红外反射式传感器在自主式寻迹小车导航中的应用

demon · 发表于 2007-6-9 02:02:31

(11 成都理工大学应用核技术与自动化学院 ,四川成都 610059 ;21 北京神州星光科技有限公司 ,北京 100094) 摘  要 :本文介绍了利用红外反射式传感器实现小车自动寻迹导航的设计与实现.自动寻迹是基于自动导引小车 (AGV —auto2guided vehicle)机器人系统 ,用以实现小车自动识别路线 ,判断并自动规避障碍 ,以及选择正确的路线. 实验中采用与地面颜色有较大差别的线条作引导 ,使用反射式红外传感器感知导引线和判断障碍物.系统控制核 心采用 AT89C2051单片机 ,系统驱动采用控制方式为单向 PWM 的直流电机.该技术可以应用于无人驾驶机动车 , 无人工厂,仓库,服务机器人等领域. 关键词 :自动寻迹 ;红外传感器 ;单片机 中图分类号 :TN214    文献标识码 :A    文章编号 :167224984(2004)0620021203 Usage of the reflected infrared sensor in automatic guiding car WU Jian2ping 1 , YIN Zhan2guo 2 , CAO Si2rong 1 , LI Kun2yuan 1 (11The College of Applied Nuclear Technology and Automation Enginerring in Chengdu Universty of Technology ,Chengdu ,610059 ,China ;21 Sino2Star Scientific and Technology Co1 ,Ltd ,Beijing 100059 ,China) Abstract:This article introduces the design and execution of auto2searching for track by usage of the reflected infrared sensor on the auto2guided car1 The auto2searching for track is on the base of the AGV2auto2guided vehicle system1 It makes the car discern the routs , judge and evade the obstacles automatically1 So the car can choose the right routes1 In the experiment we take use of the guiding wire whose color distinguishes from the background to guide the car and the inflected infrared sensor to discern the guiding wire and obstacles1 The AT89C2051 Single Chip Microcomputer is used for the control core in this system , and the one2way PWM direct current electromotor for the motive force or power system1 This technology could serve to driverless mobile , robot factory , warehouse , service robot and etc1 Key words:Auto2searching for track ;Infrared sensor ;Single chip microcomputer 收稿日期 :2004207226 ;收到修改稿日期 :2004209223 作者简介 :吴建平 (1954 -) ,女 ,高级工程师 ,研究方向 :核 仪器与核技术应用,测量与控制技术. 1  引  言 自第一台工业机器人诞生以来 ,机器人的发展 已经遍及机械,电子,冶金,交通,宇航,国防等领域. 近年来机器人的智能水平不断提高 ,并且迅速地改 变着人们的生活方式.人们在不断探讨,改造,认识 自然的过程中 ,制造能替代人劳动的机器一直是人 类的梦想. 随着科学技术的发展 ,机器人的感觉传感器种 类越来越多 ,其中视觉传感器成为自动行走和驾驶 的重要部件.视觉的典型应用领域为自主式智能导 航系统 ,对于视觉的各种技术而言图像处理技术已 相当发达 ,而基于图像的理解技术还很落后 ,机器视 觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境 简单的目标.