智能迷宫机器人

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技术领域\n本发明是一种智能迷宫机器人，能对未知迷宫进行自主探索并记忆优化 所走路线，属于人工智能领域。\n背景技术\n目前多数迷宫机器人都是搭载若干个光电传感器对迷宫地面的白色引导 线进行识别来行走迷宫，如上海交通大学钱真彦等人设计的走迷宫机器人(参 见《网络科技时代》2004年03期)，搭载了8个反射式光电传感器对迷宫地 面白线进行检测来实现前进转弯等动作，按照左手法则或右手法则(即机器 人沿着迷宫壁始终向左转或向右转)来进行迷宫搜索。在完成既定功能的前 提下，由于搭载传感器过多，增加了制造成本，同时也使传感器误动作导致 系统不稳定的概率增加，而且这类机器人缺乏智能性和自主性，对于最优路 径缺乏认知和记忆判别能力，因此在实际应用中有很大的局限性。\n发明内容\n本发明提出了一种智能迷宫机器人，该机器人在行走满足一定尺寸要求 的单通道立体迷宫时，并不需要白线进行引导，且能对迷宫的障碍物环境进 行记忆和道路优化，去除走不通的死路，实现了其智能、自主走迷宫的过程。\n为了实现如上目的，本发明采取了如下技术方案。本发明主要包括有后 方两个主动轮6、前方中央的万向轮1、支撑架9，两个主动轮6通过支撑架 9和万向轮1连接，构成机器人的底盘，两个电机单独驱动两个主动轮，其特 征在于：还包括有微处理器、传感器系统，传感器系统包括有三组红外发射 接收传感器4、第一光电传感器2、第二光电传感器7，三组红外发射接收传 感器4分别位于支撑架9的两侧和前方，用于对障碍物的检测；第一光电传 感器2位于支撑架的后方，用于检测迷宫块与块之间的白线；第二光电传感 器7位于支撑架的前方，配合第一光电传感器2进行终点检测；其中，三组 红外发射接收传感器4、第一光电传感器2、第二光电传感器7分别与微处理 器相连，微处理器根据三组红外发射接收传感器4的输入信号控制电机的动 作，进而控制机器人的行走与转向；微处理器根据第一光电传感器2的输入 信号判断机器人是否进入一个新的迷宫块；根据第一光电传感器2、第二光电 传感器7的输入信号判断机器人是否进入了终点。\n传感器系统主要由三组红外发射接收传感器4和第一光电传感器2、第二 光电传感器7组成，三组红外发射接收传感器4分别设置在机器人的左方、 前方和右方，每组红外发射接收传感器4各有一个红外发光管和红外接收管， 通过红外发光管不间断的向一定的方向发出一定频率的红外线，当遇到一定 距离内的障碍物时，反射回来的足够强度的红外光被红外接收管接收到，从 而对控制系统发出有障碍物信号，完成了对障碍物的实时检测，通过这三组 红外传感器的信息融合，机器人能很好的对迷宫信息进行探测。第一光电传 感器2位于支撑架底部的后方，用于对迷宫块与块之间的白线进行检测，以 实现机器人在迷宫中的定位，便于机器人实现其智能判断和记忆修改迷宫信 息的功能。第二光电传感器7位于支撑架底部的前方，配合第一光电传感器2 进行终点检测，当机器人探测到终点信息后进入停止待命状态。\n本发明的控制过程，具体参见图5，微处理器的功能是对传感器系统输入 的信号进行处理和融合并控制电机相应动作。机器人启动进入等待声控命令 状态，当声控输入电路接收到足够强度的声音后给微处理器一个信号，微处 理器则开始不断地判断第一光电传感器2、第二光电传感器7输入的检测信号， 当接收到的第一光电传感器2、第二光电传感器7都没有检测到白线时，微处 理器就根据三组红外线发射接收传感器4的信号输入情况发出指令，通过驱 动两个电机，使主动轮6、万向轮1相应动作，进而控制机器人的行进和转向。 同时发音电路会发出相应的声音。在微处理器的内存中会根据当前三组红外 传感器状态按照一定的算法记忆迷宫信息，当第一光电传感器2检测到白线 而第二光电传感器7没有检测到白线时，说明机器人进入一个新的迷宫块中， 微处理器重复以上的过程，继续行走。当第一光电传感器2和第二光电传感 器7同时检测到白线时说明机器人进入了终点，机器人进入停止待命状态。\n本发明的有益效果是在软件编程的支持下可以实现自主迷宫搜索和智能 记忆判断最佳路径的功能，同时，由于使用的传感器数量少，减少了误操作 的概率，增强了系统的稳定性。\n附图说明\n图1是本发明的控制电路原理图\n图2是本发明的发音系统电路图\n图3是本发明的声控系统电路图\n图4是机器人的内部机械机构示意图\n图5是机器人控制电路框架图\n图6机器人所走迷宫示意图\n图中：1、万向轮，2、第一光电传感器，3、条形带减速齿轮电机，4、 红外发射接收传感器，5、电池仓，6、主动轮，7、第二光电传感器，8、 电路板，9、支撑架，10、迷宫入口，11、迷宫出口。\n具体实施方式\n下面结合附图1～图6进一步说明本发明的具体实施例。\n本实施例主要包括有支撑架9、后方两个独立主动轮6和前方中央一个万 向轮1、微处理器、传感器系统、声控系统、发音系统，两个主动轮6通过支 撑架和万向轮1连接构成机器人的底盘，在底盘的后方设置有用于存放电池 电池仓5，为微处理器提供电源。