毕业论文-应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计

应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计I摘要利用工兵进行人工扫雷是各国最普通、最有效的方法之一，但人工探雷法误警高，且这种方法效率低下，常常还会造成士兵的伤亡，因此，世界各国都在探讨利用机器人代替工兵探雷排雷的新方法，本文选题有重要的意义。本文在分析现有扫雷机器人结构原理和扫雷机器人传感技术的基础上， 提出了利用硅光电池阵列组成扫雷车运动定位的新方法， 对利用硅光电池的扫雷定位原理、硅光电池选取、光电转换、信号处理等进行了分析。本文所研究的扫雷机器人，是利用光电池进行传感，通过光电池感受光线的偏移，通过算法运算， 从而得到控制扫雷车的导航系统。通过实验，硅光电池阵列扫雷机器人传感器满足实验室正在研制的扫雷机器人导航控制的要求。关键词 ：硅光电池传感，光电转换，跟踪控制应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计IIAbstractManual mine clearance is the use of engineering are most common and mosteffective methods, but manual mine detection method false alarm high and lowefficiency of this method is often also caused casualties among the soldiers, so all ofthe world use machines people instead of engineering a new method of mineclearance, topics of great importance to this article.This paper analyzes the structure of existing principles and mine clearance robotsrobot sensing technology based on the proposed use of the composition of siliconphotovoltaic arrays mine car sports a new methods of positioning, the use of siliconsolar cell of mine alignment, silicon solar cell selection, photoelectric conversion,signal processing are analyzed. This de-mining robot studied is the use of photovoltaiccells for sensing, feeling light through the optical cell migration, through thearithmetic operations to be controlled mine clearance vehicle navigation system.Through the experiment, silicon photovoltaic arrays mine robot sensors are beingdeveloped to meet the mine laboratory robot navigation control requirements.Key words： Silicon photocell sensor， Photoelectric conversion， Trackingalgorithm应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计III目录第一章 前 言.11.1 设计的背景及研究意义.11.2 扫雷机器人发展概况.21.2.1 机械式扫雷车 . 21.2.2 机械爆破联合式扫雷车 . 31.2.3 新型扫雷车 . 41.3 自主机器人导航系统设计实例.61.3.1 自主飞行机器人导航系统设计 . 61.3.2智能机器人车自主导航系统设计 . 81.4设计目标及内容.91.4.1 设计目标： . 91.4.2 设计内容： . 9第二章 基于硅光电池的扫雷车导航原理 .112.1 扫雷车导航原理 .112.1.1 光扫描 . 