视觉传感器的核心器件是摄像管或 CCD ,目前的 CCD 已能做到自动聚焦.但 CCD 传感 器的价格,体积和使用方式上并不占优势 ,因此在不 要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接 近觉传感器是一种实用有效的方法. 机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须 要感知导引线和障碍物 ,感知导引线相当给机器人 一个视觉功能.自动寻迹是基于自动导引小车 (AGV —auto2guided vehicle)系统 ,实现小车自动识别 路线 ,判断并自动规避障碍 ,选择正确的行进路线. 采用与地面颜色有较大差别的线条作引导 ,使用传 感器感知导引线和障碍判断. 2  传感器选择 实现机器人的视觉和接近觉功能有多种方式 : 1)可使用 CCD 摄像头进行图象采集和识别方法 ,但 是不适用在小体积系统使用 ,并且还涉及图象采集, 图象识别等领域.2)电容式接近传感器 ,基于检测 第 30卷第 6期 2004年 11月 中国测试技术 CHINA MEASUREMENT TECHNOLOGY Vol130 No16 Nov ,2004     ? 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 对象表面靠近传感元件时的电容变化.3)超声波传 感器 ,根据波从发射到接收的传播过程中所受到的 影响来检测物体的接近程度.4)红外反射式光电传 感器 ,它包括一个可以发射红外光的固态发光二极 管和一个用作接收器的固态光敏二极管 (或光敏三 极管). 根据使用场合的具体情况 ,传感器要感知的对 象是物体的有无和物体的接近程度 ,与精确的测距 系统有相似之处 ,但又有不同 ,只要求判断出简单的 阈值或提供远,近分档的距离.因此使用较简单的 接近传感器实现小车寻迹和避障是有依据可循的并 且是可行的.为了简单起见 ,系统中使用了八个红 外反射式光电传感器 ,其中三个用于寻迹 ,三个用于 障碍判断 ,两个用于主动轮测速. 3  红外反射式光电传感器特性与工作原理 反射式光电传感器的光源有多种 ,常用的有红 外发光二极管 ,普通发光二极管 ,以及激光二极管 , 前两种光源容易受到外界光源的干扰 ,而激光二极 管发出的光的频率较集中 ,传感器只接收很窄的频 率范围信号 ,不容易被干扰但价格较贵.理论上光 电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照 射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测 , 然而这是一种理想的结果.因为光的反射受到多种 因素的影响 ,如反射表面的形状,颜色,光洁度 ,日 光,日光灯照射等不确定因素.如果直接用发射和 接收管进行测量将因为干扰产生错误信号 ,采用对 反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和 准确性.红外反射光强法的测量原理是将发射信号 经调制后送红外管发射 ,光敏管接收调制的红外信 号 ,原理如图 1 所示. 反射光强度的输出信号电压 Vout是反射面与 传感器之间距离 x 的函数 ,设反射面物质为同种物 质时 ,x与 Vout的响应曲线是非线性的 ,如图 2 所 示.设定输出电压达到某一阈值时作为目标 ,不同 的目标距离阈值电压是不同的. 4  具体设计与实现 接近觉传感器应用场合不同选择不同 ,感觉的 距离范围不同 ,可从几毫米到几米.对于自动寻迹 和小车轮子的测速传感器 ,反射距离都在 1cm 左 右 ,探测环境都在阴影之下 ,不易受到日光的干扰. 因此 ,这两种探测的传感器都选用 FS2359F反射红 外传感器 ,048W型封装.该封装形状规则 ,便于安 装.对于障碍物的检测 ,可以使用超声波传感器 ,效 果也较好 ,但电路系统庞大 ,还需占用大量 MCU 时 间.上文的激光传感器虽然性能不错 ,但价格较贵. 从需要 5～10cm垂直探测距离的要求来看 ,普通的 红外反射式传感器又很难胜任.在对 6 个型号的传 感器测试后 ,选用了价格,性能基本适合的 043W 封 装的反射红外传感器.在使用约 40mA 的发射电 流 ,没有强烈日光干扰 (在有日光灯的房间里)探测 距离能达 8cm ,完全能满足探测距离要求.红外传 感器的电路有多种形式 ,在这里为了安装调试方便 , 我们采用了图 3 的电路形式. 传感器的使用数量应该尽量少以减少单片机的 信号处理量 ,寻迹小车一共安装有八个红外光电传 感器 ,选用运算放大器 LM324 ,光电传感器检测到的 信号经放大器放大整形送微处理器判断,运算,控 制.LM324 是 14脚 DIP封装 ,内置四个运算放大器 的集成器件 ,用两个 LM324 便能完成所有传感器与     22     中国测试技术   2004年 11月 ? 