基于光電傳感器電路的迷宮機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘要：采用Freescale公司的MC9SDG128單片機(jī)進(jìn)行控制，使用ROHM公司生產(chǎn)的發(fā)送接收一體化反射型光電傳感器RPR220，設(shè)計(jì)了一種新型迷宮機(jī)器人。該迷宮機(jī)器人能夠在程序中嚴(yán)格控制光電傳感器的開關(guān)，同時(shí)用軟件消除外界干擾，取得了很好的探測(cè)效果。
關(guān)鍵詞：迷宮機(jī)器人；光電傳感器；RPR220；MC9SDG128；干擾

引言
迷宮機(jī)器人走迷宮競(jìng)賽是一項(xiàng)綜合性十分強(qiáng)的競(jìng)賽，它涉及的學(xué)科包括了計(jì)算機(jī)學(xué)、機(jī)械學(xué)、電工學(xué)、嵌入式開發(fā)知識(shí)以及算法的實(shí)現(xiàn)等。迷宮機(jī)器人是一種人工智能的機(jī)器人，又稱為電腦鼠(Micromouse)。它擁有靈活的“雙腿”，銳利的“眼睛”，還有聰明的“大腦”用于控制“眼睛”和“雙腿”協(xié)調(diào)工作，最終走出IEEE標(biāo)準(zhǔn)迷宮。迷宮由256個(gè)方塊(單元)組成，每個(gè)方塊的大小為18 cm見方，排成16行×16列。
迷宮機(jī)器人在迷宮中要能按照一定規(guī)則完成行走，所以機(jī)器人必須具備以下幾種能力：
◆穩(wěn)定且快速的行走能力；
◆正確判斷能力；
◆記憶路徑的能力。
很明顯，這些能力必須建立在迷宮墻壁能夠被準(zhǔn)確探知的基礎(chǔ)上，這就要求迷宮機(jī)器人要有很強(qiáng)的“觀察力”，即具有一雙“慧眼”?，F(xiàn)實(shí)中，能夠進(jìn)行避障的傳感器有很多，如CCD攝像頭、超聲波傳感器、光電傳感器等。從設(shè)計(jì)成本和使用方面綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用紅外式光電傳感器。紅外傳感器的功能有兩個(gè)：一是判斷迷宮墻壁的有無，確定迷宮機(jī)器人的行進(jìn)方向；二是根據(jù)傳感器獲得的數(shù)值判斷迷宮機(jī)器人和墻壁之間的距離，從而對(duì)迷宮機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，避免迷宮機(jī)器人和墻壁發(fā)生碰撞。

1 光電傳感器原理
紅外光電傳感器工作原理如圖1所示。發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源、發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器由光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面裝有光學(xué)元件(如透鏡和光圈等)；在接收器后面的是檢測(cè)電路，用于濾除無效信號(hào)，以及對(duì)有效信號(hào)進(jìn)行利用。

隨著車體和墻壁的距離不同，接收管接收到的信號(hào)的強(qiáng)弱也不同。當(dāng)車體距離墻壁較近時(shí)，大量發(fā)射的紅外光線經(jīng)墻壁反射后被接收管接收，產(chǎn)生的電壓較高；反之，車體距離墻壁較遠(yuǎn)時(shí)，反射的紅外光線在傳播過程中會(huì)損耗，被接收管接收到的信號(hào)較弱，產(chǎn)生的電壓也就較低。根據(jù)接收管產(chǎn)生電壓的強(qiáng)弱，可以判斷車體與墻壁之間的距離，為迷宮機(jī)器人避障提供數(shù)據(jù)。

2 光電傳感器的選用
光電傳感器的特點(diǎn)：不受電磁波的干擾，非噪聲源，可實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量；受環(huán)境的影響非常大，物體的顏色、方向、周圍的光線都可能導(dǎo)致測(cè)量誤差；由于發(fā)射光線是光而不是聲音，可以在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)獲得較多的紅外線傳感器測(cè)量值；測(cè)距范圍較近，大致為40 cm以內(nèi)。紅外傳感器發(fā)射管和接收管的類型很多，其工作光波長(zhǎng)約為800～1100 nm。通常在小功率條件下的工作電壓為1．5～5 V左右，工作電流為3～10 mA左右。在本設(shè)計(jì)中選用了日本ROHM公司生產(chǎn)的發(fā)送接收一體化反射型光電傳感器RPR220。該光電管功率為80 mW，工作波長(zhǎng)為800 nm，完全滿足迷宮機(jī)器人的使用要求。

3 光電傳感器應(yīng)用電路
在本設(shè)計(jì)中，采用Freescale公司的16位單片機(jī)MC9S12DG128對(duì)光電傳感器進(jìn)行控制。單片機(jī)的A／D模塊進(jìn)行信號(hào)采集，獲知當(dāng)前的墻壁信息和車體的位置信息。單片機(jī)采集到A／D數(shù)值后，通過RS232傳到PC機(jī)上。然后根據(jù)傳感器采得的數(shù)值為電機(jī)指定相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)，控制迷宮機(jī)器人在迷宮中的姿態(tài)，并且實(shí)時(shí)記錄迷宮墻壁有無的信息，為建立迷宮地圖提供數(shù)據(jù)。