|
現(xiàn)在越來越多的朋友都對機(jī)器人開發(fā)產(chǎn)生了濃厚的興趣，而機(jī)器人小車由于技術(shù)門檻低，成本低廉而成為了很多入門者的首選。機(jī)器人小車電子部分主要的構(gòu)成就是控制芯片、電機(jī)和傳感器。今天我們就在這里介紹幾種機(jī)器人小車上常用的傳感器。 傳感器，簡單點(diǎn)下個(gè)定義就是把現(xiàn)實(shí)中的各種物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?a href="http://www.qingdxww.cn/keyword/電路" target="_blank" class="relatedlink">電路中可以識(shí)別的電信號。下面我就根據(jù)用來識(shí)別不同的物理信號來介紹幾種機(jī)器人愛好者常用的傳感器。 1、障礙物： 避障可以說是各種機(jī)器人最基本的功能。因此選擇測障傳感器可以說是每一個(gè)機(jī)器人DIYer必須熟知的知識(shí)。 檢測機(jī)器人面前是否存在障礙物的傳感器，可以分為接觸式和非接觸式。 接觸式測障傳感器最典型的便是碰撞開關(guān)。 
這是一幅碰撞開關(guān)的外形圖。
這是一幅碰撞開關(guān)的工作狀態(tài)圖。碰撞開關(guān)的工作原理非常簡單，完全依靠內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成電路的導(dǎo)通和中斷。當(dāng)碰撞開關(guān)的外部探測臂受到碰撞，探測臂受力下壓，帶動(dòng)碰撞開關(guān)內(nèi)部的簧片撥動(dòng)，電路的導(dǎo)通狀態(tài)從而發(fā)生改變。一般碰撞開關(guān)需要接三根線，一根紅色的電源線，一根黑色的地線，和一根黃色的信號線（信號線的顏色可能存在不同）。 在機(jī)器人小車上的用法多數(shù)為將探測臂加長，擴(kuò)大探測范圍和靈敏度，當(dāng)機(jī)器人小車裝到前面的障礙物，碰撞開關(guān)的信號端便可返回一個(gè)高電平，控制芯片由此可以知道小車面前存在著障礙物。 碰撞開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，一般每只零售僅幾塊錢，使用簡單，使用范圍廣，對環(huán)境條件沒有什么限制。 缺點(diǎn)是必須在發(fā)生碰撞后才能檢測到障礙，這在某些機(jī)器人比賽中是相當(dāng)失分的。并且使用時(shí)間較長后容易發(fā)生機(jī)械疲勞，無法繼續(xù)正常工作。 非接觸式測障開關(guān)一般的工作原理與雷達(dá)相似，發(fā)射某種射線，遇到障礙物會(huì)被反射回來，這時(shí)傳感器就認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了障礙物。最常用的便是發(fā)射紅外線的傳感器。
紅外測障傳感器電路圖 現(xiàn)在網(wǎng)上有成套的紅外測障傳感器出售，可以直接購買產(chǎn)品使用，也可以自己購買電子元件焊接。
紅外發(fā)射管外形圖 紅外測障傳感器成本較低（當(dāng)然比碰撞開關(guān)還是要高一點(diǎn)），電路簡單，檢測范圍大，并且如果在電路中加上一個(gè)電位器可以隨時(shí)調(diào)節(jié)傳感器的檢測范圍。檢測方式為非接觸式，控制起來更加好看，也更加靈活。 缺點(diǎn)是多個(gè)傳感器之間容易互相干擾，在傳感器的布局上需要多花心思，安裝位置也要盡可能的避免碰撞。 2：距離 有時(shí)間單單知道哪個(gè)方向上有障礙物并不夠，還必須知道障礙物距離機(jī)器人具體有多遠(yuǎn)才好判斷機(jī)器人下一步的行動(dòng)。這個(gè)時(shí)候我們就需要測距傳感器。 測距傳感器大多為非接觸式，目前在個(gè)人機(jī)器人領(lǐng)域用的比較多的是紅外和超聲波兩種。 紅外測距傳感器：提到紅外測距傳感器，就不能不提夏普的GP2D12紅外測距傳感器，幾乎可以說是機(jī)器人愛好者的必備傳感器。現(xiàn)在在網(wǎng)上看到的一些個(gè)人機(jī)器人作品幾乎都可以看到GP2D12的身影。 無圖無真相，相信很多朋友看到下面這張圖都會(huì)禁不住感嘆：“哦，原來是它呀！”
