在不使用微控制器的情況下構(gòu)建一個(gè)線跟隨機(jī)器人

線跟隨機(jī)器人 （LFR）是一種跟隨線的機(jī)器，它可能是一條黑線或一條白線。跟隨機(jī)器人對(duì)初學(xué)者友好且易于理解和構(gòu)建。而線追隨者機(jī)器人使用 Arduino 或其他微控制器構(gòu)建很流行且很常見，讓我們嘗試在沒有微控制器的情況下構(gòu)建相同的東西，并真正了解其工作背后的邏輯，并使用基本的電子設(shè)備來設(shè)計(jì)邏輯電路。顧名思義，機(jī)器人基本上會(huì)沿著一條線走，但可以構(gòu)建更高級(jí)的版本，例如，我們可以讓機(jī)器人追蹤線并找到起點(diǎn)和終點(diǎn)之間的短距離，或者讓機(jī)器人解決線的迷宮等。讓我們?cè)谶@里嘗試一個(gè)簡(jiǎn)單的基本行跟隨機(jī)器人。該機(jī)器人基本上由一對(duì)用于檢測(cè)線路的紅外傳感器和兩個(gè)用于控制運(yùn)動(dòng)和方向的電機(jī)組成。

構(gòu)建線跟隨機(jī)器人所需的組件

IR LED、發(fā)射器和接收器（2 對(duì)）

電阻器 100k、220 ohm、1k（各 2 個(gè)）

發(fā)光二極管

預(yù)設(shè)（可變電阻） （10k） （2）

LM358集成電路

L293D集成電路

BO 電機(jī)和車輪 （2）

頭針

性能板

電線

機(jī)殼

9V 電池（連同電池夾） （2）

了解線路跟隨機(jī)器人的工作原理

下面的線通過結(jié)合比較器電路工作和L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作獲得的簡(jiǎn)單邏輯工作。IR 傳感器將輸出提供給LM358 比較器 IC。當(dāng) IR LED 檢測(cè)到它前面的某個(gè)物體（或者在我們的例子中，檢測(cè)到白光）時(shí)，IC 會(huì)提供高輸出。然后比較器 IC 提供高輸出 （VCC）。這用作決定是否驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入信號(hào)。由于每個(gè) IR 傳感器都與每個(gè)電機(jī)相關(guān)聯(lián)，因此我們可以通過驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)來使電機(jī)向前運(yùn)行，并且我們可以通過一次僅驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)來轉(zhuǎn)動(dòng)。

了解紅外傳感器的工作原理

紅外傳感器是機(jī)器人能夠跟隨路線的原因。您也可以使用紅外傳感器模塊，但我們?cè)谶@里構(gòu)建了紅外傳感器。一旦您了解它的工作原理，構(gòu)建 IR 傳感器就很簡(jiǎn)單。紅外傳感器基本上由紅外發(fā)射器（IR LED）和紅外接收器（光電二極管）組成。有時(shí)，IR LED 和光電二極管一起被稱為 OptoCoupler 或 PhotoCoupler。顧名思義，紅外發(fā)射器 LED 發(fā)射紅外光。根據(jù)波長(zhǎng)、輸出功率和響應(yīng)時(shí)間，紅外發(fā)射器可以有不同的類型。與此類似，有多種基于波長(zhǎng)、電壓、封裝和其他因素的 IR 接收器。在紅外發(fā)射器-接收器組合中使用時(shí)，接收器的波長(zhǎng)應(yīng)與發(fā)射器的波長(zhǎng)匹配。

當(dāng)IR LED發(fā)射紅外線時(shí)，如果有物體阻擋紅外線，物體表面會(huì)反射紅外線，紅外線光電二極管對(duì)這些光線很敏感。IR 光電二極管接收這些反射的 IR 射線，因此電阻和輸出電壓會(huì)相應(yīng)變化。使用輸出電壓（或光電二極管的電阻）的這種變化，我們可以構(gòu)建邏輯電路。這就是IR傳感器的基本工作原理；我們將使用它來檢測(cè)線的存在?，F(xiàn)在，當(dāng)存在白色表面但黑色表面會(huì)吸收時(shí)，紅外線會(huì)被反射。因此，我們將能夠檢測(cè)到黑線存在的位置，并且我們可以構(gòu)建一個(gè)邏輯電路來跟隨這條線。紅外發(fā)射器和接收器的工作原理如圖所示。

（提示：要檢查紅外發(fā)射器是否在發(fā)射，請(qǐng)使用相機(jī)（手機(jī)攝像頭也可以）查看紅外發(fā)射器。您會(huì)在紅外 LED 的中心看到紫色的光芒。）

L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC工作原理

L293D是電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC。它用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)（因此是機(jī)器人的輪子）。如L293D IC的引腳排列所示，它可以控制兩個(gè)電機(jī)。它可以根據(jù)提供給電機(jī)的電流來改變電機(jī)的速度；它可以根據(jù)輸入控制電機(jī)的方向；它還可以啟動(dòng)或停止電機(jī)。

構(gòu)建沒有微控制器的線跟隨機(jī)器人的電路圖

下面給出了使用 L293D和 IR 傳感器的 Line Follower 機(jī)器人的完整示意圖：

如您所見，我們將黑線跟隨機(jī)器人電路分為三部分，其中兩部分用于構(gòu)建紅外傳感器，另一部分用于使用 L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 IC 構(gòu)建控制器電路。

