+++能力风暴个人机器人的结构(1)
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第二章 能力风暴机器人的 结构
能力风暴个人机器人硬件结构
4只碰撞传感器 稳压与低电 压复位系统 电机 驱动 2只直流电机 2只红外传感器 外部存储器 2只光敏传感器 喇叭 驱动 直流 驱动 喇叭
BU S
LCD
2只光电编码器
单片机
1只麦克风
1只直流电机 或伺服电机
各种外部 扩展卡
ASBUS 总线
串口 通讯 PC
机器人的传感器
是指能把智能机器人对内外部环境感知的物理 量变换为电量输出的装置。智能机器人通过传 感器实现某些类似于人类的知觉作用。 机器人传感器可分为内部检测传感器和外界检 测传感器两大类。内部检测传感器安装在机器 人自身中，用来感知它自己的状态，以调整和 控制机器人的行动，通常由位置、加速度、速 度及压力传感器组成。外界传感器用于机器人 对周围环境、目标物的状态特征获取信息，使 机器人与环境之间能发生交互作用，从而使机 器人对环境有自校正和自适应能力。外界检测 传感器通常包括触觉、接近觉、听觉、嗅觉、 味觉等传感器。
参比补偿器型：这类传感器利用有补偿功能敏 感元件与传感用的敏感元件对比，补偿消除环 境温度或电源波动的影响，如用温度补偿片与 压电元件构成可以减少温度变化影响的压电式 压力传感器。 差动型：采用差动的构成方式，以提高传感器 的品质（灵敏度、线性度等），消除或降低环 境变化的影响，此外，还有自成闭环系统的反 馈型构成方式。其中的敏感元件或变换元件兼 有反馈功能，使传感器自成闭环系统。
/*红外测障，返回值：无0,左1,右2,前4。 左发射PD2,右发射PD3,接收PE4*/ int ir_detector() { int val1, val2, val3, result; val1 = read(0x100A) & 0b10000; /* 检测接收到的背景红外信号 */ bit_set(0x1008,0b0100); /* 打开左红外发射传感器, PD2口 */ msleep(2L); /* 等待 2毫秒 */ val3 = read(0x100A) & 0b10000; /* 检测接收到的红外信号 */ bit_clear(0x1008,0b0100); /* 关闭左红外发射传感器 */ bit_set(0x1008,0b1000); /* 打开右红外发射传感器, PD3口 */ msleep(2L); /* 等待 2毫秒 */ val2 = read(0x100A) & 0b10000; /* 检测接收到的红外信号 */ bit_clear(0x1008,0b1100); /* 关闭所有红外发射传感器 */ result = ((val1 & ~val2) >> 3) | ((val1 & ~val3) >> 4); msleep(2L); /* 等待 2毫秒 */ if(result==3) result=4; return result; }
中间变量型：这类传感器的敏感元件感受到的 信号要经过中间变量的变换后才能从变换电路 中输出相应的电气量。如力传感中，敏感元件 受力后变换成变形或应力/应变，只有通过应变 片等转换元件才能使之变换成变换电路中的阻 抗参数变化，才有可能通过有源的变换电路输 出电信号。有时这种中间变换要进行多次，其 中有的中间变换也可以是无源型的变换。
红外接收模块集成了红外接收管、前置放大器、 限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器、整前 电路和输出放大电路，灵敏度很高。有时从红 外管侧面和后面漏出的红外光也会被接收模块 检测到。
红外接收模块只是在接收到了一定强度的红外 光时才起到质的变化，认为有障碍。所以，当 障碍物太细时，能力风暴个人机器人会检测不 到；当障碍物是深色时，会吸收部分的红外光， 而只反射回一小部分，会导致接收模块接收到 的红外光强度不够，不足以产生有障碍的信号。
Байду номын сангаас
传感器的类型
能量变换型:：它是无源型传感器，无须外加电 源。传感器的功能就是将被测对象的信号能量 变换成电压或电流信号能量 有源型：它要求提供外加能量才能将信号转换 成电信号，其外加电源供给转换电路 阻抗变换型：这类传感器首先把感受到的被测 量信号变换成电路中的阻抗参数（电阻、电容 或电感量），再由有外加电流的变换电路输出 对应的电信号。
红外避障传感器利用红外信号遇到障碍物反射 的原理，进行有、无障碍物的检测。红外传感 器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射 管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种 频率的红外信号，当红外传感器的检测方向遇 到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收， 经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机 器人主机，机器人即可利用红外传感器的返回 信号来识别周围环境的变化。
