一個簡單的線路跟隨器機(jī)器人電路

本文介紹了一個簡單的線路跟隨器機(jī)器人電路，也稱為線路跟蹤器車輛，僅使用IC LM324的幾個運(yùn)算放大器和其他一些組件，而無需使用復(fù)雜的Arduino或微控制器。

什么是從線機(jī)器人車

從線機(jī)器人車輛是自動導(dǎo)引車（AGV）的一種形式，它通過檢測繪制或嵌入地面的白線來運(yùn)行。來自探測器的信號命令電動車輪根據(jù)線路自動轉(zhuǎn)動和調(diào)整，給人一種車輛正在跟隨線路的印象。因此，名稱行追隨者。

基本上，探測器的形式是光敏電阻，如LDR，半導(dǎo)體光探測器，如光電二極管或光電晶體管。

使用幾個這樣的光檢測器來檢測來自白線的反射光并切換晶體管電路或基于運(yùn)算放大器的比較器，后者反過來控制機(jī)器人車輛的輪轂電機(jī)根據(jù)地面上白線的轉(zhuǎn)彎和曲線進(jìn)行操縱。

使用窗口比較器

在建議的線路跟隨器機(jī)器人車輛電路中，我們使用幾個運(yùn)算放大器比較器將電機(jī)接合到平衡行為中。

運(yùn)算放大器被裝配為窗口組件。顧名思義，窗口比較器將來自檢波器的輸入信號與構(gòu)成“窗口”閾值的兩個極端基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。只要輸入信號電平在此“窗口”基準(zhǔn)閾值內(nèi)，兩個運(yùn)算放大器的輸出就在其輸出端保持高邏輯。

但是，如果輸入信號趨于超過基準(zhǔn)閾值，則相關(guān)運(yùn)算放大器輸出變?yōu)榈碗娖?，?dǎo)致運(yùn)算放大器的輸出相反。這種不平衡促使輸出設(shè)備通過適當(dāng)切換負(fù)載來糾正這種情況。

電路的工作原理

參考下面的線路跟隨器機(jī)器人車輛的電路圖，我們可以看到IC LM324的兩個運(yùn)算放大器配置為窗口組件。

運(yùn)算放大器可以來自 IC LM358 或 LM324

運(yùn)算放大器上限連接以控制閾值上限，而下限運(yùn)算放大器連接以控制閾值下限。

運(yùn)算放大器A1的反相輸入和運(yùn)算放大器A2的同相輸入用固定基準(zhǔn)電壓箝位

運(yùn)算放大器A1的同相輸入和運(yùn)算放大器A2的反相輸入連接在一起，用于檢測光檢測器輸入信號的變化。

兩個光相關(guān)電阻器LDR1和LDR2的作用類似于光敏器件，它們被定位為光檢測器，使得它們均勻地接收來自白線的反射光。

只要LDR上的光足夠高且均勻，A1的引腳3仍然高于其引腳2，因?yàn)長DR1與正線相連。這會導(dǎo)致其輸出變高。

同樣，由于LDR2與地線的連接，A2的引腳6低于其引腳5，這使得A2的輸出保持高電平。

換言之，當(dāng)LDR均勻點(diǎn)亮?xí)r，兩個運(yùn)算放大器的同相（+）輸入都高于其反相（-）輸入，從而導(dǎo)致其輸出變?yōu)楦唠娖健?/p>

當(dāng)兩個輸出都為高電平時，晶體管驅(qū)動器保持各自的電機(jī)均勻運(yùn)行，從而相應(yīng)地允許車輛在直線上平穩(wěn)運(yùn)行。

機(jī)器人車輛如何跟隨生產(chǎn)線

當(dāng)遇到彎曲的白線時，其中一個LDR偏離線，導(dǎo)致電路A點(diǎn)的光差。這隨后導(dǎo)致相關(guān)運(yùn)算放大器輸出變低，相關(guān)電機(jī)瞬間停止。

