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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    機器人中的開環電子控制技術

                    2018-02-08 16:40:00

                      隨著STEM教育的提出,機器人教育越來越火熱。而目前各類機器人教材的核心,就是電子控制技術,即以電子電路為信息采集、處理核心,并根據設計輸出指令的控制技術。按照電子線路的工作原理,又可分為簡單模擬電子電路控制、邏輯電路控制以及計算機控制(含單片機)三類。

                      目前的教育用機器人,主要以邏輯電路控制及計算機控制為主。從控制方式來看,電子控制技術還分為開環電子控制技術和閉環電子控制技術。上期我們介紹了閉環電子控制技術,本期我們就以開環電子控制為例,來介紹機器人中的開環電子控制技術。

                      開環電子控制技術主要包括輸入部分、控制(處理)部分和輸出部分。其中,輸入部分通常由各種傳感器組成,輸入信息可以有各種形式,包括作用力以及溫度、濕度、磁場、光照強度等環境參數。輸入部分相當于人的感官,能將采集到的非電量變化轉變為電量變化。例如按動開關,輸入部分就能把開或關的非電量變化轉變為電信號(電壓或電流)的有或無的電量變化。

                      機器人中常用的傳感器包括顏色傳感器、觸碰傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器等等。其中,光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它先把被測量的變化轉換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。機器人競賽中常見的巡線任務,就是由光電傳感器完成的。

                      控制(處理)部分一般由各種具備控制功能的電子電路(或微處理器)組成。它的作用相當于人的大腦,能對送入的電信號進行比較、分析和處理后發出指令??刂撇糠质且粋€機器人的核心單元,例如知名的樂高機器人,其控制器型號為EV3。還有一些開源的機器人,大都用arduino等開源的控制板作為控制器。

                      輸出部分由電機、電磁繼電器等多種執行機構組成。輸出信號可以是位移,如電磁繼電器中銜鐵的運動、電動機的轉動等,也可以是聲音、光等,如揚聲器發出的音樂聲。輸出部分相當于人的手和腳,其作用是執行控制(處理)部分的指令,進行某種操作,實現某種功能。機器人的輸出部分主要是電機,利用電機可以實現很多功能,如行走、夾持、傳動等等。

                      下面我們就以機器人競賽中常見的巡線為例,來了解機器人的控制過程。

                      我們通常采用常見的雙光感巡線方式來解決讓機器人沿著黑線走的問題。首先,將兩個光感作為控制系統的輸入部分裝在機器人的底部,分別位于黑線兩側。兩個光感負責將讀取到的光值信號傳給控制器。然后,控制器對輸入的光值信號進行分析,將光感的探測結果分為左白右黑、左黑右白、雙白和雙黑四種情況。根據這四種探測結果,分別執行右轉、左轉、直行和停車四種動作的程序指令。接著,控制指令被傳送給執行器,也就是機器人上的兩個馬達。如要前行,那么兩個馬達同時、同速朝前運轉;如要倒退,則同時、同速反向運轉;而左馬達不轉右馬達轉為左向轉彎,左馬達轉右馬達不轉為右向轉彎。由于是讓兩個電機同時工作,機器人的運動速度較快,同時采取兩個光敏監測黑線,精度也有所提高。

                      了解了機器人電子控制的基本組成之后,我們會在之后的文章中結合一些具體任務,來看看機器人是如何利用電子控制系統完成任務的。

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