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現(xiàn)在越來(lái)越多的朋友都對(duì)機(jī)器人開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了濃厚的興趣，而機(jī)器人小車(chē)由于技術(shù)門(mén)檻低，成本低廉而成為了很多入門(mén)者的首選。機(jī)器人小車(chē)電子部分主要的構(gòu)成就是控制芯片、電機(jī)和傳感器。今天我們就在這里介紹幾種機(jī)器人小車(chē)上常用的傳感器。 傳感器，簡(jiǎn)單點(diǎn)下個(gè)定義就是把現(xiàn)實(shí)中的各種物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?a href="http://m.54549.cn/keyword/電路" target="_blank" class="relatedlink">電路中可以識(shí)別的電信號(hào)。下面我就根據(jù)用來(lái)識(shí)別不同的物理信號(hào)來(lái)介紹幾種機(jī)器人愛(ài)好者常用的傳感器。 1、障礙物： 避障可以說(shuō)是各種機(jī)器人最基本的功能。因此選擇測(cè)障傳感器可以說(shuō)是每一個(gè)機(jī)器人DIYer必須熟知的知識(shí)。 檢測(cè)機(jī)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(cè)障傳感器最典型的便是碰撞開(kāi)關(guān)。 
這是一幅碰撞開(kāi)關(guān)的外形圖。
這是一幅碰撞開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)圖。碰撞開(kāi)關(guān)的工作原理非常簡(jiǎn)單，完全依靠?jī)?nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)完成電路的導(dǎo)通和中斷。當(dāng)碰撞開(kāi)關(guān)的外部探測(cè)臂受到碰撞，探測(cè)臂受力下壓，帶動(dòng)碰撞開(kāi)關(guān)內(nèi)部的簧片撥動(dòng)，電路的導(dǎo)通狀態(tài)從而發(fā)生改變。一般碰撞開(kāi)關(guān)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(hào)線（信號(hào)線的顏色可能存在不同）。 在機(jī)器人小車(chē)上的用法多數(shù)為將探測(cè)臂加長(zhǎng)，擴(kuò)大探測(cè)范圍和靈敏度，當(dāng)機(jī)器人小車(chē)裝到前面的障礙物，碰撞開(kāi)關(guān)的信號(hào)端便可返回一個(gè)高電平，控制芯片由此可以知道小車(chē)面前存在著障礙物。 碰撞開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，一般每只零售僅幾塊錢(qián)，使用簡(jiǎn)單，使用范圍廣，對(duì)環(huán)境條件沒(méi)有什么限制。 缺點(diǎn)是必須在發(fā)生碰撞后才能檢測(cè)到障礙，這在某些機(jī)器人比賽中是相當(dāng)失分的。并且使用時(shí)間較長(zhǎng)后容易發(fā)生機(jī)械疲勞，無(wú)法繼續(xù)正常工作。 非接觸式測(cè)障開(kāi)關(guān)一般的工作原理與雷達(dá)相似，發(fā)射某種射線，遇到障礙物會(huì)被反射回來(lái)，這時(shí)傳感器就認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了障礙物。最常用的便是發(fā)射紅外線的傳感器。
紅外測(cè)障傳感器電路圖 現(xiàn)在網(wǎng)上有成套的紅外測(cè)障傳感器出售，可以直接購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品使用，也可以自己購(gòu)買(mǎi)電子元件焊接。
紅外發(fā)射管外形圖 紅外測(cè)障傳感器成本較低（當(dāng)然比碰撞開(kāi)關(guān)還是要高一點(diǎn)），電路簡(jiǎn)單，檢測(cè)范圍大，并且如果在電路中加上一個(gè)電位器可以隨時(shí)調(diào)節(jié)傳感器的檢測(cè)范圍。檢測(cè)方式為非接觸式，控制起來(lái)更加好看，也更加靈活。 缺點(diǎn)是多個(gè)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(shí)間單單知道哪個(gè)方向上有障礙物并不夠，還必須知道障礙物距離機(jī)器人具體有多遠(yuǎn)才好判斷機(jī)器人下一步的行動(dòng)。這個(gè)時(shí)候我們就需要測(cè)距傳感器。 測(cè)距傳感器大多為非接觸式，目前在個(gè)人機(jī)器人領(lǐng)域用的比較多的是紅外和超聲波兩種。 紅外測(cè)距傳感器：提到紅外測(cè)距傳感器，就不能不提夏普的GP2D12紅外測(cè)距傳感器，幾乎可以說(shuō)是機(jī)器人愛(ài)好者的必備傳感器�，F(xiàn)在在網(wǎng)上看到的一些個(gè)人機(jī)器人作品幾乎都可以看到GP2D12的身影。 無(wú)圖無(wú)真相，相信很多朋友看到下面這張圖都會(huì)禁不住感嘆：“哦，原來(lái)是它呀！”
