1.智能移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能
智能移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)主要采用模塊化組合設(shè)計(jì)，采用atmel公司的atmega16單片機(jī)芯片，同時(shí)配合iccavr7.01軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持c語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)。
智能移動(dòng)機(jī)器人硬件主要由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、發(fā)生器模塊、串口通信模塊以及無(wú)線遙控、循線、尋光、避章等模塊組成。
圖1 智能移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件框圖
其主要功能為：
① 紅外遙控功能
紅外通信采用38k載波傳輸方式，利用長(zhǎng)虹電視機(jī)遙控器作為紅外遙控的發(fā)射裝置，利用串口以及串口調(diào)試助手，找出遙控器控制鍵（前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及停止）的編碼，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)控制。
② 避障功能
由紅外發(fā)送和接收裝置兩大部分組成，可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)自收，也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)板之間的通信。發(fā)送部分發(fā)送紅外載波，若前面沒(méi)有障礙物，接受部分不能收到載波，若前面有障礙物，載波將返回被接受模塊接受，于是通過(guò)接受模塊判斷是否收到載波就可以判斷前面是否有障礙物
③ 循線功能
由5路反射式紅外光電傳感器組成，檢測(cè)距離可調(diào)整范圍大，4-10mm范圍可用。
④ 尋光功能
主要采用靈敏度較高的光敏電阻，通過(guò)lm393將信號(hào)放大，返回主控模塊。
2.紅外遙控功能
① 紅外遙控工作原理
圖2 無(wú)線遙控系統(tǒng)框圖
通常紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成。主要應(yīng)用編/解碼專(zhuān)用集成電路芯片來(lái)進(jìn)行操作控制。發(fā)射部分由鍵盤(pán)矩陣、編碼調(diào)制、led紅外發(fā)送器組成；接受部分由光、電轉(zhuǎn)換放大電路、解調(diào)以及解碼電路組成（如圖2所示）。在本實(shí)驗(yàn)中，接受裝置采用tl538b專(zhuān)用集成芯片，發(fā)射裝置采用長(zhǎng)虹電視機(jī)遙控器（rk23c）。
② 遙控信號(hào)發(fā)射
當(dāng)發(fā)射器按下按鍵后，即有遙控碼發(fā)出，所按的鍵不同遙控編碼也就不同，這種遙控碼主要具有以下特征：
采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565ms、間隔為0.56 ms、周期為1.125 ms的組合表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.565ms、間隔為1. 685 ms、周期為2. 25 ms的組合表示二進(jìn)制的“1”，其波形如圖3所示。
圖3 遙控碼的“0”和“1”
上述的“0”和“1”組成的32位二進(jìn)制碼經(jīng)38khz的載頻進(jìn)行二次調(diào)制以提高發(fā)射效率，達(dá)到降低電源功耗的目的，然后再通過(guò)紅外發(fā)射二極管產(chǎn)生紅外線向外界空間發(fā)射，如圖4所示。遙控編碼產(chǎn)生的是32位二進(jìn)制編碼，其中前16位是用戶(hù)識(shí)別碼，能區(qū)別不同的電器設(shè)備，防止不同機(jī)種遙控碼互相干擾，后16位為8位操作碼（功能碼）及其反碼。
圖4 紅外發(fā)射編碼圖
遙控器在按鍵按下后，周期性地發(fā)出同一種32位二進(jìn)制碼，周期大約為108ms，一組碼本身的持續(xù)時(shí)間隨它包含的二進(jìn)制“0”“1”的個(gè)數(shù)不同而不同，大約在45~63ms之間,圖5為發(fā)射波形圖。
圖5 遙控連發(fā)信號(hào)波形
當(dāng)一個(gè)按鍵被按下超過(guò)36ms，振蕩器使芯片激活，將發(fā)射一組108ms的編碼脈沖，這108ms發(fā)射代碼由一個(gè)引導(dǎo)碼（9ms）、結(jié)果碼（4.5ms）、低8位地址碼（9ms~18ms）、高8位地址碼（9ms~18ms）、8位數(shù)據(jù)碼（9ms~18ms）和這8位數(shù)據(jù)的反碼（9ms~18ms）組成，如果按下超過(guò)108ms仍未松開(kāi)，接下來(lái)發(fā)射的代碼（連續(xù)碼）將僅由起始碼（9ms）和結(jié)束碼（2.25ms）組成。
圖6 引導(dǎo)碼 圖7 連發(fā)碼
③ 遙控信號(hào)接受
接受電路使用一種紅外接受和放大于一體的紅外接受器tl538b，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接受到輸出與tll電平信號(hào)兼容的所有工作，而體積和普通的塑料封裝三極管大小一樣，適合于各種紅外遙控盒紅外數(shù)據(jù)傳輸。
④ 紅外遙控電路圖
圖8 tl538b與單片機(jī)連接圖
⑤ 紅外遙控程序流程圖
圖9 紅外遙控程序參考流程圖
3.紅外避障功能
① 紅外避障原理
紅外避障傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收信號(hào)裝置，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)處理之后，通過(guò)數(shù)字傳感器接口返回到機(jī)器人主機(jī)，機(jī)器人即可利用紅外波的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周?chē)h(huán)境的變化。
圖10 發(fā)射接受原理圖
紅外避障信號(hào)發(fā)射裝置（如圖10所示）主要由555定時(shí)器和外界元件r1、r2、c3、c2組成的多諧振蕩器構(gòu)成。電路沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路也不需要外接觸發(fā)信號(hào)，利用電源通過(guò)r1、r2向c3充電，以及c3通過(guò)r1向放電端dischg放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容c3在2/3vcc和1/3vcc之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對(duì)應(yīng)的波形如下圖12所示。
圖11 紅外發(fā)射電路圖 圖12 多諧振蕩器的波形圖
輸出信號(hào)的時(shí)間參數(shù)是：t=tw1+tw2
tw1=0.7 (r1+r2) c
tw2=0.7r2 c
其中，tw1為vc由1/3vcc上升到2/3vcc所需的時(shí)間，tw2為電容c3放電所需的時(shí)間。
注：通過(guò)調(diào)節(jié)wr4可調(diào)電阻的阻值，可以增大或減短障礙物距離的檢測(cè)。
② 紅外避障程序流程圖
圖13 紅外避障程序參考流程圖
4.循線功能
① 循線原理
(a) (b) (c) (d)
圖14 小車(chē)循線示意圖
一般情況下，選擇三個(gè)st178光電傳感器，編號(hào)分別為a、b、c，如圖14所示，b檢測(cè)到黑線，而a、c沒(méi)有檢測(cè)到，那么機(jī)器人小車(chē)直行；若a 處于黑線上，b、c 在白色區(qū)域，那么機(jī)器人小車(chē)左偏以矯正路線；若c 處于黑線上，a、b 在白色區(qū)域，則機(jī)器人小車(chē)右偏以矯正路線，a 、b 、c 都在黑線上時(shí)，機(jī)器人小車(chē)處于黑線交界處。
② 循線電路圖
圖15 st178循線電路圖
圖16 多路通道選擇電路圖