專利名稱：智能迷宮機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種智能迷宮機(jī)器人，能對(duì)未知迷宮進(jìn)行自主探索并記憶優(yōu)化所走路線，屬于人工智能領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前多數(shù)迷宮機(jī)器人都是搭載若干個(gè)光電傳感器對(duì)迷宮地面的白色引導(dǎo)線進(jìn)行識(shí)別來(lái)行走迷宮，如上海交通大學(xué)錢真彥等人設(shè)計(jì)的走迷宮機(jī)器人(參見(jiàn)《網(wǎng)絡(luò)科技時(shí)代》2004年03期)，搭載了8個(gè)反射式光電傳感器對(duì)迷宮地面白線進(jìn)行檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，按照左手法則或右手法則(即機(jī)器人沿著迷宮壁始終向左轉(zhuǎn)或向右轉(zhuǎn))來(lái)進(jìn)行迷宮搜索。在完成既定功能的前提下，由于搭載傳感器過(guò)多，增加了制造成本，同時(shí)也使傳感器誤動(dòng)作導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的概率增加，而且這類機(jī)器人缺乏智能性和自主性，對(duì)于最優(yōu)路徑缺乏認(rèn)知和記憶判別能力，因此在實(shí)際應(yīng)用中有很大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種智能迷宮機(jī)器人，該機(jī)器人在行走滿足一定尺寸要求的單通道立體迷宮時(shí)，并不需要白線進(jìn)行引導(dǎo)，且能對(duì)迷宮的障礙物環(huán)境進(jìn)行記憶和道路優(yōu)化，去除走不通的死路，實(shí)現(xiàn)了其智能、自主走迷宮的過(guò)程。
為了實(shí)現(xiàn)如上目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。本發(fā)明主要包括有后方兩個(gè)主動(dòng)輪6、前方中央的萬(wàn)向輪1、支撐架9，兩個(gè)主動(dòng)輪6通過(guò)支撐架9和萬(wàn)向輪1連接，構(gòu)成機(jī)器人的底盤，兩個(gè)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)主動(dòng)輪，其特征在于還包括有微處理器、傳感器系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)包括有三組紅外發(fā)射接收傳感器4、第一光電傳感器2、第二光電傳感器7，三組紅外發(fā)射接收傳感器4分別位于支撐架9的兩側(cè)和前方，用于對(duì)障礙物的檢測(cè)；第一光電傳感器2位于支撐架的后方，用于檢測(cè)迷宮塊與塊之間的白線；第二光電傳感器7位于支撐架的前方，配合第一光電傳感器2進(jìn)行終點(diǎn)檢測(cè)；其中，三組紅外發(fā)射接收傳感器4、第一光電傳感器2、第二光電傳感器7分別與微處理器相連，微處理器根據(jù)三組紅外發(fā)射接收傳感器4的輸入信號(hào)控制電機(jī)的動(dòng)作，進(jìn)而控制機(jī)器人的行走與轉(zhuǎn)向；微處理器根據(jù)第一光電傳感器2的輸入信號(hào)判斷機(jī)器人是否進(jìn)入一個(gè)新的迷宮塊；根據(jù)第一光電傳感器2、第二光電傳感器7的輸入信號(hào)判斷機(jī)器人是否進(jìn)入了終點(diǎn)。
傳感器系統(tǒng)主要由三組紅外發(fā)射接收傳感器4和第一光電傳感器2、第二光電傳感器7組成，三組紅外發(fā)射接收傳感器4分別設(shè)置在機(jī)器人的左方、前方和右方，每組紅外發(fā)射接收傳感器4各有一個(gè)紅外發(fā)光管和紅外接收管，通過(guò)紅外發(fā)光管不間斷的向一定的方向發(fā)出一定頻率的紅外線，當(dāng)遇到一定距離內(nèi)的障礙物時(shí)，反射回來(lái)的足夠強(qiáng)度的紅外光被紅外接收管接收到，從而對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)出有障礙物信號(hào)，完成了對(duì)障礙物的實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)這三組紅外傳感器的信息融合，機(jī)器人能很好的對(duì)迷宮信息進(jìn)行探測(cè)。第一光電傳感器2位于支撐架底部的后方，用于對(duì)迷宮塊與塊之間的白線進(jìn)行檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在迷宮中的定位，便于機(jī)器人實(shí)現(xiàn)其智能判斷和記憶修改迷宮信息的功能。第二光電傳感器7位于支撐架底部的前方，配合第一光電傳感器2進(jìn)行終點(diǎn)檢測(cè)，當(dāng)機(jī)器人探測(cè)到終點(diǎn)信息后進(jìn)入停止待命狀態(tài)。