两个条形带减速齿轮电机3经过减速齿轮后 单独驱动两个主动轮。\n传感器系统包括有三组红外发射接收传感器4、第一光电传感器2、第二 光电传感器7，三组红外发射接收传感器4分别位于支撑架的两侧和前方，用 于对障碍物的检测；第一光电传感器2位于支撑架的后方，用于检测迷宫块 与块之间的白线；第二光电传感器7位于支撑架的右前方，配合第一光电传 感器2进行终点检测。其中，三组红外发射接收传感器4、第一光电传感器2、 第二光电传感器7分别与微处理器相连，微处理器根据三组红外发射接收传 感器4的输入信号控制电机的动作，进而控制机器人的行走与转向；微处理 器根据第一光电传感器2的输入信号判断机器人是否进入一个新的迷宫块； 根据第一光电传感器2、第二光电传感器7的输入信号判断机器人是否进入了 终点。声控系统，声控系统与微处理器相连，用声音来控制微处理器的启动。 发音系统会对应机器人相应动作发出相应的声音。\n机器人后方两个主动轮采用两个直流电机经过减速齿轮后单独驱动，通 过脉宽(通过调节输出电压占空比来调节直流电机两端的电枢电压)调速， 通过两个电机的转速差来进行转弯等动作，前方中央一个万向轮配合两个主 动轮，实现了机器人的灵活转向和前进后退等动作。\n机器人的行走是通过万向轮1和两个主动轮6来实现的，通过两个条形 带减速齿轮电机3单独控制的主动轮的转速差来实现机器人的转弯。如图1 所示，两个电机分别通过电机1控制电路、电机2控制电路与微处理器相连， 本实施例中的两个电机分别接在JP4和JP5的两个输出端，电机1控制电路 和电机2控制电路选用的是电机控制芯片TA8428，即如图1所示的J1和J2 是电机控制芯片TA8428，其控制信号输入端分别接微处理器的PD7、PD6、PD5、 PD4管脚，通过与万向轮1的配合实现了机器人的正反直走、任意角度转弯及 原地转弯等动作。本实施例中的微处理器选用的是ATMEL公司的ATmagal6L 芯片，该系列芯片采用精简指令集，具有高速，低成本，低功耗等优点而被 广泛的应用。\n机器人的障碍物检测是通过机器人两侧及前方的红外传感器4来实现的， 左方、前方和右方红外传感器的输出信号线分别接图1中微处理器的PB0、PB1 和PB3管脚，红外线传感器通过定向向外界发射一定频率的红外线，当遇到 一定距离内的障碍物时会有一定强度的红外线反射回来，而红外线接收管在 接收到反射回来的红外线以后就会做出反应并给微处理器一个高电平，从而 完成了对该方向一定距离内障碍物的检测，通过三个方向的障碍物检测，机 器人能对迷宫环境建立一个立体的信息，并根据相应的控制策略来实现相应 的动作方案。\n控制策略如下：红外线传感器的状态可以用0和1表示(0表示没有障碍 物，1表示有障碍物)，如果左方、前方和右方传感器状态为011时，表示前 方和右方遇到障碍物，机器人就向左转90度，当传感器状态为110时表示左 方和前方遇到障碍物，机器人右转90度，当传感器状态是111时机器人就后 退一格，为010时左转90度，为000、001、100、101时机器人前进。\n机器人尾部的第一光电传感器2的信号线连接微处理器的PB5管脚，用 来检测迷宫块与块之间的白线，当检测到白线的时候返回低电平，意味着机 器人进人一个新的迷宫块中，机器人会把当前迷宫块中的障碍物信息进行一 定的判断和修改，即把左方、前方和右方传感器的当前状态以0和1的形式 存储起来，并根据控制策略进行下一步动作。这种修改会使机器人下次再走 该迷宫时不会再走一些行不通的死路，而是根据记忆的信息进行动作，其过 程如下：当机器人检测到白线后，调用存储器中记录的迷宫信息并根据控制 策略执行相应动作，从而不依赖传感器而快速顺利的沿最优路径走出迷宫。\n机器人前方靠右的第二光电传感器7连接微处理器的PB4管脚，用来对 终点进行检测，当该传感器和第一光电传感器2同时检测到白线时表示机器 人进入终点状态，机器人已经找到出口。\n声控电路输入管脚为微处理器的PB2，发音电路连接微处理器的PC0管脚。\n程序下载电路用于和上位机进行程序和数据交换。\n机器人所用迷宫如图6所示，迷宫地面是黑色的木质材料，迷宫壁是白 色的木质材料，迷宫块与块之间用宽2mm的白线间隔，迷宫出口处的地面是 白色的，各个迷宫小块长15cm，宽20cm，高10cm。\n本发明是在软件编程的支持下可以实现机器人自主迷宫搜索和智能记忆 判断最佳路径的功能。机器人再次行走该迷宫时就完全根据记忆而不再依赖 于三组红外发射接收传感器4来检测障碍物进行行走，也可以原路从迷宫终 点返回到迷宫起点，并不会再走一些死路，从而加快了其行进速度。机器人 进行声控启动，并搭载了发音电路和红兰绿三种颜色的LED指示灯，配合机 器人在不同状态下发出不同的声音和不同颜色的光亮，例如机器人前进时外 壳正前方的LED会放光，左转时左面的LED发光而右转时右面的LED发光， 声控启动时对应的声控指示灯会发光等，当机器人成功的进行完了一次迷宫 搜索时，它会发出欢乐而自豪的歌声来表达它的感情。