是不是很眼熟？說(shuō)實(shí)話(huà)除了在個(gè)人機(jī)器人上，我還真沒(méi)在其他的地方見(jiàn)過(guò)這個(gè)東西。 GP2D12產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)： 1.測(cè)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(cè)量距離與輸出模擬電壓關(guān)系：2.4V~0.4V模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)10cm~80cm，輸出與距離成 反比非線性關(guān)系。 這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是體積小，測(cè)量準(zhǔn)確，電源電壓與輸出信號(hào)都較常規(guī)，一般單片機(jī)系統(tǒng)都可直接使用。 缺點(diǎn)是成本較高，購(gòu)買(mǎi)途徑較少。 超聲波測(cè)距傳感器：超聲波測(cè)距傳感器也是一種很常見(jiàn)的測(cè)距傳感器，依靠超聲波的發(fā)射與反射接收中的時(shí)間差來(lái)判斷距離。
超聲波測(cè)距傳感器外形圖 超聲波測(cè)距傳感器規(guī)格很多，測(cè)試距離也從遠(yuǎn)到近都有，價(jià)格相差也較大，一般機(jī)器人愛(ài)好者使用的都是測(cè)量范圍在最小幾厘米到最大幾米之間。 超聲波測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量范圍較大，且不是使用光學(xué)信號(hào)，所以被測(cè)物體的顏色對(duì)于測(cè)量結(jié)果沒(méi)有影響。 缺點(diǎn)是成本較高，由于是依靠聲速測(cè)距，所以對(duì)于一些影響聲速的因素較敏感，比如溫度、風(fēng)等。最大允許角度較小。 3、亮度： 很多個(gè)人朋友制作的機(jī)器人都需要判斷環(huán)境光的亮度，這個(gè)時(shí)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(jiàn)光強(qiáng)度變化而阻值發(fā)生變化的電阻，可以根據(jù)其阻值的變化判斷出光強(qiáng)。
光敏電阻實(shí)物圖 光敏電阻的使用也非常簡(jiǎn)單，只要將它當(dāng)做普通電阻接入電路，只要根據(jù)電流變化便可得出電阻的變化，進(jìn)而判斷出光強(qiáng)的變化。 優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、可靠性好、測(cè)量準(zhǔn)確。 缺點(diǎn)：暫無(wú)。 4、速度 機(jī)器人自身的行走速度對(duì)于判斷機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和機(jī)器人所在位置非常重要，這里我們主要討論一下機(jī)器人小車(chē)運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量。 機(jī)器人小車(chē)依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪子來(lái)運(yùn)動(dòng)，因此測(cè)量機(jī)器人小車(chē)的速度可以歸結(jié)為測(cè)量驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 那么怎么測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速呢？ 測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速有很多種方法，比較適合個(gè)人機(jī)器人愛(ài)好者的是光電編碼器。 光電編碼器也有很多種，在個(gè)人機(jī)器人上比較常見(jiàn)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(jié)構(gòu)為在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上加一個(gè)圓形的黑白相間碼盤(pán)（很多都是粘在輪子上），距離碼盤(pán)很近的距離固定一個(gè)紅外發(fā)射接收一體模塊，利用黑白色對(duì)紅外線的吸收率不同，紅外線照射到黑色部分時(shí)，大部分被吸收而無(wú)反射信號(hào)；紅外線照射到白色部分時(shí)，大部分紅外線被反射回來(lái)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射信號(hào)。當(dāng)碼盤(pán)隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外接收端的輸出信號(hào)便是一個(gè)由旋轉(zhuǎn)速度決定頻率的方波。進(jìn)而我們便可知道此時(shí)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