本發(fā)明的控制過(guò)程，具體參見(jiàn)圖5，微處理器的功能是對(duì)傳感器系統(tǒng)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理和融合并控制電機(jī)相應(yīng)動(dòng)作。機(jī)器人啟動(dòng)進(jìn)入等待聲控命令狀態(tài)，當(dāng)聲控輸入電路接收到足夠強(qiáng)度的聲音后給微處理器一個(gè)信號(hào)，微處理器則開(kāi)始不斷地判斷第一光電傳感器2、第二光電傳感器7輸入的檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)接收到的第一光電傳感器2、第二光電傳感器7都沒(méi)有檢測(cè)到白線時(shí)，微處理器就根據(jù)三組紅外線發(fā)射接收傳感器4的信號(hào)輸入情況發(fā)出指令，通過(guò)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，使主動(dòng)輪6、萬(wàn)向輪1相應(yīng)動(dòng)作，進(jìn)而控制機(jī)器人的行進(jìn)和轉(zhuǎn)向。同時(shí)發(fā)音電路會(huì)發(fā)出相應(yīng)的聲音。在微處理器的內(nèi)存中會(huì)根據(jù)當(dāng)前三組紅外傳感器狀態(tài)按照一定的算法記憶迷宮信息，當(dāng)?shù)谝还怆妭鞲衅?檢測(cè)到白線而第二光電傳感器7沒(méi)有檢測(cè)到白線時(shí)，說(shuō)明機(jī)器人進(jìn)入一個(gè)新的迷宮塊中，微處理器重復(fù)以上的過(guò)程，繼續(xù)行走。當(dāng)?shù)谝还怆妭鞲衅?和第二光電傳感器7同時(shí)檢測(cè)到白線時(shí)說(shuō)明機(jī)器人進(jìn)入了終點(diǎn)，機(jī)器人進(jìn)入停止待命狀態(tài)。
本發(fā)明的有益效果是在軟件編程的支持下可以實(shí)現(xiàn)自主迷宮搜索和智能記憶判斷最佳路徑的功能，同時(shí)，由于使用的傳感器數(shù)量少，減少了誤操作的概率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明的控制電路原理2是本發(fā)明的發(fā)音系統(tǒng)電路3是本發(fā)明的聲控系統(tǒng)電路4是機(jī)器人的內(nèi)部機(jī)械機(jī)構(gòu)示意5是機(jī)器人控制電路框架6機(jī)器人所走迷宮示意中1、萬(wàn)向輪，2、第一光電傳感器，3、條形帶減速齒輪電機(jī)，4、紅外發(fā)射接收傳感器，5、電池倉(cāng)，6、主動(dòng)輪，7、第二光電傳感器，8、電路板，9、支撐架，10、迷宮入口，11、迷宮出口。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖1～圖6進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
本實(shí)施例主要包括有支撐架9、后方兩個(gè)獨(dú)立主動(dòng)輪6和前方中央一個(gè)萬(wàn)向輪1、微處理器、傳感器系統(tǒng)、聲控系統(tǒng)、發(fā)音系統(tǒng)，兩個(gè)主動(dòng)輪6通過(guò)支撐架和萬(wàn)向輪1連接構(gòu)成機(jī)器人的底盤，在底盤的后方設(shè)置有用于存放電池電池倉(cāng)5，為微處理器提供電源。兩個(gè)條形帶減速齒輪電機(jī)3經(jīng)過(guò)減速齒輪后單獨(dú)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)主動(dòng)輪。
傳感器系統(tǒng)包括有三組紅外發(fā)射接收傳感器4、第一光電傳感器2、第二光電傳感器7，三組紅外發(fā)射接收傳感器4分別位于支撐架的兩側(cè)和前方，用于對(duì)障礙物的檢測(cè)；第一光電傳感器2位于支撐架的后方，用于檢測(cè)迷宮塊與塊之間的白線；第二光電傳感器7位于支撐架的右前方，配合第一光電傳感器2進(jìn)行終點(diǎn)檢測(cè)。其中，三組紅外發(fā)射接收傳感器4、第一光電傳感器2、第二光電傳感器7分別與微處理器相連，微處理器根據(jù)三組紅外發(fā)射接收傳感器4的輸入信號(hào)控制電機(jī)的動(dòng)作，進(jìn)而控制機(jī)器人的行走與轉(zhuǎn)向；微處理器根據(jù)第一光電傳感器2的輸入信號(hào)判斷機(jī)器人是否進(jìn)入一個(gè)新的迷宮塊；根據(jù)第一光電傳感器2、第二光電傳感器7的輸入信號(hào)判斷機(jī)器人是否進(jìn)入了終點(diǎn)。聲控系統(tǒng)，聲控系統(tǒng)與微處理器相連，用聲音來(lái)控制微處理器的啟動(dòng)。發(fā)音系統(tǒng)會(huì)對(duì)應(yīng)機(jī)器人相應(yīng)動(dòng)作發(fā)出相應(yīng)的聲音。
