無須單片機(jī)！模擬電路控制的循線機(jī)器人（圖文） - 全文

　　循線小車的制作可以說是機(jī)器人愛好者的一門必修課。但是我們?？吹降奈恼麓蠖蓟?a target="_blank">單片機(jī)架構(gòu)，要完整制作出一臺這樣的小車，需要掌握單片機(jī)、程序語言、開發(fā)環(huán)境、算法、編譯環(huán)境、燒錄軟件、下載器等一系列軟硬件知識。這對于沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過單片機(jī)的愛好者來說有一定難度。

　　本文介紹一部由模擬計(jì)算機(jī)控制的循線小車，它由傳感器和線性比例器構(gòu)成，原理簡單易懂，無需編程。只要具備模擬電路知識就可以上手制作。

　　下面開始，我們的口號是DO IT ALL THE WAY！

　　一，制作小車底盤。

　　材料清單：

　　名稱　　　　　　數(shù)量

　　瓶蓋　　　　　　2只

　　微型減速電機(jī)　　2只

　　工業(yè)端子排　　　1條

　　通孔珠子　　　　1個(gè)

　　曲別針　　 　　 1個(gè)

　　M3螺絲螺母　　 若干

　　洞洞板　　　　 若干

　　M3套管　　　　4個(gè)

　　M3銅柱　　　　若干

　　4AAA電池倉　　1個(gè)

　　雙面膠帶　　　　適量

　　從工業(yè)端子排里面拆出兩套銅芯，作為軸連器，用來連接車輪和電機(jī)。我是用的是380V10A的端子排，銅芯內(nèi)徑是3MM，連接3MM的螺絲和電機(jī)輸出軸非常合適。這種端子排在一般的五金燈具市場都可以買到，有的吸頂式節(jié)能燈的鎮(zhèn)流器里面也有這樣的銅芯。如下圖A。

　　下圖是準(zhǔn)備好的材料，很簡單吧？除了電機(jī)，其他材料都是生活中常見的。瓶蓋用來做車輪，要選擇直徑比電機(jī)大一些，這樣小車下面的電池倉距離地面有一定高度，不會蹭底盤。蓋子邊緣厚一些，可以增加摩擦力，小車走起來不會打滑。我用的是嬰兒食品的金屬蓋子，鐵灰色，比較耐看。如下圖B。

　　在瓶蓋的中心打一個(gè)3MM的孔，借助一顆3MM的螺絲和軸連器，連接好電機(jī)和車輪。用曲別針穿上珠子，彎成下圖C形狀，做小車的尾輪。

　　把減速電機(jī)稍微靠前，固定在一片洞洞板上。這里電機(jī)是用鐵絲纏繞并焊接固定的，簡單點(diǎn)也可以用熱熔膠固定，或者用薄鐵皮做一對箍子，配合螺絲固定好電機(jī)。如下圖D。

　　尾輪靠后用螺絲固定在電路板下方。電池倉直接用雙面膠貼在洞洞板下面。如下圖E。

　　我是用的是5X7厘米的預(yù)制洞洞板，四角有安裝孔，借助銅螺絲可以很方便的一片片疊加起來。把電機(jī)和電源都單獨(dú)引出接頭，方便將來和上面控制板的連接。如下圖F。

　　這樣，一個(gè)基礎(chǔ)小車的底盤就做好了。5X7厘米的洞洞板上有足夠數(shù)量的焊盤，將來還可以用它做單片機(jī)小車，換不同的控制板，實(shí)現(xiàn)不同的用途。很方便吧？

　　二，制作循線控制板

　　這臺循線小車是由模擬計(jì)算機(jī)控制的。模擬計(jì)算機(jī)是用電流、電壓等連續(xù)變化的物理量直接進(jìn)行運(yùn)算的計(jì)算機(jī)，由運(yùn)算放大器構(gòu)成核心器件，運(yùn)算過程不存在模數(shù)-數(shù)模轉(zhuǎn)換和編程算法的問題。

