文章编号：１００８—０５７０（２００６）０９…２
机器人技术
０２０１
０３
移动机器人寻线导航系统的设计与实现
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＬｉｎｅ－ｔｒａｃｋｉｎｇＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｆｏｒ
Ｍｏｂｉｌｅ
Ｒｏｂｏｔ
ｆ成都航空职业技术学院）邱寄帆
Ｑｉｕ，Ｊｉｆａｎ
摘要：提出了一种移动机器人寻线导航系统传感器检测点布局方案．基于此布局方案进一步讨论了对应的硬件系统组成及控制程序方案与结构。实践表明，系统具有传感器检测方案及检测点布局科学合理、对场地要求不高、适应性和灵活性强、可靠性高、成本低、行进速度快、偏差纠正能力强、便于硬件实现和软件处理等特点。
关键词：移动机器人；寻线；导航；控制系统
中图分类号：ＴＰ２４文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｐｌａｃｅｍｅｎｔｐｒｏｇｒａｍｏｆ
ｓｅｎｓｏｒ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔｏｆｌｉｎｅ—ｔｒａｃｋｉｎｇｎａｖｉｇａｔｉｏｎ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｏｂｉｌｅｒｏｂｒｔｉｓ
ｐｒａｃｔｉｃｅ
ｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎ
ｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ．
Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｈａｓ
ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆ
ｔｈｅ
ｓｅｎｓｏｒ
ｂａｓｅ
ｏｎ
ｔｈｉｓ
ｐｒｏｇｒａｍ
ａｒｅ
ｆｕｒｔｈｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔ
ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔｌａｙｏｕｔｐｒｏｇｒａｍｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ｌｅｓｓ
ｓｐｅｅｄ，ｓｔｒｏｎｇｄｅｖｉａｔｉｏｎ
ｃｏｒｒｅｃｔｓ
ｒｅｑｕｅｓｔｆｏｒｔｈｅｇｒｏｕｎｄ，ｓｔｒｏｎｇ
ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｌｏｗｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅＫｅｙ
ｃｏｓｔ，ｈｉｇｈ
ａｂｉｌｉｔｙ，ｅａｓｙｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ
ａｎｄ
ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
ｏｆ
ａｎｄ
ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｅｔｃ．
ｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔ，ｉｎｅ－ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
１引言
在移动机器人系统中，自主导航是一项核心技术，是机器人研究领域的重点和难点问题。一般情况下、寻线导航系统应满足以下基本条件（设机器人车体采用双轮独立驱动）：（１）速度快。我们要求机器人在寻线中应有较高的行进速度，然而机器人的行进速度和寻线准确性之间存在矛盾，因此处理原则是在保证寻线准确性和可靠性的前提下。尽可能地提高机器人的行进速度；（２）稳定性好。无论车体的当前位置如何，只要寻线器在导航线的上方，车体就能自动调整到最佳状态平稳运行，不出现发散（冲出导航线）或振
荡（车体在导航线附近来回摆动）的情况；（３）系统响应
２寻线导航系统硬件方案
依据所采用的传感器类型，移动机器人有多种导航方式，如磁导航、光电导航、惯性导航、激光导航、视觉导航等，这些导航方式各有其特点，适合不同的应用环境。目前对视觉导航的研究非常活跃，视觉传感器获取的信息量大。而且比较接近人的导航机理，但存在算法复杂性与实时性的矛盾。为了提高系统的实时性，降低系统的复杂性，非视觉传感器导航方法已经开始引起人们的兴趣。地面标志线导航（即寻线导航）作为一种非视觉传感器组合导航方式，铺设简单，灵活方便，对周围环境的依赖性小，已获得广泛应用。寻线导航方式以光电传感器为硬件基础，利用调制光检测原理．实现环境识别与定位。
２．１光电传感器线路信息检测方案２．１．１红外对管光电传感器方案
