机器人传感器3

2020/2/8第六章机器人传感器第3节巡迹传感器2/37《机器人技术及应用》第六章机器人传感器感觉器官相关物理量视觉眼可见光听觉耳声波触觉手指压力温度皮肤辐射嗅觉鼻扩散味觉舌溶解复习：传感器与五官3/37《机器人技术及应用》§6.3巡迹传感器巡迹传感器意义巡迹传感器原理巡迹传感器设计要求巡迹传感器性能优化其他巡迹传感器及原理4/37《机器人技术及应用》§6.3.1巡迹传感器意义随着科学技术的发展，机器人的传感器越来越多，但巡迹传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。5/37《机器人技术及应用》§6.3.1巡迹传感器意义常用巡迹传感器：光电巡迹传感器电磁巡迹传感器CCD巡迹传感器6/37《机器人技术及应用》§6.3.2巡迹传感器原理一、基于反射光强度图6.3.2其基本原理是采用光电传感器，根据条带和地面反射信号不同来检测机器人所在的位置。7/37《机器人技术及应用》§6.3.2光电传感器原理1、光电效应光电效应分内光电效应和外光电效应。在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。8/37《机器人技术及应用》§6.3.2光电传感器原理1.1、内光电效应内光电效应分光电导效应和光生伏特效应。光电导效应在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。9/37《机器人技术及应用》§6.3.2光电传感器原理1.1.1、本征半导体与杂志半导体10/37《机器人技术及应用》§6.3.2光电传感器原理1.1.2、PN节多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体扩散的结果使空间电荷区变宽。扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－动画形成空间电荷区动画11/37《机器人技术及应用》§6.3.2光电传感器原理1.2、光敏二极管光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。NP+-光12/37《机器人技术及应用》§6.3.2光电传感器原理1.2.1、光敏二极管方式光敏二极管在电路中应处于反向工作状态。RLE13/37《机器人技术及应用》§6.3.2光电传感器原理1.3、光敏电阻光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。金属电极半导体玻璃底板电源检流计RLEI(a)(b)(c)Ra14/37《机器人技术及应用》§6.3.2光电传感器原理1.3.1、光敏电阻的光谱特性光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。Sr/(%)/A2040608010001.53硫化铅硫化铊硫化镉15/37《机器人技术及应用》§6.3.2光电传感器原理1.3.1、光敏电阻的选型对紫外光较灵敏的光敏电阻称紫外光敏电阻，如硫化镉和硒化镉光敏电阻，用于探测紫外线。对可见光灵敏的光敏电阻称可见光光敏电阻，如硒化铊、硫化铊，硫化铋及锗、硅光敏电阻，用于各种自动控制系统，如光电自动开关门窗，光电计算器，光电控制照明，自动安全保护等。对红外线敏感的光敏电阻称红外光敏电阻，如硫化铅，碲化铅、硒化铅等，用于夜间或淡雾中探测能够辐射红外线目标，红外通信，导弹制导等。16/37《机器人技术及应用》§6.3.2巡迹传感器原理二、电阻分压光电接收管阻值负相关与光强。在无光照情况下，反向电阻为∞；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达几ｋΩ或１ｋΩ以下。17/37《机器人技术及应用》§6.3.2巡迹传感器原理三、常用电路a）当无反射光照射或光照较弱时，电阻为∞，此时三极管工作在放大区，输出电压很小；而当在反射光照射使电阻下降到几ｋΩ时，三极管工作在截止区，输出电压接近于５Ｖ。18/37《机器人技术及应用》§6.3.2巡迹传感器原理三、常用电路b）一种使用光电三极管的简单光电传感器电路，它采用带运算放大器的放大电路，稳定性、线性度及增益误差等均比晶体管放大电路好。19/37《机器人技术及应用》§6.3.2巡迹传感器原理三、常用电路c）一种采用电压比较器的光电传感器电路。通过调节可变电阻阻值，来改变参考电压值，以最终适应环境光强。20/37《机器人技术及应用》§6.3.2巡迹传感器原理四、常用电路分析a）检测深色条带电路中VCC为+5V，Rb可变阻值为0.5Rb。