教育机器人智能搬运优化设计

上传者：倪锦根
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上传时间：2015-04-24
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教育机器人智能搬运优化设计

科技展望??2014/18

教育机器人智能搬运优化设计

谢?翔

（温州大学，浙江?温州?325300）

【摘?要】近年来，机器人教育作为创新教育的一种新形式，在全国有了较大的发展。智能搬运机器人是一种被广泛研究的机器人，主要实现对多个目标物体的搬运。本文对教育机器人智能搬运进行简单分析，在控制器、电机、传感器等模块进行选择和优化，组成集多种传感器于一体的智能搬运机器人，并进行实验测试，验证可以更好地完成搬运任务。

【关键词】智能搬运?策略优化?教育机器人?创新设计

L298N芯片，电源模块采用双电源分别为电机和控制系统供电，判断物料颜色模块采用由TCS230 RGB颜色感应作芯片的颜色传感器。

2.1系统的硬件优化选择2.1.1控制电路模块

AT89S52单片机具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，3个16位可编程定时计数器，1个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。[3]

2.1.2电机驱动模块

直流电动机非常简单容易实现调速，本控制系统驱动动力源及调速模块均采用直流电动机，综合考虑后决定采用集成芯片L298N构成驱动电路。L298N是一款输入电压可达50V，输出电流可达3A，使用PWM控制技术的大电流电机驱动芯片。L298N是双H桥高电压大功率集成电路，可用来驱动直流电动机和步进电动机等电感性负载，机器人的电机驱动电流一般都在1-2A之间，输入电压在 9-15V之间，使用单片机控制L298N芯片使之工作占空比可调的开关状态，可以精确的调节电机转速。考虑到一定的设计余量和设计的简化性，采用此款驱动芯片。系统采用脉宽调速技术，通过控制脉冲宽度来控制电机的转速从而控制小车的运行速度。占空比的不同决定了直流电机的通电时间，也决定了直流电机单位时间转过的角度及速度，所以通过占空比的控制可以准确控制小车的速度。[4]

2.1.3红外线检测模块

机器人在白色地板上行走判断黑线，通常采取的方法是红外探测法。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。

在这一模块选用DM-S53401 QTI灰度检测传感器，它是一种红外传感器，它可以利用光电接收管探测其所面对的表面反射光强度。当传感器面对一个很暗的表面时，反射光强度很低；面对一个很亮的表面时，反射光的强度很高。因此不同强度的反射光导致传感器输出不同，即探测到不同颜色的物体输出不同的电平信号。传感器探测到黑色物体时输出高电平（+5V），探测到白色物体时输出低电平（0V）。这样便可以用这两种状态来判断被测物体的颜色深度。用这个结构的光电传感器再外加一些阻容件便可以将光能转为电能了。

搬运机器人前进时，始终保持运动轨迹线在车头两个传感器之间，当搬运机器人偏离轨迹时，探测器一旦探测到有轨迹线，单片机就会按照预先编定的程序发送指令给搬运机器人的控制系统，控制系统再对搬运机器人路径予以纠正。当搬运机器人

1前言

1993年，在美国国家科学基金会和教育部的支持下，美国全国科学院联合美国科学促进会、全美科学教师协会等科研团体着手制订美国的《国家科学教育标准》。教育机器人正是在科学教育改革的鼓舞下，大踏步地走进了美国学校的科学课堂，把几门学科的内容有机地整合在一起，给教师提供了一个在实践中教授数学、科学和技术的良好平台。同时，教育机器人也是教师培养学生必备的工作能力，如项目和时间管理、资源分配、信息获取、系统理解、团队合作以及解决问题等科学素养的良好载体。[1]

我国教育部于2003年4月正式颁布《普通高中技术课程标准（实验）》，该标准在“通用技术”科目中设立了“简易机器人制作”模块。2004年12月，中国教育学会中小学信息技术教育专业委员会在昆明召开了“第一届全国中小学机器人教学研讨会”，成立了“机器人学组”，陕西师范大学硕士学位论文制定了“中小学智能机器人课程指导意见（讨论稿）”。这标志着我国中小学机器人教学进入了一个崭新的发展阶段。

[2]

