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(jiàn)，讓我們嘗試在沒(méi)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(lái)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(chē)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(guò)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(guò)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)來(lái)使電機(jī)向前運(yùn)行，并且我們可以通過(guò)一次僅驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)來(lái)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(chēng)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(lèi)型。與此類(lèi)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(lái)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(lái)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(lái)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(méi)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(jiàn)，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(lái)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(guò)使用 VCC 和 GND 正向偏置來(lái)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(guò)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)?，F(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(guò)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(kāi)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(pán)。在這里，我們使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的現(xiàn)成機(jī)器人底盤(pán)。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(pán)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(lái)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。