浅议红外探测目标跟踪机器人设计
【摘要】基于红外探测的基本原理，通过对多个（8个以上）传感器的信息进行处理，可以得到单个目标的方位信息。在此基础上再配合相应的控制系统和执行机构可以实现对目标的跟踪。本文介绍了这一套的基本原理和一款目标跟踪机器人的具体实现方案。
【关键词】红外探测;目标跟踪
0.引言
自主移动机器人需要感知周围环境的信息以便制定行动策略，其中利用红外传感器就是一种有效的感知手段。红外传感器实现的流量检测、遥控系统原理简单，易于实现，成本低廉，因而已经在生产生活中得到广泛的应用。典型的应用有电视遥控器等等，这些都是利用红外信号传输的原理实现的。
在此基础上，如果能够确定目标的方位，则可以实现对目标的定位。这对于很多实际应用具有重要的意义(如机器人系统、智能玩具等)。因此对其进行研究很有现实意义与应用价值
1.红外检测目标的原理
红外检测定位的基础是基于红外信号的传输。红外发射传感器发出红外信号，在机器人上装有的各个方向的接收传感器接收到信号号，通过相应的软件程序，筛选出目标所在的方位，使机器人朝着目标方位行走。
2.系统设计
目标跟踪机器人的主要任务是发现并追踪距其一定范围的目标物体。要实现这一功能，整个系统必须具有电机驱动单元、红外检测单元、移动机构三部分组成。
2.1电机驱动单元
电机驱动系统的芯片是由L298N结合单片机PWM技术实现对小型直流电动机的速度和方向控制，电路图如图1所示。以电机MOTOR 1为例，控制逻辑说明说明原理如下：当使能端ENA为高电平时，如果输入端PWM0为高电平，输入引脚IN1为低电平而引脚IN2为高电平，则电机A正转；如果输入端PWM0为低电平，输入引脚1为低电平而输入引脚2为高电平，则电机A反转。
图1电机控制电路图
L298N是一款高集成度、双桥结构的直流电机驱动器，具有驱动50V电压和4A电流的能力，而且使用简单、实用性强。因此，方案二较为适用。
2.2红外检测单元
本单元是以红外遥控发射、接收系统两部分组成。本单元是以红外线为传送信息媒体的短距离无线控制系统。
编码和解码电路由两个CMOS大规模数字集成电路（编码器VD5026和译码器VD5027）实现，图2为VD5026和VD5027的管脚图。两者组合应用起来构成一个发射、接收数字编解码系统。
其中，VD5026编码器是一种8位编码发射器。它的第1~8脚是编码的输入端，每个输入端可以有3种状态，即“0”、“1”或“开路”，因此8个脚可以组成38=6561个不同的编码。第10脚~第13脚也可作为编码地址线，与第1~第8脚联合起来组成12位编码地址线，这时编码数可达4194304个。VD5026的第10~第13脚用作数据输入线，第14脚是发射指令端，VD5026输出端则发出一组编码脉冲。第15脚、第16脚是一个内置振荡器，外接470KΩ的电阻，振荡频率为3.4Hz。第17脚是编码输出端，第18脚、第9脚分别是电源的正、负极。
图2VD5026、VD5027管脚图
VD5027接收解码器的管脚信息对应于VD5026的管脚信息。外接电阻值也与VD5026完全相同。编码器VD5026发射信号时，如果编、解码相同，VD5027就会输出高电平。
图3为红外发射电路，由放大电路和红外发射管组成。图中，U2A、U2B、U2C 、U2D(CD4011)为隔离级，作用是减小发射时的大电流对振荡级的影响；Q1对发射信号进行电流放大，当U2C和U2D输出高电平时，三极管Q1导通，红外发射管工作；当U2C和U2D输出为低电平时，三极管Q1截止，红外发射管不工作。
图3 红外发射电路
红外接收电路采用的是HS0038一体化接收头，HS0038内部具有前置放大器、AGC电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器、比较器、积分器和波形整形等电路。HS0038具有功耗小，抗干扰性强的特点。
3.软件设计
本部分主要是由单片机结合数据选择器来实现方向的判别。当数据选择器选通一位时，通过单片机I/O口来检测有无信号。当检测到有信号时，通过选择器选通的位来确定目标的方位。
4.结束语
利用红外检测实现的目标定位与跟踪机器人结构简单、易于实现。实验表明对探测范围内的单目标物体可以有效进行跟踪，将其改进可以应用到一些移动玩具或者自主移动机器人的避障运动和运动路径规划中。进一步的研究包括对于更多的传感器的信息处理以及多目标和复杂目标的识别。
通过本项目学员可以掌握单片机的应用知识、传感器知识及驱动技术，是自动化专业的综合应用。■
【参考文献】
［１］沈文，詹卫前等．AVR单片机C语言开发入门指导［M］．北京:清华大学出版，2006．
［２］沙占友，孟志勇等．单片机外围电路设计［M］．北京:电子工业出版社，2006．