创意之星机器人说明书(5)

图2.22 GP2D12测距结果与障碍物夹角的关系

2、与反射物体的颜色及材质基本无关。下图列出了与传感器距离为50cm的棕色卡片纸、蓝色塑料、黑色皮革、白纸四种不同材质的传感器输出值。可以看到，该种传感器对反射物的材质并不敏感，实际输出并不随材质而变化。但是，有效测量距离是随被测物体材质而不同的，例如对于白纸，最大有效测量距离可达到80cm；但是对于黑色皮革，有效测量距离可能只能达到60-70cm。这是由于不同材质的反射率不同所致。

图2.23 GP2D12测距结果与障碍物颜色的关系

下图列出了不同距离下，采用一个16位A/D转换器对传感器的输出信号进行A/D转换后的结果。注意这种传感器的输出不是线性的，也就是说，输出值与实际反射物距离并非成反比或正比关系，在使用的时候，要对传感器的这一特性进行标定，多测量一些数据，并采用查表的方式来得到输出数据与实际距离的对应关系。

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图2.24 GP2D12测距结果与障碍物距离的关系

下表列出了SHARP出品的该系列传感器中，不同型号传感器的性能参数对比。

图2.25 SHARP红外测距系列产品

使用：图2.26为“创意之星”使用的GP2D12红外测距传感器，与常见GP2D12不同的是我们为它设计了一个类似机器人头部的外壳，可以方便地安装到“创意之星”零件上。红外测距传感器为模拟量传感器，接AD0~AD7的任意一个接口都可以通过NorthSTAR进行数值读取和编程。传感器的规格数据如下：

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探测距离：10-80cm 工作电压：4-5.5V

标准电流消耗：33-50mA

输出量：模拟量输出，输出电压和探测距离非比例相关

MultiFLEX?2-AVR控制器和MultiFLEX?2-PXA270控制器的AD精度为10位，测量电压范围 0~5V，对应输出值 0~1023。您如果要得到真实的距离值需要做 2 次换算，假设您从NorthSTAR读取的AD值为491，换算为真实电压值为5*(491/1023)=2.4V，从2.30的对照图可以知道当前传感器探头到障碍物的距离是10cm。

图2.26 红外测距传感器

3.2.2超声测距传感器

原理：超声波测距传感器工作原理是：探头向前方发射一束超声波，超声波经前方障碍物反射返回，传感器再接收此反射波，通过计算声波往返时间与声速相乘就可算出障碍物的距离。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛应用。

1、 超声波发生器

传感器需要有和蝙蝠一样能够产生超声波的部件，我们将之称为超声波发生器。一般而言，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

2、压电式超声波发生器原理

压电式超声波发生器是利用压电晶体的谐振效应来工作的。超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，

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压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

3、超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离，s=340t/2，这就是所谓的时间差测距法。

使用：如图2.27所示为“创意之星”的超声波测距传感器模块UP-Sonar5KN。模块使用RS-422接口，将之接至控制卡的任何一个RS-422接口，都可以通过NorthSTAR进行数值读取和编程。传感器的规格数据如下：

1. 工作电源：+5V 2. 工作电流：<20mA

3. 工作温度范围：－10℃～＋70℃ 4. 超声波距离测量：

最大测量距离：500cm 最小测量距离：4cm 分辨率：1cm 误差：1%

5. 模块内带温度补偿电路提高测量精度。 6. 模块尺寸：34mm×51mm 7. 模块重量：约30g

图2.27 超声波测距传感器

3.3 声音传感器

原理：

1）驻极体式电容麦克风构造与原理

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机器人上最常用的声音传感器就是麦克风。常见的麦克风包括动圈式麦克风、MEMS麦克风和驻极体电容麦克风。其中，驻极体电容麦克风尺寸小，功耗低，价格低廉而性能不错，是手机、电话机等常用的声音传感器。大量具有声音交互功能的机器人，例如SONY AIBO，本田ASIMO，均采用这类麦克风作为声音传感器。

驻极体式电容麦克风由一片很轻的振动膜及驻极电荷的背极板组成。构成驻极体式电容麦克风的内部零件相当精密，对外部的杂音很敏感，因此为预防灰尘或异物质的侵蚀及电器杂音，要紧紧密封在只有音波可流入的圆形金属壳中。

随着音波的流入使金属振动板振动时，振动板与电极板会随音波的振动，产生距离上的变化，这种物理现象可解释为静电容量变化。因驻极体式电容麦克风的静电容量值很小，电器的耗电流量较大，故不可直接使用于一般的放大器(扩大器)上。为符合放大器所要求的输入信号耗电流量，必须要经由JFET使电流量转换成放大器可接受的程度。

驻极体式电容麦克风随振动板与背极板极化蓄电荷的类型及构造，可区分为三大类: 1.背极式麦克风 Back Electret Type Condenser Microphone 2.薄膜式麦克风 Foil Electret Type Condenser Microphone 3.前极式麦克风 Front Electret Type Condenser Microphone

其内部构造如下图所示：

图2.28 麦克风内部结构图

使用：图2.29是“创意之星”的声音传感器，声音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进行数值读取和编程。

声音传感器是一种很好的人机交互设备，您可以借此让机器人响应您的动作，比如拍下手掌——机器狗站来来，快速拍手——机器狗往前跑。高级版“创意之星”有麦克风，它和这里的声音传感器不一样，麦克风接在音频输入接口上，能够采集人耳朵能够听到的所有声音，输出连续的电平信号。声音传感器是IO量传感器，输出只有0或1两种电平状态，比如声音高过60分贝时输出为1，低于60分贝输出为0。

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