112.1.2 激光器的选择 . 122.2 传感器结构原理 .132.2.1 传感器结构组成 . 132.2.2 一个传感器的导航原理 . 142.2.3 两个传感器的导航原理 . 16第三章 光电转换与处理 .193.1 硅光电池的选择 .193.1.1 硅光电池的选择 . 203.2 硅光电池转换电路 .213.3 电压跟随器与电压比较器 .233.3.1 电压跟随器 . 233.3.2 电压比较器 LM339 . 253.4 7805稳压电源 .28第四章 整机装调装配 .31第五章 结 论 .34应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计IV第六章 技术经济分析报告.35参考文献.36致谢.38附录 1.39附录 2.40附录 3.41声明.421第一章前言1.1 设计的背景及研究意义地雷是一种爆炸性武器，通常布设在地面下或地面上，当目标进入其作用范围满足其动作条件时，即自行发火或由人工操纵爆炸。我国是使用地雷最早的国家，其使用历史可追溯到唐代，宋代由生铁铸成的震天雷已得到广泛使用，在明代中期就有了触发地雷的应用。由于地雷廉价高效，使用简单，除正规部队外，其他非正规武装也不加选择地使用地雷。在取得明显作战效果的同时，地雷对平民的伤害也日趋严重，极大地阻碍了战后重建与经济发展。有关资料显示，目前，世界上仍有 55 个国家生产各种地雷，仅杀伤人员地雷就有300 多种，年产量1000 万枚以上。从阿富汗到尼加拉瓜，从安哥拉到柬埔寨，全球有 68 个国家埋有近 1 亿枚未清除的地雷及其它爆炸物，其中伊拉克、阿富汗等国家有1000万颗以上；柬埔寨、安哥拉、莫桑比克、波黑等国家均有500万颗以上，更不要说许多地方还在不断埋下新的地雷。现在世界上每月有 2000 人死于地雷爆炸，每年约有 22.6 万人因触雷而丧生，地雷已使 25万人以上致残。因此，广大地雷受害国与国际社会要求限制使用地雷、清除“地雷污染”的呼声越来越高，扫雷行动刻不容缓。目前，传统的扫雷手段主要有如下几种，它们在大范围的国际人道主义行动面前具有较强的局限性。经过专门训练的警犬，可以利用其嗅觉发现深埋地下的地雷，从而有利于对地雷进行标识和排除。但是用狗探雷时，注意力集中的时间短，狗很快就会疲劳。狗可以相当有效地嗅出机场及其它面积有限的建筑物中的炸药，但用它探测大范围内的地雷时，则几乎不可能。利用工兵部队人工进行扫雷是各国最普通、最有效的方法之一，但总的来说，人工探雷法误警高，且这种方法效率低下，常常还会造成士兵的伤亡。在区域探雷和排雷过程中，越来越不受到欢迎。因此，世界各国都在探讨代替工兵探雷排雷的新方法、新手段。扫雷机器人也正是在这种背景产生的。硅光传感器在应用方面比传统的传感设备有明显的优势。 常见的车内导航系统如GPS，精度比较低，精准性差。而本题目选择的硅光传感器定位等级高，可以达到毫米级的精度，可以做到高精度导航。由于光技术的研究目前已达到了成熟水平，所以硅光传感器导航这一新技术的先进性不言而喻。本文所研究的扫雷机器人，是利用光电池进行传感，通过光电池感受光线的应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计2偏移，通过算法运算，从而得到控制扫雷车的导航系统。而导航系统正是扫雷机器人控制系统的核心组成部分。1.2 扫雷机器人发展概况根据查找到的资料显示，由于扫除反坦克地雷及杀伤地雷有不同的要求， 因而扫雷机器人大体上也分成两类，一类重点探测及扫除反坦克地雷，另一类重点探测及扫除杀伤地雷。前者多用现有军用车辆的底盘改造而成，体积较大;后者多为新研制的小型车辆。当然，有的车辆也可以同时扫除两种地雷。一般的探雷扫雷机器人主要由以下几部分组成:一辆普通的扫雷车，前面带有扫雷滚或犁;标准的机器人遥控系统;探雷用的传感器组件;道路标志装置等。 常见的扫雷机器人主要为以下几种：1.2.1 机械式扫雷车机械扫雷车就是用坦克推送安装在车体前面的扫雷滚、 扫雷犁或链锤等扫雷器材在雷场中进行扫雷作业。目前，各国军队装备的机械扫雷车，按开辟通路宽窄，可分为车辙式和全通路式，按工作原理则又可分为滚压式、犁掘式、锤击式和混合式4种。(l)滚压式扫雷车滚压式扫雷车是在坦克前面的导向轴上安装几组扫雷滚或.扫诊片轮而构成，由坦克推动前进，依靠扫雷滚自重压力的作用引爆地雷。扫雷滚之间，有扫雷链， 用于引爆装触发杆的反车底地雷。 前苏军20世纪50年代装备的-54/55型滚压式扫雷车属此类。