如何在不使用微控制器的情况下制造直线跟随机器人

直线跟随机器人 （LFR）是一台遵循一条线的机器，它可以是一条黑线，也可以是一根白线。换行机器人对初学者很友好，理解和构建起来很有趣。虽然线路跟随机器人与Arduino或其他微控制器一起构建是流行和常见的，让我们尝试在没有微控制器的情况下构建相同的微控制器，并实际理解其工作背后的逻辑，以及使用基本的电子器件来设计逻辑电路。正如名称所示，机器人基本上是沿着一条线运行的，但也可以构建更高级的版本，比如，我们可以让机器人跟踪这条线，找到起点和终点之间的短距离，或者让机器人解决迷宫般的线，等等。让我们在这里尝试一个简单的、基本的沿着线运行的机器人。该机器人基本上由一对红外传感器和两个电机组成，红外传感器用于检测线路，电机用于控制运动和方向。

建筑线条跟随机器人所需的组件

• 红外发光二极管、发射器和接收器（2对）
• 电阻器100k、220欧姆、1k（每个2个）
• 发光二极管
• 预设（可变电阻器）（10k）（2）
• LM358集成电路
• L293D集成电路
• BO电机和车轮（2）
• 收割台销
• Perf板
• 电线
• 底盘
• 9V电池（连同电池夹）（2）

了解跟线机器人的工作原理

线路跟随机器人工作在简单的逻辑上，通过结合比较器电路的工作和L293D电机驱动器工作红外传感器向LM358比较器IC当红外发光二极管检测到前面的物体（或者在我们的情况下，检测到白光）时，IC会产生高输出。然后比较器IC给出高输出（VCC）。这被用作决定是否驱动电动机的输入信号。由于每个IR传感器都与每个电机相关，我们可以通过驱动两个电机来向前运行电机，也可以通过一次只驱动其中一个电机来转弯。

了解红外传感器的工作原理

红外线传感器是机器人能够跟随路线的原因。您也可以使用红外传感器模块，但这里我们已经构建了红外传感器。一旦你了解了红外传感器的工作原理，构建它就很简单了。红外传感器基本上由红外发射器（IR LED）和红外接收器（光电二极管）组成。有时，红外发光二极管和光电二极管一起被称为光电耦合器或光电耦合器。顾名思义，红外发射器LED可以发射红外光。红外发射器根据其波长、输出功率和响应时间可以是不同类型的。与此类似，基于波长、电压、封装和其他因素，有多种IR接收器。当在红外发射器-接收器组合中使用时，接收器的波长应与发射器的波长相匹配。红外发射器和接收器LED的照片如下所示。

当IR LED发射IR射线时，如果存在任何物体来阻挡IR射线，则物体的表面将反射IR射线，并且IR光电二极管对这些射线敏感。IR光电二极管接收这些反射的IR射线，因此电阻和输出电压相应地变化。利用这种输出电压（或光电二极管电阻）的变化，我们可以构建逻辑电路。这是红外传感器的基本工作原理；我们将使用它来检测线路的存在。现在，当白色表面存在时，红外线会被反射，但黑色表面会被吸收。因此，我们将能够检测黑线的存在位置，并可以构建一个逻辑电路来遵循这条线。红外发射器和接收器的工作原理如图所示。

（提示：要检查红外发射器是否正在发射，请使用相机（手机相机也可以）查看红外发射器。您将在红外发光二极管的中心看到一道紫色的光晕。）

L293D电机驱动IC的工作原理

L293D是一个电机驱动器IC。它被用来驱动马达（因此是机器人的轮子）。如L293D IC的引脚所示，它可以控制两个电机。它可以根据提供给电机的电流来改变电机的速度；它可以基于输入来控制电动机的方向；它还可以启动或停止电机。