由一个红外光发射二极管和一个接收光电三极管构成红外对管光电传感器，这种器件的检测距离通常在５－２０ｍｍ之间，常见的型号有ＣＮＹ７０、ＳＴｌ８８等。采取这种方式的机器人较多，尤其在各种机器人竞赛中，几乎是标准配置。这种方案对场地要求较高，场地颜色和线路（白线或黑线）颜色应有较大反差，要么场地反光线路不反光，要么场地不反光线路反光。此方案的优点为：（１）电路及编程简单。由于传感器的输出
特性好。即能够快速收敛。由于线路的弯道可能很复杂，各个转弯点之间的行进距离很短，所以车体必须在短距离内趋近导航线，同时车体在调整过程中不能有太大的超调，以免在受到干扰（地面不平整或导航线不清晰引起的干扰）Ｈｅ偏离导航线；（４）当车体偏离导航线距离较小时，应进行微调，使车体能够比较平稳地调节到最佳位置沿导航线行进；（５）当车体偏离导航线距离较大但车体中心线和导航线夹角很小或平行时，应使车体以恒定的速度平稳地趋近导航线（左右轮的速度差较小）；（６）当车体中心线和导航线夹角较大时，应使车体快速调整行进方向，此时左右轮有较大速度差。
邱寄帆：副教授硕士
基金项目：四川省重点科技项目（０４ＧＧ００６—０３２）
信号就是…１’或“０”（依据传感器是否检测到线路），因
此可直接连接至单片机的端口线，而不需放大整形、调制解调、Ａ／Ｄ转换等中间转换电路；（２）成本较低，可靠性和稳定性相对较高。然而，这种方案的缺点较为
万方数据
＠觥吣局订眠８２＿９４６
３６０元／＿２０１—
机器人技术
中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００６年第２２卷第９－２期
明显：（１）对场地要求较高。场地应平整均匀，线路宽度应一致，场地（或线路）对红外光应有较高反射率，而线路（或场地）对红外光应有很低的反射率；（２）对光线的干扰较敏感。一般解决方法是在红外光上加载一个调制信号．通过检测这个调制信号来消除场地光线的干扰．这又增加了电路的复杂性。
２．１．２光电三极管方案
在这种方案中，寻线电路由光发射／接收电路和比较电路两部分组成。前者完成光的反射、接收，将光信号转换为模拟电信号，后者则是将光接收电路输出的模拟信号经比较器转换为数字信号，提供给单片机处理。每一个这样的单元电路构成一个检测点，其结构如图１所示。一个检测点由３个白发红的高亮度发光二极管（ＬＥＤ）和１个光电三极管组成。３个ＬＥＤ发出的红色光照射到地面上．产生漫反射．反射光进入光电三极管后，光电三极管产生光电流，光电流的大小随地面反射光的强弱而显著变化。由于地面引导白线（或黑线）上的光强明显大于（或小于）周围场地颜色的光强．因此，每个光电三极管的输出信号都通过比较器进行处理，通过调整比较器的比较基准电压，即可确定光
轨，但光电检测装置体积大，电路复杂，系统实时性降低，编程难度增加；若检测点数量过少，则容易出现脱轨和车体振荡等现象。本设计采用８个检测点，直线等距安装在车体前部，每两个检测点之间的距离略小于导航线的宽度，如图２所示。中间的两个检测点位于导航线之上，对于导航线的位置变化较为敏感，两侧其余检测点用于机器人转弯或发生偏差时捕捉导航线。
安装板
／
ｐ眵一ｐ
４
５
－＠—＜函一—暖≯一《》Ｉ
／
检测点
＼导航线
图２检测点布局图
…绞眇接鼙
／、．殴
地回光轻
极
本设计采用了８个检测点方案．这种设计的突出
优点在于：（１）一方面克服了检测点过少的缺陷，另一方面．又能体现检测点较多的机器人所拥有的行进速度快、偏差纠错能力强、不易脱轨等优点；（２）便于硬件实现。某些ＡＤＣ芯片具有８路信号输人端；现在许多新型号的单片机及ＭＣＵ均集成了８路Ａ／Ｄ转换器。
如ＳＴＣ８９系列、ＳＴＣｌ２Ｃ５４１０ＡＤ系列、ＳＰＣＥ０６１Ａ等。８
图１检测点结构图
这里提到的比较器的比较基准电压。其实就是阈值电压，当光电三极管的输出电压高于（或低于）此阈值电压，比较器输出高（或低）电平，表示检测到自线（或黑线）。然而，这种比较器阈值电压的调整是通过硬件实现的。比较烦琐，更好的解决办法是用Ａ／Ｄ转换器代替比较电路，当Ａ／Ｄ转换器的值高于（或低于）某一特定值（即阈值电压），即检测到白线（或黑线）。上述设定一个阈值的做法比较简单，适合于标准场地，而对于非标场地或导航线较模糊的场地．若阈值设置过高，机器人能看到的只是那些特别明显的白线；若阈值设置过低，机器人眼中就是白茫茫的一片．两种情况都很容易丢失轨迹线。解决方法是设置两个阈值，当Ａ／Ｄ值高于某一阈值时，标志１；当Ａ／Ｄ值低于另外某一阈值时，标志０。当然。由于采用Ａ／Ｄ转换器，对于复杂地面情况还可采用动态预值、ＰＩＤ控制、模糊识别等算法。
由于这种光电三极管检测方案具有对场地要求不高、适应性和灵活性强、可靠性高等特点，我们在系统设计中采用了此方案。
２．２检测点布局
检测点布局是否科学合理．直接关系到寻线系统设计的优劣成败。若检测点数量较多，有利于提高机器人的行进速度，扩大机器人的偏差纠正能力，不易脱
一２０２—３６０元，年邮局订阅号：８２．９４６
个检测点输出和８路Ａ／Ｄ转换器输入对应连接．电路得到简化，可操作性增强；（３）便于软件处理。８路检测点信号经Ａ／Ｄ转换、阈值处理后，就分别成为８个不同的二进制数０或１，将它们组合起来。正好构成一个字节，非常便于后续的软件判断与处理。
２．３控制系统寻线导航控制系统原理框图如图３所示。单片机采用ＳＴＣ８９ＬＥ５１６ＡＤ，该单片机时钟频率可达９０Ｍ，内含８路高速Ａ／Ｄ转换器、６４ＫＦｌａｓｈ存储器、５１２字节
ＲＡＭ、ＩＳＰ等功能。
