小車設(shè)計整體思路

作者：胡泊最近接觸了很多機(jī)器人愛好者，很多人都對機(jī)器人技術(shù)展示出了濃厚的興趣，也在計劃如何動手制作自己的第一個機(jī)器人。但是似乎很多的人都摸不到門路，只能是站在大門外滿懷興趣的向內(nèi)觀望，觀望了一陣興趣漸失只好嘆口氣走開……很多初學(xué)者可能都是看了一些視頻或是現(xiàn)場的比賽，勾起了兒時的美好回憶，興起了自己動手制作機(jī)器人的念頭，很多人可能并不是嵌入式開發(fā)的業(yè)內(nèi)人士，甚至沒有聽說過單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)這些名詞，看著別人滿地亂跑的各種機(jī)器人，頗有無處下手的感覺。有的人一上來就準(zhǔn)備做一個可以雙足行走的人形機(jī)器人，可以平穩(wěn)行走，可以靠攝像頭來讀取環(huán)境信息，可以語音識別，最好還可以變形……：一（我的意見是：新手最好還是老老實實的從小車開始吧。人形機(jī)器人可以說是一個系統(tǒng)的大工程，不是一個人玩的起來的，而且資金上的投入也是不可計量的。一個人形機(jī)器人的成型產(chǎn)品最少要賣到幾千塊一一要知道，你在開發(fā)過程中是不可能沒有錯誤投入的。機(jī)器人小車技術(shù)上門檻較低，資金投入也少，市場上的各種產(chǎn)品和零配件的支持也較多，雖然簡單，但可以實現(xiàn)的功能可一點也不少。我在這里憑自己的經(jīng)驗介紹一些自己動手制作機(jī)器人小車的基礎(chǔ)知識，如果你是曾經(jīng)自己動手做過的高手，那么你可以繞行，我這里介紹的都是為未入門者準(zhǔn)備的最基本的理論知識和一些動手經(jīng)驗。那么現(xiàn)在我們開始，首先是理論部分一一小車的控制結(jié)構(gòu)。［一］小車的整體控制系統(tǒng)小車是怎么來控制的？為什么小車判斷出障礙物后可以自動的繞開？理論：控制工程一一處理自動控制系統(tǒng)各種工程實現(xiàn)問題的綜合性工程技術(shù)。包括對自動控制系統(tǒng)提出要求（即規(guī)定指標(biāo)）、進(jìn)行設(shè)計、構(gòu)造、運行、分析、檢驗等過程。它是在電氣工程和機(jī)械工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。閉環(huán)控制：閉環(huán)控制有反饋環(huán)節(jié)，通過反饋系統(tǒng)是系統(tǒng)的精確度提高，響應(yīng)時間縮短,適合于對系統(tǒng)的響應(yīng)時間，穩(wěn)定性要求高的系統(tǒng)。開環(huán)控制:開環(huán)控制沒有反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高，響應(yīng)時間相對來說很長,精確度不高，使用于對系統(tǒng)穩(wěn)定性精確度要求不高的簡單的系統(tǒng)。一般稍微復(fù)雜一點的機(jī)器人小車都是閉環(huán)控制，也就是說它有一個反饋機(jī)制，會根據(jù)自己配備的各種傳感器來讀取環(huán)境信息，并且根據(jù)這些環(huán)境信息來決定自己下一步的行動，決定好后將行動指令發(fā)給執(zhí)行系統(tǒng)，使機(jī)器人做出合適的動作。當(dāng)然也有的機(jī)器人小車是開環(huán)控制，我就見過一個機(jī)器人小車配了一支筆，將機(jī)器人放在紙上，機(jī)器人一轉(zhuǎn)，刷的一下在紙上畫出一個圈來，當(dāng)然由于摩擦力和機(jī)械誤差等原因，畫出來的圓圈可能不閉合，也可能不圓。不過人家阿Q都說了：“孫子才畫的圓呢……”有點迷糊？沒關(guān)系，其實簡單一點說就是這樣:機(jī)器人可以分為三部分一一傳感器部分、控制器部分、執(zhí)行器部分。傳感器部分:機(jī)器人用來讀取各種外部信號的傳感器，以及控制機(jī)器人行動的各種開關(guān)。好比人的眼睛、耳朵等感覺器官?？刂破鞑糠?接收傳感器部分傳遞過來的信號，并根據(jù)事前寫入的決策系統(tǒng)（軟件程序），來決定機(jī)器人對外部信號的反應(yīng)，將控制信號發(fā)給執(zhí)行器部分。好比人的大腦。執(zhí)行器部分：驅(qū)動機(jī)器人做出各種行為，包括發(fā)出各種信號（點亮發(fā)光二極管、發(fā)出聲音）的部分，并且可以根據(jù)控制器部分的信號調(diào)整自己的狀態(tài)。對機(jī)器人小車來說，最基本的就是輪子。這部分就好比人的四肢一樣。好的，現(xiàn)在我們來分析一下機(jī)器人小車的避障行為控制：機(jī)器人正在行走過程中（人在路上走），忽然接收到裝在機(jī)器人前部的傳感器發(fā)來的一個“左前方有障礙物”的信號（人眼發(fā)現(xiàn)左前方有一根電線桿），我們事先寫在機(jī)器人控制芯片中的程序算法要求機(jī)器人發(fā)現(xiàn)左前方有障礙物就往右邊轉(zhuǎn)（人發(fā)現(xiàn)左前方有電線桿就應(yīng)該往右躲一一什么，你還要繼續(xù)往前走？你牛！那我就等著聽響了，哦，原來你只是想去看上面的小廣告……），控制芯片對機(jī)器人的驅(qū)動器一一或是輪子，或是雙足一一發(fā)出向右轉(zhuǎn)的指令（人大腦發(fā)出向右轉(zhuǎn)的指令，通俗點說就是“拐了拐了”），此時機(jī)器人的執(zhí)行器部分應(yīng)該立即響應(yīng)控制器的指令，改變自己的狀態(tài)，使機(jī)器人的前進(jìn)方向改變，避開障礙物（恭喜你，躲開了電線桿）。怎么樣，是不是有了點機(jī)器“人”的意思?那么這三部分是怎么聯(lián)系起來的呢？很簡單：電！其實機(jī)器人小車就是一個電子作品，傳感器將外部的光信號、聲音信號、溫度信號等全部轉(zhuǎn)換為控制部分可以接受的電信號，控制系統(tǒng)發(fā)出的指令也是各種電信號，通過執(zhí)行部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)輸出的扭矩、聲音、光信號等等。下面我來分別介紹一下這三個部分。［二］傳感器部分傳感器是機(jī)器人的眼睛，想要小車完成不同的任務(wù)就要配備各種不同的傳感器?，F(xiàn)在市場上林林總總的傳感器數(shù)不勝數(shù)，一般個人機(jī)器人愛好者經(jīng)常使用的有碰撞檢測傳感器（碰撞開關(guān)）、紅外測障傳感器、紅外測距傳感器、光敏電阻、電子溫度計、電子指南針等等。一般機(jī)器人用的傳感器返回的信號分兩種：一種返回值很簡單，只有兩個狀態(tài)：“有”或者“沒有”；“是”或者“不是”；“0”或者“1”。我一般習(xí)慣把這種量稱為“狀態(tài)量”。它所反映的是一種狀態(tài)，只是簡簡單單的“是”或“否”。比如“機(jī)器人左邊有沒有障礙物”，“有沒有聲音信號”等。還有一種返回值返回的是一個已知范圍內(nèi)任意值，比如一只光敏電阻返回的信號就可能是0?5V范圍內(nèi)的任意電壓信號。我一般把這種量稱為“強度量”。它所反映的是一個有效范圍內(nèi)的強度。比如“機(jī)器人左邊的障礙物有多遠(yuǎn)”，“現(xiàn)在的聲音信號有多強”等?！盃顟B(tài)量”反映的信息較簡單，相應(yīng)的傳感器也較簡單，成本較低。而“強度量”反映的信息則較豐富，相應(yīng)的傳感器的成本就會比較高，同時給控制上也帶來了更大的靈活性和復(fù)雜性。下面我們來看一些常用的傳感器:碰撞開關(guān)：電路常開，碰到障礙物后連通，可以用來檢測機(jī)器人是否發(fā)生碰撞。

