自动寻迹小车的传感器模块设计
摘 要：介绍利用反射式红外光电传感器实现小车自动寻迹导航的设计与实现以及小车的一种寻迹算法。自动寻迹是智能小车(Smart Car)机器人系统的重要组成部分,其用实现小车自动识别路径。在实验中采用与白色地面色相差很大的黑色线条引导小车按照既定路线前进,系统控制核心采用飞思卡尔的MC9S12DG128B单片机,系统驱动采用控制方式为PWM的直流电机。实验证明此方案可行并且可靠。该技术可以应用于无人驾驶机动车、无人生产线、仓库、服务机器人等领域。
关键词：自动寻迹；红外传感器；PWM方式；数据处理
中图分类号：TP212文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2008)22-192-03
Design of the Sensor Module in Automatic Track FindingModel Car
WANG Jing,WENG Xianyao,LIANG Yezong
(College of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan,430070,China)
Abstract：This article introduces the design and execution of automatic track finding navigation car realized by reflective infrared photoeletric sensor and its algorithm.The automatic trak fiding is an important function of smart-car robot system,to realize car automatic identification path.In the experiment,taking use of the black guiding wire whose color distinguishes from the white background to guide the car to move along the given line automatically.The MC9S12DG128B from freescale single chip microcomputer is used for the control core in this system,and the PWM direct current electromotor for the motive force or power system.The experiment proves that this project is feasible and credible.This technology could serve to driverless mobile,unmanned producing lines,warehouse,service robot and etc.
Keywords：automatic track finding;infrared sensor;PWM;data processing
1 引 言
随着科学技术的发展，机器人的应用已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。利用传感器进行自动导航的机器人已得到初步应用。但传感器CCD价格较高、体积较大、数据处理复杂，因此在按路面画好既定路线行走的自寻迹机器人设计中，红外反射式传感器以其体积小、价格低、数据处理方便显得更有优势。因此该设计采用红外反射式传感器，成功实现了小车的寻黑线行走。
2 传感器的选择和介绍
本文采用型号为ST188的反射式红外光电传感器。其内部电路如图1所示。即由1个红外发射管(发射器)和1个光电二极管(接收器)构成。红外发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体(表面为白色或近白色)后被折回，其被光电二极管接收到，引起光电二极管光生电流的增大。将这个变化转为电压信号，就可以被处理器接收并处理，进而实现对反光性差别较大的2种颜色(如黑白两色)的识别。
图1 ST188的内部电路示意图
3 具体设计与实现
单片机对传感器的检测信号的处理有连续和离散2种方式。在实际中连续控制比离散控制更具优势。在离散控制中检测到的是离散的信号，舵机的控制也只能是针对离散量进行控制，这一般在低速的情况下是适用的；在高速情况下过于离散的控制将造成系统控制缓慢、滞后。所以对小车进行连续控制很有必要。而一般认为传感器分辨黑线白线时只能输出0和1两种信号，即黑线低电压，白线高电压，通过这两种信号来对黑白进行区分。然而通过测量可知，其输出电压的大小与传感器距离黑色路径的垂直距离有关，距黑线越近，则电压越低；距黑线越远，则电压越高。因此，这里把传感器所检测到的信号接入单片机的模数转换端口，具体电路如图2所示。
图2 传感器电路图
3.1 电路中元件和参数的选择
（1） R1阻值的选择
由于Q2的Ib约为10 mA就能正常工作，所以可以取R1为510 Ω，则根据电路算得此时Q2的Ib=5 000/510=10 mA。
（2） R2阻值的选择