甲一
ＳＩ璐９Ｌ
Ｅ５１６ＡＤ
单片机
巨丑哐基Ｈ巫乎勰ｌ
园丑｛五卜卧
图３寻线导航控制系统原理框图
工作时，单片机驱动一个检测点的光发射电路。ＬＥＤ向地面发射红光，反射光进入光电三极管．将其转换为模拟电信号．该电信号经放大器放大后送到Ａ／Ｄ转换器进行模／数转换．单片机将ＭＤ转换后的数字电压值和预先设置的阈值电压进行比较，从而决定该检测点的机内值是１还是Ｏ（是否处于导航线上）。用同样的方法可得到其它７个检测点的机内值。将这８个二进制位组合成一个字节．由控制程序进行分析判断．并根据机器人的当前状态．输出控制信号至ＰＷＭ放大器，进而驱动电机及车轮运行，将车身调整到最佳位置。
３控制程序设计
控制程序定期（每隔１－１０ｍｓ）采集一次检测点状
万方数据
机器人技术
态．并根据该状态分析判断机器人当前是否处于最佳位置。若是，则进一步判断是否到达终点，若到达终点就停车，否则又开始下一轮新的数据采集及处理操作：若当前机器人没有处于最佳位置．则首先计算当前位置与最佳位置的偏差，然后根据此偏差产生软ＰＷＭ。最后控制电机产生差速输出，使机器人的位置得到调整和修正。
在控制程序中。当出现位置偏差时，软件将计算检测器检测到导航线偏离中心检测点的差值，以此调整左、右轮速度给定，使得车体快速平稳地趋近导航线，最终达到沿导航线正中行进的目的。在图２所示的检测点布局图中，任意时刻可能有１个或２个检测点位于导航线上方，这里我们用符号Ｌ４～Ｌ１代表检测点ｌ。４．Ｒ１～Ｒ４代表检测点５～８．据此对８个检测点进行编码如表１所示。
表１检测点与偏差对应关系
ｄｅｆａｕｌｔ：
ＧｏＦｒｏｎｔ（Ｓｔｏｐ）；｜｜停葺
ｂｒｅａｋ；
）
实践表明，只要参数设置调整得当，就能获得较好的偏差纠正性能，达到偏差纠正范围大、快速、稳
定、超调小的目的。
４结束语
本文提出的移动机器人寻线导航系统经实践检验证明：系统具有传感器检测方案及检测点布局科学合理、对场地要求不高、适应性和灵活性强、可靠性高、成本低、行进速度快、偏差纠正能力强、便于硬件
实现和软件处理等特点，具有较强的可操作｜生和应辟形涫。
创新点：若检测点数量过少，容易出现脱轨和车
体振荡等现象，于是，某些论文提出了检测点数量众
多的方案。检测点多固然有利于提高机器人的行进速度，扩大机器人的偏差纠正能力，不易脱轨，但光电检测装置体积大、电路复杂、系统实时性降低、编程难度增加等缺点和问题非常突出．因此这种方案更多停留在理论探讨阶段，实施性和可操作性差。
本文提出了一种移动机器人寻线导航系统传感器检测点布局方案．在此基础上进一步提出了与之相对应的硬件系统及控制程序方案与结构。这种方案采用８个检测点．数量适中，便于硬件实现和软件处理，一方面克服了检测点过少的缺陷，另一方面，又体现了检测点较多的机器人所拥有的行进速度快、偏差纠错能力强、不易脱轨等优点。实践表明，系统具有传感器检测方案及检测点布局科学合理、对场地要求不高、适应性和灵活性强、可靠性高、成本低、行进速度快、偏差纠正能力强等特点。
参考文献：
［１］陆新华，张桂林．室内服务机器人导航方法研究【Ｊ］机器人，２００３，２５（１）：８０—８７．
［２１张淑军，孟庆春，吴槟等．移动机器人智能寻线导航与策略控制［Ｊ】．控制与决策，２００５，２０（５）：５２９—５３２．
［３１万永伦，丁杰雄．一种机器人寻线控制系统［Ｊ］．电子科技大学学报．２００３，３２（１）：４８—５
１．
际蕊百丽司五习ｉ医Ｆ面Ｆｉ可ｉ医ｉ网ｉＦ—————卜————＿＿——＋——十——卜—一——＋＿——＿｝——＿｝——一－——｝＿—－
７
６
５
４
１
ｏ
１
５
６
７
ｊ偏差Ｊ３｛２２｝３ｌ０
表中。当偏差为０时，左右电机均为基本速度；当右边检测到导航线时，左电机为基本速度，右电机减速；当左边检测到导航线时，右电机为基本速度，左电
机减速。在出现偏差的两种情况中，减速的大小与偏
差的大小成正比。当然，用于控制电机速度的偏差值
不一定是０～７，可以是别的数值序列。
根据上述设定，我们已经可以实现作为控制程序的核心——寻线程序了。现假设，我们已经通过Ａ／Ｄ转换得到８个检测点的状态字节信息Ｌｉｎｅｌｎｆｏ，其中的１表示检测到导航线，０表示未检测到导航线；再假设我们已编写好了几个用于控制机器人运动的函数，如ＧｏＦｒｏｎｔ０（直线前进）、ＴｕｒｎＬｅｆｔＯ（左转）、ＴｕｒｎＲｉｇｈｔ０（右转）等．这些函数所带的参数用于控制电机ＰＷＭ输出，即控制电机转速，共８档，它们是Ｓｐｅｅｄ０～Ｓｐｅｅｄ７，分别对应偏差值的０～７。程序如下。
ｓｗｉｔｃｈ（Ｌｉｎｅｌｎｆｏ）｛
ｃａｓｅ
０ｂ１０００００００：
／／车体严重右偏
ＴｕｒｎＬｅｆｔ（Ｓｐｅｅｄ７）；，／向左急转
ｂｒｅａｋ；
［４］包明，赵明富，李娇军．寻迹机器人控制器及ＩＰ核的研究【Ｊ］．微计算机信息．２００６，２２（４—２）：１７４—１７６．
／／车体略微右偏
ｃａｓｅ
０ｂ０００１００００：
ＴｕｍＬｅｆｔ（Ｓｐｅｅｄｌ）；／／向左微调
ｂｒｅａｋ；
ｃａｓｅ
作者简介：邱寄帆（１９６４一），男，四川资阳人，副教授，硕士．主要研究方向：计算机应用、智能控制、机器人技
术等ｃｈｉｏｕｊｆ＠ｍｓｎ．ｃｏｎ。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＱｉｕＪｉｆａｎ（１９６４一），ｍａｉｌ，Ｓｈｉｃｈｕａｎ
ｔｕａｌｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｒｏｂｏｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅ
ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，ｍａｓｔｅｒ，Ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｌｌｅｃ—
０ｂ０００１１０００：
／／＠于最佳位置
ＧｏＦｒｏｎｔ（Ｓｐｅｅｄ０）；／，高速直线前进
ｂｒｅａｋ；
ｃａｓｅ
Ｏｂ００００１０００：
／／车体略微左偏
ＴｕｍＲｉｇｈｔ（Ｓｐｅｅｄｌ）；，／向右微调
ｂｒｅａｋ；
（６１００２１四川成都航空职业技术学院计算机系）邱寄帆
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｅｎｇｄｕＡｅｒｏａｕｔｉｃＶｏ－
ｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
ＣｏＨｅｇ岛Ｃｈｅｎｇｄｌｌ’６１００２１，Ｃｈｉｎａ）ＱｉｕＪｉＦａｎ
ｃａｓｅ
Ｏｂ０００００００１：
／／车体严重左偏
ＴｕｍＲｉｇｈｔ（Ｓｐｅｅｄ７）；／／向右急转
ｂｒｅａｋ；
通讯地址：（６１００２１成都市二环路南一段２０号成都航空职业技术学院计算机工程系）邱寄帆
（收稿日期：２００６．１．２８）（修稿日期：２００６．２．２７）
万方数据
＠圉自控同邮局订Ｄ日号：８２．９４６
３６０．＇－Ｌ，年－２０３—
移动机器人寻线导航系统的设计与实现
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
邱寄帆， Qiu,Jifan
610021,四川成都,航空职业技术学院计算机系微计算机信息
CONTROL & AUTOMATION2006,22(26)13次
参考文献(4条)
1. 陆新华;张桂林 室内服务机器人导航方法研究[期刊论文]-机器人 2003(01)
2. 张淑军;孟庆春;吴槟 移动机器人智能寻线导航与策略控制[期刊论文]-控制与决策 2005(05)3. 万永伦;丁杰雄 一种机器人寻线控制系统[期刊论文]-电子科技大学学报 2003(01)4. 包明;赵明富;李娇军 寻迹机器人控制器及IP核的研究[期刊论文]-微计算机信息 2006(4-2)
本文读者也读过(3条)
1. 刘隆吉. 李世光. 高正中. 毕博. LIU Long-ji. LI Shi-guang. GAO Zheng-zhong. BI Bo 移动机器人寻线控制系统设计[期刊论文]-煤矿机械2009,30(7)
2. 张淑军. 孟庆春. 吴槟. 费云瑞. ZHANG Shu-jun. Meng Qing-chun. WU Bin. FEI Yun-rui 移动机器人智能寻线导航与策略控制[期刊论文]-控制与决策2005,20(5)
3. 关军. 杨明. GUAN JUN. YANG MlNG 基于视觉的高速寻线机器人设计与实现[期刊论文]-微计算机信息2007,23(32)
引证文献(14条)
1. 张江梅. 秦蔷蔷. 王姮 基于CMOS图像传感器的机器人寻线系统[期刊论文]-科技创新导报 2009(15)2. 卜雪民. 钱峰 基于DSP的智能车辆系统移动小车的设计[期刊论文]-电子测量技术 2007(10)3. 关军. 杨明 基于视觉的高速寻线机器人设计与实现[期刊论文]-微计算机信息 2007(32)
4. 王玲. 孙波 红外光电传感器自动寻迹智能车的设计与实现[期刊论文]-沈阳理工大学学报 2010(2)5. 刘隆吉. 李世光. 高正中. 毕博 移动机器人寻线控制系统设计[期刊论文]-煤矿机械 2009(7)6. 李长春. 张松梅 基于PWM控制技术的移动机器人设计[期刊论文]-有色冶金设计与研究 2009(3)7. 师黎. 刘炜 移动机器人可拓控制器的设计[期刊论文]-微计算机信息 2008(11)
8. 朱文杰. 王冰. 翁新华. 王春香. 杨明 主动视觉高速寻线机器人的设计与实现[期刊论文]-机电一体化 2010(10)9. 云康. 冯振伟 基于MC9S12DG128控制器的智能寻迹车的设计与实现[期刊论文]-郑州轻工业学院学报(自然科学版) 2008(5)
10. 徐钰煜 平面线轨迹的识别方法[期刊论文]-国外电子测量技术 2007(12)11. 梁静 一种基于光电传感的路径识别智能车[期刊论文]-科学技术与工程 2011(1)
12. 云康. 高超 基于CMOS摄像头的智能寻迹车的设计与实现[期刊论文]-华北水利水电学院学报 2008(5)13. 梁静 一种基于光电传感的路径识别智能车[期刊论文]-科学技术与工程 2011(1)
14. 张毅. 孙纯兴. 李敏 医疗服务机器人功能设计及实现[期刊论文]-机器人技术与应用 2011(6)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_wjsjxx200626070.aspx
