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智能机器人实验 一、系统构成 智能机器人小车主要完成寻迹的功能，其实现主要包含机械结构和控制结构。 机械结构 歩遊电机控制板支架王鑒或轮稠跡托轮图8.1 歩遊电机 控制板支架 王鑒或轮 稠跡托轮 图8.1 车体结构 小车的车体结构如图 8.1所示，主要由底盘、前后辅助托轮、控制板支架、光电传感器 支架、左右驱动轮及步进电机等组成。 控制结构 小车的控制结构主要包含传感器及调理电路、 步进电机及驱动电路、 控制器等部分，下 面将分别进行叙述。 传感器及调理电路 机器人一旦启动进入运行过程是不允许人参与控制的，因此它的行为动作离不开传感 器。图8.2的流程图表明设计传感器的方法和需要涉及的因素。 冋忡件恿富环境、怖廉、幡唐■.邛应违專剛鳖对竦入杆韦1=于匕年FA库瞬 —*控钊羊元 冋忡件恿富 环境、怖廉、幡唐■.邛应违專 剛鳖对竦入 杆韦1=于匕年 FA 库瞬 —* 控钊羊元 L 」■ L J 控制吗產 ▼ X 王 1 F 枇器车格切距陽 机嚣丰睡 担R舉珏帑时1可 虹外咒电倩展嚣 图8.2传感器设计流程 在这里，小车要实现寻迹功能，需要使用到 3个光电传感器，其内部原理图和引脚图分别如 图8.3和8.4所示。光电传感器需要加进一个由比较器构成的信号调理电路，使其输出兼容 TTL 电平而能够与控制器接口，其应用电路如图 8.5所示，因为需要使用到 3个光电传感器，因此共 需要3路这样的光电检测电路。 图8.3 光电传感器内部原理图光电传感器引脚图图8.4图 图8.3 光电传感器内部原理图 光电传感器引脚图 图8.4 图8.5光电检测电路 步进电机及驱动电路 在此采用的是四相八拍反应式步进电机，其典型结构图如图 8.6所示。它共有5个接线 端，其中1个为12V电源输入端，其它 4个为控制端，接线方式如图 8.7所示。当A绕组 接通脉冲电流时，在磁力作用下使 A相的定、转子对齐，相邻的 B相和D相的定、转子小 齿错开。若换成 B相通电，则磁力使 B相定、转子小齿对齐，而与 B相相邻的A、C相的 定、转子小齿又错开，从而使得步进电机转过一个步距角。若按 A t B tCtDtA 规律 循环通电，则步进电机按一定的方向转动。若通电顺序改为 A t D t C t BtA ，则电机 反向转动。这种方式称为四相单四拍。在实现上，只需要按一定的时钟周期（不小于1.25ms, 对应频率不高于 800Hz）往这4个控制端循环输出一组固定的控制字即可，如图 8.8所示。 当反转控制字输出顺序（6、7、3、B、9、D、C、E）或改变接线顺序（控制端 4、控制端 3、控制端2、控制端1）,就可以使转动反向。因为左右轮的安装是反向的，所以要使小车 前进，左右步进电机的转动必须反向。欲使小车左转，只需要使左轮停止而右轮前进转动即 可；反之，欲使小车右转，则只需要使右轮停止而左轮前进转动即可。当输出一个固定的控 制字时，因4个控制端输出波形之间不具有相位差， 步进电机将停止转动。 步进电机需要一 个驱动电路，可以采用 ULN2803作单片机、CPLD、DSP等控制器与步进电机的接口，并 由之提供步进电机的驱动。 ULN2803的内部原理图和应用电路图分别如图 8.9和8.10所示 图8.6 反应式步进电机结构图图8.7步进电机接线图图8.8步进电机控制波形RDI2RD23RD3~4~RD45 图8.6 反应式步进电机结构图 图8.7步进电机接线图 图8.8步进电机控制波形 RDI 2 RD2 3 RD3 ~4~ RD4 5 RD5~ ~6~ RD6 ~7~ RD7 ~8~ GND~ ~9~ RD0 1 IN1 OUT1 ,IN2 OUT2 .IN3 OUT3 ,IN4 OUT4 IN5 OUT5 ,IN6 OUT6 .IN7 OUT7 .IN8 OUT8 .GND VCC U4 ULN2803 17 OUTPUTA2 -16 OUTPUTA3 15 OUIPUIA4 14 OUIPUIB1 13 OUTPUTB2 ~T2—OUTPUTB3 11 OUIPUIB4 ~10 +12V~ 18 OUTPUTA1 + 12V 图8.10 ULN2803应用电路图 C17 104 控制器 控制器的作用是按一定的时钟周期 （不小于300ms）对3个光电检测器的输入进行抽样 检测，并根据3个光电检测器的状态，判决小车是应该左转、 右转还是前进，从而决定左右 轮的步进电机是应该开动还是应该停止。 当步进电机需要开动时，向该步进电机输出前面所 述的具有固定相位差的控制信号， 否则输出一个固定的控制字， 使步进电机停止转动。 后面 将分别给出基于 PIC单片机、CPLD和DSP控制器的设计。 智能机器人系统功能 智能机器人主要完成寻迹（路径检测）的功能，即当它发现需寻迹的线