近年来，机器人教育作为创新教育的一种新形式，在全国计算机教育研究中心及众多知名专家的大力推动下，的确有了较大的发展。智能搬运机器人是一种被广泛研究的机器人，国内外有许多相关赛事。搬运机器人要求在无人控制的情况下在给定的区域和规定的时间完成对多个货物目标的搬运。本文以中国教育机器人智能搬运比赛为例，对教育机器人智能搬运体系进行浅显简单的分析和优化，尝试对教育机器人智能搬运体系提出改进建议，在一定程度上完善教育机器人智能搬运体系，对机器人技术在现实生活中的运用具有一定的借鉴意义。

2控制系统整体方案优化设计

机器人要求基于 8 位单片机，在比赛场地里移动，将不同颜色、形状或者材质的物体分类搬运到不同的对应位置。比赛的记分根据机器人将物体放置的位置精度和完成时间来决定分值的高低。它模拟了工业自动化过程中自动化物流系统实际工作过程。具体任务要求机器人能从出发区出发，到达物料储存区后，将5个颜色料块快速准确地搬运到对应的5个颜色中心区域内，最后回到出发区。

故本机器人智能搬运系统主要由控制器、直流电机、传感器等模块构成。为较好地实现各模块的功能，经过反复论证，我们最终确定了如下方案：控制模块采AT89S52单片机进行控制，电机模块采用直流电机驱动小车及转向，电机驱动采用

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经验交流

回到了轨道上时，搬运机器人车头两个探测器都只检测到路面，则搬运机器人继续直线行走，否则搬运机器人会持续进行方向调整操作，直到搬运机器人恢复正常。

2.1.4超声波检测模块

超声波传感器检测原理为传感器先发送一超声波脉冲，在它接收到反射回的声波后会向控制器返回一个脉冲，测量该脉冲的高电平持续时间即可算得离前方物体的距离。这一模块采用DM-S28018-B超声波传感器，该传感器提供了精确的、非接触式的距离测量，测量范围从2cm到5m，它非常方便的与单片机连接，只需要两个IO口就可以控制。它采用IO触发测距，给TRIG至少10us的高电平信号。模块自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回。有信号通过ECHO返回，ECHO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。该超声波传感器能提供从3厘米到300厘米范围内精确的非接触距离测量。

AT89S52微处理器使用51单片机得到距离长度(单位：cm)，占用单片机的两个IO口：一个IO口作为触发端，一个IO口作为回波PWM信号捕捉引脚。写程序时，先在TRIG引脚端为一个大约10US的高电平触发模块，同时模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。并在内部程序处理变换成一个PWM的信号从Echo引脚输出，一旦检测到有回波信号则输出回响信号，供我们方便使用。我们使用时，只需读出PWM信号高电平的时间(T)回响信号是一个脉冲的宽度成正比的距离对象。可通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算等到距离。公式：uS/58=厘米或者uS/148=英寸。也可以通过声波在空气中传播公式L=340T/2。就可以求出L（测量的距离）。如果没有检测到回响信号，模块回响信号脚将输出约140uS的电平，以防止发射信号对回响信号的影响。[5]

2.1.5颜色检测模块

自然界的各个颜色都是由不同比例的红、绿、蓝三原色混合而成的。颜色传感器就是通过检测某个颜色中三原色的比例来识别该颜色的，首先打开 LED 灯，选择输出比例因子，然后依次选定不同的颜色滤波器，每选通一个滤波器就检测其输出引脚输出的不同频率（即光强）的方波脉冲数，最后根据得到的三原色的脉冲数比例判断颜色。

这一模块选用DM-S28302-B 颜色传感器，该传感器根据RGB三色原理测量颜色，测量输出为方波频率信号，方波输出频率与测量颜色分量强度成正比。颜色传感器由TAOS TCS230 RGB颜色感应芯片、白光LED等，瞄准镜和连接线等组成。在测量颜色时，通过对相应引脚输入高低电平，分别选中红、绿、蓝颜色的光电探测器，传感器输出振荡的方波，方波的频率跟所选择的颜色的强度是成正比的。

在进行颜色识别前需要进行白平衡调整，使得颜色传感器对“白色”中的三原色 RGB 输出是相等的。通过白平衡可以得到在颜色识别时需要用到的选通信道的时间基准。在颜色传感器前适合位置放一个白色物体，打开 LED 灯，选择输出比例因子，依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，对每个通道（也称信道）的脉冲计数到255后关闭通道，最后分别得到每个通道所用的时间，这个时间就是识别颜色时要用的时间基准。打开LED灯，选择输出比例因子（与白平衡时相同），依次选通不同的滤波器，

