(论文)自动机器人红外阵列巡线系统设计

华南理工大学 华南理工大学 毕业设计（论文）说明书毕业设计（论文）说明书 题目 红外传感器阵列在行走机器人中的应用研究 院院 （系）（系） 电子与信息学院电子与信息学院 专专 业业 信信 息息 工工 程程 学生姓名学生姓名 徐徐 家家 俊俊 教研组（系） 、研究所负责人教研组（系） 、研究所负责人 黄黄 平平 教授教授 指导教师指导教师 翟敬梅翟敬梅 张张 铁铁 姚国兴姚国兴 2004 年年 6 月月 15 日日 华南理工大学学士学位论文 I 摘 要 摘 要 为了使机器人可以沿着地面指示白线行走， 机器人需要通过光电检测装置来获得 地面指示白线的信息。本文介绍一种红外传感器阵列在寻线行走机器人中的应用，采 用滑动脉冲驱动红外传感器，显著降低了功耗，减少了数据采样延时，提高了传感器 的灵敏度。传感器的输出信号通过 A/D 转换成数字信号，微处理器对该数字信号进 行处理计算，所得结果即为指示白线的位置信息。文中论述了平均值法、边缘检测法 等数据处理算法，其中边缘检测法在实际应用中取得了良好的效果，增强了寻线系统 抗干扰能力和适应性。 关键词关键词：机器人； 红外传感器； 寻线； 单片机； 信号处理 华南理工大学学士学位论文 II Abstract A photoelectric line-tracking system must be used to assist a robot walking along an indicated white line on the ground. This paper describes a infrared sensor array and its application in a line-tracking robot. The infrared array is driven by a sliding plus. This method has many advantages, such as decreasing power consumption of the system and saving the time of sampling the output analogy signal of sensors. The sensibility of the infrared sensor is developed too. The output signal of the sensor is converted to digital signal by an A/D converter. A single-chip microcomputer deals with those digital signals and calculates the position of the indicated white line. In the paper, presents several algorithms, such as average value algorithms, edge detection algorithm and so on. It is proved by experiment that the edge detection algorithm works stably and reliably. KeywordsKeywords: robot; infrared sensor; line-tracking; MCU; signal processing 华南理工大学学士学位论文 1 目录 目录 摘 要 . I ABSTRACT . II 摘 要 . I ABSTRACT . II 第一章 绪 论 . 3 第一章 绪 论 . 3 1.1 行走机器人的运动 . 3 . 3 1.2 检测对象特征. 3 . 3 1.3 本文安排. 3. 3 第二章 方案选择 . 5 第二章 方案选择 . 5 2.1 方案介绍. 5 . 5 2.1.1 方案一 采用 CCD 图像采集识别 5 2.1.2 方案二 利用模块化光电传感器 5 2.1.3 方案三 采用量化输出电平的红外传感器阵列 6 2.2 方案选择. 6 . 6 2.3 本章小结. 6. 6 第三章 红外探头特性分析 . 7 第三章 红外探头特性分析 . 7 3.2 光敏三极管特性. 7 . 7 3.3 红外探头探测能力试验曲线. 9 . 9 3.3 本章小结 11 11 第四章 系统硬件设计 12 第四章 系统硬件设计 12 4.1 行走机器人系统结构 12 12 4.1.1 机器人整体结构 . 12 4.1.2 底盘行走机构 14 4.1.3 控制系统 14 4.2 传感器系统设计 15 15 4.2.1 检测点的布局 15 4.2.2 位置偏差的计算 16 4.2.3 红外发光二级管驱动方式设计 17 4.2.4 多路信号采集量化 19 华南理工大学学士学位论文 2 4.3 寻线硬件系统总体结构 20 20 4.4 红外发光管恒流源电路 22 22 4.4.1 精密电压基准电路 22 4.4.2 V-I 变换器 . 