这种车的特点是机械强度高,能承受压发地雷的爆炸冲击,而且滚轮在导向轴上能灵活运动,适宜在起伏度较小的地形上行驶,一般可经受810次地雷爆炸冲击而不损坏。(2)犁掘式扫雷车犁掘式扫雷车、又称扫雷犁是在坦克或装甲车前安装扫雷犁。它由一组带齿状犁刀和扫雷铲构成，扫雷铲刀铰接在车前的同一块支撑护板上，由驾驶员通过操纵装置。控制犁刀将地雷从土中犁出地面并推至通路两边。土中挖出地雷并推至道路两旁。前苏军 20 世纪 60 年代装备的-4 型犁掘式扫雷车、英军“奇伏坦”架桥车上安装的新式工程扫雷犁均起这种作用。犁掘式扫雷车的特点是结构简便、 自身质量小,犁挂上车后,不妨碍坦克驾驶员的视线,不影响车辆行驶速度,可在车内进行操作。 缺点是不能在冻土深度5厘应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计3米以上的地区和各种灌木丛地区作业。(3)锤击式扫雷车锤击式又称连枷式扫雷车，是一种可开辟全通路的专用扫雷车。它由转轴和链条组成，在转轴上装有若干根链条，其端部装有锤头，链条围绕转轴旋转， 以高速度锤击车辆前面的地面，引爆和摧毁地雷。行驶时.有的还可将扫雷装置翻转置于车顶部。前联邦德国和法国联合研制的快速扫雷器 LSM、英国“阿德瓦克”锤击式扫雷坦克都属此类。(4)混合式扫雷车混合式扫雷车是滚压式和犁掘式的组合，扫雷作业时，可根据地形、土质和地雷类型选用滚压式或犁掘式扫雷工具或同时使用， 它具有两种机械扫雷方式的优点。苏军使用的 KMT5 型混合扫雷车就是典型的一例。扫雷系统有一个经改进的框架和两组只有3个滚轮的滚轮组和一组排除压发、 非压发和延时引信地雷的犁刀。作业时，先以扫雷滚碾压，然后用犁刀将未压爆的地雷翻出地面，推向车体一侧。如下图1-1所示。图1-1 苏军 KMT-5型混合式扫雷车1.2.2 机械爆破联合式扫雷车机械爆破联合式扫雷车是将扫雷器(滚轮或犁)与爆破扫雷器集中在同一辆车上的多功能扫雷车。一般在车辆前部装机械压辊或犁刀,车体上部装直列装药(或其他爆破装药)和发射装置。实施扫雷作业时,先在车辆前进方向发射直列装药,以爆破方式在雷场中开辟通路,然后再用压辊或犁刀排除未爆炸或未被清理的地雷。应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计4美军 ROBAT 型遥控扫雷坦克和英军“大蝮蛇”爆破式扫雷系统都属此类。 这种车加装机械和爆破装置后,一般不会降低底盘自身的机动性和防护能力,集机械式扫雷和爆破式扫雷于一身,可根据地形、 地雷品种使用2种扫雷器,扫雷效率和效果较好,是一种比较理想的扫雷车。波兰在苏军 KMT一4犁掘式扫雷车的后部两侧， 安装了两列火箭发射的扫雷直列装药，构成一种机械爆破联合扫雷车。在车尾部两侧，各配置一个发射箱，箱内装有一列由火箭拖带的M 一1974型扫雷装药。箱盖兼作发射架，可以转动，行军时放平。发射时，打开箱盖成 45 度角，向车前方向发射以引爆地雷，然后用扫雷犁清扫残余的地雷。如图1-2所示。图1-2 KMT-4 型机械爆破联合扫雷车这类机械采用坦克、装甲输送车为底盘加装机械、爆破装置后，一般不会降低底盘自身的机动能力和防护能力，而且集机械扫雷和爆破扫雷于一身，可根据地形、地雷种类和季节情况使用机械式扫雷器或爆破式扫雷器，或同时使用或先后使用。扫雷速度不低，效果也较好，是目前比较理想的一种扫雷车。1.2.3 新型扫雷车德国莱茵金属公司提出了一项关于无人扫雷车的专利申请， 该车能够清扫靠压力、声、磁和红外引爆的各种地雷。车辆的结构设计包括装甲驱动和控制装置以及模块组件， 组件的设计便于更换。 只要有可能， 这些组件可设计成刚性结构，以致地雷爆炸的冲击波不被车体所吸收。 该车通过遥控装置在坦克编队的前面推进，通过模拟随后跟进的车辆的声音、磁场、压力和红外特征来引爆地雷。安装在车顶上的一台摄像机能够向控制车发送图象，因此，任何损坏情况都可以观察应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计5到。这可以帮助人们替换组件和对所遇到的地雷的类型进行评价。红外特征可通过将发动机排出的热废气导向车辆表面来产生。热废气还可用来产生声信号。 车体各部件可以进行预磁化处理，配装的磁场发生器可以引爆磁性雷。如图1-3所示。图1-3 无人扫雷车结构示意图机动能力是未来作战制胜的关键， 有效的探扫雷装置是反地雷战中至关重要的装备器材。因此，外军仍在积极研究和发展这类器材，总的趋势是在现有扫雷机器人的研发基础上， 应用新技术， 发展更智能更安全更有效的自主扫雷机器人。