构建快速光跟踪机器人（BlueBot项目＃2）

2020年3月2日作者奇先生 0

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难度	<！ - 6 - >
所需时间	短（2-5天）
先决条件	您需要知道如何使用面包板来完成此项目。请参阅Science Buddies参考如果您之前没有使用过面包板，请如何使用面包板。
材料可用性	我们的合作伙伴可提供套件家庭科学工具。
费用	高（$ 100 – $ 150）
安全	短路会变得非常热并且存在灼伤危险。请小心遵循程序中的说明，以避免在构建机器人时出现短路。

摘要

你见过猫追逐激光笔或手电筒吗？如果你能让机器人做到这一点怎么办？在这个项目中，您将构建一个可以自动驱动朝向明亮光源的机器人。机器人使用简单的电子电路跟踪光线，因此无需计算机编程！您还可以使用相同的部件套件执行其他三个机器人项目，因此在进入更高级的项目之前，这是开始使用机器人技术的好方法。

目的

构建光跟踪机器人并进行调整以提高机器人的性能。

积分

Ben Finio，PhD，Science Buddies

感谢Howard Eglowstein，Science Buddies，寻求电路设计方面的帮助。

引用本页

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科学伙伴。”建立一个快速的光跟踪机器人（BlueBot项目＃2）。” 科学伙伴，2018年9月21日，https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Robotics_p022/robotics/light-following-robot。2019年7月6日访问。

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科学伙伴。（2018年9月21日）。建立一个快速的光跟踪机器人（BlueBot项目＃2）。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Robotics_p022/robotics/light-following-robot

最后编辑日期:2018-09-21

简介

你有没有想过建立自己的机器人，但不知道从哪里开始？在这个项目中，您将构建一个有趣，相对简单的机器人，无需计算机编程。该项目中的机器人使用光传感器，它们是可以检测光的电子元件;它们将帮助机器人跟随手电筒光束 – 就像猫用眼睛跟踪激光指示器一样。图1和视频显示了机器人的外观和工作原理。

图1。您将在此项目中构建的轻型跟踪机器人。

演示光跟随机器人。

根据观看视频，你能弄清楚如何操纵机器人吗？图2显示了机器人如何对手电筒作出反应的图表。手电筒可用于通过向前，向左或向右转向来”引导” 机器人。

图2. 显示机器人如何对光作出反应的图表。

这究竟是如何工作的？机器人使用特殊的电子电路通过使用两个光传感器来控制两个电机的速度。电机连接到机器人的车轮，可以驱动它。图3显示了该过程的简化图（继续阅读以获得电路的更详细描述）。如果两个光传感器都检测到相同的光量，则车轮以相同的速度旋转，因此机器人会直线行驶。如果一个光传感器检测到的光线多于另一个，则一个轮子将旋转得更快，这将使机器人转动。

图3. 机器人如何工作的简化图。机器人的电路检测到强光（例如，来自手电筒）。然后电路将电信号发送到机器人的电机以将其打开。电机驱动机器人的车轮，使机器人移动和转向。

在此工程项目中，您将按照分步说明构建轻型跟踪机器人。然后，您将按照工程设计流程对机器人进行一些调整，以提高其性能。虽然以前的电子设备经验将有助于构建机器人，但并不是必需的。如果您想立即开始构建机器人，可以继续程序。有关机器人如何工作以及电路的不同部分的更多信息，请继续阅读简介的其余部分。有关机器人电路的详细说明（适用于高级学生或机器人/电子爱好者），包括完整的电路图，请参阅帮助部分。

技术说明

本简介的其余部分包含有关电路中使用的电子元件的更多详细信息。提供以下信息作为参考，您无需完全理解它以执行项目。如果准备好开始构建机器人，您可以继续程序。

如果希望阅读其余的介绍，如果您熟悉基本的电子术语，如电压，当前，和抵抗.Science Buddies 许多初级和中级电子项目，电子入门，以及电，磁，＆amp;电磁学教程可以帮助您了解有关这些主题的更多信息。您还可以参考参考书目以获取更多信息。

