制作機器人常用傳感器盤點
發布時間：2010-2-23 16:44
發布者：嵌入式公社
|
現在越來越多的朋友都對機器人開發產生了濃厚的興趣，而機器人小車由于技術門檻低，成本低廉而成為了很多入門者的首選。機器人小車電子部分主要的構成就是控制芯片、電機和傳感器。今天我們就在這里介紹幾種機器人小車上常用的傳感器。 傳感器，簡單點下個定義就是把現實中的各種物理信號轉變為電子電路中可以識別的電信號。下面我就根據用來識別不同的物理信號來介紹幾種機器人愛好者常用的傳感器。 1、障礙物： 避障可以說是各種機器人最基本的功能。因此選擇測障傳感器可以說是每一個機器人DIYer必須熟知的知識。 檢測機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。 
這是一幅碰撞開關的外形圖。
這是一幅碰撞開關的工作狀態圖。碰撞開關的工作原理非常簡單，完全依靠內部的機械結構來完成電路的導通和中斷。當碰撞開關的外部探測臂受到碰撞，探測臂受力下壓，帶動碰撞開關內部的簧片撥動，電路的導通狀態從而發生改變。一般碰撞開關需要接三根線，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）。 在機器人小車上的用法多數為將探測臂加長，擴大探測范圍和靈敏度，當機器人小車裝到前面的障礙物，碰撞開關的信號端便可返回一個高電平，控制芯片由此可以知道小車面前存在著障礙物。 碰撞開關的優點是價格便宜，一般每只零售僅幾塊錢，使用簡單，使用范圍廣，對環境條件沒有什么限制。 缺點是必須在發生碰撞后才能檢測到障礙，這在某些機器人比賽中是相當失分的。并且使用時間較長后容易發生機械疲勞，無法繼續正常工作。 非接觸式測障開關一般的工作原理與雷達相似，發射某種射線，遇到障礙物會被反射回來，這時傳感器就認為發現了障礙物。最常用的便是發射紅外線的傳感器。
紅外測障傳感器電路圖 現在網上有成套的紅外測障傳感器出售，可以直接購買產品使用，也可以自己購買電子元件焊接。
紅外發射管外形圖 紅外測障傳感器成本較低（當然比碰撞開關還是要高一點），電路簡單，檢測范圍大，并且如果在電路中加上一個電位器可以隨時調節傳感器的檢測范圍。檢測方式為非接觸式，控制起來更加好看，也更加靈活。 缺點是多個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 有時間單單知道哪個方向上有障礙物并不夠，還必須知道障礙物距離機器人具體有多遠才好判斷機器人下一步的行動。這個時候我們就需要測距傳感器。 測距傳感器大多為非接觸式，目前在個人機器人領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，幾乎可以說是機器人愛好者的必備傳感器�，F在在網上看到的一些個人機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禁不住感嘆：“哦，原來是它呀！”
是不是很眼熟？說實話除了在個人機器人上，我還真沒在其他的地方見過這個東西。 GP2D12產品規格參數： 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系：2.4V~0.4V模擬信號對應10cm~80cm，輸出與距離成 反比非線性關系。 這種傳感器的優點是體積小，測量準確，電源電壓與輸出信號都較常規，一般單片機系統都可直接使用。 缺點是成本較高，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，依靠超聲波的發射與反射接收中的時間差來判斷距離。
超聲波測距傳感器外形圖 超聲波測距傳感器規格很多，測試距離也從遠到近都有，價格相差也較大，一般機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。 超聲波測距的優點在于測量范圍較大，且不是使用光學信號，所以被測物體的顏色對于測量結果沒有影響。 缺點是成本較高，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、風等。最大允許角度較小。 3、亮度： 很多個人朋友制作的機器人都需要判斷環境光的亮度，這個時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度變化而阻值發生變化的電阻，可以根據其阻值的變化判斷出光強。
光敏電阻實物圖 光敏電阻的使用也非常簡單，只要將它當做普通電阻接入電路，只要根據電流變化便可得出電阻的變化，進而判斷出光強的變化。 優點：成本低廉、可靠性好、測量準確。 缺點：暫無。 4、速度 機器人自身的行走速度對于判斷機器人運動狀態和機器人所在位置非常重要，這里我們主要討論一下機器人小車運動速度的測量。 機器人小車依靠電動機驅動輪子來運動，因此測量機器人小車的速度可以歸結為測量驅動電動機的轉速。 那么怎么測量電動機的轉速呢？ 測量電機轉速有很多種方法，比較適合個人機器人愛好者的是光電編碼器。 光電編碼器也有很多種，在個人機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^_^） 反射式的基本結構為在電機的旋轉軸上加一個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紅外發射接收一體模塊，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，大部分被吸收而無反射信號；紅外線照射到白色部分時，大部分紅外線被反射回來而產生強烈的反射信號。當碼盤隨電機旋轉時，紅外接收端的輸出信號便是一個由旋轉速度決定頻率的方波。進而我們便可知道此時電機的旋轉速度。
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射端與檢測端分別位于光柵圓盤的兩側，同樣是利用光柵圓盤旋轉以后產生的脈沖信號來檢測電機的旋轉速度。
光柵盤式光電編碼器原理圖 其實這兩種傳感器從本質上來說都屬于光電傳感器，這類傳感器的特點是價格便宜，結構可靠，檢測結果準確。缺點是對于安裝位置要求較高，因此建議大家購買電機時選擇配備了光電編碼器的電機，免去自己安裝可能帶來的種種問題。 檢測電機轉速，除了光電傳感器之外，還有一些利用磁效應原理的傳感器，汽車上經常使用這種傳感器，我這里不再詳細介紹了。 5、地面灰度 很多人最開始做的機器人小車基本功能就是循線，白色的地板上貼著一條黑線，讓機器人小車沿著地面的黑線前進。很多機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，就是使用一個發光裝置與一個光敏電阻搭配，裝在機器人底部離地面較近的一個位置上。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。發光裝置發射可見光，照射到不同顏色上面后反射光的強度會有一定的差異，根據光敏電阻的返回值便可知道現在機器人下面的地面顏色。
一種利用發光二極管作為發光裝置的地面灰度檢測器 我當初做的時候最初是自己弄了個小燈泡，可是效果不理想，后來換了個摩托車上的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，但是還是會有漏測的現象，而且容易受到環境光的干擾。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候已經提到了，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。其實如果引申一下，把機器人巡線的場地看成一個大碼盤，其實也是黑白相間，這樣每當機器人越過一條白線，就相當于光電編碼器上的碼盤轉動了一個最小角度，光電編碼器的輸出高低電平便會變化一次。 這種檢測方式比較準確，很少出現漏檢的情形，抗干擾能力也比較強，唯一的劣勢就是對傳感器本身的離地間隙要求較高，高一點或矮一點都不行。因此便對機器人的工作環境要求較高，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用來決定了。 6、其他 以上這些是我個人比較熟悉，并且在個人愛好者中應用比較廣泛的幾種傳感器，微電子領域的發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，因此經常去電子市場轉轉，關注一下最新的傳感器信息都是必要的。 其他制作個人機器人常用的傳感器還有數字指南針、加速度傳感器等，一般都是用在比較復雜的應用上，本篇文章的面向對象是準備制作第一個機器人作品的新手朋友們，因此就不再詳細介紹了，有興趣的朋友可以自己去了解一下。 來源：機器人天空 |
網友評論