应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计6以下的表格为目前各国扫雷机器人的应用传感器总结：表 1-1 机器人传感器一览表型号 国家 传感器“豹”式扫雷车 美国 地面穿透雷达红外传感摄像机“清道夫”2000扫雷车 德国 红外传感器“地雷杀手”机器人 美国 地面穿透雷达滚压式扫雷车 苏联 金属探测器1.3 自主机器人导航系统设计实例1.3.1 自主飞行机器人导航系统设计自主飞行机器人可以在无操作人员介入的情况下完成飞行任务,它是以计算机技术为基础,以微型直升机模型为载体的复杂系统。自主飞行机器人系统包括三个部分:机载系统、地面控制系统和遥控系统,其系统结构如图1-4所示。应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计7图1-4 自主飞行机器人控制系统自主飞行机器人控制系统的核心部分是机载控制系统。机载控制系统以ARM控制器为核心,负责飞机自主飞行过程中的控制、信号采集与处理。ARM控制器负责采集机器人系统当前的飞行数据,得到飞机的飞行姿态、位置以及相应的监控信息,作为输入信息输入给控制模块,控制模块按照所制订的策略进行计算,运算的结果输出给伺服系统,伺服器做出相应动作,调整运行姿态或运动趋势,从而达到自主飞行的目的。自主飞行机器人系统中,导航系统负责提供自主飞行机器人的飞行状态信息,包括:飞行的空间位置、高度和飞行姿态等。导航系统以 ARM 控制器作为运算、控制核心,其硬件组成包括:三个方向传感器、三个转角传感器、罗盘、GPS信号接收设备、激光高度测量设备等。导航系统硬件组成及相应功能如下:(1)加速传感器:将自主飞行机器人的飞行空间用直角坐标系定义,则会得到三个方向。 在这三个方向上所设置的传感器可以测量直升机在该方向上的加速度值。本自主飞行机器人系统共有三个加速度传感器,数据类型是模拟数据。本系统中采样周期为 5ms。(2)角度旋转传感器:在自主飞行机器人飞行空间的直角坐标系中,三个方向应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计8每个方向都有一个角度旋转传感器。它可以得到各方向上的角加速度,和旋转角度的数值。自主飞行机器人有三个同样的角度旋转传感器,负责各坐标轴上的角加速度和旋转角度的测量。信号类型是A/D数据,采样周期5ms。(3)罗盘可提供自主飞行机器人绕地坐标系 x,y 方向的转角绝对值,结合角度旋转传感器可以测得机器人的飞行方向。罗盘通过串口与ARM控制器相连。(4)激光高度测量设备完成自主飞行机器人离地高度的测量。 采用串口与ARM控制器相连,提供当前飞行高度信息。(5)GPS信号接收设备负责接收GPS信号,并且地面控制设备也有一个GPS信号接收设备。同时读取两个设备的GPS 信号,以差分信号对的方法以减小GPS 信号的误差。GPS接收设备也是通过串口与ARM控制器相连。(6)主旋翼转速测量仪,负责机器人主旋翼转速的测量。 当主旋翼转速恒定时,直升机状态稳定,可控性好。采用PFM信号与ARM控制器相连。导航系统将硬件所获数据经过处理后转交飞行控制系统,对机器人当前的飞行状态和飞行目标进行调整。自主飞行机器人导航系统的硬件部分采用 ARM控制器控制下的加速传感器、角度旋转传感器、罗盘、激光高度测量设备、GPS信号接收设备等。本系统的创新点在于:在系统的实现上采用滤波、重构的方式以修正系统硬件在实际应用中所产生的误差;对于欧拉角的获取,采用基于角度的欧拉角获取方法和基于加速度的欧拉角获取方法相结合的方式以提高系统的适用性;对于空间位置的获取,采用差分GPS信号辅以Kalman滤波方法并于基于加速度的位置获取方法相结合的方式来完成。该系统能够高效准确的获得当前飞行姿态,飞行空间位置等参数,为机体控制提供了高效可靠的输入数据,在应用中得到了良好效果。1.3.2 智能机器人车自主导航系统设计智能机器人车是一个对外界环境高度开放的智能系统， 需要对各种未知复杂的外部环境做出实时感知和决策，控制运动机构完成各种驾驶动作，实现目标跟踪和避障等功能。 选用以AT89S52单片机为核心控制器的机器人小车自主导航控制系统。自主导航控制系统包括：上位机PC监控模块、通信模块、检测与自定位模块、AT89S52 最小系统、驱动控制模块、执行机构和车体，如图1-5 所示。应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计9图1-5 机器人车系统工作框图本设计以 AT89S52单片机作为检测和控制核心。P0口用于显示，P1口用于电机的 PWM 驱动控制，P2、P3 口用于传感器组的数据采集与中断控制。