光敏電阻:光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）?？梢杂脕頇z測光線強度。紅外測障傳感器：紅外測障傳感器利用紅外線遇到障礙物會反射的原理，來檢測某一方向上是否有障礙物的存在。

紅外測距傳感器:紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號。超聲波測距傳感器:超聲波測距傳感器利用聲音在空氣中的傳輸距離和傳輸時間成正比的原理，通過檢測不同遠(yuǎn)近的反射面對超聲波反射回去的時間不同來檢測障礙物的距離。對于傳感器，很多人覺得只要看看文檔，知道怎么用了就行。但我的建議是：不但要知道怎么用，還要知道其檢測原理。只有深刻的理解了傳感器的檢測原理，才能具有更好的發(fā)散性思維。我舉一個例子：當(dāng)初在學(xué)校開展機(jī)器人滅火比賽，我們用了廠家提供的地面灰度傳感器依靠可見光反射來檢測地面白線，效果一直不是很理想。后來有同學(xué)仔細(xì)研究了當(dāng)時電機(jī)上配備的光電編碼器，發(fā)現(xiàn)其原理就是利用紅外線在不同顏色表明上反射率不同檢測高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)上黑白相間的碼盤來測出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，動手將光電編碼器上的紅外檢測模塊拆下來裝在機(jī)器人底部，用來檢測地面白線，檢測效果一下子好了很多。購買途徑：當(dāng)?shù)氐碾娮邮袌觯蚴蔷W(wǎng)上購買（現(xiàn)在很多機(jī)器人商家都