紅外線反射式傳感器在小車導(dǎo)航中的應(yīng)用
廣州市超毅電子今天又為廣大朋友帶來技術(shù)上的福利了,今天的福利是告訴你如何利用紅外反射式傳感器實現(xiàn)小車自動尋跡導(dǎo)航的設(shè)計,用以實現(xiàn)小車自動識別路線,判斷并自動規(guī)避障礙,以及選擇正確的路線。實驗中采用與地面顏色有較大差別的線條作引導(dǎo),使用反射式紅外傳感器感知導(dǎo)引線和判斷障礙物。系統(tǒng)控制核心采用AT89C2051的單片機(jī),系統(tǒng)驅(qū)動采用控制方式為單向PWM的直流電機(jī)。該技術(shù)可以應(yīng)用于無人駕駛機(jī)動車,無人工廠、倉庫、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。
自第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生以來,機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高,并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認(rèn)識自然的過程中,制造能替代人勞動的機(jī)器一直是人類的夢想。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多,其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域為自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng),對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá),而基于圖像的理解技術(shù)還很落后,機(jī)器視覺需要通過大量的運(yùn)算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD,目前的CCD已能做到自動聚焦。但CCD傳感器的價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢,因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實用有效的方法。
機(jī)器人要實現(xiàn)自動導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物,感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個視覺功能。自動尋跡是基于自動導(dǎo)引小車(AGV—auto-guided vehicle)系統(tǒng),實現(xiàn)小車自動識別路線,判斷并自動規(guī)避障礙,選擇正確的行進(jìn)路線。采用與地面顏色有較大差別的線條作引導(dǎo),使用傳感器感知導(dǎo)引線和障礙判斷。
傳感器選擇:
實現(xiàn)機(jī)器人的視覺和接近覺功能有多種方式:
1)可使用CCD攝像頭進(jìn)行圖象采集和識別方法,但是不適用在小體積系統(tǒng)使用,并且還涉及圖象采集、圖象識別等領(lǐng)域。
2)電容式接近傳感器,基于檢測對象表面靠近傳感元件時的電容變化。
3)超聲波傳感器,根據(jù)波從發(fā)射到接收的傳播過程中所受到的影響來檢測物體的接近程度。
4)紅外反射式光電傳感器,它包括一個可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極管(或光敏三極管)。
根據(jù)使用場合的具體情況,傳感器要感知的對象是物體的有無和物體的接近程度,與精確的測距系統(tǒng)有相似之處,但又有不同,只要求判斷出簡單的閾值或提供遠(yuǎn)、近分檔的距離。因此使用較簡單的接近傳感器實現(xiàn)小車尋跡和避障是有依據(jù)可循的并且是可行的。為了簡單起見,系統(tǒng)中使用了八個紅外反射式光電傳感器,其中三個用于尋跡,三個用于障礙判斷,兩個用于主動輪測速。
紅外反射式光電傳感器特性與工作原理:
反射式光電傳感器的光源有多種,常用的有紅外發(fā)光二極管,普通發(fā)光二極管,以及激光二極管,前兩種光源容易受到外界光源的干擾,而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中,傳感器只接收很窄的頻率范圍信號,不容易被干擾但價格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測區(qū)域反射表面可受到光源照射同時又能被接收管接收到的范圍就能進(jìn)行檢測,然而這是一種理想的結(jié)果。因為光的反射受到多種因素的影響,如反射表面的形狀、顏色、光潔度,日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測量將因為干擾產(chǎn)生錯誤信號,采用對反射光強(qiáng)進(jìn)行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。紅外反射光強(qiáng)法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射,光敏管接收調(diào)制的紅外信號,原理如下圖所示:
反射光強(qiáng)度的輸出信號電壓Vout 是反射面與傳感器之間距離x的函數(shù),設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時,x與Vout 的響應(yīng)曲線是非線性的,如圖2所示。設(shè)定輸出電壓達(dá)到某一閾值時作為目標(biāo),不同的目標(biāo)距離閾值電壓是不同的。
具體設(shè)計與實現(xiàn):
接近覺傳感器應(yīng)用場合不同選擇不同,感覺的距離范圍不同,可從幾毫米到幾米。對于自動尋跡和小車輪子的測速傳感器,反射距離都在1cm左右,探測環(huán)境都在陰影之下,不易受到日光的干擾。因此,這兩種探測的傳感器都選用FS-359F反射紅外傳感器,048W型封裝。該封裝形狀規(guī)則,便于安裝。對于障礙物的檢測,可以使用超聲波傳感器,效果也較好,但電路系統(tǒng)龐大,還需占用大量MCU時間。上文的激光傳感器雖然性能不錯,但價格較貴。從需要5—10cm垂直探測距離的要求來看,普通的紅外反射式傳感器又很難勝任。在對6個型號的傳感器測試后,選用了價格、性能基本適合的043W封裝的反射紅外傳感器。在使用約40mA的發(fā)射電流,沒有強(qiáng)烈日光干擾(在有日光燈的房間里)探測距離能達(dá)8cm,完全能滿足探測距離要求。紅外傳感器的電路有多種形式,在這里為了安裝調(diào)試方便,我們采用了下圖的電路形式。紅外線光電傳感器的電路。
傳感器的使用數(shù)量應(yīng)該盡量少以減少單片機(jī)的信號處理量,尋跡小車一共安裝有八個紅外光電傳感器,選用運(yùn)算放大器LM324,光電傳感器檢測到的信號經(jīng)放大器放大整形送微處理器判斷、運(yùn)算、控制。LM324是14腳DIP封裝,內(nèi)置四個運(yùn)算放大器的集成器件,用兩個LM324便能完成所有傳感器與MCU的連接,并且電路簡單,響應(yīng)速度快,波形規(guī)則,調(diào)試簡單。
尋跡用接近傳感器安裝位置下圖所示,A、C傳感器騎在黑線兩測用于檢測是否跑偏,B傳感器在黑線范圍內(nèi)用于輔助檢測,以確保小車機(jī)器人隨時在以下圖的狀態(tài)運(yùn)行。傳感器狀態(tài)決定下一步的運(yùn)行方式,具體可參見程序設(shè)計中的相關(guān)內(nèi)容。
測障礙傳感器安裝位置分別位于小車前、左、右三個方向,用于檢測前方、左邊和右邊的障礙。測速度傳感器安裝在緊靠車輪兩側(cè)。
系統(tǒng)控制由微處理器完成,微處理器采用ATMEL公司的單片機(jī)AT89C2051,AT89C2051是一個只有20引腳的芯片,其相對AT89C51減少了兩個對外端口P0和P2,適合于對端口數(shù)量要求不高的小型系統(tǒng)。由內(nèi)部引腳可知P1.0和P1.1都沒有內(nèi)部上拉電阻,在需要對外輸出電流時要外接上拉電阻,這點在設(shè)計時應(yīng)該特別引起注意。各I/O口的最大吸收電流為25mA,能直接驅(qū)動LED。軟件能與AT89C51系列兼容。綜上所述,AT89C2051能夠達(dá)到我們期望的功能和性能要求,圖5給出了它的典型連接方式。其中VCC的電壓范圍為2.3V-6V,保證電源在較寬的范圍使用。C1、R1、R2、S2構(gòu)成上電/手動復(fù)位電路。
自主式尋跡、避障智能小車的硬件設(shè)
計包括了傳感器測量電路、控制處理器電路、電機(jī)驅(qū)動電路、顯示處理器電路,以及電源、顯示部分。系統(tǒng)中采用了電機(jī)的專用驅(qū)動芯片L298N驅(qū)動直流電機(jī),電機(jī)速度采用PWM方式進(jìn)行脈寬調(diào)制控制。程序設(shè)計主要考慮穩(wěn)定性、抗干擾性,主程序主要起到導(dǎo)向和決策功能,決定什么時候機(jī)器人該做什么。各種功能的實現(xiàn)通過調(diào)用具體的子程序,包括:尋跡、90°轉(zhuǎn)向、直線前進(jìn)、顯示、延時、定時等。由于篇幅限制這里不再敘述。
紅外反射式傳感器在自主式尋跡、避障機(jī)器人上的應(yīng)用說明,用光電傳感器作為機(jī)器人的近距離感覺傳感器是可行的,當(dāng)距離小于10mm時,有較好的可靠性和抗干擾能力,而傳感器的探頭尺寸僅為幾個毫米,特別適合小型化,在相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)中可進(jìn)行有意義的嘗試。光電傳感器的顯著特點是非接觸、不受電的干擾、靈敏度高、時間分辨率和空間分辨率高,可進(jìn)行全方位的測試。當(dāng)然,單一傳感器獲得的信息非常有限,由于傳感器受到自身性能的影響也帶有不確定性。隨著傳感器種類的增多,一個強(qiáng)大的智能系統(tǒng)應(yīng)該是一個多傳感器系統(tǒng),也是信息感知的新的研究方向。如果需要咨詢更多的紅外線光電傳感器的資訊請聯(lián)系官網(wǎng)客服:http://hzbmbs.cn
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