文章编号：１００８—０５７０（２００６）０９…２
机器人技术
０２０１
０３
移动机器人寻线导航系统的设计与实现
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＬｉｎｅ－ｔｒａｃｋｉｎｇＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｆｏｒ
Ｍｏｂｉｌｅ
Ｒｏｂｏｔ
ｆ成都航空职业技术学院）邱寄帆
Ｑｉｕ，Ｊｉｆａｎ
摘要：提出了一种移动机器人寻线导航系统传感器检测点布局方案．基于此布局方案进一步讨论了对应的硬件系统组成及控制程序方案与结构。实践表明，系统具有传感器检测方案及检测点布局科学合理、对场地要求不高、适应性和灵活性强、可靠性高、成本低、行进速度快、偏差纠正能力强、便于硬件实现和软件处理等特点。
关键词：移动机器人；寻线；导航；控制系统
中图分类号：ＴＰ２４文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｐｌａｃｅｍｅｎｔｐｒｏｇｒａｍｏｆ
ｓｅｎｓｏｒ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔｏｆｌｉｎｅ—ｔｒａｃｋｉｎｇｎａｖｉｇａｔｉｏｎ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｏｂｉｌｅｒｏｂｒｔｉｓ
ｐｒａｃｔｉｃｅ
ｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎ
ｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ．
Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｈａｓ
ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｏｆ
ｔｈｅ
ｓｅｎｓｏｒ
ｂａｓｅ
ｏｎ
ｔｈｉｓ
ｐｒｏｇｒａｍ
ａｒｅ
ｆｕｒｔｈｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔ
ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔｌａｙｏｕｔｐｒｏｇｒａｍｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ｌｅｓｓ
ｓｐｅｅｄ，ｓｔｒｏｎｇｄｅｖｉａｔｉｏｎ
ｃｏｒｒｅｃｔｓ
ｒｅｑｕｅｓｔｆｏｒｔｈｅｇｒｏｕｎｄ，ｓｔｒｏｎｇ
ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｌｏｗｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅＫｅｙ
ｃｏｓｔ，ｈｉｇｈ
ａｂｉｌｉｔｙ，ｅａｓｙｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ
ａｎｄ
ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
ｏｆ
ａｎｄ
ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｅｔｃ．
ｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔ，ｉｎｅ－ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
１引言
在移动机器人系统中，自主导航是一项核心技术，是机器人研究领域的重点和难点问题。一般情况下、寻线导航系统应满足以下基本条件（设机器人车体采用双轮独立驱动）：（１）速度快。我们要求机器人在寻线中应有较高的行进速度，然而机器人的行进速度和寻线准确性之间存在矛盾，因此处理原则是在保证寻线准确性和可靠性的前提下。尽可能地提高机器人的行进速度；（２）稳定性好。无论车体的当前位置如何，只要寻线器在导航线的上方，车体就能自动调整到最佳状态平稳运行，不出现发散（冲出导航线）或振
荡（车体在导航线附近来回摆动）的情况；（３）系统响应
２寻线导航系统硬件方案
依据所采用的传感器类型，移动机器人有多种导航方式，如磁导航、光电导航、惯性导航、激光导航、视觉导航等，这些导航方式各有其特点，适合不同的应用环境。目前对视觉导航的研究非常活跃，视觉传感器获取的信息量大。而且比较接近人的导航机理，但存在算法复杂性与实时性的矛盾。为了提高系统的实时性，降低系统的复杂性，非视觉传感器导航方法已经开始引起人们的兴趣。地面标志线导航（即寻线导航）作为一种非视觉传感器组合导航方式，铺设简单，灵活方便，对周围环境的依赖性小，已获得广泛应用。寻线导航方式以光电传感器为硬件基础，利用调制光检测原理．实现环境识别与定位。
２．１光电传感器线路信息检测方案２．１．１红外对管光电传感器方案