R2即接收管的负载电阻，其选择是至关重要的，首先因为单片机的每一路A/D转换时间约为7 ms，因为有7路传感器，则7路的转换时间至少为49 ms。R2取的越大则白区的输出越高，这样传感器输出的变化范围就越大，这样看似R2越大越好。但通过实际的测试可知，导通发射管发光后，传感器的输出电压的上升需要一定的时间，加的负载电阻越大，所需的上升时间就越大。但是PWM的有效持续时间又不能太长，应限制在100 ms左右，否则容易损坏传感器。这样就对R2的取值造成了限制。在实践中，当R2取2 kΩ时，其白区电压大约为1.2 V，黑线大约为200 mV,上升时间大约为40 ms，总的加起来不过100 ms，所以可行。但是必须注意在程序中当开通了发射管发光后，必须同样延时40 ms才能开始采样，这样才能得到正确的结果。
（3） R5阻值的选择
由于Q1通过的电流为70 mA以上，而Q1的hfe约为200，所以R5选择1 kΩ这一典型值就以驱动Q1，此时Q1的Ib=5 000/1 000=5 mA。
3.2 传感器的PWM控制信号
这里所设计的红外传感器工作在其极限状态，即采用脉冲大电流发光的方式。由于红外传感器的发光强度与其通过的电流有关，电流越大则发光越强，且发光越强则作用的距离越远。但是查资料得ST188型传感器的极限工作电流为50 mA，如果电流长时间大于此值，则传感器很可能会损坏。所以采取脉冲发光的方式，用PWM来控制传感器发射管的导通和关闭。通过实验，Front-PWM的频率为1 kHz，低电平的占空比为10%(本电路是低电平有效导通的)，低电平的持续时间为100 ms。这样传感器的瞬时电流就可以提高到500 mA左右。因为PWM的占空比仅为10%，即使其瞬时电流为500 mA，其平均电流也仅为50 mA，这样就不会对传感器造成损坏，实践证明100 ms是安全的，如果过长则也可能会损坏传感器。
3.3 传感器的排列
本次设计采用单排共7个红外传感器等间距排列的方式，传感器间隔为3.7 cm，离地高度为8 cm，传感器与地面成一定的夹角，以此来提高前瞻性。如此设计是因为实际上红外传感器发出的红外光是一些锥形的光线，而不是一条直线(如图3所示)。所以通过抬高传感器，使传感器与地面有一定的距离，则传感器的敏感距离就会加长，成线性变化。即距黑线越近，则电压越低；距黑线越远，则电压越高，而不是在黑线上输出就为0，在白线上就为1。实践中的测试证明传感器间隔为3.7 cm，高度为8 cm时，各传感器间没有出现死区。而且也便于安装，所以这样的布置方式是可行的。另外由于传感器制作工艺的差异，每个传感器的输出都是不一样的，为了简化算法，可以选择一些输出特性相对一致的传感器。
图3 传感器的发光示意图
4 传感器的数据处理
首先，要通过测试得知传感器的敏感距离即传感器的敏感点距黑线中心的距离。传感器的输出距黑线越近，则电压越低；距黑线越远，则电压越高。但是当传感器距离黑线到达某一距离后，向远离黑线的方向移动时，其输出电压已经没有变化了，即已经达到饱和，达到白区的最大电压。此时需要对每个传感器进行测试，把它们的这个敏感距离记下来，以供程序算法用。本次设计所采用的传感器的敏感距离大约为3.7 cm，这个敏感距离其实就可以得出在算法中的它们的坐标。
设MAX为传感器在道路白区的最大输出，MIN为黑区的最小输出，各传感器的敏感距离约为3.7 cm，为了便于计算采用37表示,设此时传感器的输出为OUT。于是，把距离作为横坐标，把传感器的输出作为纵坐标模拟成三角形（如图4所示）得出以下比例关系：
OUT－MINx－0=MAX－MIN37－0
即:
x=OUT－MINMAX－MIN×37
其中求得的x为黑线中心与本传感器的距离。
图4 传感器输出数据关系数据图
举例说明，设各传感器的敏感点为3.7 cm，MAX=80，MIN=10，若此时传感器F的输出OUT为50，则有x=21，又因为75-21=54，即5.4 cm。实际上所求得的21在坐标上可能有2种情况：即可能出现在位置a或b,就是75-21或75+21。要确定是这两种情况中的哪一个，可以根据F传感器两旁的传感器的输出情况来判断。显然，当E传感器的输出比G传感器的输出小时，黑线中心在a点，反之，黑线的中心在b点。所以，要先找出相对输出最小的传感器即距离黑线中心最近的传感器，其中相对输出值用OUT－MINMAX－MIN计算。
5 MCU控制与算法实现
系统控制由微处理器完成,微处理器采用飞思卡尔公司的单片机MC9S12DG128B，当单片机通过A/D口读入传感器的信号后即可判断小车当前的行驶状态，具体流程如图5所示。
6 结 语
本文给出了自动寻迹小车传感器模块设计的全过程，经试验验证,用光电传感器作为机器人的近距离感觉传感器是可行的。
在非强光直射的条件下有良好的可靠性和抗干扰能力，而传感器的探头尺寸仅为几个毫米,特别适合小型化，在寻迹领域，反射式红外光电传感器能较好的实现寻迹要求，且成本低廉。这为进一步研究机器人自动行走技术提供了很大借鉴作用。
图5 程序流程图
参考文献
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作者简介 王 晶 女，在读硕士研究生。研究方向为汽车电子信息与控制技术。
翁显耀 男，1982年毕业于武汉工学院电气自动化专业，副教授。
梁业宗 男，在读硕士研究生。研究方向为汽车电子信息与控制技术。
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