滤波器选通时间对应其时间基准，最后根据得到脉冲数判断物体颜色。

2.2系统的软件优化设计2.2.1软件设计模块化

软件设计是智能搬运机器人的核心之一。软件设计分为五个常规任务、一个避障任务来设计。这五个任务在控制单元的调度下根据外部检测到的不同状态，进行智能切换。机器人第一个任务是，从出发区出发，行驶到黑线上物料摆放的位置，并取得物料。机器人第二个任务是，根据超声波传感器检测的结果寻找黑线外的物料摆放位置，并取得物料。机器人第三个任务是，在取得物料后，将所有物料运送到暂时堆垛区。机器人四个任务是，在暂时堆垛区对物料进行颜色识别。机器人第五个任务是，根据颜色判断将物料堆放在指定颜色区域，然后调整到出仓状态，进行下一轮的任务。机器人的第六个任务是循迹，这个任务穿插在其他五个任务之中，保证机器人能够准确行驶。

在软件设计方面将机器人智能搬运分为几个任务模块，可让设计者更清晰有条理地进行搬运路线方案的设计安排。

2.2.2循迹功能准确化

循迹功能采用6个QTI传感器检测黑线返回信号，根据信号进行即时调整。具体函数如下：

void run_online(uint8_t steps) {

while(steps){

if((P22_state()&&(!P23_state()))||(P21_state()&&(!P22_

state())&&(!P23_state())&&(!P24_state()))||((P14_state())&&(!P21_state())&&(!P22_state())&&(!P23_state())))

motor_motion(1530, 1300,1); //左转修正

else if(((!P22_state())&&P23_state())||((!P21_

state())&&(!P22_state())&&(!P23_state())&&P24_state())||((P15_state())&&(!P23_state())&&(!P24_state())&&(!P22_state())))

}

使用6个QTI传感器，充分发挥每个传感器对应位置的作用，可以更准确地检测黑线，更准确地判定是否到达十字路口、堆垛区等。

2.2.3线外行驶自动化

由于其中任务要求中几个物料放置于黑线外部，故在取得物料后，机器人需要返回于黑线上。此时所采用的代码不再单纯使用电机代码控制机器人的运动，而是灵活使用QTI传感器检测的信号作出判断，在机器人所有QTI检测到黑线时自动作90度转弯，返回于黑线上。具体函数代码如下：

void goto_line()

else{ } }

motor_motion(1700, 1300, 1); steps--;

//前进

motor_motion(1700, 1470,1); //右转修正

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{ } }

while(1){

if((!P14_state())&&(!P21_state())&&(!P22_ else

break;

motor_motion(LEFT_FWD, RIGHT_FWD, 1);

教育机器人智能搬运整体测试结果良好。综合运用了多种传感器，简化了程序的编写，增进了机器人搬运的准确性与稳定性。

4结语

为了满足工业生产中搬运重物和提高劳动生产率的要求，我们本着简单、高效的原则设计了一种基于单片机的智能搬运教育机器人。系统采用干电池供电，摆脱了交流电源的束缚，并通过对机械结构的运动学分析，建立相应的数学模型。机器人智能搬运优化设计特色在于各种传感器的综合运用，重点在于控制小车行驶的速度、黑线的检测、对黑线外物料的检测以及对物料颜色的识别。难点在于对黑线外物料的检测以及对物料颜色的识别，但经过努力，在保证硬件的前提下，合理设计软件算法，机器人的各项功能很好地完成了任务要求。但测试中发现外界环境对智能搬运机器人有一定干扰，在以后的研究中，需要对传感器的性能进行改进，以保证机器人有更强的抗干扰能力。本设计扩展性很强，经过反复模拟测试，智能搬运机器人能够模拟工厂的自动化管理，实现过车间之间货物的传送；还可以对其进行功能扩充（例如增加超声波传感器，使其具有避障功能），将其应用于更多自动化设备中。

state())&&(!P23_state())&&(!P24_state())&&(!P15_state()))

3测试方法与结果

3.1测试仪器

可编程的计算机配置1台智能搬运场地图1

内容需要下载文档才能查看

张，如下图：

图1?智能搬运场地图

红、黄、蓝、黑、白物料各1块秒表1个3.2测试方法

调整好电源，让机器人从出发区出发，自动寻找物料，观察机器人的行进路线以及对物料颜色判断是否正确，直到小车回到出发区，记录机器人从出发到停车所用时间。如此反复，测试三次。

3.3测试结果及分析

表格1教育机器人智能搬运整体测试结果记录表

次序