23 4.4.3 恒流驱动电路设计 23 4.5 红外传感器接受信号前置放大电路 24 24 4.6 传感器驱动选通电路 24 24 4.7 传感器输出信号选通处理电路 25 25 4.8 红外发光管驱动和信号选通处理的同步 27 27 4.9 本章小结 28 28 第五章 数据处理算法研究 29 第五章 数据处理算法研究 29 5.1 寻线中的干扰 29 29 5.2 纵向白线的检测 29 29 5.2.1 平均值法 30 5.2.2 边缘检测法 31 5.2.3 方案选择 33 5.4 检测横向白线的算法 34 34 5.5 二值化数据的处理算法 35 35 5.3 本章小结 36 36 结论 . 37 参考文献 . 38 结论 . 37 参考文献 . 38 华南理工大学学士学位论文 3 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 行走机器人的运动 机器人在行走过程中，需要通过传感器对环境的感知或外界信息的注入，来决策 行走的路线。在一种自动行走机器人的应用中，要求机器人能够沿着地面上的指示白 线到达指定的地点，并通过地面的白线来定位，识别自身在场地中的位置。为此，机 器人需要一个能够检测地面白线的装置， 完成这种功能的光电检测装置通常被称为寻 线装置。 寻线系统检测出地面白线的位置， 来控制机器人的驱动系统， 使机器人准确、 自动地到达预定地地点，完成预定地任务。 1.2 检测对象特征 寻线机器人行走场地的背景为墨绿色，在场地中画有约 30mm 宽的白色指示线， 如图(1-1)。这些白色的指示线就是机器人的行走路线，机器人将沿着这些白线自动 行走，到达各个目的地。整个场地的效果图如图(1-2)所示。光电检测装置检测的对 象就是这种背景地面的指示白线。场地上等距离分布着横向和纵向的白线，机器人可 以寻着纵向的白线直线行走， 通过计数经过的横向白线条数， 就可以知道自身的位置， 从而执行在不同地点的任务。 图(1-1)地面的指示白线 图(1-2)整个场地的效果图 1.3 本文安排 本文论述了一种自动机器人的寻线系统，全文安排如下： 第一章介绍了行走机器人的运动特点和寻线机器人检测对象的特征。 第二章比较了三种自动机器人寻线方案的优劣，并选择了最佳方案。 华南理工大学学士学位论文 4 第三章简要介绍了所选用的光敏器件特性， 对所选用的红外传感器进行了探测能 力试验，然后分析了试验数据，为后文的系统设计奠定了基础。 第四章简单介绍了机器人机械结构，电子控制系统。详细分析介绍了寻线系统的 硬件设计，给出了总体电路图，并对各个单元电路的设计原理进行了分析。 第五章研究了寻线传感器信号处理算法，提出了识别纵向指示白线的平均值算 法、边缘检测法，以及识别横向指示白线的算法和二值化数据抗干扰的处理方法。 华南理工大学学士学位论文 5 第二章 方案选择 第二章 方案选择 2.1 方案介绍 2.1.1 方案一 采用 CCD 图像采集识别 2.1.1 方案一 采用 CCD 图像采集识别 电荷耦合器件 CCD(Charge Couple Device)是一种 MOS(金属-氧化物-半导体)结 构的新型器件。它具有光电转换、信号存储和信号传输的功能，在图像传感、信息处 理和信息存储方面应用广泛。使用 CCD 摄像头可以有两种识别方式，一种是采用固定 的摄像头，对整个场地进行摄像识别；另一种把摄像头固定在机器人上，对机器人附 近的环境进行识别。 2.1.2 方案二 利用模块化光电传感器 2.1.2 方案二 利用模块化光电传感器 利用自带光源的反射式可辨色差的模块化工业用光电开关， 例如 OMROM 公司 生产的 E3XR-CE4T 光纤式光电传感器，原理图和外观如图(2-1)。它的工作原理是 (a) (b) 图(2-1)(a)光纤式光电传感器原理图(b) 光纤式光电传感器外观图 华南理工大学学士学位论文 6 接收自己发射的红色脉冲调制光波辨别反射物的灰度，内部自带放大电路，可微调检 测距离 030mm。采用这种模块化光电开关组成阵列，来检测白线位置。 2.1.3 方案三 采用量化输出电平的红外传感器阵列 2.1.3 方案三 采用量化输出电平的红外传感器阵列 利用红外对管组成传感器阵列，红外发光管发出红外光线，光敏接受管接受地面 的反射光，接受管接受到的发射光强随地面反射物体的颜色不同而变化，传感器输出 的电压值也随之而变化。把每个红外传感器输出信号都量化成数字信号，再通过适当 的算法，识别出白线的位置。 2.2 方案选择 方案一使用 CCD 的优点在于获取外界的信息量丰富，可以根据场上动态即时改 变策略。但是其硬件结构复杂，数据量和运算量很大，对系统的运算能力要求高，现 有的成熟技术都是以 PC 机为核心的，成本高、识别软件设计难度大。且要求被识别 的场地光照稳定，因为 CCD 无法适应被摄物大范围的亮度变化。另外采用图像识别 的视觉系统， 视觉信息处理复杂， 识别结果传到决策和控制系统有相当长的时间延时， 当机器人以高速运动时，由于机器人本身运动惯性，难以在高速情况下及时纠正沿指 示白线行走时的偏差。 方案二采用的模块化光电开关组成阵列，来检测白线位置。工业用传感器性能可 靠，但它的输出只能是 0 或 1 的二值信号，信息量少，最大的问题是虽然每个传感器 的触发阈值虽然可调，但只能调整成固定的阈值，对探测场地的适应性差。 方案三采用红外光电传感器阵列，近距离红外传感器体积小，安装方便，对环境 的要求不高，而且可以防止外部可见光线的干扰。