有关电路工作原理的完整技术说明，包括电路图，请参阅帮助部分。

您将在此项目中构建的电路使用各种电子组件。所有组件都组合在底盘或机器人的塑料底座上，其中包括轮子。您可能每天都会使用一些组件，如电池和开关（即使您没有注意到它）。如果你以前没有做过电子项目，其他的，比如二极管和晶体管，可能对你来说是新的。表1列出了您将在此项目中使用的每个组件。有关每个组件在电路中执行的操作的更详细说明，请参阅帮助部分。

项目名称	图片	描述
电池组		这是机器人的电源。电池组有各种形状和尺寸。这个项目中的一个装有4节AA电池。
面包板		面包板可让您快速轻松地连接电线和电子元件，从而构建电路。连接不是永久性的，因此如果您犯了错误，您可以轻松移动。
切换		您每天都使用开关打开和关闭灯和电器。这是一个适合面包板的微型开关，可让您打开和关闭机器人。
跳线		跳线是用于在面包板上进行电连接的短线。它们具有多种颜色的塑料绝缘材料，可以轻松进行颜色编码和组织复杂的电路。
直流电机		电流导致电动机旋转。两个电机驱动机器人的车轮。这种类型的电动机在电池上运行 d 直立 c urrent（DC）（而不是 a 交替 c 来自墙上插座的[AC]。
MOSFET		MOSFET是一种特殊类型的晶体管，其作用类似于控制阀以使电流流动。作为类比，想想阀门如何控制通过花园软管的水流量。在该电路中，MOSFET控制通过电机的电流。有关MOSFET的更多详细信息，请参见帮助部分，包括MOSFET代表什么。
二极管		二极管就像是用于电力的单向阀。它只允许电流在一个方向上流动。在该电路中，二极管用于保护MOSFET免受突然停止电机引起的电压尖峰的影响。
电位计		电位计是一种可变电阻。电阻器抵抗电流的流动。旋转旋钮可调节其电阻。在该电路中，电位计用于调整机器人对光照水平的敏感度。
光敏电阻		光敏电阻，也称为”光电池” 或”光敏电阻（LDR）” ，是对光敏感的电阻器。在黑暗中，它具有非常高的阻力。在明亮的光线下，它具有非常低的电阻。在该电路中，两个光敏电阻用于检测光线并帮助机器人转向。

表1。本项目中使用的每个电路组件的图片和说明。

那么，您究竟是如何将所有这些不同的组件组合成一个允许您左右转向机器人的电路？电路有两个主要部分可以连接在一起:

电位器和光敏电阻（它们都是一种特殊类型的电阻器）组合在一起形成称为分压器的东西（参见帮助）有关分压器的详细信息，请参阅。光敏电阻用于检测光。当光敏电阻检测不到很多光时，分压器输出低电压。当光敏电阻暴露在强光下时，分压器输出高电压。电位计用于调节”亮” 和”暗” 灯之间的阈值（您将在程序中了解更多相关信息）。
MOSFET就像一个控制电机的阀门。当MOSFET的输入接收到低电压时，电机关闭。当MOSFET的输入接收到高电压时，电机开启.

你能看到这两件事如何连接起来控制一个响应光的机器人吗？技巧是将分压器的输出连接到MOSFET的输入端。图4显示了此过程的图表。

图4. 说明电路如何工作的图表。

请记住，机器人实际上有两个的电路副本，一个在左边，一个在右边。检测到更多光线的光传感器将使电机旋转得更快。因此，当两个传感器检测到不同的光照水平时，一个电机将比另一个电机旋转得更快，导致机器人转动。

影响机器人性能的因素有很多。电位计用于调节光传感器的灵敏度（意味着，改变它们输出的一定量光的电压）。光敏电阻位于长而柔韧的引线（类似天线）上，可让您将它们对准不同的方向。您如何看待这些因素会影响机器人的表现？在这个项目中，您将构建自己的机器人并找出答案。转到”材料和过程” 部分，开始构建机器人。

