机器人简易循迹方式

循迹机器人是一种能按事先预定的路线自主行进的机器人，能实现路径检测、信息反馈和自动行驶，它在工业、民用和科学研究等方面已获得了广泛的应用。

常见的机器人循迹方式有摄像头循迹、红外循迹和感应式循迹等，这些循迹方式往往采用图像处理、红外检测和无线射频等技术，大多超出了中学生的知识范畴，理解和制作起来较困难。虽然有的学生按照说明书能装配成功，却难以真正掌握其中的原理和调试技巧，不能达到培养自身创新能力的目的。

我在科技老师的指导和帮助下，利用所学物理知识，设计并实现了一种基于磁导航的机器人循迹方式。该方案实现起来简单、有效，在制作过程中，同学们可以有机地将理论和实际结合，享受制作的快乐。

一、工作原理

在高中物理中，我们学习过麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。我的设计原理正是基于此展开的。

我在循迹机器人的期望运行路线下面铺设铜导线，并通以20KHz的交流电。根据麦克斯韦电磁场理论可知，铜导线中变化的电场会在导线周围产生变化的磁场，可通过对磁场的检测判断机器人行进路线的信息。

我在循迹机器人的底盘上安装了若干个电感线圈，根据法拉第电磁感应定律，当铜导线中的电流按一定规律发生变化时，导线周围的磁场也随之产生变化，机器人上安装的电感线圈中将会感应出一定的电动势。

感应电动势的大小与机器人底盘上的电感线圈到中心铜导线（期望路线）的距离r有关，是一个关于距离r的位置函数，即E=f（r）。磁导航循迹机器人实际上是将电感线圈作为自己的眼睛来识别路径，从而达到自主行进。

二、设计与实验

对于机器人底盘上电感线圈的安装布局，通过多种尝试，我采用图1所示的一字型摆放方式，该结构简单、有效，电感线圈之间相互干扰小。因为电感线圈感应的信号较弱，所以其与路面的垂直距离不能太高，大概为3cm至5cm。

针对单个电感线圈感应电动势与导线位置的关系，我通过多次实验，记录数据，画出图线，如图2所示。

感应电动势与导线位置是偶函数关系，我就是通过这种规律来感知机器人所处的实时位置。

根据图2中单个电感线圈的感应电动势可得该电感线圈与铜导线（期望路线）之间的偏移量。通过对比全部电感线圈感应电动势的大小，可以知道机器人与导航铜导线之间的位置关系。电感线圈A、B和C位置如图1所示。

1.当机器人偏向导航铜导线左侧时，电感线圈C靠近铜导线，电压值EC增大，而A远离铜导线，电压值EA减小，此时EA-EC<0。

2.当机器人行进在导航铜导线正中间时，A、C电感线圈电压值EA和EC相等，此时EA-EC=0。

3.当机器人偏向导航铜导线右侧时，电感线圈A靠近铜导线，电压值EA增大，而C远离铜导线，电压值EC减小，此时EA-EC>0；

采用这种正负值判断方法就可以判定运动过程中的机器人与导航铜导线的位置关系，从而自动调节机器人跟蹤导航线行驶。

由于电感线圈直接感应出来的电动势很小，必须通过放大电路，将信号放大后使用。endprint