基于光電傳感器電路的迷宮機器人設計

摘要：采用Freescale公司的MC9SDG128單片機進(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，設計了一種新型迷宮機器人。該迷宮機器人能夠在程序中嚴格控制光電傳感器的開(kāi)關(guān)，同時(shí)用軟件消除外界干擾，取得了很好的探測效果。
關(guān)鍵詞：迷宮機器人；光電傳感器；RPR220；MC9SDG128；干擾

引言
迷宮機器人走迷宮競賽是一項綜合性十分強的競賽，它涉及的學(xué)科包括了計算機學(xué)、機械學(xué)、電工學(xué)、嵌入式開(kāi)發(fā)知識以及算法的實(shí)現等。迷宮機器人是一種人工智能的機器人，又稱(chēng)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)調工作，最終走出IEEE標準迷宮。迷宮由256個(gè)方塊(單元)組成，每個(gè)方塊的大小為18 cm見(jiàn)方，排成16行×16列。
迷宮機器人在迷宮中要能按照一定規則完成行走，所以機器人必須具備以下幾種能力：
◆穩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確探知的基礎上，這就要求迷宮機器人要有很強的“觀(guān)察力”，即具有一雙“慧眼”?，F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。從設計成本和使用方面綜合考慮，本設計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(wú)，確定迷宮機器人的行進(jìn)方向；二是根據傳感器獲得的數值判斷迷宮機器人和墻壁之間的距離，從而對迷宮機器人的姿態(tài)進(jìn)行調整，避免迷宮機器人和墻壁發(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)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導體光源、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電路，用于濾除無(wú)效信號，以及對有效信號進(jìn)行利用。

隨著(zhù)車(chē)體和墻壁的距離不同，接收管接收到的信號的強弱也不同。當車(chē)體距離墻壁較近時(shí)，大量發(fā)射的紅外光線(xiàn)經(jīng)墻壁反射后被接收管接收，產(chǎn)生的電壓較高；反之，車(chē)體距離墻壁較遠時(shí)，反射的紅外光線(xiàn)在傳播過(guò)程中會(huì )損耗，被接收管接收到的信號較弱，產(chǎn)生的電壓也就較低。根據接收管產(chǎn)生電壓的強弱，可以判斷車(chē)體與墻壁之間的距離，為迷宮機器人避障提供數據。

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)現非接觸性測量；受環(huán)境的影響非常大，物體的顏色、方向、周?chē)墓饩€(xiàn)都可能導致測量誤差；由于發(fā)射光線(xiàn)是光而不是聲音，可以在相當短的時(shí)間內獲得較多的紅外線(xiàn)傳感器測量值；測距范圍較近，大致為40 cm以?xún)?。紅外傳感器發(fā)射管和接收管的類(lèi)型很多，其工作光波長(cháng)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。在本設計中選用了日本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(cháng)為800 nm，完全滿(mǎn)足迷宮機器人的使用要求。

3 光電傳感器應用電路
在本設計中，采用Freescale公司的16位單片機MC9S12DG128對光電傳感器進(jìn)行控制。單片機的A／D模塊進(jìn)行信號采集，獲知當前的墻壁信息和車(chē)體的位置信息。單片機采集到A／D數值后，通過(guò)RS232傳到PC機上。然后根據傳感器采得的數值為電機指定相應的動(dòng)作信號，控制迷宮機器人在迷宮中的姿態(tài)，并且實(shí)時(shí)記錄迷宮墻壁有無(wú)的信息，為建立迷宮地圖提供數據。