1、邮局订阅号:8 2 - 9 4 63 6 0元/年 技 术 创 新 机 器 人 技 术 P L C技术应用2 0 0例 您的论文得到两院院士关注 一种机器人的寻迹算法 A nN a v i g a t i o na l g o r i t h m B a s e do nR o b o t (河海大学)吕国芳黄林智徐 鸣 L VG U O F A N G H U A N GL I N Z H IX UMI N G 摘要: 针对基于光电传感器组寻迹的自动导引机器人, 设计了传感器阵列的布置方式。根据此布置方式, 提出了三个处理规 则结合而成的轨迹识别算法。 即使在导引线复杂的情况下, 用此算法也
2、能得出行进方向, 控制机器人沿轨迹运动。 甚至遇到 干扰走错时, 机器人也能自动纠错。 关键词:机器人;寻迹算法;规则 中图分类号: T P 2 4 2 . 6文献标识码: A A b s t r a c t :S e n s o r - a r r a ya r en e w l yl a i do u tf o rr o b o tw h i c hi sg u i d e db yt h ep h o t o e l e c t r i cs e n s o r ss e t . A na l g o r i t h m o fn a v i g a t i o ni s p r o v
3、 i d e dw h i c hi sc o m b i n e di nt h r e er u l e sa c c o r d i n gt ot h el a y o u t o f s e n s o r s . E v e ni f t h et r a c ki sc o m p l e x , d i r e c t i o nc a nb ec a l c u l a t e d b yt h ea r i t h m e t i c , a n dt h er o b o t c a nb es t e e r e dt of o l l o wt h et r a c
4、k . E r r o r sc a nb ec o r r e c t e db yr o b o t w h e nd i s t u r b sa p p e a r s . K e yw o r d s : r o b o t , a l g o r i t h mo f n a v i g a t i o n , r u l e 文章编号: 1 0 0 8 - 0 5 7 0 ( 2 0 0 7 ) 0 1 -2- 0 2 6 9 - 0 2 1引言 近年来, 机器人的发展遍及机械、 电子、 冶金、 交通、 宇航、 国防等领域, 机器人的智能水平不断提高。在自主式智能导航 系统中,机
5、器人要实现自动导引功能就必须要感知导引线, 即 常说的 “寻迹” , 这相当于给机器人一个视觉功能。 笔者所设计的机器人是一个自动导引小车( A G V ), 包括两 大部分: 一是行进方向的检测处理; 二是步进电机的驱动。 在该系统里,采用与地面颜色有较大差别的线条作引导, 使用传感器感知导引线,用单片机A T 8 9 C 5 2扫描光电传感器 组, 对采集到的信号进行分析处理并做出逻辑判断后, 得到行 进方向, 然后根据一定的步数去驱动步进电机, 实现机器人的 循迹行进。小车的驱动采用步进电机, 因为步进电机具有快速 起停能力, 且转换精度高, 正反转控制灵活。 2硬件电路 采用A T 8
6、 9 C 5 2单片机作为控制核心对光电传感器送来的 各种信号进行分析处理, 以控制机器人的方向和驱动及数据显 示等, 如图1所示。 图1硬件框图 为了检测黑色导引线, 笔者采用了8个光电传感器组成的 矩阵组。如图2所示, 相对于小车底盘的中心, 我们布置了内外 两层各4个传感器。每层4个传感器对应着中心的4个方向: 前、 后、 左前、 右前。可采用扫描方式分两次得到各行数据。 图2光电传感器矩阵组 导 引 线 检 测 的 具 体 电 路 如 图3所 示 。 此 处 采 用 的 是 T C R T 1 0 0 0反射式红外光电传感器。以第1行第1列的光电传 感器为例, 其工作原理是这样的:P
7、1. 0输出低电平时, 三极管 A 1 0 1 5导通, 光电传感器工作,T C R T 1 0 0 0的发射端发出不可见 的红外光。当反射物由非黑色导引线变为黑色导引线时, 光电 三极管的基极接受不到反射光, 从而光敏三极管由导通变为截 止, 使得集电极电压由低电平变为高电平, 经过7 4 L S 1 4反相器 反相整形, 输出值由逻辑1变为逻辑0后, 送入单片机中进行 进一步处理。 图3光电传感器寻迹电路图 值得指出的是在此处P N P三极管A 1 0 1 5的使用。此处如 果选用N P N三极管, 则在开机或复位时P 1口各位输出高电平 会误扫描传感器矩阵,而选用P N P三极管就可以避