由检测定位模块获取环境和小车状态信息，经A/D转换电路转换成数字信号读入。利用PWM(脉宽调制)技术动态控制电动机的转动方向和转速。通过软件编程实现小车行进、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。定位即利用车载传感器的感知信息估计车辆在给定环境中的位姿。本设计采用联合超声波测距和基于CCD 的多传感器融合检测， 补偿获取外部环境和小车状态位置信息。姿态信息依靠电子罗盘获取。基于 AT89S52的机器人车自主导航控制系统过采用不同测量方式对车的运动姿态、状态信息进行了融合检测，实现了机器人车的相对定位，确保了定位精度。并针对直流电机的 PWM 控制，采用了软件的方式产生两路 PWM 波，采用该种方法获取的 PWM 信号由于中断响应时间的不确定，会存在几微秒的定时误差， 但从使用的角度来考虑则完全能满足电机控制的要求。 通过对软件部分融合决策子程序的修改，可实现机器人车越障和目标跟踪的功能。1.4 设计目标及内容1.4.1 设计目标：本项目的目标是设计一套利用硅光电池作为传感器的扫雷机器人导航系统，最终将实现导航的功能。1.4.2 设计内容：硅光传感系统总体上可分为光电传感单元、光电转换单元、信号处理单元，共三部分组成。本设计以研究硅光传感系统的硬件为主，具体分为以下几方面： 硅光传感系统电路原理及分析；应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计10 接口电路的PCB板设计及制作； 元器件的选购； 元器件的焊接及装配； 硅光传感系统硬件调试。应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计11第二章 基于硅光电池的扫雷车导航原理2.1 扫雷车导航原理扫雷机器人运用的传感器件为光电池。 光电池是一种不需要加偏压的能把光能直接转换成为电能的p-n结光电器件。按光电池的用途可分为两大类：即太阳能光电池和测量光电池。在扫雷机器人中主要采用的就是测量光电池。测量光电池的主要功能是作为光电探测用，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被广泛地应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。下图 2-1 为扫雷机器人的工作示意图。通过红外灯，投射出红外光线，将硅光电池板固定于扫雷车的正后方，进行导航。当扫雷车出现偏转时，通过对红外光线的移动，对其行进路线进行控制。扫雷车始终都是跟随光线走，光照在哪，路线就在哪，这就是它的导航原理。图2-1 扫雷车工作示意图2.1.1 光扫描在扫雷车行进的过程中，如果遇到路面不平坦，出现上下坡路的情况时， 如果红外光的光线只是平直照射，可能会出现光线照射不到硅光电池传感器的情应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计12况，从而不能实现导航。所以，针对这种情况，当扫雷车行进过程中，出现高低位置不一的情况时，设置了一个直流电机，进行上下的激光扫描。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。 直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。通过直流电机的上下扫描，扫雷车可以在任意的道路上行进，自主导航， 不受道路环境的影响。2.1.2 激光器的选择当扫雷车发生偏转现象的时候，通过激光器，可实现自动校正。激光器的选择方案如下。激光器是控制受激原子的光子释放方式的设备。“Laser”是lightamplification by stimulated emission of radiation（受激辐射光放大）的简称。这一名称简要的描述了激光器的工作原理。虽然激光器种类繁多，但它们都有一些基本特征。激光器中，激光介质须经过泵激使原子处于激发状态。一般来说，高强度闪光或放电可以泵激介质，进而产生大量激发状态的原子（含高能电子的原子）。而激光器要有效运行就必须要有大量处于激发状态的原子。一般来说，原子必须受激上升到基态以上两到三个能量层级。这就提高了粒子数反转的程度。粒子数反转是指处于激发态的原子和处于基态的原子之间的数量比。激光器分为许多不同种类。激光介质可以是固体、气体、液体或半导体。 我们通常按照用于发出激光的介质对其进行分类：固态激光器的发光材料分布在固态基质中（如红宝石激光或钕-钇铝石榴石激光）。