构建无微控制器直线跟随机器人的电路图

完整的示意图使用L293D的直线跟随机器人并且IR传感器如下所示：

正如你所看到的，我们已经划分了黑线跟随机器人电路分为三部分，其中两部分用于构建IR传感器，一部分用于使用L293D电机驱动器IC构建控制器电路。

使用LM358构建红外传感器

LM358的引脚输出和红外传感器的电路连接如下所示。我们使用一个LM358集成电路来控制两个红外传感器。LM358使用分别为8和4的VCC和GND引脚通电。LM358是一种运算放大器比较器IC，可提供高输出（VCC，在我们的情况下为9V）。光电二极管是反向偏置的，使用100k电阻器创建分压器，并将其作为反相端子的输入。另一个分压器是使用10k预设值创建的，并作为比较器的非反相引脚3的输入。IR LED通过使用VCC和GND对其进行正向偏置来通电。引脚1是输出，因此我们将LED与限流电阻器连接，并从这里获取传感器的输出作为电机驱动器的输入。

综上所述，我们知道光电二极管的电压和电阻会根据是否存在黑色或白色表面而变化。该电压用于与通过预设获得的参考电压进行比较，以给出高电压或低电压。使用LED指示输出。

L293D电机控制器电路

引脚4、5、13和12短路并连接到接地。引脚16是VCC引脚。这两个引脚为IC供电。引脚8是VCC，这里应该给出电机运行的电压。由于我们使用的是9V电池，我们将使VCC引脚（引脚8和引脚16）短路，并直接将其设置为9V。引脚1和引脚9是各自电机的启用引脚；对于我们的连接，我们需要电机在从IR传感器获得输入后立即运行，因此我们将使能引脚连接到高电平（用VCC短路）。引脚3和6应连接到一个电机，引脚14和11应连接到另一个电机。现在，我们有两个引脚用于传感器输出。这用于使电机向前或反向运行。由于我们的机器人只会向前移动，我们可以将引脚7和10连接到地，并将IR传感器输出提供给引脚2和4。

为了总结这些连接，当红外传感器的输入很高时，机器人会向前移动。当机器人下方有白色表面时，红外传感器会产生高输出，因此电机会向前转动。如果两个红外传感器都穿过黑色表面，则输出较低，因此电机无法运行。此时，机器人停止向前移动。但是，如果只有一个IR传感器穿过黑色表面，则该传感器给出低输出，而另一个将在白色表面上的IR传感器将给出高输出，因此该侧电机仍将转动，因此机器人转动。

装配直线跟随器机器人

一旦我们了解了所有组件的连接，我们就可以开始组装我们的直线跟随机器人了。要制造这个机器人，首先，我们需要一个机器人底盘。在这里，我们使用了一个简单的现成机器人底盘。然后，我们在一些热胶的帮助下，将带有IR电路和控制器电路的BO电机放置到机箱上，如下图所示。

为了给机器人供电，锂离子电池（如18650）和升压转换器（将3.7V转换为5V）是首选，因为简单的9V电池无法运行机器人。但通过使用18650，还应包括充电电路，这使电路有点复杂。因此，我们在这里使用了两个9V电池并联组合。一个9V的电池无法输出足够的功率来驱动电机和IR电路；因此必须使用并行组合。L293D和IC 358都可以接受高达9V的输入电压，因此这里使用它。如果使用高于9V的电压为电路供电，请检查L293D和IC 358的数据表中的输入电压（因为较高的电压可能会损坏IC）。

测试和校准

我们已经组装好了机器人，因为它不需要任何代码，所以是时候看看它的动作了。为此，我们所需要做的就是将机器人放在黑线的顶部，观察它的动作。

无需微控制器设计Line Following机器人的优点

• 我们学习设计基本逻辑电路，这使我们了解了微控制器逻辑的工作原理。
• 我们建造了红外传感器，并了解它的工作原理。
• 在没有微控制器的情况下，整个项目的成本降低了。
• 由于没有微控制器，因此不需要编程。
• 电路很简单，有助于强化基本的电子概念。

在没有微控制器的情况下设计Line Following机器人的局限性

• 机器人不能做90度转弯。
• 机器人以急动运动而不是平稳运动运行（这可以使用PID控制器和微控制器来解决）。
• 当两个传感器都检测到黑线时，机器人停止移动。