在這種情況下，仍在運(yùn)行的另一側(cè)電機(jī)迫使機(jī)器人車輛轉(zhuǎn)向線的彎曲角度，從而使陰影LDR回到白線的照明區(qū)域。當(dāng)這種情況發(fā)生時，兩個電機(jī)再次開始運(yùn)行，使機(jī)器人車輛能夠正常運(yùn)行。

上述自動ON/OFF切換橫跨左/右電機(jī)，以響應(yīng)彎曲白線的光線變化，迫使機(jī)器人車輛根據(jù)白線不斷調(diào)整和操縱。

如何制造機(jī)器人車輛

在我之前的一篇文章中，我們學(xué)習(xí)了如何使用連接到矩形板后邊緣的幾個電機(jī)和板前邊緣的一對假輪來構(gòu)建一個簡單的遙控車輛。

對于提議的線路跟隨機(jī)器人電路，我們也為車輛采用了類似的結(jié)構(gòu)，如上圖所示。

布置看起來非常簡單，后輪連接有電機(jī)，電機(jī)由運(yùn)算放大器輸出端的晶體管驅(qū)動器控制。

當(dāng)機(jī)器人車輛偏離線路時，LDR上的光照水平差異會關(guān)閉其中一個運(yùn)算放大器，從而停止相關(guān)電機(jī)。

這迫使正在運(yùn)轉(zhuǎn)的對面電機(jī)轉(zhuǎn)向停止電機(jī)的一側(cè)，這意味著如果左側(cè)電機(jī)制動，機(jī)器人車輛將被迫向左轉(zhuǎn)，調(diào)整到彎曲線，方向相同。

這也表明，應(yīng)適當(dāng)?shù)赝瓿膳c運(yùn)算放大器輸出的左/右電機(jī)集成，以使線路的彎曲方向和正在停止的電機(jī)位于車輛的同一側(cè)。

如何定位 LDR

由于兩個LDR（LDR1和LDR2）應(yīng)該均勻地感測來自白線的反射光，因此它們的方向應(yīng)垂直于線的長度，如下所示。

在這里，我們假設(shè)機(jī)器人車輛從右到左運(yùn)行，沿著同一路徑上的既定路線運(yùn)行。

LDR 的總寬度應(yīng)在線的寬度范圍內(nèi)。

LDR 和 LED 應(yīng)安裝在車輛的底面，最好安裝在后側(cè)，就在后輪組的下方。

指示的 LED 是帶有串聯(lián) 1K 電阻器的白色 LED。它必須靠近LDR并位于中心，確保來自LDR的光不會直接到達(dá)LDR，而是光線應(yīng)通過其下方白線的反射到達(dá)LDR。

電機(jī)規(guī)格

電機(jī)可以是任何永磁有刷類型，但應(yīng)配備變速箱，以確保車輛的運(yùn)動適當(dāng)緩慢和穩(wěn)定。

電機(jī)的額定功率應(yīng)根據(jù)機(jī)器人車輛應(yīng)承載的負(fù)載而定。這可以通過一些實(shí)際實(shí)驗(yàn)來測試。

如何設(shè)置

要設(shè)置此線路跟隨機(jī)器人車輛電路，您必須在平坦的表面上繪制一小條白線，或在平坦的表面上粘貼一條白色膠帶。

如上圖所示，將系統(tǒng)（不帶輪子）放置在線路上，以便在線路寬度內(nèi)正確調(diào)整 LDR 和 LED。

打開電源，白色 LED 應(yīng)明亮地照亮其下方的區(qū)域。調(diào)整兩個預(yù)設(shè)，直到兩個電機(jī)同時打開。

現(xiàn)在稍微向右移動設(shè)備，使 LDR1 移出白線。

左側(cè)電機(jī)應(yīng)停止。如果沒有，則調(diào)整 P1，直到左側(cè)電機(jī)停止。

接下來，將設(shè)備稍微向左移動，使 LDR2 移出白線。這應(yīng)該會停止右側(cè)電機(jī)。如果沒有，則調(diào)整 10k 預(yù)設(shè)，直到右側(cè)電機(jī)停止。

