廣州市超毅電子今天又為廣大朋友帶來(lái)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(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡導(dǎo)航的設(shè)計(jì)，用以實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)規(guī)避障礙，以及選擇正確的路線。實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(wú)人駕駛機(jī)動(dòng)車，無(wú)人工廠、倉(cāng)庫(kù)、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。
　自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái)，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(guó)防等領(lǐng)域。近年來(lái)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?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中，制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類的夢(mèng)想。
　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺(jué)傳感器種類越來(lái)越多，其中視覺(jué)傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺(jué)的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)于視覺(jué)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(jué)需要通過(guò)大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡(jiǎn)單的目標(biāo)。視覺(jué)傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動(dòng)聚焦。但CCD傳感器的價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢(shì)，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺(jué)的系統(tǒng)中考慮使用接近覺(jué)傳感器是一種實(shí)用有效的方法。
 機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)視覺(jué)功能。自動(dòng)尋跡是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV—auto-guided vehicle）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺(jué)和接近覺(jué)功能有多種方式：
1）可使用CCD攝像頭進(jìn)行圖象采集和識(shí)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(shí)別等領(lǐng)域。
2）電容式接近傳感器，基于檢測(cè)對(duì)象表面靠近傳感元件時(shí)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(guò)程中所受到的影響來(lái)檢測(cè)物體的接近程度。
4）紅外反射式光電傳感器，它包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)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(chǎng)合的具體情況，傳感器要感知的對(duì)象是物體的有無(wú)和物體的接近程度，與精確的測(cè)距系統(tǒng)有相似之處，但又有不同，只要求判斷出簡(jiǎn)單的閾值或提供遠(yuǎn)、近分檔的距離。因此使用較簡(jiǎn)單的接近傳感器實(shí)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(jiǎn)單起見(jiàn)，系統(tǒng)中使用了八個(gè)紅外反射式光電傳感器，其中三個(gè)用于尋跡，三個(gè)用于障礙判斷，兩個(gè)用于主動(dòng)輪測(cè)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(hào)，不容易被干擾但價(jià)格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測(cè)區(qū)域反射表面可受到光源照射同時(shí)又能被接收管接收到的范圍就能進(jìn)行檢測(cè)，然而這是一種理想的結(jié)果。因?yàn)楣獾姆瓷涫艿蕉喾N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(cè)量將因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，采用對(duì)反射光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)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(cè)量原理是將發(fā)射信號(hào)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(hào)，原理如下圖所示：

 反射光強(qiáng)度的輸出信號(hào)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(shí)，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(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)：
　接近覺(jué)傳感器應(yīng)用場(chǎng)合不同選擇不同，感覺(jué)的距離范圍不同，可從幾毫米到幾米。對(duì)于自動(dòng)尋跡和小車輪子的測(cè)速傳感器，反射距離都在１cm左右，探測(cè)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(cè)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(duì)于障礙物的檢測(cè)，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(shí)間。上文的激光傳感器雖然性能不錯(cuò)，但價(jià)格較貴。從需要5—10cm垂直探測(cè)距離的要求來(lái)看，普通的紅外反射式傳感器又很難勝任。在對(duì)６個(gè)型號(hào)的傳感器測(cè)試后，選用了價(jià)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(méi)有強(qiáng)烈日光干擾（在有日光燈的房間里）探測(cè)距離能達(dá)８cm，完全能滿足探測(cè)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(hào)處理量，尋跡小車一共安裝有八個(gè)紅外光電傳感器，選用運(yùn)算放大器LM324，光電傳感器檢測(cè)到的信號(hào)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(gè)運(yùn)算放大器的集成器件，用兩個(gè)LM324便能完成所有傳感器與MCU的連接，并且電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，波形規(guī)則，調(diào)試簡(jiǎn)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(cè)用于檢測(cè)是否跑偏，Ｂ傳感器在黑線范圍內(nèi)用于輔助檢測(cè)，以確保小車機(jī)器人隨時(shí)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(jiàn)程序設(shè)計(jì)中的相關(guān)內(nèi)容。

 測(cè)障礙傳感器安裝位置分別位于小車前、左、右三個(gè)方向，用于檢測(cè)前方、左邊和右邊的障礙。測(cè)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(gè)只有20引腳的芯片，其相對(duì)AT89C51減少了兩個(gè)對(duì)外端口P0和P2，適合于對(duì)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(méi)有內(nèi)部上拉電阻，在需要對(duì)外輸出電流時(shí)要外接上拉電阻，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)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(dòng)復(fù)位電路。
 自主式尋跡、避障智能小車的硬件設(shè)   
計(jì)包括了傳感器測(cè)量電路、控制處理器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片L298N驅(qū)動(dòng)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(jì)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(shí)候機(jī)器人該做什么。各種功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)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(shí)、定時(shí)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(shuō)明，用光電傳感器作為機(jī)器人的近距離感覺(jué)傳感器是可行的，當(dāng)距離小于10mm時(shí)，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(gè)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(diǎn)是非接觸、不受電的干擾、靈敏度高、時(shí)間分辨率和空間分辨率高，可進(jìn)行全方位的測(cè)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(gè)強(qiáng)大的智能系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)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(qǐng)聯(lián)系官網(wǎng)客服：http://www.muhoyc.cn