传感器阵列中每个传感器输出的模 拟电平通过 A/D 转换成数字信号输送至中央处理器，进行软件处理，可以采用灵活的 算法，尽量减小外界的干扰，而且判断的阈值可以通过计算得出，随着检测对象的变 化而自适应的改变， 同时传感器输出信号值之间的相关性也可以用来识别指示白线和 滤除干扰。红外线传感器阵列输出的数据量不大，数据处理的时延较小，适合采用单 片机控制的系统。基于以上原因，本设计采用此方案。 2.3 本章小结 本章中介绍了三种寻线系统方案：CCD 图像采集识别法、利用模块化光电传感器 和采用量化输出电平的红外传感器阵列。通过从系统复杂度、处理速度和系统性能等 方面对三种方案的比较，最终决定采用量化输出电平的红外传感器阵列。 华南理工大学学士学位论文 7 第三章 红外探头特性分析 第三章 红外探头特性分析 3.2 光敏三极管特性 光敏三极管的结构与一般晶体管的类似，但也有特殊之处。它有两个 PN 结，be 结和 bc 结，其中 bc 结作为受光结，其作用相当于一个光敏二极管。受光结必须反向 偏置，以有利于漂移电流的收集，这和普通三极管 bc 结必须反向偏置是一样的。当 受光结受到光照时，c 区和 b 区的少数载流子数大增，使 b 区的电流增加，这相当于 在三极管的基区输入了基极电流， 从而在集电极回路中便可以得到一个比基极电流放 大了(1)倍的集电极电流。由此可见，光敏三极管在进行光电转化时，还有放大 作用，其灵敏度比光敏二极管的高。 (a) (b) 图(3-1) 光敏三极管 (a)结构简化模型 (b)接线图 光敏三极管亦有 PNP 型和 NPN 型之分，NPN 型光敏三极管如图(3-1)所示。有的光 敏三极管只有集电极和发射极两根引线，有的光敏三极管有三根引线，可以在基极和 发射极之间连接一个 5k左右的电阻，以使光电流与暗电流之比增大。光敏三极管 有一个感光面，使光线能射在受光结上。 (a) (b) R1E NPN ce b 华南理工大学学士学位论文 8 (c) (d) 图(3-2) 光敏三极管的特性 （a）伏安特性(b) 光照特性(c) 光谱特性(1-硅管 2-锗管)(d) 频率特性 光敏三极管的主要特性参数如下： 1)伏安特性 光敏三极管的伏安特性如图(3-2)(a)所示。其形状与一般晶体三极 管的输出特性相似。由光敏三极管的工作原理可知，只要将入射光照射在受光结上所 产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体三极管。由于三极管 的放大作用，在同样的照度下，其光电流比相应的光敏二极管大几十倍。 2)光照特性 硅光敏三极管的光照特性如图(3-2)(b)所示。光照特性与二极管相 比起始部分增长较慢，且在光照足够大（几千勒克斯）时有饱和现象，这是由于三极 管的电流放大系数在电流太大或电流太小时都要减小之故。 3)光谱特性 光敏三极管的光谱响应频段为 0.51.7um，峰值波长为 1.4um；硅 光敏三极管响应频段为 0.41.0um，峰值波长为 0.8um,如图(3-2)(c)。因此，红外光 的探测多采用锗管，而可见光或赤热物体的探测多采用硅管。 4)频率特性 指光电流与光照调制频率之间的关系。 光敏三极管的频率响应约为 23kHz,比硅光敏二极管差，而且受到负载电阻的影响，减小负载电阻能提高频率响 应。频率特性如图(3-2)(d)所示。光敏三极管的响应时间约为 550us。 5)温度特性 光敏三极管的光电流对温度不甚敏感， 但其暗电流受到温度的影响 较为严重.在一定温度范围内，温度对光电流的影响较小。光敏三极管在高光照度下 工作时，由于光电流比暗电流大的多，故温度的变化对其影响较小。在低光照度下工 作时，因光电流的数值较小，暗电流受温度的影响就必须给予考虑，应在线路中采取 适当的温度补偿措施。对于调制光信号电路中的光敏三极管，其输出电流是在暗电流 上再叠加上与调制频率相同的光电流，只要在光敏三极管的输出回路上，加上一个隔 值电容，即可以避免温度升高对输出信号的影响。 在使用光敏三极管时，应注意光电流、工作电压、耗散功率、环境温度等不得超 过规定的最大极限参数，另外还应注意入射光的方向，因为光敏三极管的灵敏度与入 射光的方向有关。 华南理工大学学士学位论文 9 3.3 红外探头探测能力试验曲线 红外传感器选用发射接受一体封装的反射式红外对管，型号为 TR-9909，其特性 参数图表(3-1)，外观如图(3-3)。 表(3-1) 红外对管特性参数 图(3-3) 红外对管外观 机器人行走场地底色为墨绿色，在场地上有横向和纵向间距 50cm，宽 3cm 的白 色指示线如图(1-1)所示。机器人沿着这些白线自动行走，到达各个目的地，执行相 应的任务。红外探头探测的对象就是白线和墨绿色地板，针对这些对象，进行了红外 传感器探测能力的试验。测试电路如图(3-4)所示，红外发射二极管由 75mA 的恒流源 1 I 驱动，输出端电压 Vout=5-IcR2。当反射回来的红外光强增大时，光敏三极管的集 电极电流 Ic 随之增大，输出端电压 Vout 随之减小。即反射越强烈，输出的电压值越 图(3-4) 红外探头探测能力试验电路 小。输出的电压经过 8 位 AD 变成数字信号采集记录在表(3-2)。本文中所有的传感器 输出电压值，没有特殊说明的都是经过 8 位 AD 量化后的数据，实际的电压值约为量 化值乘以 0.02V。 