钕-钇铝石榴石激光器可以发出波长为 1064 纳米(nm)的红外激光，其中1纳米等于 1x10-9米。气态激光器主要输出红色的可见光束，最常见的气态激光器包括：氦激光器和氦氖激光器CO2激光器可以发射远红外能量，用于切割高硬度物质。本题目中的扫雷车选用的为小功率 LD激光器，LD激光器，02W可调；输出波长808nm； 可在连续和脉冲两种模式下工作。 它的主要技术参数如下表所示:应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计13表2-1 LD激光器参数表波长(nm) 808连续波输出功率(W) 02模结构 TEM00光功率稳定性 (1小时), 5%光束直径(mm) 0.8输入电源 220V/50Hz 或 110V/60Hz工作模式 连续和脉冲下图 2-2为LD激光器的实物图：图 2-2 LD激光器实物图2.2 传感器结构原理2.2.1 传感器结构组成应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计14图2-3 传感器结构上图 2-3为八块硅光电池构成的传感器结构。在每一块硅光电池的上面，添加了滤光片，目的是避免背景光的影响，只留下红光。箭头所示为红外光线的指向。通过硅光电池对红外光线的感知，决定扫雷机器人的走向，从而实现导航功能。当红外光线发生偏转的时候，通过不同方位的硅光电池，从而决定小车偏转的角度及方向。如图中所示，本设计中所选用的硅光电池的型号为2CR72矩形硅光电池， 变长为2020mm，设它为d，每一块硅光电池之间的间距为10mm，设它为r。2.2.2 一个传感器的导航原理下图 2-4则为红外光线正常照射时的情况：应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计15图2-4 红外光正常照射时时的硅光传感器而当红外光线发生偏转时，这是通过建立坐标轴，可得到扫雷车的偏转方向以及距离。以水平方向为x轴，未发生偏转时，光线处于硅光电池板的中央部位，以它为 y 轴，建立直角坐标系，通过偏移量，得到车子的偏转方向，示意图如下图2-5所示。偏转量：X=n1d+n2r （2-1）其中的 n1为偏转的光线与坐标轴，即中心位置间隔的硅光电池的个数，n2为硅光电池的间隔距离的个数。所求的X即扫雷车的偏转量。应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计16图2-5 坐标轴示意图2.2.3 两个传感器的导航原理上一种排列方法是最简单普遍的方法， 但是缺点是不能很好的确定偏转的角度，位移。由于只用了一组 8 块硅光电池，不能够很好的进行精确定位，只能够粗略的计算出大概的偏转方向。如图2-6所示：图2-6 一个传感器时光线偏转的情况另一种排列的方法是在上一种情况上的一个改良，如下图2-6所示。2-6为红外光线正常照射的情况下，两组十六块硅光电池构成的硅光传感器。应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计17图2-6 两组十六块硅光电池构成的硅光传感器当扫雷机器人车发声偏转，需要回归轨道的时候，两组电池的优势便有所展现。两块硅光传感器可以相对精确的确定偏转的方向以及位移量。通过跟踪算法的计算，可得到回转的角度及位移。相对上面第一种情况，更为准确。下图2-7为红外光线发生偏转的情况。图2-7 两组十六块硅光电池发声偏转的情况这种情况区别于第一种情况的地方在于，可以通过上下两块硅光电池电路板，组成一个硅光电池阵列，能够具体得到车子偏转的角度，比第一种情况更为应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计18精准，它的坐标示意图如下图2-8：图 2-8 硅光电池阵列坐标图由上图可知，偏移的角度的正切值的大小应为下式所示：21tanx xd=（2-2）应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计19第三章 光电转换与处理3.1 硅光电池的选择光电池是一种把光能直接转换为电能的光电器件。它通常是一个由P型和n型半导体组成的结。当结的两端接成一闭合电路，而有光照射到结上时，闭合电路中就有电流产生，电流的方向在外电路中 从P到n，在内电路中从n到P，这样，光电池就把光能直接转换为电能。这种现象称为光生伏特效应。硅光电池是一种能将光能直接转换成电能的半导体器件，其结构图所示。 它实质上是一个大面积的半导体PN结。 硅光电池的基体材料为一薄片P型单晶硅，其厚度在0.44mm以下，在它的表面上利用热扩散法生成一层N型受光层，基体和受光层的交接处形成PN结。