基于光电传感器电路的迷宫机器人设计

迷宫机器人走迷宫竞赛是一项综合性十分强的竞赛，它涉及的学科包括了计算机学、机械学、电工学、嵌入式开发知识以及算法的实现等。迷宫机器人是一种人工智能的机器人，又称为电脑鼠(Micromouse)。它拥有灵活的“双腿”，锐利的“眼睛”，还有聪明的“大脑”用于控制“眼睛”和“双腿”协调工作，最终走出IEEE标准迷宫。迷宫由256个方块(单元)组成，每个方块的大小为18 cm见方，排成16行×16列。
    迷宫机器人在迷宫中要能按照一定规则完成行走，所以机器人必须具备以下几种能力：
    ◆稳定且快速的行走能力；
    ◆正确判断能力；
    ◆记忆路径的能力。
    很明显，这些能力必须建立在迷宫墙壁能够被准确探知的基础上，这就要求迷宫机器人要有很强的“观察力”，即具有一双“慧眼”。现实中，能够进行避障的传感器有很多，如CCD摄像头、超声波传感器、光电传感器等。从设计成本和使用方面综合考虑，本设计采用红外式光电传感器。红外传感器的功能有两个：一是判断迷宫墙壁的有无，确定迷宫机器人的行进方向；二是根据传感器获得的数值判断迷宫机器人和墙壁之间的距离，从而对迷宫机器人的姿态进行调整，避免迷宫机器人和墙壁发生碰撞。

1 光电传感器原理
    红外光电传感器工作原理如图1所示。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源、发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器由光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面装有光学元件(如透镜和光圈等)；在接收器后面的是检测电路，用于滤除无效信号，以及对有效信号进行利用。

    随着车体和墙壁的距离不同，接收管接收到的信号的强弱也不同。当车体距离墙壁较近时，大量发射的红外光线经墙壁反射后被接收管接收，产生的电压较高；反之，车体距离墙壁较远时，反射的红外光线在传播过程中会损耗，被接收管接收到的信号较弱，产生的电压也就较低。根据接收管产生电压的强弱，可以判断车体与墙壁之间的距离，为迷宫机器人避障提供数据。

2 光电传感器的选用
    光电传感器的特点：不受电磁波的干扰，非噪声源，可实现非接触性测量；受环境的影响非常大，物体的颜色、方向、周围的光线都可能导致测量误差；由于发射光线是光而不是声音，可以在相当短的时间内获得较多的红外线传感器测量值；测距范围较近，大致为40 cm以内。红外传感器发射管和接收管的类型很多，其工作光波长约为800～1100 nm。通常在小功率条件下的工作电压为1．5～5 V左右，工作电流为3～10 mA左右。在本设计中选用了日本ROHM公司生产的发送接收一体化反射型光电传感器RPR220。该光电管功率为80 mW，工作波长为800 nm，完全满足迷宫机器人的使用要求。

3 光电传感器应用电路
    在本设计中，采用Freescale公司的16位单片机MC9S12DG128对光电传感器进行控制。单片机的A／D模块进行信号采集，获知当前的墙壁信息和车体的位置信息。单片机采集到A／D数值后，通过RS232传到PC机上。然后根据传感器采得的数值为电机指定相应的动作信号，控制迷宫机器人在迷宫中的姿态，并且实时记录迷宫墙壁有无的信息，为建立迷宫地图提供数据。

3．1 传感器电路
    传感器电路是获知迷宫信息的主要途径，其电路设计的好坏直接影响着机器人的工作。一般来说，传感器电路由控制电路、发射管、接收管和信号处理电路构成。阳光谱中含有红外成分，所以在迷宫机器人中要想方设法将红外光谱消除，才能保证迷宫机器人的正常运行。
    本设计使用了5路传感器，分置于迷宫机器人的正前、偏左45°、左侧、偏右45°、右侧。每一路的打开与关闭由处理器控制，如图2所示。

    本设计中的传感器电路如图3所示。CTR1为传感器的开关控制口，CTR1置高时，发射管两端没有电压差，所以传感器不会对外发射红外信号；CTR1置低时，发射管和传感器均工作，对外发射红外光谱信号。当发射的红外光谱经迷宫墙壁发射反射回迷宫机器人时，接收管会产生感应电流。此时，RPR220的3号端口的电阻将该端的电动势拉高。如果电流增大，那么3号端口输出的地电动势也会相应增大，从而实现对迷宫环境的信息探测。

3．2 传感器电路的使用
    从前面的分析可以知道，传感器采集信号时存在着阳光干扰。在设计期间，我们也进行了相应的干扰实验。结果表明，阳光的干扰十分强烈，完全可以使得红外传感器失去作用。因此，在传感器电路的使用过程中必须考虑阳光对光电传感器的干扰，可从硬件和软件两方面去消除阳光的影响。
    在本设计中，采用了软件消除误差的方法。首先，CTR1置高，也就是传感器发射管处于关闭状态。这时使用处理器的A／D采集模块对接收管的信号进行采集，作为基值AD1。然后，将CTR1置低，将发射管打开，再一次用处理器的A／D采集功能进行信号采集。这时采得的数据为AD2，是反射光谱和阳光红外谱的混合信号，而真正的A／D值应为AD=AD2-AD1。软件消除阳光红外光误差的流程如图4所示。

    本设计采用MC9S12DG128处理器的PB0～PB4控制5个传感器的开断。实验表明，软件消除阳光红外光误差的方法效果较好。

3．3 实验结果
    该实验使用RS232通信接口，将处理器采集获得的A／D数值实时传到上位机，然后改变车体与墙壁之间的距离，记录各个点的A／D数值，利用MATLAB绘制出A／D值与距离之间的关系图。
    实验表明，该方法能够有效地在迷宫中进行距离的探测，最大探测距离达到20 cm，在1 cm处传感器饱和，而迷宫机器人的要求能够探测的最大距离为18 cm，饱和距离不能大于2 cm。显然，该电路完全满足使用要求。实验程序如下所示：
    

    实验结果如图5所示，可见距离与A／D采样值成反比。

4 结论
    本文设计了一款新型迷宫机器人，其中光电传感器的设计部分采用RPR220实现。实验表明，本设计的探测距离完全满足迷宫机器人的使用要求。其创新点是使用软件的方法进行干扰消除，有效地避免了阳光红外信号的干扰，提高了迷宫机器人走迷宫的成功率，机器人的可靠性也得到了大幅的提升。