　　線路圖：

　　芯片接線圖：

　　元件清單：

　　型號 數(shù)量

　　ITR20001-T紅外線光電開關(guān) 2

　　74HC240配插座 1

　　5V小型繼電器 2

　　4.3K電阻 2

　　10K電阻 1

　　100歐姆電阻 2

　　網(wǎng)線芯 若干

　　洞洞板 若干

　　LED 1

　　細(xì)導(dǎo)線 若干

　　小車每側(cè)的車輪由兩只反相器組成的比例器控制，通過繼電器帶動減速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這里使用的是一片八路反相驅(qū)動芯片74HC240作為模擬計(jì)算機(jī)的核心。讀者也可以使用通用運(yùn)算放大器接成反相器來替代，控制效果是一樣的。

　　以下是小車運(yùn)行狀態(tài)的分析：

　　1， 當(dāng)比例器輸入端的紅外線光電開關(guān)檢測到黑線的時(shí)候，紅外線接收管接收到的反射光減小，接收管呈高阻狀態(tài)，比例器輸入和輸出都是高電平，驅(qū)動繼電器吸合，與之相應(yīng)的減速電機(jī)帶動車輪轉(zhuǎn)動。

　　2， 當(dāng)左右兩只光電開關(guān)都檢測到黑線，兩只繼電器同時(shí)吸合，小車全速直行。當(dāng)黑線終止的時(shí)候，兩個(gè)光電開關(guān)發(fā)射管發(fā)出的光線經(jīng)地面反射至接收管，接收管接收到的入射光增加，比例器輸入電平降低，輸出電平跟著降低，兩只繼電器釋放，小車停駛。

　　3， 由此不難分析出小車拐彎時(shí)的狀態(tài)：以小車為第一視角，行駛中遇到順時(shí)針彎道，左側(cè)光電開關(guān)首先脫離黑線，繼電器J1釋放，右輪停轉(zhuǎn);左輪帶動小車做順時(shí)針轉(zhuǎn)動，直至左側(cè)光電開關(guān)回復(fù)到黑線上方。

　　4， 逆時(shí)針彎道的轉(zhuǎn)向狀態(tài)與上面相反。

　　5， 避障控制是利用74HC240的使能端來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)小車前方?jīng)]有障礙物的時(shí)候，74HC240的1腳，11腳因?yàn)?0K下拉電阻的作用，保持在低電平，對應(yīng)的四只反相器U1，U2，U3，U4為使能狀態(tài)。9腳為高電平，LED燈亮，小車按設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)遇到障礙物的時(shí)候，1腳和11腳為高電平，四組反相器為關(guān)斷狀態(tài)，LED燈滅，小車靜默。避障開關(guān)的優(yōu)先級高于光電開關(guān)，無論小車在那種運(yùn)行狀態(tài)，只要避障開關(guān)動作，都會強(qiáng)制小車進(jìn)入靜默狀態(tài)。

　　總結(jié)起來如下表所示：

　　狀態(tài) 避障開關(guān) 右光電開關(guān) 左光電開關(guān) 繼電器J1 繼電器J2 右輪 左輪 小車

　　1 斷 黑 黑 吸和 吸和 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 前進(jìn)

　　2 斷 黑線 白 釋放 吸和 停 轉(zhuǎn) 順時(shí)針

　　3 斷 白 黑線 吸和 釋放 轉(zhuǎn) 停 逆時(shí)針

　　4 斷 白 白 釋放 釋放 停 停 停

　　5 通 任意 任意 釋放 釋放 停 停 停

　　下圖是光電開關(guān)的安裝示意。兩只紅外線光電開關(guān)焊接在一片裁剪成條形的洞洞板上，要求模塊間距略小于路面黑線的寬度。也就是當(dāng)小車直線行駛的時(shí)候，兩只模塊同時(shí)位于黑線上方。

　　用兩根曲別針彎一對L型的支架，把傳感器板固定在小車前部。鐵質(zhì)曲別針很好定型，使得微調(diào)光電開關(guān)與路面間距變得很簡單。線路圖里面的電阻數(shù)值是配合ITR20001-T型紅外線光電開關(guān)，經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)決定的。當(dāng)傳感器距離路面5MM的情況下，可以準(zhǔn)確動作。如果愛好者使用其他型號的光電開關(guān)，電阻數(shù)值需要做適當(dāng)調(diào)整。

　　下圖所示為避障開關(guān)的做法。簡單到只需要一根電阻腿，一段網(wǎng)線。

　　用電阻腿彎一個(gè)圓圈焊在洞洞板上，做為開關(guān)的定片;網(wǎng)線剝皮穿過圓圈焊在洞洞板上，與圓圈保持微小的間距，做為開關(guān)的動片。在網(wǎng)線碰到物體的時(shí)候，定片和動片接觸，觸發(fā)電路動作。