碼盤(pán)外形圖 透射式檢測(cè)原理與反射式相似。唯一的不同是沒(méi)有上圖中的那種黑白相間的碼盤(pán)，而是在光柵圓盤(pán)上開(kāi)了一圈小孔，紅外線或可見(jiàn)光的發(fā)射端與檢測(cè)端分別位于光柵圓盤(pán)的兩側(cè)，同樣是利用光柵圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)以后產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來(lái)檢測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
光柵盤(pán)式光電編碼器原理圖 其實(shí)這兩種傳感器從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)都屬于光電傳感器，這類(lèi)傳感器的特點(diǎn)是價(jià)格便宜，結(jié)構(gòu)可靠，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是對(duì)于安裝位置要求較高，因此建議大家購(gòu)買(mǎi)電機(jī)時(shí)選擇配備了光電編碼器的電機(jī)，免去自己安裝可能帶來(lái)的種種問(wèn)題。 檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，除了光電傳感器之外，還有一些利用磁效應(yīng)原理的傳感器，汽車(chē)上經(jīng)常使用這種傳感器，我這里不再詳細(xì)介紹了。 5、地面灰度 很多人最開(kāi)始做的機(jī)器人小車(chē)基本功能就是循線，白色的地板上貼著一條黑線，讓機(jī)器人小車(chē)沿著地面的黑線前進(jìn)。很多機(jī)器人高手都是從類(lèi)似的作品成長(zhǎng)起來(lái)的。因此有必要介紹一下檢測(cè)地面灰度的常用傳感器。 可見(jiàn)光地面灰度檢測(cè)器：所謂的可見(jiàn)光地面灰度檢測(cè)器，就是使用一個(gè)發(fā)光裝置與一個(gè)光敏電阻搭配，裝在機(jī)器人底部離地面較近的一個(gè)位置上。利用不同顏色對(duì)可見(jiàn)光的吸收程度不同的原理來(lái)檢測(cè)地面灰度。發(fā)光裝置發(fā)射可見(jiàn)光，照射到不同顏色上面后反射光的強(qiáng)度會(huì)有一定的差異，根據(jù)光敏電阻的返回值便可知道現(xiàn)在機(jī)器人下面的地面顏色。
一種利用發(fā)光二極管作為發(fā)光裝置的地面灰度檢測(cè)器 我當(dāng)初做的時(shí)候最初是自己弄了個(gè)小燈泡，可是效果不理想，后來(lái)?yè)Q了個(gè)摩托車(chē)上的6v燈泡，效果好多了，就是電池受不了。后來(lái)買(mǎi)了個(gè)與圖中差不多的灰度傳感器，耗電量下來(lái)的，檢測(cè)效果也還可以，但是還是會(huì)有漏測(cè)的現(xiàn)象，而且容易受到環(huán)境光的干擾。于是后來(lái)就使用了一種非可見(jiàn)光的檢測(cè)方式。 紅外線地面灰度檢測(cè)器：前面介紹光電編碼器的時(shí)候已經(jīng)提到了，反射式光電編碼器的碼盤(pán)由黑白相間的條紋組成，利用黑白顏色對(duì)紅外線的吸收程度不同來(lái)檢測(cè)碼盤(pán)的旋轉(zhuǎn)。其實(shí)如果引申一下，把機(jī)器人巡線的場(chǎng)地看成一個(gè)大碼盤(pán)，其實(shí)也是黑白相間，這樣每當(dāng)機(jī)器人越過(guò)一條白線，就相當(dāng)于光電編碼器上的碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)最小角度，光電編碼器的輸出高低電平便會(huì)變化一次。 這種檢測(cè)方式比較準(zhǔn)確，很少出現(xiàn)漏檢的情形，抗干擾能力也比較強(qiáng)，唯一的劣勢(shì)就是對(duì)傳感器本身的離地間隙要求較高，高一點(diǎn)或矮一點(diǎn)都不行。因此便對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)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(cè)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(yīng)用來(lái)決定了。 6、其他 以上這些是我個(gè)人比較熟悉，并且在個(gè)人愛(ài)好者中應(yīng)用比較廣泛的幾種傳感器，微電子領(lǐng)域的發(fā)展速度是日新月異的，每天都在有各種各樣的新傳感器問(wèn)世，很多以前高不可攀的傳感器如今也變成了幾塊錢(qián)甚至幾毛錢(qián)一個(gè)，因此經(jīng)常去電子市場(chǎng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，關(guān)注一下最新的傳感器信息都是必要的。 其他制作個(gè)人機(jī)器人常用的傳感器還有數(shù)字指南針、加速度傳感器等，一般都是用在比較復(fù)雜的應(yīng)用上，本篇文章的面向?qū)ο笫菧?zhǔn)備制作第一個(gè)機(jī)器人作品的新手朋友們，因此就不再詳細(xì)介紹了，有興趣的朋友可以自己去了解一下。 來(lái)源：機(jī)器人天空 |
