《科学24小时》
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机器人中的开环电子控制技术
2018-02-08 16:40:00随着stem教育的提出，机器人教育越来越火热。而目前各类机器人教材的核心，就是电子控制技术，即以电子电路为信息采集、处理核心，并根据设计输出指令的控制技术。按照电子线路的工作原理，又可分为简单模拟电子电路控制、逻辑电路控制以及计算机控制（含单片机）三类。
目前的教育用机器人，主要以逻辑电路控制及计算机控制为主。从控制方式来看，电子控制技术还分为开环电子控制技术和闭环电子控制技术。上期我们介绍了闭环电子控制技术，本期我们就以开环电子控制为例，来介绍机器人中的开环电子控制技术。
开环电子控制技术主要包括输入部分、控制（处理）部分和输出部分。其中，输入部分通常由各种传感器组成，输入信息可以有各种形式，包括作用力以及温度、湿度、磁场、光照强度等环境参数。输入部分相当于人的感官，能将采集到的非电量变化转变为电量变化。例如按动开关，输入部分就能把开或关的非电量变化转变为电信号（电压或电流）的有或无的电量变化。
机器人中常用的传感器包括颜色传感器、触碰传感器、超声波传感器、光电传感器等等。其中，光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。机器人竞赛中常见的巡线任务，就是由光电传感器完成的。
控制（处理）部分一般由各种具备控制功能的电子电路（或微处理器）组成。它的作用相当于人的大脑，能对送入的电信号进行比较、分析和处理后发出指令。控制部分是一个机器人的核心单元，例如知名的乐高机器人，其控制器型号为ev3。还有一些开源的机器人，大都用arduino等开源的控制板作为控制器。
输出部分由电机、电磁继电器等多种执行机构组成。输出信号可以是位移，如电磁继电器中衔铁的运动、电动机的转动等，也可以是声音、光等，如扬声器发出的音乐声。输出部分相当于人的手和脚，其作用是执行控制（处理）部分的指令，进行某种操作，实现某种功能。机器人的输出部分主要是电机，利用电机可以实现很多功能，如行走、夹持、传动等等。
下面我们就以机器人竞赛中常见的巡线为例，来了解机器人的控制过程。
我们通常采用常见的双光感巡线方式来解决让机器人沿着黑线走的问题。首先，将两个光感作为控制系统的输入部分装在机器人的底部，分别位于黑线两侧。两个光感负责将读取到的光值信号传给控制器。然后，控制器对输入的光值信号进行分析，将光感的探测结果分为左白右黑、左黑右白、双白和双黑四种情况。根据这四种探测结果，分别执行右转、左转、直行和停车四种动作的程序指令。接着，控制指令被传送给执行器，也就是机器人上的两个马达。如要前行，那么两个马达同时、同速朝前运转；如要倒退，则同时、同速反向运转；而左马达不转右马达转为左向转弯，左马达转右马达不转为右向转弯。由于是让两个电机同时工作，机器人的运动速度较快，同时采取两个光敏监测黑线，精度也有所提高。
了解了机器人电子控制的基本组成之后，我们会在之后的文章中结合一些具体任务，来看看机器人是如何利用电子控制系统完成任务的。