使用 LM358 構(gòu)建紅外傳感器

LM358的管腳和IR傳感器的電路連接如下圖所示。我們使用單個(gè) LM358 IC 來控制兩個(gè)紅外傳感器。LM358 使用分別為 8 和 4 的 VCC 和 GND 引腳供電。LM358 是一款運(yùn)算放大器比較器 IC，可提供高輸出（VCC，在我們的例子中為 9V）。光電二極管是反向偏置的，并使用一個(gè) 100k 電阻創(chuàng)建分壓器，并作為輸入饋送到反相端子。另一個(gè)分壓器是使用 10k 預(yù)設(shè)值創(chuàng)建的，并作為輸入提供給比較器的非反相引腳 3。IR LED 通過使用 VCC 和 GND 正向偏置來上電。引腳 1 是輸出，因此我們將 LED 與限流電阻連接，并將傳感器的輸出從此處作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入。

總結(jié)一下，我們知道光電二極管的電壓和電阻會(huì)根據(jù)是否存在黑色或白色表面而變化。該電壓用于與通過預(yù)設(shè)獲得的參考電壓進(jìn)行比較，以給出高電壓或低電壓。使用 LED 指示輸出。

L293D電機(jī)控制器電路

引腳 4、5、13 和 12 短路并接地。引腳 16 是 VCC 引腳。這兩個(gè)引腳為 IC 供電。引腳 8 是 VCC，電機(jī)運(yùn)行的電壓，應(yīng)在此處給出。由于我們使用的是 9V 電池，我們將短接兩個(gè) VCC 引腳（引腳 8 和引腳 16）并直接將其提供為 9V。引腳 1 和引腳 9 是各自電機(jī)的使能引腳；對(duì)于我們的連接，我們需要電機(jī)在從紅外傳感器獲得輸入后立即運(yùn)行，因此我們將啟用引腳連接到高電平（用 VCC 短接它）。引腳 3 和 6 應(yīng)連接到一個(gè)電機(jī)，引腳 14 和 11 應(yīng)連接到另一個(gè)電機(jī)。現(xiàn)在，我們有兩個(gè)用于傳感器輸出的引腳。這用于正向或反向運(yùn)行電機(jī)。由于我們的機(jī)器人只會(huì)向前移動(dòng)，我們可以將引腳 7 和 10 接地，并將 IR 傳感器輸出連接到引腳 2 和 4。

總結(jié)一下這些連接，當(dāng)紅外傳感器有高輸入時(shí)，機(jī)器人會(huì)向前移動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人下方有白色表面時(shí)，紅外傳感器會(huì)提供高輸出，因此電機(jī)會(huì)向前轉(zhuǎn)動(dòng)。如果兩個(gè) IR 傳感器都碰到黑色表面，它會(huì)提供低輸出，因此電機(jī)不會(huì)運(yùn)行。此時(shí)，機(jī)器人停止前進(jìn)。但是，如果只有一個(gè) IR 傳感器穿過黑色表面，則該傳感器輸出低，而另一個(gè)位于白色表面上的 IR 傳感器將提供高輸出，因此側(cè)電機(jī)仍將轉(zhuǎn)動(dòng)，因此機(jī)器人使轉(zhuǎn)動(dòng)。

組裝線跟隨機(jī)器人

一旦我們了解了所有組件的連接，我們就可以開始組裝我們的線跟隨機(jī)器人。要制作這個(gè)機(jī)器人，首先，我們需要一個(gè)機(jī)器人底盤。在這里，我們使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的現(xiàn)成機(jī)器人底盤。然后，我們?cè)谝恍崮z的幫助下將帶有 IR 電路和控制器電路的 BO 電機(jī)放置到底盤上，如下圖所示。

為了給機(jī)器人供電，最好使用鋰離子電池（如 18650）和升壓轉(zhuǎn)換器（將 3.7V 轉(zhuǎn)換為 5V），因?yàn)楹?jiǎn)單的 9V 電池?zé)o法運(yùn)行機(jī)器人。但是使用18650，還應(yīng)該包括充電電路，這使得電路有點(diǎn)復(fù)雜。因此，我們?cè)谶@里使用了兩個(gè)并聯(lián)組合的 9V 電池。單個(gè) 9V 電池?zé)o法輸出足夠的功率來驅(qū)動(dòng)電機(jī)和 IR 電路；因此必須使用并行組合。L293D 和 IC 358 都可以接受高達(dá) 9V 的輸入電壓，因此在這里使用它。如果使用高于 9V 的電壓為電路供電，請(qǐng)檢查 L293D 和 IC 358 的數(shù)據(jù)表中的輸入電壓（因?yàn)楦叩碾妷嚎赡軙?huì)損壞 IC）。

測(cè)試和校準(zhǔn)

我們已經(jīng)組裝了機(jī)器人，因?yàn)樗恍枰魏未a，所以是時(shí)候看看它的實(shí)際效果了。為此，我們需要做的就是將機(jī)器人放在黑線上方并查看它的運(yùn)行情況。

設(shè)計(jì)沒有微控制器的線路跟隨機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)

我們學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)基本邏輯電路，它讓我們了解微控制器邏輯的工作原理。

我們構(gòu)建了紅外傳感器并了解它的工作原理。

如果沒有微控制器，整個(gè)項(xiàng)目的成本就會(huì)降低。

由于沒有微控制器，因此無需編程。

該電路很簡(jiǎn)單，有助于加強(qiáng)基本的電子概念。

設(shè)計(jì)沒有微控制器的線路跟隨機(jī)器人的局限性

機(jī)器人無法進(jìn)行 90 度轉(zhuǎn)彎。

機(jī)器人以跳躍運(yùn)動(dòng)而不是平滑運(yùn)動(dòng)運(yùn)行（這可以使用 PID 控制器和微控制器來修復(fù)）。

當(dāng)兩個(gè)傳感器都檢測(cè)到黑線時(shí)，機(jī)器人停止移動(dòng)。