参数 条件 数值 单位 Vf If=20mA Max. 1.6V Ir Vr=5V Max. 10uA ICEO Vce=10V Max. 100nA IL If=20mA Vce=5V Min. 200mA Vce(sat) If=20mA Ic=0.2mA Max. 0.4V Tr Ic=2mA RL=100 Typ. 4 u sec R1R2 +5 I1 75mA Vout 华南理工大学学士学位论文 10 表(3-2) 试验所得红外探头特性数据 试验条件：红外发射二极管驱动电流 75mA R160 R220K 电源电压 5V 距离(mm) 0 5 10 15 20 25 30 白色物体 8 9 10 11 12 13 16 绿色物体 10 10 11 12 16 57 96 黑色物体 12 16 96 148 177 194 203 距离(mm) 35 40 45 50 55 60 65 白色物体 22 58 86 107 124 141 154 绿色物体 123 144 160 172 182 192 198 黑色物体 211 216 220 224 225 227 229 距离(mm) 70 75 80 85 90 95 100 白色物体 165 176 185 192 199 204 209 绿色物体 204 209 213 217 220 224 225 黑色物体 230 231 232 233 234 235 235 距离(mm) 105 110 115 120 125 130 135 白色物体 213 216 219 221 224 225 226 绿色物体 226 228 229 230 231 232 233 黑色物体 235 236 236 236 236 237 237 距离(mm) 140 145 150 155 160 165 170 白色物体 227 228 229 230 231 231 232 绿色物体 233 234 234 234 234 235 235 黑色物体 238 238 240 240 240 240 240 由红外探头的探测特性曲线图(3-5)可见，在相同距离时，红外探头对不同颜色 物体的响应是不同的，对白色物体的敏感程度最高，绿色次之，黑色最低。这与不同 颜色物体反射光线的能力相符，另外物体表面的粗糙程度对反射的强弱也有很大影 响。对黑色物体的探测，随着距离的增加，衰减的很快，曲线在小于 40mm 的范围内 斜率很大，大于 40mm 后，黑色物体的反射差别就很小。对于机器人需要分辨的白色 线条，和绿色的背景，在距离大于 25mm、小于 100mm 的范围，输出的电压值有比较 华南理工大学学士学位论文 11 图(3-5) 试验所得红外探头的探测特性曲线 大的差别。其中在 40mm 到 60mm 之间的差值最大，所以红外探头离地面的安装距离要 在 40mm 到 60mm 之间。 3.3 本章小结 本章介绍了光敏三极管的特性和红外线传感器探测能力的试验， 然后对试验数据 进行了分析，从分析的结果可以看出，传感器对不同颜色物体具有敏感性，但同时也 看到对反射物体距离也很敏感， 所以在系统的软硬件设计中要考虑如何减小传感器离 地面距离的变化对寻线的影响。 0 50 100 150 200 250 300 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 物体距离(mm) 输出电压 白色物体 绿色物体 黑色物体 华南理工大学学士学位论文 12 第四章 系统硬件设计 第四章 系统硬件设计 4.1 行走机器人系统结构 4.1 行走机器人系统结构 4.1.1 机器人整体结构 4.1.1 机器人整体结构 自动机器人主要由车体、底盘机构、寻线机构、提升机构、夹紧机构、导向机构 等部分组成，如图(4-1)。它的寻线机构是可以收放的，上面安装有寻线传感器阵列。 机器人实物外形图片如图(4-2)，寻线探头如图(4-3)所示。 图(4-1)机器人整体结构框图 华南理工大学学士学位论文 13 图(4-2)机器人实物照片 图(4-3)寻线传感器阵列 华南理工大学学士学位论文 14 4.1.2 底盘行走机构 4.1.2 底盘行走机构 机器人底盘行走机构如图(4-4)所示，驱动轮位于车体后面，分居两侧，整个驱 动轮由编码器，弹性联轴器，编码器固定套筒，驱动电机，减速箱，电机法兰，刚性 联轴器，驱动轮轮毂，驱动轮轮胎，垫片，螺母螺钉若干和固定支架等等组成。车体 前部是两个导向轮，导向轮和驱动轮呈现矩形状分布，这样，车体的重量便比较均匀 地分布在前后左右四个方位上，保证了车体的平稳性与抗冲击性，有利于车体的直线 行走，可轻易地实现车子的拐弯，停车，急刹车等动作。 图(4-4)机器人底盘机构 4.1.3 控制系统 4.1.3 控制系统 行走机器人整个控制系统由三个子系统组成：寻线子系统、底盘驱动子系统和主 控上位机。每个子系统都采用 AT89S52 单片机为核心控制芯片，AT89S52 单片机是一 种哈佛结构低功耗、高性能 8 位 CMOS 微控器，片内含有 8KB Flash 程序存储器。子 系统之间利用 AT89S52 串口，以半双工的通信方式连接起来，如系统框图(4-5)所示。 实物线路板如图(4-6)。 