機(jī)器人后方兩個(gè)主動(dòng)輪采用兩個(gè)直流電機(jī)經(jīng)過(guò)減速齒輪后單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)脈寬(通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓占空比來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)兩端的電樞電壓)調(diào)速，通過(guò)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，前方中央一個(gè)萬(wàn)向輪配合兩個(gè)主動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的靈活轉(zhuǎn)向和前進(jìn)后退等動(dòng)作。
機(jī)器人的行走是通過(guò)萬(wàn)向輪1和兩個(gè)主動(dòng)輪6來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)兩個(gè)條形帶減速齒輪電機(jī)3單獨(dú)控制的主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎。如圖1所示，兩個(gè)電機(jī)分別通過(guò)電機(jī)1控制電路、電機(jī)2控制電路與微處理器相連，本實(shí)施例中的兩個(gè)電機(jī)分別接在JP4和JP5的兩個(gè)輸出端，電機(jī)1控制電路和電機(jī)2控制電路選用的是電機(jī)控制芯片TA8428，即如圖1所示的J1和J2是電機(jī)控制芯片TA8428，其控制信號(hào)輸入端分別接微處理器的PD7、PD6、PD5、PD4管腳，通過(guò)與萬(wàn)向輪1的配合實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的正反直走、任意角度轉(zhuǎn)彎及原地轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。本實(shí)施例中的微處理器選用的是ATMEL公司的ATmaga16L芯片，該系列芯片采用精簡(jiǎn)指令集，具有高速，低成本，低功耗等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用。
機(jī)器人的障礙物檢測(cè)是通過(guò)機(jī)器人兩側(cè)及前方的紅外傳感器4來(lái)實(shí)現(xiàn)的，左方、前方和右方紅外傳感器的輸出信號(hào)線分別接圖1中微處理器的PB0、PB1和PB3管腳，紅外線傳感器通過(guò)定向向外界發(fā)射一定頻率的紅外線，當(dāng)遇到一定距離內(nèi)的障礙物時(shí)會(huì)有一定強(qiáng)度的紅外線反射回來(lái)，而紅外線接收管在接收到反射回來(lái)的紅外線以后就會(huì)做出反應(yīng)并給微處理器一個(gè)高電平，從而完成了對(duì)該方向一定距離內(nèi)障礙物的檢測(cè)，通過(guò)三個(gè)方向的障礙物檢測(cè)，機(jī)器人能對(duì)迷宮環(huán)境建立一個(gè)立體的信息，并根據(jù)相應(yīng)的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作方案。
控制策略如下紅外線傳感器的狀態(tài)可以用0和1表示(0表示沒(méi)有障礙物，1表示有障礙物)，如果左方、前方和右方傳感器狀態(tài)為011時(shí)，表示前方和右方遇到障礙物，機(jī)器人就向左轉(zhuǎn)90度，當(dāng)傳感器狀態(tài)為110時(shí)表示左方和前方遇到障礙物，機(jī)器人右轉(zhuǎn)90度，當(dāng)傳感器狀態(tài)是111時(shí)機(jī)器人就后退一格，為010時(shí)左轉(zhuǎn)90度，為000、001、100、101時(shí)機(jī)器人前進(jìn)。
機(jī)器人尾部的第一光電傳感器2的信號(hào)線連接微處理器的PB5管腳，用來(lái)檢測(cè)迷宮塊與塊之間的白線，當(dāng)檢測(cè)到白線的時(shí)候返回低電平，意味著機(jī)器人進(jìn)人一個(gè)新的迷宮塊中，機(jī)器人會(huì)把當(dāng)前迷宮塊中的障礙物信息進(jìn)行一定的判斷和修改，即把左方、前方和右方傳感器的當(dāng)前狀態(tài)以0和1的形式存儲(chǔ)起來(lái)，并根據(jù)控制策略進(jìn)行下一步動(dòng)作。這種修改會(huì)使機(jī)器人下次再走該迷宮時(shí)不會(huì)再走一些行不通的死路，而是根據(jù)記憶的信息進(jìn)行動(dòng)作，其過(guò)程如下當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到白線后，調(diào)用存儲(chǔ)器中記錄的迷宮信息并根據(jù)控制策略執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，從而不依賴傳感器而快速順利的沿最優(yōu)路徑走出迷宮。
機(jī)器人前方靠右的第二光電傳感器7連接微處理器的PB4管腳，用來(lái)對(duì)終點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)該傳感器和第一光電傳感器2同時(shí)檢測(cè)到白線時(shí)表示機(jī)器人進(jìn)入終點(diǎn)狀態(tài)，機(jī)器人已經(jīng)找到出口。