请记住，如果您想要了解机器人如何工作的完整技术说明，包括完整的电路图，请参阅帮助部分。

术语和概念

通用电子和机器人术语:
- 机器人
- 光传感器
- 电路
- 电压
- 电流
- 电阻
- 底盘

电路组件:
- 电池组
- Barrel jack
- 面包板
- 桶式千斤顶面包板适配器
- 开关
- 跳线
- 直流电机
- MOSFET
- 晶体管
- 二极管
- 电位
- 电阻
- 光敏

高级条款（请参阅帮助部分）:
- 分压器
- 欧姆定律
- 门
- 漏
- 来源
- 阈值电压
- 饱和度
- N沟道MOSFET
- P沟道MOSFET

问题

什么是机器人？有哪些不同类型的机器人，他们做了什么？
如何使用光传感器来操纵机器人？
您认为调整机器人对光的敏感度会影响其转向吗？
您如何看待调整光传感器的目标会影响机器人的转向？
高级问题:
- 分压器如何工作？
- MOSFET如何工作？
- 机器人的电路如何工作？

参考书目

如果您刚开始使用电子学和机器人技术，这些初学者参考将非常有用:

Finio，B。（2015年9月5日）.如何使用面包板。检索2016年6月23日，来自 http://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/breadboard-tutorial
Science Buddies工作人员（n.d.）. Electronics Primer:简介.2015年9月8日检索自 http://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project_ideas/Elec_primer-intro.shtml

这些参考资料对于想要了解电路工作原理以及电子设备的学生非常有用:

Lindblom，J。（n.d。）.如何阅读原理图。 SparkFun Electronics。检索2014年6月2日，来自https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-read-a-schematic
Taylor，C。（n.d。）.电压，电流，电阻和欧姆定律.SparkFun电子。检索2014年6月2日，来自 https://learn.sparkfun.com/tutorials/voltage-current-电阻和欧姆律/电 – 基础

这些参考包含有关此项目中使用的某些电路组件的特定信息:

Lindblom，J。（n.d。）.分压器.SparkFun电子。检索2014年6月4日起 https://learn.sparkfun.com/tutorials/voltage-dividers
Storr，W。（2014年6月2日）. The Mosfet 。电子教程。检索2014年6月4日，来自 https://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_6.html
Lindblom，J。（n.d。）.电阻器的.SparkFun电子。检索2014年6月19日，来自 https://learn.sparkfun.com/tutorials/resistors

材料和设备

BlueBot:4合1机器人套件，可从我们的合作伙伴处获得家庭科学工具。您将需要套件中的以下组件（该套件还包含其他三个项目的附加部件）。见如果您不确定部件的外观，请背景选项卡。
- 蓝色塑料机器人底盘（包括轮子，电机和4xAA电池座）
- AA电池（4）
- 面包板
- 跳线套件
- 电源开关
- 二极管（2）
- MOSFETs（2）
- 光敏电阻（2）
- 10kΩ电位器（2）

您还需要以下材料，不包括在套件中:
- 小型十字头螺丝刀
- 手电筒
- 双面泡棉胶带
- 剪刀
- 实验室笔记本
- 可选:剪线钳（可用于缩短电路某些部分的金属引线，使电路”更整洁” ）
- 可选:尖嘴钳或镊子（可以更容易处理小型电路元件）

实验程序

注意: 工程设计最好地描述了这个工程项目过程，而不是科学方法。您可能想问你的老师是否可以接受工程设计流程你的项目在开始之前。您可以了解有关工程设计过程的更多信息在科学伙伴工程设计流程指南。

组装BlueBot机箱

按照视频中的说明组装机器人机箱。
1. 您的套件附带组装机箱的印刷说明，但我们建议观看视频，以便您完全了解所有部件如何组合在一起。
2. 蓝色塑料部件带有一层薄薄的保护性塑料涂层。在装配底盘之前先将此涂层剥离。
3. 我们还建议使用双面泡棉胶带将电池座安装到机箱顶部，如图5所示。打印的说明建议将电池座放在两个机箱板之间，但这样就可以了更难更换电池。
4. 完成后你会有一些额外的零件，包括螺丝，螺母和蓝色塑料齿轮。暂时把这些部分放在一边;这个项目你不需要它们。