图(4-5) 控制系统框图 主控上位机 RXD TXD 寻线子系统 RXDTXD 底盘驱动子 系统 RXDTXD 各开关量传感器输入 动作电机控制信号 寻线红外传感器 阵列信号输入 驱动电机编码器 华南理工大学学士学位论文 15 1)主控上位机 安装在机器人上感知环境的各种传感器，如接近开关、避障光电 传感器、光纤传感器、槽型开关等，采集到的信号全部输入到主控上位机，同时机器 人所有的动作电机也受上位机控制。上位机分时间片，每 10ms 查询一次寻线下位机 和底盘驱动下位机，接受寻线系统探测到的地面白线的位置，发送底盘行走命令给底 盘驱动子系统，并接受机器人行走距离信息。主控上位机就像机器人的大脑，通过综 合各种传感器和下位机发送的数据信息，来决策即将要执行的动作，并控制各个子系 统的运作。 2)寻线子系统 寻线下位机不断采集处理红外寻线阵列的信号， 通过自适应的算 法，识别出指示白线和各个位置标志，在主控上位机查询时，把这些位置信息及时发 送给上位机。 3)底盘驱动子系统 机器人行走的底层控制系统， 采用两片 LM629 分别控制左右 两个电机，一片 AT89S52 单片机控制驱动子系统，并负责与主控上位机通信。LM629 是一款专用运动控制器，在一片芯片内集成了数字式运动控制器的全部功能，适用于 多种直流电机、无刷直流伺服电机以及其它可提供增量式位置反馈信号的伺服机构， 可完成高性能数字式运动控制所需的集中、实时的计算任务，提供 8 位的 PWM 调制信 号和方向信号直接驱动桥式电路。 底盘驱动子系统在上位机查询寻线子系统时， 同时监听寻线子系统发送的寻线信 息，用于寻线行走时闭环控制的反馈信息。在上位机查询底盘驱动子系统，接受到主 控上位机的底盘行走控制命令， 同时发回上次查询到这次查询的时间间隔内所行走的 距离值。底盘驱动子系统结合寻线反馈信息，执行上位机发送的行走控制命令，如寻 线前进后退、零半径转弯、刹车、锁定地面白色十字线等行走动作。 (a) (b) (c) 图(4-6) 机器人控制系统 (a)主控上位机线路板(b)寻线系统线路板(c)驱动线路板 4.2 传感器系统设计 4.2 传感器系统设计 4.2.1 检测点的布局 4.2.1 检测点的布局 华南理工大学学士学位论文 16 为了实现机器人行进过程中对指示白线的识别跟踪，机器人在车体前、后部各安 装了一套寻线检测系统，每套寻线检测系统由 15 个检测点组成，如图(4-7)所示。分 成两排安装，一排 11 个检测点，用于白线位置检测；另一排 4 个检测点，用于判断 横向白线的浮动阀值的计算。 检测点的数量越多、越密，识别的准确性和可靠性就越高，但是这样硬件的复杂 度和软件处理的开销就相应的增加，在不增加检测点数量的情况下，为了扩大机器人 的纠偏差的范围，将检测点排列成非线性的结构，相对于指示白线的中心线成对称分 布，如图(4-7)所示。中间的三个检测点分布于指示白线的左右两条边沿，使检测点 相对于白线的位置变化较为敏感。两侧的四个检测点分布较为分散，主要是为了在机 器人转弯或跑偏时大范围捕捉白线用。 图(4-7) 检测点分布图 剩下的另外一排四个检测点分布于红外探头阵列的两侧，正常偏差不太大的情况 下，都不会在白线上。这四个探头检测到的背景电平主要作为判断横向白线的浮动阀 值计算，也作为识别纵向白线数据的一部分。采用前后两排紧靠着安装的形式，有利 于提高传感器阵列对有多个背景色的行走场地的适应性。 当机器人从一种背景颜色的 区域进入另一种背景颜色的区域时，只有在两排传感器处在不同色区的一小段距离 内，不同的背景色才对传感器阵列有影响，在数据处理软件上做适当的处理，就可以 把这种影响减小到最低限度。 4.2.2 位置偏差的计算 4.2.2 位置偏差的计算 当机器人行走过程中偏离了指示白线的方向，底盘驱动子系统根据寻线系统输入 的指示白线位置状态就可以计算出自身当前位置的偏差值， 再将偏差值转换为两个驱 动电机运动的路程差，来纠正机器人的运动方向。 华南理工大学学士学位论文 17 d1 d2 图(4-8)机器人运动偏向示意图 如图(4-8)所示，设机器人前端中心偏离指示白线中心线的距离为 1 d，后端中心 偏离指示白线中心线距离为 2 d，机器人两个轮子之间的距离为 n d ，前后两排寻线传 感器阵列安装距离为 m d ,机器人中心线与指示白线中心线的偏角为，则 (4-1) 为纠正机器人的偏差角，两个驱动轮要运动的路程差 (4-2) 4.2.3 红外发光二级管驱动方式设计 4.2.3 红外发光二级管驱动方式设计 机器人安装的两套寻线系统共有 30 路传感器及其驱动电路和信号处理电路，每 一路传感器均由红外发光管、红外光电管、发光管驱动电路、光电管信号选通处理电 路等组成。一个红外发光管的驱动电流可达 100mA，功耗接近机器人一个动作电机 图(4-9) 红外发光管驱动电路方框图 )( 21 m d dd arctg + = 2/ n dS= 华南理工大学学士学位论文 18 空载运行时的功耗，多个发光二极管一起工作的功耗是非常大的。行走机器人一般都 采用蓄电池供电，如此大的工作电流是无法接受的。从减轻机器人总体重量，提高运 动灵活性，延长电池使用时间的角度出发，必须在不影响传感器性能的前提下，尽可 能降低功耗。为此，采用脉冲方式驱动红外发光管，只有在 A/D 采样某路传感器信 号的期间，这一路的红外发光二极管才工作，这样在保证红外传感器性能的同时，使 其功耗降低了一个数量级。