由一个红外光发射二极管和一个接收光电三极管构成红外对管光电传感器，这种器件的检测距离通常在５－２０ｍｍ之间，常见的型号有ＣＮＹ７０、ＳＴｌ８８等。采取这种方式的机器人较多，尤其在各种机器人竞赛中，几乎是标准配置。这种方案对场地要求较高，场地颜色和线路（白线或黑线）颜色应有较大反差，要么场地反光线路不反光，要么场地不反光线路反光。此方案的优点为：（１）电路及编程简单。由于传感器的输出
特性好。即能够快速收敛。由于线路的弯道可能很复杂，各个转弯点之间的行进距离很短，所以车体必须在短距离内趋近导航线，同时车体在调整过程中不能有太大的超调，以免在受到干扰（地面不平整或导航线不清晰引起的干扰）Ｈｅ偏离导航线；（４）当车体偏离导航线距离较小时，应进行微调，使车体能够比较平稳地调节到最佳位置沿导航线行进；（５）当车体偏离导航线距离较大但车体中心线和导航线夹角很小或平行时，应使车体以恒定的速度平稳地趋近导航线（左右轮的速度差较小）；（６）当车体中心线和导航线夹角较大时，应使车体快速调整行进方向，此时左右轮有较大速度差。
邱寄帆：副教授硕士
基金项目：四川省重点科技项目（０４ＧＧ００６—０３２）
信号就是…１’或“０”（依据传感器是否检测到线路），因
此可直接连接至单片机的端口线，而不需放大整形、调制解调、Ａ／Ｄ转换等中间转换电路；（２）成本较低，可靠性和稳定性相对较高。然而，这种方案的缺点较为
万方数据
＠觥吣局订眠８２＿９４６
３６０元／＿２０１—
机器人技术
中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００６年第２２卷第９－２期
明显：（１）对场地要求较高。场地应平整均匀，线路宽度应一致，场地（或线路）对红外光应有较高反射率，而线路（或场地）对红外光应有很低的反射率；（２）对光线的干扰较敏感。一般解决方法是在红外光上加载一个调制信号．通过检测这个调制信号来消除场地光线的干扰．这又增加了电路的复杂性。
２．１．２光电三极管方案
在这种方案中，寻线电路由光发射／接收电路和比较电路两部分组成。前者完成光的反射、接收，将光信号转换为模拟电信号，后者则是将光接收电路输出的模拟信号经比较器转换为数字信号，提供给单片机处理。每一个这样的单元电路构成一个检测点，其结构如图１所示。一个检测点由３个白发红的高亮度发光二极管（ＬＥＤ）和１个光电三极管组成。３个ＬＥＤ发出的红色光照射到地面上．产生漫反射．反射光进入光电三极管后，光电三极管产生光电流，光电流的大小随地面反射光的强弱而显著变化。由于地面引导白线（或黑线）上的光强明显大于（或小于）周围场地颜色的光强．因此，每个光电三极管的输出信号都通过比较器进行处理，通过调整比较器的比较基准电压，即可确定光
轨，但光电检测装置体积大，电路复杂，系统实时性降低，编程难度增加；若检测点数量过少，则容易出现脱轨和车体振荡等现象。本设计采用８个检测点，直线等距安装在车体前部，每两个检测点之间的距离略小于导航线的宽度，如图２所示。中间的两个检测点位于导航线之上，对于导航线的位置变化较为敏感，两侧其余检测点用于机器人转弯或发生偏差时捕捉导航线。
安装板
／
ｐ眵一ｐ
４
５
－＠—＜函一—暖≯一《》Ｉ
／
检测点
＼导航线
图２检测点布局图
…绞眇接鼙
／、．殴
地回光轻
极
本设计采用了８个检测点方案．这种设计的突出
优点在于：（１）一方面克服了检测点过少的缺陷，另一方面．又能体现检测点较多的机器人所拥有的行进速度快、偏差纠错能力强、不易脱轨等优点；（２）便于硬件实现。某些ＡＤＣ芯片具有８路信号输人端；现在许多新型号的单片机及ＭＣＵ均集成了８路Ａ／Ｄ转换器。
如ＳＴＣ８９系列、ＳＴＣｌ２Ｃ５４１０ＡＤ系列、ＳＰＣＥ０６１Ａ等。８
图１检测点结构图
这里提到的比较器的比较基准电压。其实就是阈值电压，当光电三极管的输出电压高于（或低于）此阈值电压，比较器输出高（或低）电平，表示检测到自线（或黑线）。然而，这种比较器阈值电压的调整是通过硬件实现的。比较烦琐，更好的解决办法是用Ａ／Ｄ转换器代替比较电路，当Ａ／Ｄ转换器的值高于（或低于）某一特定值（即阈值电压），即检测到白线（或黑线）。上述设定一个阈值的做法比较简单，适合于标准场地，而对于非标场地或导航线较模糊的场地．若阈值设置过高，机器人能看到的只是那些特别明显的白线；若阈值设置过低，机器人眼中就是白茫茫的一片．两种情况都很容易丢失轨迹线。解决方法是设置两个阈值，当Ａ／Ｄ值高于某一阈值时，标志１；当Ａ／Ｄ值低于另外某一阈值时，标志０。当然。由于采用Ａ／Ｄ转换器，对于复杂地面情况还可采用动态预值、ＰＩＤ控制、模糊识别等算法。
由于这种光电三极管检测方案具有对场地要求不高、适应性和灵活性强、可靠性高等特点，我们在系统设计中采用了此方案。
２．２检测点布局
检测点布局是否科学合理．直接关系到寻线系统设计的优劣成败。若检测点数量较多，有利于提高机器人的行进速度，扩大机器人的偏差纠正能力，不易脱
一２０２—３６０元，年邮局订阅号：８２．９４６
个检测点输出和８路Ａ／Ｄ转换器输入对应连接．电路得到简化，可操作性增强；（３）便于软件处理。８路检测点信号经Ａ／Ｄ转换、阈值处理后，就分别成为８个不同的二进制数０或１，将它们组合起来。正好构成一个字节，非常便于后续的软件判断与处理。
２．３控制系统寻线导航控制系统原理框图如图３所示。单片机采用ＳＴＣ８９ＬＥ５１６ＡＤ，该单片机时钟频率可达９０Ｍ，内含８路高速Ａ／Ｄ转换器、６４ＫＦｌａｓｈ存储器、５１２字节