聲控電路輸入管腳為微處理器的PB2，發(fā)音電路連接微處理器的PC0管腳。
程序下載電路用于和上位機(jī)進(jìn)行程序和數(shù)據(jù)交換。
機(jī)器人所用迷宮如圖6所示，迷宮地面是黑色的木質(zhì)材料，迷宮壁是白色的木質(zhì)材料，迷宮塊與塊之間用寬2mm的白線間隔，迷宮出口處的地面是白色的，各個(gè)迷宮小塊長(zhǎng)15cm，寬20cm，高10cm。
本發(fā)明是在軟件編程的支持下可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主迷宮搜索和智能記憶判斷最佳路徑的功能。機(jī)器人再次行走該迷宮時(shí)就完全根據(jù)記憶而不再依賴于三組紅外發(fā)射接收傳感器4來(lái)檢測(cè)障礙物進(jìn)行行走，也可以原路從迷宮終點(diǎn)返回到迷宮起點(diǎn)，并不會(huì)再走一些死路，從而加快了其行進(jìn)速度。機(jī)器人進(jìn)行聲控啟動(dòng)，并搭載了發(fā)音電路和紅蘭綠三種顏色的LED指示燈，配合機(jī)器人在不同狀態(tài)下發(fā)出不同的聲音和不同顏色的光亮，例如機(jī)器人前進(jìn)時(shí)外殼正前方的LED會(huì)放光，左轉(zhuǎn)時(shí)左面的LED發(fā)光而右轉(zhuǎn)時(shí)右面的LED發(fā)光，聲控啟動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的聲控指示燈會(huì)發(fā)光等，當(dāng)機(jī)器人成功的進(jìn)行完了一次迷宮搜索時(shí)，它會(huì)發(fā)出歡樂(lè)而自豪的歌聲來(lái)表達(dá)它的感情。
權(quán)利要求
1.一種智能迷宮機(jī)器人，主要包括有兩個(gè)主動(dòng)輪(6)、前方中央的萬(wàn)向輪(1)、支撐架(9)，兩個(gè)主動(dòng)輪(6)通過(guò)支撐架(9)和萬(wàn)向輪(1)連接，構(gòu)成機(jī)器人的底盤，兩個(gè)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)主動(dòng)輪，其特征在于還包括有微處理器、傳感器系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)包括有三組紅外發(fā)射接收傳感器(4)、第一光電傳感器(2)、第二光電傳感器(7)，三組紅外發(fā)射接收傳感器(4)分別位于支撐架(9)的兩側(cè)和前方，用于對(duì)障礙物的檢測(cè)；第一光電傳感器(2)位于支撐架的后方，用于檢測(cè)迷宮塊與塊之間的白線；第二光電傳感器(7)位于支撐架的前方，配合第一光電傳感器(2)進(jìn)行終點(diǎn)檢測(cè)；其中，三組紅外發(fā)射接收傳感器(4)、第一光電傳感器(2)、第二光電傳感器(7)分別與微處理器相連，微處理器根據(jù)三組紅外發(fā)射接收傳感器(4)的輸入信號(hào)控制電機(jī)的動(dòng)作，進(jìn)而控制機(jī)器人的行走與轉(zhuǎn)向；微處理器根據(jù)第一光電傳感器(2)的輸入信號(hào)判斷機(jī)器人是否進(jìn)入一個(gè)新的迷宮塊；根據(jù)第一光電傳感器(2)、第二光電傳感器(7)的輸入信號(hào)判斷機(jī)器人是否進(jìn)入了終點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種智能迷宮機(jī)器人，屬于人工智能領(lǐng)域。本機(jī)器人包括有兩個(gè)獨(dú)立控制的主動(dòng)輪(6)、前方中央的萬(wàn)向輪(1)、支撐架(9)，兩個(gè)主動(dòng)輪(6)通過(guò)支撐架9和萬(wàn)向輪1連接，構(gòu)成機(jī)器人的底盤，還包括有微處理器、傳感器系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)包括有三組紅外發(fā)射接收傳感器4、第一光電傳感器2、第二光電傳感器7。三組紅外發(fā)射接收傳感器4、第一光電傳感器2、第二光電傳感器7分別與微處理器相連，微處理器根據(jù)其輸入信號(hào)控制電機(jī)的動(dòng)作，進(jìn)而控制機(jī)器人的行走與轉(zhuǎn)向。本發(fā)明是在軟件編程的支持下可以實(shí)現(xiàn)自主迷宮搜索和智能記憶判斷最佳路徑的功能，同時(shí)，由于使用的傳感器數(shù)量少，減少了誤操作的概率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G05D1/02GK1888995SQ20061008965
公開(kāi)日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2006年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月10日
發(fā)明者宋蘇, 祝尚臻, 孫亮, 左國(guó)玉 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)