系统设计框图如图(4-9)所示。 由前述的光敏三极管频率特性，可知一般光敏三极管的响应时间为 550us。当 通道选择电路选通某一路红外传感器时，红外发光二极管的驱动电路才开始工作，驱 动电流达到稳定需要一定的时间 stable t,光敏管的响应时间为 reponse t， 那么理论上每一路 至少要延时 (4-3) A/D 才能开始采样。如果每一路都延时再进行 A/D 变换，15 路传感器的循环采样一 次的时间是相当可观的。当机器人在高速行走中，最高速度可达 2m/s，若采样周期 是 5ms，则两次采样的时间间隔内机器人已经行走了 1cm 的距离，上位机响应寻线 采集的信息还需要一定的时间，实际响应的时延要大于寻线采样的周期。对 15 路传 感器采样是通过顺序的方式一个一个进行的， 要尽量保证在空间一条直线上采集完所 有 15 路数据，所以采样的周期要尽可能的短。 图(4-10) 红外发光管驱动流程 图(4-11) 驱动波形图 实际上当一路在延时等待光敏管响应稳定或 A/D 量化过程中，下一路或多路的 红外发光管可以提前驱动，等到这一路 A/D 采集量化结束，就可以直接进行下一路 responsestabledelay ttt+= 华南理工大学学士学位论文 19 的采集量化，就像 CPU 的流水线工作过程一样，如图(4-10)所示。在周期 T1 中，第 n 路红外发光管被驱动；在周期 T2 中，第 n 路在延时等待光敏管输出信号稳定的同 时，第 n1 路红外发光管开始被驱动；在周期 T3 中，第 n 路传感器的输出模拟电平 被 A/D 量化，同时 n1 路在延时等待光敏管输出信号稳定，n2 路开始驱动。如此 循环运作直到全部传感器采样量化完毕。图(4-10)的驱动波形图如图(4-11)所示，高 电平表示驱动电路使能，红外发光管在工作中，除了最开始的一个周期，在同一个周 期内，都有两路同时被驱动。 图(4-10)的驱动波形中， A/D采样量化的时间要求和A/D变换前的延时时间相同， 若采用高速 A/D 来采集量化时，A/D 变换的时间比延时还要短，就会有无谓的延时。 为此，在这种情况下，当第 n 路传感器工作时，其后面的多路传感器都要开始驱动。 假设需要的延时时间是 A/D 采样量化时间的 3 倍，则可以采用同一周期内 4 路传感 器同时驱动，采样量化其中的一路。图(4-12)是 8 路传感器，延时时间是 A/D 采样量 化时间的 3 倍。采用这种滑动驱动方式采样 8 路只需要 11 个周期时间，比每一路都 顺序延时再量化需要的 32 个周期，短了 2/3 的时间。 图(4-12) 8 路发光管滑动脉冲驱动波形 4.2.4 多路信号采集量化 4.2.4 多路信号采集量化 机器人车体安装了前后两套独立的寻线系统，每套寻线系统有 15 个红外传感器， 为了保证机器人在高速行进中，对 15 个点的采样在空间上尽量在一条直线上，要尽 可能的减少采样时间。为此，除了采用(4.2.3)节中介绍的滑动驱动方式设计外，还 设计了双 A/D 交替量化的模数转换电路。15 个红外传感器分成两组，一组 8 个传感 器、另一组 7 个传感器。两组传感器采用独立的信号选通、信号处理、发光管驱动和 A/D 变换电路，两组传感器的处理控制电路可以同时工作。系统设计框图如图(4-13) 华南理工大学学士学位论文 20 所示，由单片机协同两组控制处理电路工作，当其中一组电路处在如图(4-13)的延 图(4-13) 双 A/D 交替量化的模数转换电路框图 时等待状态时，单片机就可以去处理另一组电路的控制、量化工作。这样的交替工作 设计，把 15 路的采样时间压缩了一半。 4.3 寻线硬件系统总体结构 4.3 寻线硬件系统总体结构 整个系统的硬件原理结构框图如图(4-14)所示。15 路红外传感器分为两组，采 样双 A/D 交替进行模数变换。红外发光管驱动电路生成 8 路脉冲驱动信号，驱动红外 发光二极管发出红外光线照射到地面，产生漫反射，反射光进入红外光敏三极管后产 生光电流，其产生的光电流的大小随地面反射光的强弱而显著变化。红外光敏三极管 输出的信号经过通道选择电路和信号处理电路输送到 A/D 转换器转换成数字信号， 单 片机对采集的数字信号处理计算，所得结果就是地面的白线信息，再通过串行口发送 给上位机。寻线系统的电路图如图(4-15)所示。 图(4-14) 寻线硬件原理结构框图 华南理工大学学士学位论文 21 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12INT1 13 T0 14T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P0039 P0138 P0237 P0336 P0435 P0534 P0633 P0732 P2021 P2122 P2223 P2324 P2425 P2526 P2627 P2728 PSEN29 ALE/P30 TXD11 RXD10 U10 AT89S52 P34 RXD TXD P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P33 P35 RD# WR# ALE