ＲＡＭ、ＩＳＰ等功能。
甲一
ＳＩ璐９Ｌ
Ｅ５１６ＡＤ
单片机
巨丑哐基Ｈ巫乎勰ｌ
园丑｛五卜卧
图３寻线导航控制系统原理框图
工作时，单片机驱动一个检测点的光发射电路。ＬＥＤ向地面发射红光，反射光进入光电三极管．将其转换为模拟电信号．该电信号经放大器放大后送到Ａ／Ｄ转换器进行模／数转换．单片机将ＭＤ转换后的数字电压值和预先设置的阈值电压进行比较，从而决定该检测点的机内值是１还是Ｏ（是否处于导航线上）。用同样的方法可得到其它７个检测点的机内值。将这８个二进制位组合成一个字节．由控制程序进行分析判断．并根据机器人的当前状态．输出控制信号至ＰＷＭ放大器，进而驱动电机及车轮运行，将车身调整到最佳位置。
３控制程序设计
控制程序定期（每隔１－１０ｍｓ）采集一次检测点状
万方数据
机器人技术
态．并根据该状态分析判断机器人当前是否处于最佳位置。若是，则进一步判断是否到达终点，若到达终点就停车，否则又开始下一轮新的数据采集及处理操作：若当前机器人没有处于最佳位置．则首先计算当前位置与最佳位置的偏差，然后根据此偏差产生软ＰＷＭ。最后控制电机产生差速输出，使机器人的位置得到调整和修正。
在控制程序中。当出现位置偏差时，软件将计算检测器检测到导航线偏离中心检测点的差值，以此调整左、右轮速度给定，使得车体快速平稳地趋近导航线，最终达到沿导航线正中行进的目的。在图２所示的检测点布局图中，任意时刻可能有１个或２个检测点位于导航线上方，这里我们用符号Ｌ４～Ｌ１代表检测点ｌ。４．Ｒ１～Ｒ４代表检测点５～８．据此对８个检测点进行编码如表１所示。
表１检测点与偏差对应关系
ｄｅｆａｕｌｔ：
ＧｏＦｒｏｎｔ（Ｓｔｏｐ）；｜｜停葺
ｂｒｅａｋ；
）
实践表明，只要参数设置调整得当，就能获得较好的偏差纠正性能，达到偏差纠正范围大、快速、稳
定、超调小的目的。
４结束语
本文提出的移动机器人寻线导航系统经实践检验证明：系统具有传感器检测方案及检测点布局科学合理、对场地要求不高、适应性和灵活性强、可靠性高、成本低、行进速度快、偏差纠正能力强、便于硬件
实现和软件处理等特点，具有较强的可操作｜生和应辟形涫。
创新点：若检测点数量过少，容易出现脱轨和车
体振荡等现象，于是，某些论文提出了检测点数量众
多的方案。检测点多固然有利于提高机器人的行进速度，扩大机器人的偏差纠正能力，不易脱轨，但光电检测装置体积大、电路复杂、系统实时性降低、编程难度增加等缺点和问题非常突出．因此这种方案更多停留在理论探讨阶段，实施性和可操作性差。
本文提出了一种移动机器人寻线导航系统传感器检测点布局方案．在此基础上进一步提出了与之相对应的硬件系统及控制程序方案与结构。这种方案采用８个检测点．数量适中，便于硬件实现和软件处理，一方面克服了检测点过少的缺陷，另一方面，又体现了检测点较多的机器人所拥有的行进速度快、偏差纠错能力强、不易脱轨等优点。实践表明，系统具有传感器检测方案及检测点布局科学合理、对场地要求不高、适应性和灵活性强、可靠性高、成本低、行进速度快、偏差纠正能力强等特点。
参考文献：
［１］陆新华，张桂林．室内服务机器人导航方法研究【Ｊ］机器人，２００３，２５（１）：８０—８７．
［２１张淑军，孟庆春，吴槟等．移动机器人智能寻线导航与策略控制［Ｊ】．控制与决策，２００５，２０（５）：５２９—５３２．
［３１万永伦，丁杰雄．一种机器人寻线控制系统［Ｊ］．电子科技大学学报．２００３，３２（１）：４８—５
１．
际蕊百丽司五习ｉ医Ｆ面Ｆｉ可ｉ医ｉ网ｉＦ—————卜————＿＿——＋——十——卜—一——＋＿——＿｝——＿｝——一－——｝＿—－
７
６
５
４
１
ｏ
１
５
６
７
ｊ偏差Ｊ３｛２２｝３ｌ０
表中。当偏差为０时，左右电机均为基本速度；当右边检测到导航线时，左电机为基本速度，右电机减速；当左边检测到导航线时，右电机为基本速度，左电
机减速。在出现偏差的两种情况中，减速的大小与偏
差的大小成正比。当然，用于控制电机速度的偏差值
不一定是０～７，可以是别的数值序列。
根据上述设定，我们已经可以实现作为控制程序的核心——寻线程序了。现假设，我们已经通过Ａ／Ｄ转换得到８个检测点的状态字节信息Ｌｉｎｅｌｎｆｏ，其中的１表示检测到导航线，０表示未检测到导航线；再假设我们已编写好了几个用于控制机器人运动的函数，如ＧｏＦｒｏｎｔ０（直线前进）、ＴｕｒｎＬｅｆｔＯ（左转）、ＴｕｒｎＲｉｇｈｔ０（右转）等．这些函数所带的参数用于控制电机ＰＷＭ输出，即控制电机转速，共８档，它们是Ｓｐｅｅｄ０～Ｓｐｅｅｄ７，分别对应偏差值的０～７。程序如下。
ｓｗｉｔｃｈ（Ｌｉｎｅｌｎｆｏ）｛
ｃａｓｅ
０ｂ１０００００００：
／／车体严重右偏
ＴｕｒｎＬｅｆｔ（Ｓｐｅｅｄ７）；，／向左急转
ｂｒｅａｋ；
［４］包明，赵明富，李娇军．寻迹机器人控制器及ＩＰ核的研究【Ｊ］．微计算机信息．２００６，２２（４—２）：１７４—１７６．
／／车体略微右偏
ｃａｓｅ
０ｂ０００１００００：
ＴｕｍＬｅｆｔ（Ｓｐｅｅｄｌ）；／／向左微调
ｂｒｅａｋ；
ｃａｓｅ
作者简介：邱寄帆（１９６４一），男，四川资阳人，副教授，硕士．主要研究方向：计算机应用、智能控制、机器人技
术等ｃｈｉｏｕｊｆ＠ｍｓｎ．ｃｏｎ。
Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＱｉｕＪｉｆａｎ（１９６４一），ｍａｉｌ，Ｓｈｉｃｈｕａｎ
ｔｕａｌｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｒｏｂｏｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅ
ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，ｍａｓｔｅｒ，Ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｌｌｅｃ—
０ｂ０００１１０００：
／／＠于最佳位置
ＧｏＦｒｏｎｔ（Ｓｐｅｅｄ０）；／，高速直线前进
ｂｒｅａｋ；
ｃａｓｅ
Ｏｂ００００１０００：
／／车体略微左偏
ＴｕｍＲｉｇｈｔ（Ｓｐｅｅｄｌ）；，／向右微调
ｂｒｅａｋ；
（６１００２１四川成都航空职业技术学院计算机系）邱寄帆
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｅｎｇｄｕＡｅｒｏａｕｔｉｃＶｏ－
ｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
ＣｏＨｅｇ岛Ｃｈｅｎｇｄｌｌ’６１００２１，Ｃｈｉｎａ）ＱｉｕＪｉＦａｎ
ｃａｓｅ
Ｏｂ０００００００１：
／／车体严重左偏
ＴｕｍＲｉｇｈｔ（Ｓｐｅｅｄ７）；／／向右急转
ｂｒｅａｋ；
通讯地址：（６１００２１成都市二环路南一段２０号成都航空职业技术学院计算机工程系）邱寄帆
（收稿日期：２００６．１．２８）（修稿日期：２００６．２．２７）
万方数据
＠圉自控同邮局订Ｄ日号：８２．９４６
３６０．＇－Ｌ，年－２０３—
移动机器人寻线导航系统的设计与实现
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
邱寄帆， Qiu,Jifan
610021,四川成都,航空职业技术学院计算机系微计算机信息
CONTROL & AUTOMATION2006,22(26)13次
参考文献(4条)
1. 陆新华;张桂林 室内服务机器人导航方法研究[期刊论文]-机器人 2003(01)
2. 张淑军;孟庆春;吴槟 移动机器人智能寻线导航与策略控制[期刊论文]-控制与决策 2005(05)3. 万永伦;丁杰雄 一种机器人寻线控制系统[期刊论文]-电子科技大学学报 2003(01)4. 包明;赵明富;李娇军 寻迹机器人控制器及IP核的研究[期刊论文]-微计算机信息 2006(4-2)
本文读者也读过(3条)
1. 刘隆吉. 李世光. 高正中. 毕博. LIU Long-ji. LI Shi-guang. GAO Zheng-zhong. BI Bo 移动机器人寻线控制系统设计[期刊论文]-煤矿机械2009,30(7)
2. 张淑军. 孟庆春. 吴槟. 费云瑞. ZHANG Shu-jun. Meng Qing-chun. WU Bin. FEI Yun-rui 移动机器人智能寻线导航与策略控制[期刊论文]-控制与决策2005,20(5)
3. 关军. 杨明. GUAN JUN. YANG MlNG 基于视觉的高速寻线机器人设计与实现[期刊论文]-微计算机信息2007,23(32)
引证文献(14条)
1. 张江梅. 秦蔷蔷. 王姮 基于CMOS图像传感器的机器人寻线系统[期刊论文]-科技创新导报 2009(15)2. 卜雪民. 钱峰 基于DSP的智能车辆系统移动小车的设计[期刊论文]-电子测量技术 2007(10)3. 关军. 杨明 基于视觉的高速寻线机器人设计与实现[期刊论文]-微计算机信息 2007(32)
4. 王玲. 孙波 红外光电传感器自动寻迹智能车的设计与实现[期刊论文]-沈阳理工大学学报 2010(2)5. 刘隆吉. 李世光. 高正中. 毕博 移动机器人寻线控制系统设计[期刊论文]-煤矿机械 2009(7)6. 李长春. 张松梅 基于PWM控制技术的移动机器人设计[期刊论文]-有色冶金设计与研究 2009(3)7. 师黎. 刘炜 移动机器人可拓控制器的设计[期刊论文]-微计算机信息 2008(11)
8. 朱文杰. 王冰. 翁新华. 王春香. 杨明 主动视觉高速寻线机器人的设计与实现[期刊论文]-机电一体化 2010(10)9. 云康. 冯振伟 基于MC9S12DG128控制器的智能寻迹车的设计与实现[期刊论文]-郑州轻工业学院学报(自然科学版) 2008(5)
10. 徐钰煜 平面线轨迹的识别方法[期刊论文]-国外电子测量技术 2007(12)11. 梁静 一种基于光电传感的路径识别智能车[期刊论文]-科学技术与工程 2011(1)
12. 云康. 高超 基于CMOS摄像头的智能寻迹车的设计与实现[期刊论文]-华北水利水电学院学报 2008(5)13. 梁静 一种基于光电传感的路径识别智能车[期刊论文]-科学技术与工程 2011(1)
14. 张毅. 孙纯兴. 李敏 医疗服务机器人功能设计及实现[期刊论文]-机器人技术与应用 2011(6)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_wjsjxx200626070.aspx