這將完成設(shè)置程序，現(xiàn)在您可以將車輪安裝在電機(jī)上，并使用此導(dǎo)引車自動跟隨地面上鋪設(shè)的軌道。

白線與黑線

所提出的線路從動器系統(tǒng)基于嵌入地面的白線，而不是黑線。使用白線代替黑線的優(yōu)點(diǎn)如下：

與黑線相比，白線看起來更優(yōu)雅和體面。

基于白線的從動器即使在完全黑暗或昏暗的環(huán)境光線下也可以工作?；诤诠獾脑O(shè)計通常需要外部照明來保持車輛運(yùn)行。

無論瓷磚顏色如何，基于白線的AGV都能更準(zhǔn)確地工作，除了非常白或等同于白線顏色的瓷磚。

將車輛轉(zhuǎn)換為黑線跟隨器

盡管有上述優(yōu)點(diǎn)，如果用戶更喜歡機(jī)器人車輛遵循黑線，那么系統(tǒng)可以通過對所提出的設(shè)計進(jìn)行一些快速修改來輕松轉(zhuǎn)換。

用戶只需將運(yùn)算放大器的輸入引腳連接與預(yù)設(shè)互換或交換，并移除與LDR相關(guān)的LED。

另一個簡單的線路跟隨器電路

運(yùn)算放大器U1a觸發(fā)器將其輸出從正電平變?yōu)樨?fù)極，反之亦然，以響應(yīng)兩個LDR上不斷變化的光照水平。

該響應(yīng)由U1b運(yùn)算放大器放大，并饋送到驅(qū)動器運(yùn)算放大器U1c、U1d。

當(dāng)落在LDR1（R1）上的線路反射的光很高時，U1c、U1d的同相輸入獲得正信號，這導(dǎo)致其輸出變?yōu)檎盘枴?/p>

來自其輸出的正值導(dǎo)致Q1打開，因?yàn)樗荖PN，并且這會打開連接的繼電器，這反過來又導(dǎo)致繼電器K1上的相關(guān)電機(jī)關(guān)閉，以便車輛可以暫時扭轉(zhuǎn)自身并糾正其方向，直到LDR上接收到均勻的光。

另一方面，如果發(fā)生相反的情況，即如果LDR2（R2）由于車輛迷失方向或可能是由于線路本身形成曲線而從地面獲得更多光線，則會導(dǎo)致負(fù)電壓在U1c和U1d的同相輸入端提供，其輸出現(xiàn)在變?yōu)樨?fù)值。

負(fù)邏輯現(xiàn)在由PNP晶體管響應(yīng)，但NPN晶體管保持無偏置且不導(dǎo)通。

PNP 繼電器傳導(dǎo)并停止相關(guān)的連接電機(jī)，以確保車輛自行扭轉(zhuǎn)并校正方向，直到兩個 LDR 上的光線相等。

另一個白線跟隨器電路（轉(zhuǎn)向控制）

用于檢查白線的傳感器是使用幾個光相關(guān)電阻（LOR）構(gòu)建的，這些電阻器針對線的兩側(cè)，以確保每個LDR都能看到地面的一半白色半暗部分。白線通過燈泡點(diǎn)亮，以確保LDR具有相對較低的電阻。

如果汽車或車輛偏離中心線，其中一個LDR將出現(xiàn)更高百分比的“白色”，導(dǎo)致其阻力成比例下降。由于兩個LDR在電源電壓上串聯(lián)連接，這意味著LDR結(jié)處的電壓將隨著車輛行駛而變化，同時沿著扭曲的白線行駛。

通過晶體管Q1和Q2將此變化電壓與預(yù)設(shè)RVI的設(shè)置進(jìn)行比較。由此產(chǎn)生的誤差信號相應(yīng)地調(diào)整伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，試圖補(bǔ)償誤差，確保機(jī)器人車輛自我調(diào)整并正確遵循白色軌道。

電阻R10提供負(fù)反饋，以最小化“開環(huán)增益”，而動態(tài)反饋由電容C1提供，電容C1的位置用于減少過沖。

請記住，上圖所示的伺服電機(jī)應(yīng)該配置有車輛的轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以便電機(jī)適當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)向，以保持車輛正確聚焦在白線上。

印刷電路板設(shè)計