辑设计与实现

实验需要在机器人的前部及左右两侧安装防碰撞传感器，用于检测前方、左前方、右前方的障碍物，便于在巡线过程中避免发生碰撞，对于各方向上是否有障碍物时设置返回值如下：

实验中的巡线传感器安装在机器人的前端底部，并排安装3个传感器，左右传感器用于检测是否跑偏，中间传感器在黑色线条之上，用于辅助检测，确保小车按引导线路径前进。

红外传感器电路图如下图2所示：

系统控制采取STC公司的STC89C52单片机，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，一种典型的连接示意图如下图3所示：

程序设计采取Keil C集成编辑器，程序主要进行距离数据的处理，判断巡线是否准确，是否有障碍物，在正常情况下控制电机运转，使机器人直线前进，在巡线不准时下达校正线路命令，在有障碍物时进行下达转向命令等，编程不在此详述。下图4是机器人巡线的逻辑流程图：

3 结论

巡线机器人创新实验让学生在实验中学习单片机、传感器、伺服电机等设备原理，并自己动手安装，通过编程，控制机器人的行为，实验比较简单，但是能把理论和实际应用很好的相结合，增强了学习的兴趣，培养了解决实际问题的能力。巡线机器人结合摄像和图像处理模块，可用于机房、仓库等比较固定的位置巡检，替代一定的人工作业，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]李航，孙厚芳，袁光明，林青松.智能控制及其在机器人领域的应用[J].河南科技大学学报（自然科学版），2005，1.

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[3]王君.单片机原理及控制技术[M].北京：机械工业出版社，2010.

[4]赵燕.传感器原理及应用[M].北京：北京大学出版社，2010.

[5]田淑珍.电机与电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2010.

作者简介：马瑶瑶（1982-），女，吉林四平人，理科教学部助教，本科，研究方向：基础电子。

作者单位：江西科技学院，南昌 330098