在 N型层受光层上制作有栅状负电极，另外在受光面上还均匀覆盖有抗反射膜，它是一层很薄的天蓝色一氧化硅膜，可以使电池对有效入射光的吸收率达到90%以上，并使硅光电池的短路电流增加25%-30%。图3-1 为硅光电池结构示意图。图 3-1 硅光电池结构示意图以硅材料为基体的硅光电池，可以使用单晶硅、多晶硅、非晶硅来制造。单晶硅光电池是目前应用最广的一种，它有2CR和2DR两种类型，其中2CR型硅光电池采用N型单晶硅制造，2DR型硅光电池则采用P型单晶硅制造。硅光电池的工作原理是光生伏特效应。当光照射在硅光电池的PN结区时，会在半导体中激发出光生电子空穴对。PN结两边的光生电子空穴对，在内电场的作用下，属于多数载流子的不能穿越阻挡层，而少数载流子却能穿越阻挡层。应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计20结果，P区的光生电子进入N区，N区的光生空穴进入P区，使每个区中的光生电子一空穴对分割开来。光生电子在 N 区的集结使 N 区带负电，光生电子在 P 区的集结使 P 区带正电。 P区和N区之间产生光生电动势。 当硅光电池接入负载后，光电流从P区经负载流至N区，负载中即得到功率输出。3.1.1 硅光电池的选择按照我国半导体器件型号命名的规定，P/n电池的型号为2CR，n/P电池的型号为2DR。单体电池的形状可为方形、长方形或圆形，也可按照不同的需要，制作成特种形状和大小的电池。光电池和其它电池一样，可按照不同用途的需要，相互串联或并联使用。 也可将单体电池组装成组合板或电池方阵列，作能源使用。光电池的开路电压与面积大小无关，短路电流则与电池面积成正比。国产硅光电池按开路电压和转换效率的大小分成四级。 测试条件是大气质量为l的光强度(AMI)，即人射光强为100毫瓦/厘米2，温度为30。2DR型电池的规格和性能与2CR 基本相同，但耐高能粒子辐射性能较好。本文选用的是2CR72矩形光电池。该系列为大面积PN结型硅光电池，表面有SiO2 抗反射膜，并有银材料外引线，它们的外形如图3-2所示。它主要应用于近红外光探测、光电读出、光耦合、光栅测距、激光准直、光电开关、电影还音等方面。结构为裸片式，银丝外引线。它的使用条件为：贮存温度-55至+100。环境温度：-40至+85。以下为所选硅光电池的基本参数：面积参数：20*20mm输出电流：73-90mA短路电流：72-100mA开路电压：500-600mV转换效率：8-10%测试条件：入射光强1000Lx 输出电压400mv应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计21图 3-2 硅光电池实物图3.2 硅光电池转换电路硅光电池转换电路，其中包括：光电转换元件，其生成与接收到的光量相对应的检测电流；电容器，其一端与光电转换元件的一端连接，并从这一端引出与检测电流的积分值相对应的端子电压；以及放大器，其接收电容器的端子电压，并生成与如此接收到的端子电压对应的放大信号。 所述光电转换电路利用放大器的放大信号输出最终的光信号（输出电流）。作为可成为电容器的充电放电路径的电流路径，所述光电转换电路仅包括经由光电转换元件的电流路径。采用这样的结构，通过最大利用从光电转换元件获得的电能，从而增强对于光的灵敏度并改进接收到的光信号的比。转换电路主要运用的是同项比例放大器。称之为前置放大器。前置放大器采用同相比例放大,原因是:(1)硅光电池内阻较小,若采用反相比例放大,在光源光强变化时,输出电压将不呈线性变化。(2)硅光电池输出直流电压,所以可以不考虑带宽和压摆率的限制,采用同相比例放大电路,输入阻抗高,输出阻抗低,有效减少了光信号的干扰,且输出电压与输入电压同相,便于进行后期处理。在自然光照射下,系统使用的硅光电池输出的直流电压大概为500 mV,为方便比较器进行处理,取放大倍数 A u为5左右,输出电压在2、3 V之间。为尽量减少信号转换部分与 PC机接口,利用单片机两个I/O口,通过与非门产生4路选通信号,依次控制八个硅光电池通过模拟开关与A/D部分连接,只要采应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计22样时间适当,在保证了系统的反应时间短的情况下,又有效地减少了所需的I/O口。本设计选用的前置放大器为 LM353运算放大器。LF353集成运算放大器LF353 运算放大器可用于应用，如高速度集成，快速的D / A转换器，采样和保持电路和许多其他要求低输入偏移电路电压， 低输入偏置电流， 高输入阻抗，高压摆率和带宽。