组装电路

要构建电路，您需要知道如何使用面包板。观看视频并查看Science Buddies参考如何使用面包板学习如何使用面包板。

现在您已经知道如何使用面包板，您已准备好组装BlueBot电路。表2显示了电路中所有组件的列表以及它们在面包板上的位置。您可以下载并打印此表的 PDF – 带有用于跟踪每个步骤的复选框 – 在构建机器人时使用。您还可以查看显示电路面板图的幻灯片。按照表格和/或幻灯片放映，一次构建一个组件。完成的电路应该与图6 中的电路类似。注意这些注意事项:
1. 请记住将所有组件牢固地推入面包板。
2. 所有对方向的引用（向上，向下，向左和向右）都假设你的面包板”正面朝上” ，所以写作面向你。
3. 您的跳线套件附带各种颜色，颜色可能会有所不同。使用什么颜色的跳线并不重要。你的颜色不需要匹配图中的颜色。通常，您应该使用尽可能短的电线，以帮助保持电路整洁。
4. 插入电池最后。如果在插入电池时看到或冒烟，则会在某处发生短路。立即取出电池并重新检查接线。

C18，C19，C20

组件	面包板孔	注意
电源开关	F1，F2，F3	它面向的方向无关紧要，但请确保向下滑动开关（朝向第30行，远离第1行），这是”关闭” 位置。
跳线	J2到（+）总线	颜色没关系。
跳线	J12到（ – ）总线	颜色没关系。
跳线	J19到（ – ）总线	颜色没关系。
跳线	左侧（+）总线到右侧（+）总线	颜色没关系。
跳线	左侧（ – ）总线到右侧（ – ）总线	颜色没关系。
电位计	G11，G12，G13	方向很重要;引脚应位于左侧。
电位计	方向很重要;引脚应位于左侧。
跳线	E11至F11	颜色没关系。
跳线	E18至F18	颜色没关系。
MOSFET	写作应面向左侧，大银色标签应朝向右侧。注意:MOSFET上的写入可能与图片不同。这没关系。
MOSFET	写作应面向左侧，大银色标签应朝向右侧。注意:MOSFET上的写入可能与图片不同。这没关系。
跳线	A13到（ – ）总线	颜色没关系。
跳线	A20到（ – ）总线	颜色没关系。
Photoresistor	A11到（+）总线	方向并不重要。
Photoresistor	A18到（+）总线	方向并不重要。
二极管	A12到（+）总线	灰色带必须面向左侧。可选:缩短引线。
二极管	A19到（+）总线	灰色带必须面向左侧可选:缩短引线。
顶部马达	红色导致（+）总线黑色导致E19	当机器人向前行驶时，这就是”正确” 的电机。
底部电机	红色导致（+）总线黑色导致E12	当机器人向前行驶时，这是”左” 电机。
电池座	红色导致J1 黑色引导至（ – ）总线	在电路完成之前，请勿插入电池。
AA电池	N/A	插入电池座。确保电池上的（+）标志与电池座中的（+）标志对齐。

表2。电路组件和位置列表。可以使用可打印的PDF版本。

图6。您完成的电路应如下所示。

测试机器人

您终于准备开始测试您的机器人了！请记住，现在您需要关注工程设计流程让您的机器人正常工作。请按照以下步骤学习如何使用机器人。

根据上一节中的面包板图仔细检查您的电路。请记住，只有一根错位的电线会阻止电路正常工作。
用一只手握住机器人的底盘，使车轮离地。将机器人的电源开关向上滑动，朝向面包板上的第1行，将其打开。检查表3，了解下一步应该做什么。

观察	做什么
我看到或闻到烟雾。	立即关闭机器人。你某处有短路。根据上一节中的面包板图重新检查接线。
车轮向前旋转。	你的机器人工作！继续下一步。
一个或两个车轮向后旋转。	如果车轮向后旋转，则反转该电机的红色和黑色电线。
车轮根本不旋转。	尝试将机器人的光传感器保持在明亮的光线下。顺时针旋转电位器旋钮。车轮应该开始旋转。
车轮仍然没有旋转。	部分电路连接不正确。根据接线图重新检查电路，有关详细信息，请参阅帮助部分。