是不是很眼熟？說實(shí)話除了在個(gè)人機(jī)器人上，我還真沒在其他的地方見過這個(gè)東西。 GP2D12產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)： 1.測量射程范圍：10 to 80 cm 2.最大允許角度：>40° 3.電源電壓：4.5 to 5.5V 4.平均功耗：35mA 5.峰值功耗：約200mA 6.更新頻率/周期：25Hz/40ms 7.模擬輸出噪聲：<200mV 8.測量距離與輸出模擬電壓關(guān)系：2.4V~0.4V模擬信號對應(yīng)10cm~80cm，輸出與距離成 反比非線性關(guān)系。 這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小，測量準(zhǔn)確，電源電壓與輸出信號都較常規(guī)，一般單片機(jī)系統(tǒng)都可直接使用。 缺點(diǎn)是成本較高，購買途徑較少。 超聲波測距傳感器：超聲波測距傳感器也是一種很常見的測距傳感器，依靠超聲波的發(fā)射與反射接收中的時(shí)間差來判斷距離。
超聲波測距傳感器外形圖 超聲波測距傳感器規(guī)格很多，測試距離也從遠(yuǎn)到近都有，價(jià)格相差也較大，一般機(jī)器人愛好者使用的都是測量范圍在最小幾厘米到最大幾米之間。 超聲波測距的優(yōu)點(diǎn)在于測量范圍較大，且不是使用光學(xué)信號，所以被測物體的顏色對于測量結(jié)果沒有影響。 缺點(diǎn)是成本較高，由于是依靠聲速測距，所以對于一些影響聲速的因素較敏感，比如溫度、風(fēng)等。最大允許角度較小。 3、亮度： 很多個(gè)人朋友制作的機(jī)器人都需要判斷環(huán)境光的亮度，這個(gè)時(shí)候就需要亮度傳感器。最常用的便是光敏電阻。 光敏電阻：光敏電阻是一種隨著照射在上面的可見光強(qiáng)度變化而阻值發(fā)生變化的電阻，可以根據(jù)其阻值的變化判斷出光強(qiáng)。
光敏電阻實(shí)物圖 光敏電阻的使用也非常簡單，只要將它當(dāng)做普通電阻接入電路，只要根據(jù)電流變化便可得出電阻的變化，進(jìn)而判斷出光強(qiáng)的變化。 優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、可靠性好、測量準(zhǔn)確。 缺點(diǎn)：暫無。 4、速度 機(jī)器人自身的行走速度對于判斷機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和機(jī)器人所在位置非常重要，這里我們主要討論一下機(jī)器人小車運(yùn)動(dòng)速度的測量。 機(jī)器人小車依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子來運(yùn)動(dòng)，因此測量機(jī)器人小車的速度可以歸結(jié)為測量驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 那么怎么測量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速呢？ 測量電機(jī)轉(zhuǎn)速有很多種方法，比較適合個(gè)人機(jī)器人愛好者的是光電編碼器。 光電編碼器也有很多種，在個(gè)人機(jī)器人上比較常見的有兩種：一種為反射式，一種為透射式。（都是我隨口起的名字^_^） 反射式的基本結(jié)構(gòu)為在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上加一個(gè)圓形的黑白相間碼盤（很多都是粘在輪子上），距離碼盤很近的距離固定一個(gè)紅外發(fā)射接收一體模塊，利用黑白色對紅外線的吸收率不同，紅外線照射到黑色部分時(shí)，大部分被吸收而無反射信號；紅外線照射到白色部分時(shí)，大部分紅外線被反射回來而產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射信號。當(dāng)碼盤隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外接收端的輸出信號便是一個(gè)由旋轉(zhuǎn)速度決定頻率的方波。進(jìn)而我們便可知道此時(shí)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
