创意之星机器人说明书(4)

3、 4、 5、 6、 422_A 422_B 422_Y 422_Z 红 绿 黄 蓝 3.1接近传感器

您最不希望看到的莫过于费尽苦心设计的机器人“啪”的一声从桌上掉下来，摔了个稀烂。如何避免这种情况的出现呢？您可以在桌子上围上一圈栅栏，不过估计老师或者家长不会同意这种做法。您在设计机器人的时候会遇到很多类似的机器人行为或策略问题，这时候您可以回想一下人和动物是怎么解决这些问题的，人类和动物进化了亿万年，在适应环境方面已经有了完美的解决方案，我们从中可以得到有效的借鉴。

人们通过眼睛看到台阶，并估计台阶的距离和高度。如果让机器人用摄像头看到台阶，将之和其它物体区分开，并估算出距离，对机器人而言这还是一个世界难题，我们不打算钻这个牛角尖。我们可以用接近传感器来判断是不是到达台阶或桌子边沿。红外传感器和霍尔传感器是常见的两种接近传感器。

3.1.1 红外接近传感器

原理

红外接近传感器俗称光电开关。它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理如下图所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型，因此也称为红外开关。

由于红外线是不可见光，红外探头体积小巧，隐蔽性非常高，所以各种规格的红外开关、红外测距传感器常常用于安防保卫领域。在好莱坞电影里，我们常常看见金库、博物馆里有一条条红色光线，大盗们运用各种手段避开这些探测光线，最终盗得各种财宝。实际上，红外线是不可见的，电影里采用了普通可视光线冒充红外线，以烘托紧张的故事情节，我们对此大可一笑而过，千万不要受到误导。

图2.17 红外接近传感器工作原理

光电开关可以分类如下：

1. 漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体

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经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

2. 镜反射式光电开关：它集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

3. 对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。

4. 槽式光电开关：它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过 U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体，使用安全可靠。

5. 光纤式光电开关：它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。

“创意之星”机器人套件配套了2个漫反射式光电开关，其有效距离约为20cm。

提示：漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接收器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接收器接收到光线的强度。粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度，材料的反射率是影响光电开关有效距离的重要参数。常用材料的反射率如下表所示。

表2.5常用材料的反射率

材料 反射率 材料 反射率 白画纸 90% 不透明黑色塑料 14% 报纸 55% 黑色橡胶 4% 餐巾纸 47% 黑色布料 3% 包装箱硬纸板 68% 未抛光白色金属表面 130% 洁净松木 70% 光泽浅色金属表面 150% 干净粗木板 20% 不锈钢 200% 透明塑料杯 40% 木塞 35% 半透明塑料瓶 62% 啤酒泡沫 70% 不透明白色塑料 87% 人手掌心 75%

红外开关是红外线光电开关的简称，利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。现有的光电传感器优先使用的是波长780nm——3um 的近红外光，并已有比较稳定的集成化产品，与数字电路的接口也非常简单。

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使用：如图2.18 “创意之星”机器人所使用的红外光电开关型号为E18-B0，规格数据为：

VCC：5V。

工作电流：小于100mA。

输出形式：NPN三极管OC输出。 封装形式：工程塑料。

图2.18 红外接近传感器

红外接近传感器的是开关量传感器，接IO0~IO11的任意一个接口都可以通过

NorthSTAR进行数值读取和编程。由于输出是开关量，只能判断在测量距离内有无障碍物，不能给出障碍的实际距离。但是该传感器带有一个灵敏度调节旋钮，可以调节传感触发的距离。“创意之星”套件在出厂前已经将感应触发距离调整到约20cm。

红外接近传感器是机器人上最常用的传感器之一，用于躲避周围障碍，或者在无需接触的情况下检测各种物体的存在。它的用途非常多，第四章将利用红外接近传感器设计一个避碰小车，您可以根据这一章的指导，实际使用一下红外接近传感器。

3.1.2霍尔接近传感器

原理：霍尔效应接近传感器是利用霍尔效应（Hall Effect）制成的接近开关，主要用于检测磁性物体。市场上常见的霍尔接近传感器的检测距离为10mm左右。

以下是一些常见的接近开关的外形特点和安装方式。可以看到，接近开关种类非常丰富，安装方式也很多样。不管是电感式、电容式还是霍尔效应式，其外观都有些类似，接口也基本上都是三线制：信号输出（通常为OC输出）、电源（通常5-30V）、地。

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图2.19 接近开关的种类

使用：霍尔接近传感器是开关量传感器，接 IO0~IO11 的任意一个接口都可以通过NorthSTAR进行状态读取和编程，使用方法和红外接近传感器一致。

霍尔接近传感器对磁场或磁性物体很敏感，工厂据此铺设自主导引车（AGV）的行车轨迹，在水泥地面上镶嵌磁化的铁条，自主导引车可以检测预铺设的铁条，确定行车方向。

下图是“创意之星”使用的霍尔接近传感器，前方突起是传感器的探头：

图2.20 霍尔接近传感器

3.2 测距传感器

在很多场合，我们需要准确知道机器人和目标物的距离，这样的要求是不能通过接近传

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感器来实现的，因为接近传感器是开关量，只能告诉我们“有无”，不能告诉我们“多少”。在实际生活中，我们可以用尺子来测量距离，机器人不可能随时随地伸着把尺子，它用于测量的标尺是声波、红外线或者激光。在生物界里，蝙蝠是用超声波进行测距和定位的高手，超声波测距传感器、雷达等设备就是根据蝙蝠使用超声波的原理进行设计的。下面我们会介绍“创意之星”使用的红外测距传感器和超声波测距传感器。

3.2.1 红外测距传感器

原理：日本SHARP公司推出了一系列的红外测距传感器（Infrared Range Finder），用来测量前方物体和传感器探头之间的距离。这些传感器体积小（手指大小）、重量轻（不到10克重），接口简单，用于微型机器人的测距是非常理想的选择。

GP2D12是该系列传感器中的典型。它的输出为：0~2.5V模拟量（电压值随距离变化）；量程范围10~80 cm。这个型号的传感器作为大多数微型移动机器人的避碰和漫游测距用传感器都是足够的。另外还可以用于检测机器人各关节位置、姿态等。

图2.21 GP2D12及其原理图

GP2D12主要是由红外发射器、PSD（位置敏感检测装置）及相关处理电路构成，红外发射器发射一束红外光线，红外光线遇到障碍物被反射回来，通过透镜投射到 PSD 上，投射点和PSD的中心位置存在偏差值a，GP2D12根据上图所示的a、b、α三个值就可以计算出H的值，并输出相应电平的模拟电压。

由上述原理可知红外测距传感器的几个重要的特性：

1、与障碍物的反射角度基本无关。下图列出了GP2D12在以不同角度面对反射面时，实际距离与测得距离的偏差。实际距离均为40cm，反射物为一块40cmx40cm的白色木板。可以看到在反射物垂直于光路、20度、40度、60度夹角时，输出值误差很小。

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