这些器件还表现出低噪声和失调电压漂移。下图3-3为LF353同相比例放大电路的典型电路连接图。图 3-3 LF353典型连接示意图在本设计中，LF353芯片构成了一个同相比例放大电路。通过虚短和虚断，得到输出Vi和V1的关系为：231RoViRV=+ （3-1）电压信号得到了放大。其中 R2大小为10k，R3为51k，同相放大比为6.1。脉冲响应信号图如下图3-4 所示：应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计23图 3-4 同相信号脉冲响应图电流限制后的波形图如下图 3-5所示：图3-5 电流限制后的脉冲波形图3.3 电压跟随器与电压比较器3.3.1 电压跟随器电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计24阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。如图3-6所示为电压跟随器的电路示意图。那么电压跟随的作用，概括地讲，电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。共集电路的输入高阻抗，输出低阻抗的特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。举一个应用的典型例子：电吉他的信号输出属于高阻，接入录音设备或者音箱时，在音色处理电路之前加入这个电压跟随器，会使得阻抗匹配，音色更加完美。很多电吉他效果器的输入部分设计都用到了这个电路。电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点。电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源， 即输出电压不受后级电路阻抗影响。 一个对前级电路相当于开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计25图3-6 电压跟随器电路图3.3.2 电压比较器 LM339电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。 电压比较器的功能是比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平。高电平相当于数字电路中的逻辑“1”，低电平相当于逻辑“0”。比较器输出只有两个状态，不论是“1”或是“0”，比较器都工作在非线性状态。下图为 3-7 为电压比较器的符号及传输特性。电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。图 3-7电压比较器的符号及传输特性图uiurCUCCUEEuo0 uiuourUoHUoL鉴别不灵敏区(a)(b)应用硅光电池传感的扫雷机器人导航系统设计26电压比较器可以用运放构成，也可用专用芯片构成。用运放构成的比较器，其高电平UoH可接近于正电源电压(UCC)，低电平UoL可接近于负电源电压(-UEE)。专用比较器的输出电平一般与数字电路兼容，即UoH3.4V左右，UoL0.4V 左右。可用作电压比较器的芯片： 所有的运算放大器。 常见的有LM324LM358uA741TL081234 OP07 OP27，这些都可以做成电压比较器（不加负反馈）。LM339、LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间小，可用在专门的电压比较场合，其实它们也是一种运算放大器。简单的比较器中存在一些问题，一是输出电压转换时间受比较器翻转速度（压摆率 SR）的限制，导致高频脉冲的边缘不够陡峭(如图 3-8(a)所示)；二是抗干扰能力差，如图3-8(b)所示，若 Ui在参考电压Ur(=0)附近有噪声或干扰，则输出波形将产生错误的跳变，直至Ui远离Ur值才稳定下来。如果对受干扰的Uo波形去计数，计数值必然会多出许多，从而造成极大的误差。图 3-8 简单比较器输出波形边缘不陡峭及受干扰的情况(a)输出波形边缘不陡峭 (b)受干扰情况为了解决以上两个问题，可将比较器设置两个阈值，只要干扰信号不超过这两个阈值，比较器就不会跳变，从而提高比较器的抗干扰能力。利用这种思想设计出来的电压比较器称为迟滞比较器，或称施密特触发器。电路是在简单比较器基础上增加了正反馈电路实现的。正反馈也加快了翻转速度。电路如图3-9(a)所示， 信号与反馈都加到运放同相端， 而反相端接地(