碼盤外形圖 透射式檢測原理與反射式相似。唯一的不同是沒有上圖中的那種黑白相間的碼盤，而是在光柵圓盤上開了一圈小孔，紅外線或可見光的發(fā)射端與檢測端分別位于光柵圓盤的兩側(cè)，同樣是利用光柵圓盤旋轉(zhuǎn)以后產(chǎn)生的脈沖信號來檢測電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
光柵盤式光電編碼器原理圖 其實(shí)這兩種傳感器從本質(zhì)上來說都屬于光電傳感器，這類傳感器的特點(diǎn)是價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)可靠，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是對于安裝位置要求較高，因此建議大家購買電機(jī)時(shí)選擇配備了光電編碼器的電機(jī)，免去自己安裝可能帶來的種種問題。 檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，除了光電傳感器之外，還有一些利用磁效應(yīng)原理的傳感器，汽車上經(jīng)常使用這種傳感器，我這里不再詳細(xì)介紹了。 5、地面灰度 很多人最開始做的機(jī)器人小車基本功能就是循線，白色的地板上貼著一條黑線，讓機(jī)器人小車沿著地面的黑線前進(jìn)。很多機(jī)器人高手都是從類似的作品成長起來的。因此有必要介紹一下檢測地面灰度的常用傳感器。 可見光地面灰度檢測器：所謂的可見光地面灰度檢測器，就是使用一個(gè)發(fā)光裝置與一個(gè)光敏電阻搭配，裝在機(jī)器人底部離地面較近的一個(gè)位置上。利用不同顏色對可見光的吸收程度不同的原理來檢測地面灰度。發(fā)光裝置發(fā)射可見光，照射到不同顏色上面后反射光的強(qiáng)度會(huì)有一定的差異，根據(jù)光敏電阻的返回值便可知道現(xiàn)在機(jī)器人下面的地面顏色。
一種利用發(fā)光二極管作為發(fā)光裝置的地面灰度檢測器 我當(dāng)初做的時(shí)候最初是自己弄了個(gè)小燈泡，可是效果不理想，后來換了個(gè)摩托車上的6v燈泡，效果好多了，就是電池受不了。后來買了個(gè)與圖中差不多的灰度傳感器，耗電量下來的，檢測效果也還可以，但是還是會(huì)有漏測的現(xiàn)象，而且容易受到環(huán)境光的干擾。于是后來就使用了一種非可見光的檢測方式。 紅外線地面灰度檢測器：前面介紹光電編碼器的時(shí)候已經(jīng)提到了，反射式光電編碼器的碼盤由黑白相間的條紋組成，利用黑白顏色對紅外線的吸收程度不同來檢測碼盤的旋轉(zhuǎn)。其實(shí)如果引申一下，把機(jī)器人巡線的場地看成一個(gè)大碼盤，其實(shí)也是黑白相間，這樣每當(dāng)機(jī)器人越過一條白線，就相當(dāng)于光電編碼器上的碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)最小角度，光電編碼器的輸出高低電平便會(huì)變化一次。 這種檢測方式比較準(zhǔn)確，很少出現(xiàn)漏檢的情形，抗干擾能力也比較強(qiáng)，唯一的劣勢就是對傳感器本身的離地間隙要求較高，高一點(diǎn)或矮一點(diǎn)都不行。因此便對機(jī)器人的工作環(huán)境要求較高，不平的地面肯定是不行的。 這兩種地面灰度檢測方式成本都比較低廉，具體采用哪一種便由你自己的確切應(yīng)用來決定了。 6、其他 以上這些是我個(gè)人比較熟悉，并且在個(gè)人愛好者中應(yīng)用比較廣泛的幾種傳感器，微電子領(lǐng)域的發(fā)展速度是日新月異的，每天都在有各種各樣的新傳感器問世，很多以前高不可攀的傳感器如今也變成了幾塊錢甚至幾毛錢一個(gè)，因此經(jīng)常去電子市場轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，關(guān)注一下最新的傳感器信息都是必要的。 其他制作個(gè)人機(jī)器人常用的傳感器還有數(shù)字指南針、加速度傳感器等，一般都是用在比較復(fù)雜的應(yīng)用上，本篇文章的面向?qū)ο笫菧?zhǔn)備制作第一個(gè)機(jī)器人作品的新手朋友們，因此就不再詳細(xì)介紹了，有興趣的朋友可以自己去了解一下。 來源：機(jī)器人天空 |
