引言

　　迷宮機器人走迷宮競賽是一項綜合性十分強的競賽，它涉及的學(xué)科包括了計算機學(xué)、機械學(xué)、電工學(xué)、嵌入式開發(fā)知識以及算法的實現(xiàn)等。迷宮機器人是一種人工智能的機器人，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，終走出IEEE標(biāo)準(zhǔn)迷宮。

　　迷宮機器人在迷宮中要能按照一定規(guī)則完成行走，所以機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。

　　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)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(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；在接收器后面的是檢測電路，用于濾除無效信號，以及對有效信號進行利用。

　　隨著車體和墻壁的距離不同，接收管接收到的信號的強弱也不同。當(dāng)車體距離墻壁較近時，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，反射的紅外光線在傳播過程中會損耗，被接收管接收到的信號較弱，產(chǎn)生的電壓也就較低。

　　2 光電傳感器的選用

　　光電傳感器的特點：不受電磁波的干擾，非噪聲源，可實現(xiàn)非接觸性測量；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)短的時間內(nèi)獲得較多的紅外線傳感器測量值；測距范圍較近，大致為40 cm以內(nèi)。

　　3 光電傳感器應(yīng)用電路

　　在本設(shè)計中，采用Freescale公司的16位單片機MC9S12DG128對光電傳感器進行控制。單片機的A／D模塊進行信號采集，獲知當(dāng)前的墻壁信息和車體的位置信息。單片機采集到A／D數(shù)值后，通過RS232傳到PC機上。然后根據(jù)傳感器采得的數(shù)值為電機指定相應(yīng)的動作信號，控制迷宮機器人在迷宮中的姿態(tài)，并且實時記錄迷宮墻壁有無的信息，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)計的好壞直接影響著機器人的工作。一般來說，傳感器電路由控制電路、發(fā)射管、接收管和信號處理電路構(gòu)成。陽光譜中含有紅外成分，所以在迷宮機器人中要想方設(shè)法將紅外光譜消除，才能保證迷宮機器人的正常運行。

　　本設(shè)計使用了5路傳感器，分置于迷宮機器人的正前、偏左45°、左側(cè)、偏右45°、右側(cè)。每一路的打開與關(guān)閉由處理器控制，如圖2所示。

　　本設(shè)計中的傳感器電路如圖3所示。CTR1為傳感器的開關(guān)控制口，CTR1置高時，發(fā)射管兩端沒有電壓差，所以傳感器不會對外發(fā)射紅外信號；CTR1置低時，發(fā)射管和傳感器均工作，對外發(fā)射紅外光譜信號。當(dāng)發(fā)射的紅外光譜經(jīng)迷宮墻壁發(fā)射反射回迷宮機器人時，接收管會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

　　3．2 傳感器電路的使用

　　從前面的分析可以知道，傳感器采集信號時存在著陽光干擾。在設(shè)計期間，我們也進行了相應(yīng)的干擾實驗。結(jié)果表明，陽光的干擾十分強烈，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程中必須考慮陽光對光電傳感器的干擾，可從硬件和軟件兩方面去消除陽光的影響。

　　在本設(shè)計中，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)。這時使用處理器的A／D采集模塊對接收管的信號進行采集，作為基值A(chǔ)D1。然后，將CTR1置低，將發(fā)射管打開，再用處理器的A／D采集功能進行信號采集。這時采得的數(shù)據(jù)為AD2，是反射光譜和陽光紅外譜的混合信號，而真正的A／D值應(yīng)為AD=AD2-AD1。軟件消除陽光紅外光誤差的流程如圖4所示。

　　本設(shè)計采用MC9S12DG128處理器的PB0～PB4控制5個傳感器的開斷。實驗表明，軟件消除陽光紅外光誤差的方法效果較好。

　　3．3 實驗結(jié)果

　　該實驗使用RS232通信接口，將處理器采集獲得的A／D數(shù)值實時傳到上位機，然后改變車體與墻壁之間的距離，記錄各個點的A／D數(shù)值，利用MATLAB繪制出A／D值與距離之間的關(guān)系圖。

　　實驗表明，該方法能夠有效地在迷宮中進行距離的探測，探測距離達(dá)到20 cm，在1 cm處傳感器飽和，而迷宮機器人的要求能夠探測的距離為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。實驗程序如下所示：

　　實驗結(jié)果如圖5所示，可見距離與A／D采樣值成反比。

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計了一款新型迷宮機器人，其中光電傳感器的設(shè)計部分采用RPR220實現(xiàn)。實驗表明，本設(shè)計的探測距離完全滿足迷宮機器人的使用要求。