当发射LED照射在深色条带上时，大部分光线被吸收，光敏二极管阻值为1MΩ,电压比较器模拟输入端分得电压约为+5V，比较器参考电压为+2.5V,此时，电压比较器的输入电压电压比较器的参考电压，故电压比较器输出低电平信号0.21/37《机器人技术及应用》§6.3.2巡迹传感器原理四、常用电路分析b）检测浅色地面电路中VCC为+5V，Rb可变阻值为0.5Rb。当发射LED照射在浅色地面上时，大部分光线被反射，光敏二极管阻值大幅度降低，约为为1KΩ,电压比较器模拟输入端分得电压为+5V*（1K/11K）约为0.45V，比较器参考电压为+2.5V,此时，电压比较器的输入电压电压比较器的参考电压，故电压比较器输出高电平信号1.22/37《机器人技术及应用》电路中VCC为+5V，Rb可变阻值为0.5Rb。当发射LED照射在浅色地面上时，由于地面不平整，造成只有一部分有效反射，光敏二极管阻值略微降低，约为为15KΩ,电压比较器模拟输入端分得电压为+5V*（15K/25K）约为3V，比较器参考电压为+2.5V,此时，电压比较器的输入电压电压比较器的参考电压，故电压比较器输出低电平信号0。与检测条带信号相同，无法区分。§6.3.2巡迹传感器原理四、常用电路分析c）复杂路面23/37《机器人技术及应用》为解决此类问题，可调节Rb分压阻值为0.7Rb。则此时电压比较器参考电压为3.5V，大于比较器输入端3V，故电压比较器输出高电平信号1。§6.3.2巡迹传感器原理四、常用电路分析c）复杂路面解决方法24/37《机器人技术及应用》§6.3.4巡迹传感器设计要求抗干扰性：比赛场地可能存在各种形式的强光干扰、电磁干扰、颜色干扰，必须有较好的抗干扰能力。可调性：比赛场地上机器人的运行环境可能有别于当初调试的环境，即使同是赛，可能出发位置、灯光光照角度、日光光照情况均会变化，必须留有调节各种参数的环节，使得传感器工作在最佳状态。25/37《机器人技术及应用》§6.3.4巡迹传感器设计要求稳定性和快速性：一旦传感器移动到引导条带边缘，传感器应当及时、快速、稳定地触发，不允许有状态的抖动，否则会引起机器人的摇晃。成本低廉：对于机器人，价格是其推广的一个重要因素。故应选择性能满足要求的价格便宜的传感器，并适当在传感器上二次开发，以最大性能的发挥其作用。26/37《机器人技术及应用》§6.3.4巡迹传感器性能优化一、提高发射管功率：通过提高LED发射管的功率，从而提高有效信号在环境噪声中的比值。进而提高巡迹传感器模块的准确度。27/37《机器人技术及应用》§6.3.4巡迹传感器性能优化二、减小环境干扰：通过使用RPR220等发射接收一体管、或者使用黑色热缩管等方法包裹发射接收头，从而减少环境干扰，提高信噪比，进而提高模块的准确度。28/37《机器人技术及应用》§6.3.4巡迹传感器性能优化三、对发射管信号调制：为保证机器人正常可靠地工作，可附加调制电路来抑制传感器中暗电流及外界环境光的变化。使用调制型的反射型光传感器只允许特定频率的光通过，抗干扰光能力变强。29/37《机器人技术及应用》§6.3.4巡迹传感器性能优化四、提高器件的一致性：1、发射／接收器件两者的波长特性一致。有几个衡量特性的指标，如波长灵敏度特性、方向灵敏度特性等。2、发射／接收传感器组对时，各方面性能应尽量比较接近。3、机载安装状态的一致，如各对传感器的间距、高低、偏角等。因为这些因素都会影响光的反射与接收。30/37《机器人技术及应用》§6.3.4巡迹传感器性能优化五、优化巡迹传感器布局：在巡迹传感器个数受限的情况下，优化布局尤为重要。横向使用可以提高空间的分辨率，而纵向使用可以提前判断路线的变化。31/37《机器人技术及应用》§6.3.4巡迹传感器性能优化六、巡迹传感器使用技巧：速度适当（不过快）；传感器接近驱动轮，最好位于其正下方；在感知到条带后，电机立即反转；左右传感器的间距不要过于狭窄；安装传感器的底板要尽量大，且喷涂成黑底色；32/37《机器人技术及应用》§6.3.4巡迹传感器性能优化七、巡迹传感器之必杀技能：根据环境光源来设计传感器；根据反射背景加装滤波片；使用AD采集模拟值；采用滤波算法加预测算法；提高响应速度，加装指示灯（上位机调试）；33/37《机器人技术及应用》§6.3.5其他巡迹传感器及原理一、CCD巡迹传感器：ＣＣＤ由一组离散的光敏感元件阵列组成，光照射到这个阵列上，每个光敏感元件产生与光照度成正比的电荷，再经扫描，就由放大器输出代表图像的电压时间信号。ab34/37《机器人技术及应用》二、CCD传感器在巡迹中的应用：§6.3.5其他巡迹传感器及原理35/37《机器人技术及应用》分辨率高；识别路径参数多：中心位置、方向、曲率；占用ＣＰＵ端口资源少；通过算法减少外部环境影响；CCD传感器检测路径的优点：§6.3.5其他巡迹传感器及原理36/37《机器人技术及应用》§6.3.5其他巡迹传感器及原理三、电磁巡迹传感器：电磁巡迹查传感器是跟踪在条带下埋藏一根铜导线，并通过特定频率的脉冲激励的特殊路面的。其中的电感或磁场传感器检测导线中的磁场变化，从而检测条带的位置。ab2020/2/8谢谢！