　　因?yàn)?4HC系列的芯片為CMOS器件，輸入阻抗很高，這里可以忽略開關(guān)的接觸電阻，即使有幾百歐姆的接觸電阻也不會影響電路的正常動作，實(shí)際上這個(gè)簡陋的土制開關(guān)動作非常靈敏。

　　因?yàn)殡娐繁容^簡單，控制板的焊接過程不再做過多說明。5X7厘米的洞洞板空間很大，我把光電開關(guān)的電阻用串并聯(lián)的方式焊在的電路板上，這樣有兩個(gè)好處：一是可以很方便的通過短路個(gè)別電阻來調(diào)整傳感器靈敏度，二是分散的電阻布局使得線路板看上去不會顯得太空，外觀上比較美觀。

　　下面幾張圖是制成的小車。

　　后話：

　　從自動控制系統(tǒng)的角度來分析，本文所制作的循線小車（包括其他文章介紹的單片機(jī)循線小車）是一個(gè)隨動系統(tǒng)，隨動系統(tǒng)的輸入信號是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)，系統(tǒng)的任務(wù)是在存在擾動的情況下，保證輸出量以一定的精度跟隨輸入信號的變化。

　　隨動系統(tǒng)在工業(yè)、交通和國防等部門都有著廣泛的應(yīng)用，比如機(jī)床的自動控制，車輛的智能轉(zhuǎn)向，火炮的控制和衛(wèi)星導(dǎo)航等。機(jī)器人愛好者制作的循線小車可以說是一臺小中見大的模型，分析和改善它的不足，對深入了解大型的系統(tǒng)亦會有很大幫助。

　　比如，這臺循線小車使用繼電器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電磁式繼電器具有吸合電壓高于釋放電壓的特性，相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中加入了積分環(huán)節(jié)。微型電機(jī)的減速箱，存在齒輪傳動間隙。這些因素都會增大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，直觀的結(jié)果是小車遇到弧度比較小的黑線軌道時(shí)轉(zhuǎn)彎效果不好，會出現(xiàn)車體來不及響應(yīng)運(yùn)算指令，傳感器同時(shí)脫離黑線的情況。而在從弧線進(jìn)入直線的時(shí)候，因?yàn)辇X輪間隙造成光電開關(guān)的位移誤差，使左右兩邊的繼電器頻繁動作。

　　以下有幾個(gè)改進(jìn)的辦法供大家探討：

　　1，使用快速響應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動電路，比如在單片機(jī)小車?yán)锩娼?jīng)常采用的L293D，L298N等電機(jī)驅(qū)動芯片。

　　2，增加光電開關(guān)的數(shù)量，這個(gè)方法在單片機(jī)循線小車?yán)镆矎V泛采用，原理是相通的。

　　3，在光電開關(guān)與比例器之間加入由阻容器件構(gòu)成的串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的補(bǔ)償放大器。比例加微分控制（PD）就是一種超前校正，可以提高小車運(yùn)行的穩(wěn)定性和快速性。

　　還可以對光電開關(guān)和避障開關(guān)進(jìn)行改進(jìn)。如使用經(jīng)過調(diào)制的信號來驅(qū)動光電開關(guān)的紅外線發(fā)射管，接收管輸出信號經(jīng)過濾波器再進(jìn)入模擬計(jì)算機(jī)，以避免外界雜散光線的干擾。避障開關(guān)也可以使用紅外線或者超聲波模塊改成非接觸式的。

　　下圖是改進(jìn)版的線路圖，擴(kuò)展了光電模塊，使用了L293D驅(qū)動芯片。注意這個(gè)線路還沒有經(jīng)過測試，僅供參考。

　　隨著科技的發(fā)展，數(shù)字計(jì)算機(jī)在各個(gè)行業(yè)被大量應(yīng)用;相比之下，與模擬計(jì)算機(jī)有關(guān)的應(yīng)用資料變得越來越少。本文把這種“古董”的技術(shù)發(fā)掘出來，加以實(shí)際應(yīng)用，意在拋磚引玉，給大家擴(kuò)展一下思路，從多個(gè)角度去思考問題。

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