表3。第一次打开机器人时该怎么做。

电位计调整机器人对环境光照水平（房间内正常光照水平）的灵敏度。您的目标是确保机器人不响应常规环境光，并且跟随更亮的手电筒光束。
1. 逆时针旋转两个电位器。这应关闭电机（有关电路如何工作的更多信息，请参阅帮助部分）。
2. 慢慢顺时针转动电位器，一次一个。这逐渐增加了电路对环境光的敏感度。最终，电机应该开始缓慢旋转。
3. 再次逆时针旋转电位计，直到电机只是关闭。您已将电机设置在阈值以下，以检测环境光。
4. 现在，将手电筒直接对准机器人的光线传感器，或者让机器人非常靠近灯光。这种更明亮的光线应激活传感器并使电机旋转。
5. 根据房间内的照明情况，您可能需要继续稍微调整电位计。例如，晴天的开窗或角落的明亮灯可能会导致机器人移动。您的目标是确保机器人不对这些光源做出响应，并且它只响应您的手电筒。如果您的电位计不对称地调整（一个转动得比另一个转得更远），这可能会导致您的机器人在一个方向上转向更多。
将机器人放在地板上，尝试用手电筒引导。确保将手电筒对准光敏电阻而不是机器人前部或机器人前方的地板。你能控制机器人是向前，向左还是向右？驾驶可能相当困难;转到下一步找出原因。
光敏电阻具有长而柔韧的引线，可让您调整目标。他们面对哪种方式会对机器人驾驶的容易程度产生重大影响。如果它们彼此相邻，它们将始终被相同数量的光线击中，因此很难将机器人向左或向右转向。如果它们相距太远，则很难均匀地照亮它们，因此很难使机器人直线行进。您还可以调整它们是向前还是向上，向前或向外，甚至是对角线。尝试将光敏电阻调整到不同的位置，看看哪个位置最容易引导你的机器人。图7显示了光敏电阻的几个不同位置。

图7. 光敏电阻的不同位置和方向。左上:光敏电阻靠近，面向前方。右上:光敏电阻间隔开，面向前方。左下:光敏电阻间隔开，朝上。右下:光敏电阻间隔开，面向对角线向外。

继续调整光敏电阻和电位计，直到您可以使用手电筒轻松引导机器人。您可以使用手电筒通过迷宫或障碍物导航机器人吗？
您可以对机箱进行其他一些机器人项目。有关一些想法，请参阅变体部分。

如果你喜欢这个项目，你可能会喜欢探索这些相关的职业:

变体形式

您可以使用BlueBot套件执行其他三个项目。由于您已经组装了机箱，因此您需要做的就是构建一个新的电路。

使用套件随附的长公母跳线，将光传感器安装到机器人机箱的前部，朝向地板倾斜。你现在可以让机器人”追逐” 一个瞄准它前面地板的手电筒光束（有点像追逐激光指示器的猫）吗？
“bristlebot” 是一个小型机器人，它使用振动电机代替齿轮直流电机，而牙刷头代替轮子。您可以将此项目中使用的相同电路放在bristlebot上，以构建机器人的微型版本。请参阅Science Buddies项目构建光跟踪Bristlebot 以获取路线。
Arduino 是机器人技术中非常流行的微控制器。它允许您编写一个计算机程序，可以读取传感器的输入并用它们来控制电机。这使您可以更精确地”控制” 机器人的行为。您可以通过在机箱中添加Arduino来构建可编程光跟踪机器人吗？请参阅我们的 Arduino入门页面以了解更多信息。

分类目录STEM-工程挑战

如果你喜欢这个项目，你可能会喜欢探索这些相关的职业:

机器人工程师

机器人技术员

Electrical＆amp;电子工程师

机械工程师

变体形式

构建快速光跟踪机器人（BlueBot项目＃2）

摘要

目的

积分