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. MCU 的连接 ,并且电路简单 ,响应速度快 ,波形规 则 ,调试简单. 寻迹用接近传感器安装位置如图 4 所示 ,A,C 传感器骑在黑线两测用于检测是否跑偏 ,B传感器 在黑线范围内用于辅助检测 ,以确保小车机器人随 时在以如图 4 的状态运行.传感器状态决定下一步 的运行方式 ,具体可参见程序设计中的相关内容. 测障碍传感器安装位置分别位于小车前,左,右 三个方向 ,用于检测前方,左边和右边的障碍.测速 度传感器安装在紧靠车轮两侧. 系统控制由微处理器完成 ,微处理器采用 AT2 MEL 公司的单片机 AT89C2051 ,AT89C2051是一个 只有 20引脚的芯片 ,其相对 AT89C51减少了两个对 外端口 P0 和 P2 ,适合于对端口数量要求不高的小 型系统.由内部引脚可知 P110 和 P111 都没有内部 上拉电阻 ,在需要对外输出电流时要外接上拉电阻 , 这点在设计时应该特别引起注意.各 IΠO 口的最大 吸收电流为 25mA ,能直接驱动 LED .软件能与 AT89C51系列兼容.综上所述 ,AT89C2051能够达 到我们期望的功能和性能要求 ,图 5 给出了它的典 型连接方式.其中 VCC 的电压范围为 213V26V ,保 证电源在较宽的范围使用.C1,R1,R2,S2构成上电 /手动复位电路. 自主式寻迹,避障智能小车的硬件设计包括了 传感器测量电路,控制处理器电路,电机驱动电路, 显示处理器电路 ,以及电源,显示部分.系统中采用 了电机的专用驱动芯片 L298N驱动直流电机 ,电机 速度采用 PWM 方式进行脉宽调制控制.程序设计 主要考虑稳定性,抗干扰性 ,主程序主要起到导向和 决策功能 ,决定什么时候机器人该做什么.各种功 能的实现通过调用具体的子程序 ,包括 :寻迹,90° 转向,直线前进,显示,延时,定时等.由于篇幅限制 这里不再叙述. 5  结束语 红外反射式传感器在自主式寻迹,避障机器人 上的应用说明 ,用光电传感器作为机器人的近距离 感觉传感器是可行的 ,当距离小于 10mm 时 ,有较好 的可靠性和抗干扰能力 ,而传感器的探头尺寸仅为 几个毫米 ,特别适合小型化 ,在相应的智能控制系统 中可进行有意义的尝试.光电传感器的显着特点是 非接触,不受电的干扰,灵敏度高,时间分辨率和空 间分辨率高 ,可进行全方位的测试.当然 ,单一传感 器获得的信息非常有限 ,由于传感器受到自身性能 的影响也带有不确定性.随着传感器种类的增多 , 一个强大的智能系统应该是一个多传感器系统 ,也 是信息感知的新的研究方向. 参考文献 [1] 魏永广 1 现代传感技术[M]1 哈尔滨 :东北大学出版 社 ,2001 ,41 [2] 罗志增 1 机器人感觉与多信息融合[M]1 北京 :机械工 业出版社 ,2002 ,61 [3] 罗志增 1 简易红外接近觉传感器[ C]1 全国青年第三 届机器人学研讨会论文集 ,19901 [4] 张毅坤 ,等 1 单片微型计算机原理及应用[M]1 西安 : 西安电子科技大学出版社 ,19981 [5] 刘光斌 1 单片机系统实用抗干扰技术[M]1 北京 :人民 邮电出版社 ,2003 ,101 [6] 实用电工计算手册[M]1 上海 :上海科学技术出版社 , 1992 ,91 [7] Atmel公司 1MCU AT89C51 119901 [8] WWW 121IC1COM [OL ]1 [9] WWW 1ROBOTDIY 1COM[OL ]1   第 30卷第 6期   吴建平等 :红外反射式传感器在自主式寻迹小车导航中的应用

haoren · 发表于 2008-2-20 20:56:37

<

>为什么上面的图都没有呢？

chenrunshe_007 · 发表于 2009-4-1 12:33:41

怎么感觉像是学术垃圾，它说的方法全是前几届飞思卡尔杯的技术报告里的内容的整合，没有一点创意

zhangluhuixing · 发表于 2010-5-5 12:29:07

很有用

cuojue009 · 发表于 2010-7-29 16:00:46

看看

oooooo · 发表于 2012-3-25 22:16:27

。。。

mypear · 发表于 2012-8-10 15:37:52

好乱

叶子一哥 · 发表于 2012-8-10 19:35:27

那个看起来好吃力啊！。。。。。各种符号

功夫熊猫 · 发表于 2012-8-10 19:57:09

好乱……没有格式……

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