VCC RESET P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P32 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 1 2 3 J1 CON3 X0 13 X1 14 X2 15 X3 12 X4 1 X5 5 X6 2 X7 4 INH 6 A 11 B 10 C 9 VEE 7 X3 U4 SIG5 SIG6 SIG7 P14 P15 P16 SIG0 SIG1 SIG2 SIG3 SIG4 R8 R7 VCC RW6 R12 R11 VCC RW8 Vcc20 Vin 1 INT9 Vrf(-) 11 OFL18 Vrf(+) 12 DB02 DB13 DB24 DB35 CS 13 DB414 RD 8 DB515 WR/RDY 6 DB616 MODE 7 DB717 U8 ADC0820 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 RD# WR# VCC VCC P21 P23 VCC VCC Vref X0 13 X1 14 X2 15 X3 12 X4 1 X5 5 X6 2 X7 4 INH 6 A 11 B 10 C 9 VEE 7 X3 U5 SIG13 SIG14 SIG15 P14 P15 P16 SIG8 SIG9 SIG10 SIG11 SIG12 R10 R9 VCC RW7 R14 R13 VCC RW9 Vcc20 Vin 1 INT9 Vrf(-) 11 OFL18 Vrf(+) 12 DB02 DB13 DB24 DB35 CS 13 DB414 RD 8 DB515 WR/RDY 6 DB616 MODE 7 DB717 U9 ADC0820 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 RD# WR# VCC VCC P20 P22 VCC VCC Vref U1 R15 V+ 5 BJ1 D1 U3 R2 R1 RW1 Vref V+ C1 U2 R16 V+ 6 BJ2 D2 3 R4 +5 4 R6 +5 A1 B2 Q0 3 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 10 Q5 11 Q6 12 Q7 13 CLK8 MR9 U7 74ALS164 P11 P12 P10 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 3 74 6 1 8 1 R3 V+ V- RW2 RW3 V+ 2 3 74 6 1 8 2 R5 V+ V- RW4 RW5 V+ - - - - - 图(4-15) 寻线系统电路图 华南理工大学学士学位论文 22 4.4 红外发光管恒流源电路 4.4 红外发光管恒流源电路 红外发光二级管驱动的设计要点是保证通过红外发光 管的电流恒定。 由限流电阻组成的简单驱动电路如图(4-16) 所示，三极管作为电子开关，选通某一路驱动电路工作，实 现对发光二极管的脉冲驱动。流过发光管的电流为： (4-4) 图(4-16) 简单驱动电路 这种简单电路驱动红外发光管的电流与电源电压 有关，同时由于各个发光管 I-V、I-P 特性的不同，导致光输出功率不稳定，为了保 证整个红外阵列中每个红外传感器特性的一致，需要采用恒流源电路。电压电流变 换电路能将输入的电压信号变换成与之成比例的电流，在一定的负载内，如果输入的 电压不变，则输出的电流不变。所以恒流源可以利用电压基准源，转换为恒定电流的 方式来实现。 4.4.1 精密电压基准电路 4.4.1 精密电压基准电路 TL431 是三端可调并联稳压器，在应用工业温度范围类有较好的热稳定性。输出 电压可用两个外部电阻设置从 Vref(2.5V)到 36V 之间的任何值。器件的输出阻抗典型 值为 0.22，在 25C基准电压输出的偏差为正负 0.4%，吸收电流的能力为 1mA 到 100mA。其内部原理如图(4-17)(a)所示。TL431 的应用线路图如图(4-17)(b)所示，其 输出基准电压： (4-5) 若直接输出 Vref可采用线路图(4-17)(c)。无论输出电压多少，都要提供至少 1mA 的 阴极电流。 (a) (b) (c) 图(4-17) TL431 内部原理及应用电路 (a) TL431 内部原理图(b) TL431 输出可调电路图(c) 直接输出 Vref线路图 1 )( R VVV I satCEDcc D = refrefKA I R R VV+=)1 ( 2 1 华南理工大学学士学位论文 23 4.4.2 V-I 变换器 4.4.2 V-I 变换器 运算放大器开环增益很高，而且有宽的共模输入电压范围和很高的共模抑制比， 因此很适合构成电压电流变换器。 图(4-18)(a)是一个负载浮地的电压电流变换电路， 假设图中运放是一个理想的运算放大器，其开环增益足够高，就会有“虚短”和“虚 断” 的特性， 即两输入端的电位近似相等， 同时运放的输入端电流为 0。 