8、免这种情 况, 能很好的控制光电传感器的工作, 并可以增加驱动能力。 吕国芳:副教授 2 6 9 - 技 术 创 新 中文核心期刊微计算机信息(嵌入式与S O C) 2 0 0 7年第2 3卷第1 -2期 3 6 0元/年 邮局订阅号:8 2 - 9 4 6 现场总线技术应用2 0 0 例 机 器 人 技 术 3寻迹 单片机控制寻迹的原理是这样的: 第一步, 通过矩阵式扫 描, 即给光电传感器矩阵分别输入两个 “1” 信号的行值, 将输出 的4个列值信号分别存入两个地址( 如3 0 H、3 1 H) 的低4位, 低 4位从高到低分别对应着4个方向: 前、 后、 左前、 右前。然后用 “F 0”
9、 与这八位做 “或” 逻辑运算, 即屏蔽掉高四位后作为本次的 信号值; 第二步, 将本次的信号值与上一次扫描处理后的信号 值进行逻辑处理, 得出一个新方向, 作为机器人行进的方向。 在这个程序里,逻辑处理内外层得到新方向是寻迹的关 键。笔者在其中按先后步骤使用了3种规则: 前后比较规则, 内外层切换规则, 优先级规则。 (1) 前后比较规则 此规则是这个算法的核心规则。它的目的是尽可能的用新 探测到的黑点作为新方向。新方向F通过 (1) 来求得。 ( 其中P i为本次的信号值,Pi - 1为前次的信号值) 逻 辑处理前 “0” 表示黑线轨迹, 逻辑处理后 “1” 表示轨迹行进方 向。举例如下:
10、 以内层为例, 设当前测得的值为 P i= 1 , 1 , 1 , 1 , ai, bi, ci, di 且前一次测得的值为 P i - 1= 1 , 1 , 1 , 1 , ai - 1, bi - 1, ci - 1, di - 1 经过上述(1) 逻辑处理后, 假设结果为F = 0 , 0 , 0 , 0 , 1 , 0 , 0 , 0 , 则正前方是行进的新方向。 (2) 内外层切换规则 如果光电传感器组前后两次所检测的值完全一样, 则在逻 辑处理后会出现全零, 这时保持原方向行进。如果碰到曲线拐 弯或者曲线断续, 则有可能出现多个 “1” 即多个方向, 这时可采 用 “内外层切换规则
11、” , 也就是说从内层切换到外层, 启用外层 扫描值重复上述前后比较规则来进行判断。启用外层信号进行 二次判断能很好的处理曲线拐弯及曲线断续等内层处理不好 的情况。但用外层信号判断, 因为其传感器布置的间隙距离比 内层大, 其控制精度不如用内层信号判断高。 (3) 纠错规则 在运行中, 传感器有可能受到干扰而发出错误信号导致机 器人走错或迷失方向, 这个时候纠错规则能让机器人后退起到 纠错作用。所谓纠错规则就是在走错后出现了内外层左前、 前、 右前均没有探测到引导线,而后向探测到了导引线的情况下, 让机器人后退, 一直退到前面三个方向传感器里有传感器探测 到导引线为止。此时再用(1) 式求得新
12、的行进方向, 从而实现纠 错功能。其中前后比较法的逻辑处理及随后的判断程序具体如 下: (3 0 H放本次信号值,3 2 H放前次信号值) D A T A D E A L:M O VA,3 0 H X R LA,3 2 H A N LA,3 2 H; 按(1) 式求新向 M O V3 6 H,A; 保存 M O VR 3,# 8 M O VR 4,# 0 C O U N T:J BA C C . 0 , A D D N C O U N T 1:R RA D J N ZR 3,C O U N T C J N ER 4,# 1 H,J U D G E;R 4里所含不是1 个 “ 1” 时, ; 转
13、 “J U D G E” 再判断 A J M PM O T O R R U N;R 4里只有一个 “1” 时, 以此 ;“1” 所代表的方向作为新方向 A D D N:I N CR 4 A J M PC O U N T 1 J U D G E:J CK E E P M O V E; 少于一个 “1” , 保持原方向 A J M PO U T C H E C K; 多于一个 “1” , 则取用外层 M O T O R R U N: ; 电机驱动子程序 K E E P M O V E: ; 保持原运动状态子程序 O U T C H E C K: ; 取用外层信号值判断子程序 4执行 导引机器人的驱动方式采用一驱动轮一转向轮方式: 将后 轮作为驱动轮, 前轮作为转向轮, 通过切换转向轮向左或向右 的方式改变机器人的方向。这种方式与汽车的控制方式一样, 直线行进性能好, 可以高
