基于光电传感器电路的迷宫机器人设计

摘要：采用Freescale公司的MC9SDG128单片机进行控制，使用ROHM公司生产的发送接收一体化反射型光电传感器RPR220，设计了一种新型迷宫机器人。该迷宫机器人能够在程序中严格控制光电传感器的开关，同时用软件消除外界干扰，取得了很好的探测效果。
关键词：迷宫机器人；光电传感器；RPR220；MC9SDG128；干扰

引言
迷宫机器人走迷宫竞赛是一项综合性十分强的竞赛，它涉及的学科包括了计算机学、机械学、电工学、嵌入式开发知识以及算法的实现等。迷宫机器人是一种人工智能的机器人，又称为电脑鼠(Micromouse)。它拥有灵活的“双腿”，锐利的“眼睛”，还有聪明的“大脑”用于控制“眼睛”和“双腿”协调工作，最终走出IEEE标准迷宫。迷宫由256个方块(单元)组成，每个方块的大小为18 cm见方，排成16行×16列。
迷宫机器人在迷宫中要能按照一定规则完成行走，所以机器人必须具备以下几种能力：
◆稳定且快速的行走能力；
◆正确判断能力；
◆记忆路径的能力。
很明显，这些能力必须建立在迷宫墙壁能够被准确探知的基础上，这就要求迷宫机器人要有很强的“观察力”，即具有一双“慧眼”。现实中，能够进行避障的传感器有很多，如CCD摄像头、超声波传感器、光电传感器等。从设计成本和使用方面综合考虑，本设计采用红外式光电传感器。红外传感器的功能有两个：一是判断迷宫墙壁的有无，确定迷宫机器人的行进方向；二是根据传感器获得的数值判断迷宫机器人和墙壁之间的距离，从而对迷宫机器人的姿态进行调整，避免迷宫机器人和墙壁发生碰撞。

1 光电传感器原理
红外光电传感器工作原理如图1所示。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源、发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器由光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面装有光学元件(如透镜和光圈等)；在接收器后面的是检测电路，用于滤除无效信号，以及对有效信号进行利用。

随着车体和墙壁的距离不同，接收管接收到的信号的强弱也不同。当车体距离墙壁较近时，大量发射的红外光线经墙壁反射后被接收管接收，产生的电压较高；反之，车体距离墙壁较远时，反射的红外光线在传播过程中会损耗，被接收管接收到的信号较弱，产生的电压也就较低。根据接收管产生电压的强弱，可以判断车体与墙壁之间的距离，为迷宫机器人避障提供数据。

2 光电传感器的选用
光电传感器的特点：不受电磁波的干扰，非噪声源，可实现非接触性测量；受环境的影响非常大，物体的颜色、方向、周围的光线都可能导致测量误差；由于发射光线是光而不是声音，可以在相当短的时间内获得较多的红外线传感器测量值；测距范围较近，大致为40 cm以内。红外传感器发射管和接收管的类型很多，其工作光波长约为800～1100 nm。通常在小功率条件下的工作电压为1．5～5 V左右，工作电流为3～10 mA左右。在本设计中选用了日本ROHM公司生产的发送接收一体化反射型光电传感器RPR220。该光电管功率为80 mW，工作波长为800 nm，完全满足迷宫机器人的使用要求。

3 光电传感器应用电路
在本设计中，采用Freescale公司的16位单片机MC9S12DG128对光电传感器进行控制。单片机的A／D模块进行信号采集，获知当前的墙壁信息和车体的位置信息。单片机采集到A／D数值后，通过RS232传到PC机上。然后根据传感器采得的数值为电机指定相应的动作信号，控制迷宫机器人在迷宫中的姿态，并且实时记录迷宫墙壁有无的信息，为建立迷宫地图提供数据。