则 E=VR2=IR1R2， 即 IR1=E/R2，在 E、R2 不变的情况下，负载 R1 上的电流 IR1不变，且与负载无关，实 电压电流变换电路现了电压电流的变换。 (a) (b) 图(4-18)电压电流变换器原理图 (a) 负载浮地的电压电流变换电路 (b)扩流的电压电流变换器 图(4-18)(b)所示的电路能输出较大的恒定电流，其原理与图(4-18)(a)完全相 同。运算放大器的输出反馈 R1 上的电压与基准电压 E 近似相等，且不受晶体管 VBE 的影响。运算放大器的输出电流仅为负载电流的 1/倍（为晶体管共发射集电流 放大倍数） 。因此，恒流源负载电流可以大大提高，如果将图中的晶体管改用达林顿 管，则恒流源的负载电流还可提高。 由于双极型晶体管(BJT)的 IB不会为 0，所以流过 R1 的电流 IR1=IB+ IR2，即流过负载 R2 的电流 IR2= IR1- IB。负载 上的恒定电流会受到晶体管基极电流 IB的影响。若将双极型 晶体管(BJT)改为场效应管(FET)，即可解决此问题。场效应 管(FET)是一种由电场强度来控制输出电流的半导体器件， 其 工作电流主要由多数载流子的漂流运动形成，同双极型晶体 管(BJT)比较，它具有输入阻抗高(最高可达 10 15以上)、热 图(4-19) 稳定性好、噪声低等优点。电路图如图(4-19)所示，场效应 FET V-I 变换器 管的栅极电流 IG=0，所以流过负载 R2 的电流 IR2=ID=E/R1。 4.4.3 恒流驱动电路设计 4.4.3 恒流驱动电路设计 在上述的方案中，利用场效应管(FET)构成的恒流源性能最佳，所以采用最后一 种电路。基准电压源由 TL431 构成， 15 路的 V-I 变换器共用一个电压源。 电路图 E R1 R2 E R1 R2 V+ E R R V+ 华南理工大学学士学位论文 24 2 3 74 6 1 8 OP17 R2 Vi Vo V+ V- RW1 RW2 V+ 如图(4-20)所示，三极管 BJ1 作为电子开关，用 作选通某一路驱动电路工作。运方采用 TL084， 其输入极是 JFET，因而输入阻抗很大，速度也比 较高。单芯片中有四个运方，这样有利于减少芯 片的个数，节省线路板的面积。设 TL431 输出恒 压值为 ref V，流过红外发光二极管的电流 (4-6) 式中 )(satCE V为三极管 BJ1 的饱和压降。 图(4-20) 恒流源电路 4.5 红外传感器接受信号前置放大电路 4.5 红外传感器接受信号前置放大电路 每个传感器通道的红外光敏三极管接受到的信号在送 到信号选择选通电路之前，需经过一级前置放大电路处 理，该电路基于高精度高速运方 OP-17，可以保证较高的 线性放大的要求。OP-17 采用超高工艺和“齐纳微调”技 术， 使得它的 VIOS、 IIOS、VIOS（输入失调电压漂移） 和 IIOS （输入失调电流漂移）都很小，广泛应用于积分、精密加 图(4-21)前置放大电路 法、比较、检波和微弱信号精密放大等。OP-17 要求双电 源供电，使用温度范围 070C。 前置放大电路如图(4-21)所示，电路的放大倍数为：Av=1+RW1/R2。调节 RW1 即可 改变该路传感器信号的放大倍数， 可以使每路传感器的探测性能达到一致的要求。 RW2 用于运方的调零， 电位器阻值可选 200K。 OP-17 一般不需要调零， RW2 也可以不用。 4.6 传感器驱动选通电路 4.6 传感器驱动选通电路 图(4-22)驱动选通电路 3 )( R VV I satCEref D = TL084 R3 V+ BJ1 D1 TL431C R210K R1 2K 50K 驱 动 端 Vref V+ C1 10uF 华南理工大学学士学位论文 25 传感器的红外发光管驱动采用 4.2.3 小节所述的方式， 15 路传感器分成两组来驱 动，为了产生图(4-12)的驱动波形，利用单片机控制串行移位寄存器，如图(4-22) 所示，串行移位寄存器 74164 串行数据输入端口 Din、异步置零端 CLRN 和移位脉冲 端 CLK,接到单片机的 I/O 口上，Q70分布用于控制 8 路红外发光管恒流电路。图 (4-23)是仿真的输入输出波形，单片机产生如图的 Din、CLRN 和 CLK 的输入波形，可 见输出的波形符合驱动的要求。 图(4-23) 驱动选通电路仿真波形图 4.7 传感器输出信号选通处理电路 4.7 传感器输出信号选通处理电路 信号选通电路基于单 8 路模拟开关 CD4051。它由电平位移电路、带禁止端 INH 的 8 选 1 译码器和由该译码器对各个输出分别加以控制的 8 个 CMOS 双向模拟开关组 成。如线路图(4-24)，CD4051 的 C、B 和 A 端是地址输入端，INH 是禁止端，其真值 表如表(4-1)所示。 由表可知当 INH1 时 （高电平） 所有的模拟开关均处于断开状态， 因而 X0X7端中的任一端都不与 X 端接通，信号不能传输。 只有在 INH0（低电平）时，才由 C、 表(4-1)CD4051 通道选择真值表 B、A 决定选通某一开关。CD4051 是双向多路 开关，传送的信号范围从 VEE到 VDD，如果 VEE 和 GND 相连，则只可传送 0VDD的信号，这 已经满足设计要求。CD4051 中的双向模拟开 关导通电阻 RON400，各通道导通电阻的 路差=10 on R