传感器就是自动测量系统中一个把待测 量变换成某种电信号的装置，如将力或 温度、距离等各种工业量改变为电信号 输出的元件。它是一种获取信息的手段。 现代信息技术的三大基础是信息的拾取、 传输和处理，也就是传感技术、通信技 术和计算机技术。由此可见，传感器的 应用是多么广泛。
传感器的组成
传感器是能感受规定的被测量，并 按一定的规律性换成可用输出信号的器 件或装置，通常由敏感元件和转换元件 组成。而敏感元件是传感器中能直接感 知或响应被测量的元件；转换元件是传 感器中能把要敏感元件感知的或响应的 被测量的信号转换成适于传输、处理或 测量的电信号的部分。
红外传感器的电路图(见P25图3.10)
能力风暴运用了2只红外发射管 （970nm）和一只红外接收模块构成 红外传感系统，主要用来检测前方、 左前方和右前方的障碍，检测距离 范围为10～80cm。
红外传感器检测障碍的过程
1）左右发射管均关闭，红外探测器探测 一次当前信号，并保存下来以跟后面采 集的数据比较。 2）当程序中调用 ir_detector()时，启动红外发射探测系统。 首先，左红外发射管发射一次，延时1ms 后红外探测器探测一次信号；然后，右 红外发射管发射一次，延时1ms后红外探 测器探测一次信号，（红外探测器探测 一次信号的时间为0.064ms）红外探测器 通过PE4口采样当前值，并保存下来。3） 调用一次ir_detector()函数，红外探测系 统开启一次。完成后，左右发射管关闭。
能力风暴机器人的基本传感器
碰撞传感器 红外传感器 光敏传感器 光电编码器 麦克风
红外传感器
凡是温度高于绝对零度的物体，都在不停地向 四周辐射红外线，红外辐射测温仪通过光电转 换目标表面的热辐射（温度）变成一个电信号 输出，或者以数字的形式显示。 红外传感器由发光二极管和光敏晶体管组成。 发光二极管发出的光经过反射被光敏晶体管接 收。 其实红外传感器就好象是机器人的眼睛。红外 发射管发出红外线，红外线在遇到物体后被反 射回来，红外接收管接收到被反射回来的红外 线以后，发出电信号给机器人的“大脑”！这 时候机器人就“看见”东西了！
只有在初始探测无反射而第二次探测有反射时， 左反射管才是有反射的，这样系统才认为左方 有障碍；同理，初始探测无反射而第三次探测 有反射时，右反射管才是有反射的，右方被认 为有障碍。而当左右两方向都检测到障碍时， 就认为前方有障碍。注意：红外接收模块只是 在接收到一定强度的红外光时才认为有障碍， 所以，当障碍物太细时，会检测不到障碍；当 障碍物是黑色或深色时，由于只反射回一小部 分红外光，会使接收模块接收到的红外光强度 不够而被误认为无障碍。
红外传感器
接收到的光强和传感器与目标的距离有关，因 此也叫接近觉传感器。机器人的最远“可视距 离”是80cm。这是由红外传感器决定。有的机 器人看的近，有的机器人看的远，这是可调的， 只要不超过机器人的可视范围。在调节时我们 可以利用主板上的调节电位器，在电位器的旁 边分别标有“irleft”“irright”，顺时针旋转， 机器人的“可视距离”增大，反之，减小。 机器人上红外传感器可用于测距、测障、计数 等，也是机器人的视觉器官之一。红外信号被 调制成某一特定频率，可大大提高信噪比。
二进制表示
返回值： 0b00：没有障碍 0b01：左方有障碍 0b10：右方有障碍 0b100：前方有障碍。 即当左右两方向都有障碍时就认为前方有障碍。 红外传感器对应的库函数是ir_detector()。
这里我们选择用红外传感器来完成检测移动物体的任务。 然后我们要考虑的就是红外传感器的使用问题，我们调 用库函数ir_detector（）来检测移动物体。调用一次 ir_detector()函数，红外探测系统就开启一次 void main() { int ir; while(1) /*一直循环*/ { ir=ir_detector(); if(ir==0) /*检测不到物体*/ stop(); /*停下来*/ else /*检测到有移动物体*/ drive(30,0); /*跟进*/ } }
。
示例程序
Void main() { int ir; while(1) { ir=ir_detector(); if(ir!=0b00) { drive(-80,-40); wait(0.5); drive(100,0); } }
}
自编简短程序：
请用红外传感器检测障碍，并用液晶显 示器显示，无障碍，显示0，右边有障碍 显示1，左边有障碍显示2，前方有障碍 显示3
用户可以通过调节IRLEFT和IRRIGHT两个电位器来 调节左右两个红外的检测距离。主板中的R5为24K电阻， 它将红外光发射的调制频率固化在38KHz左右，这是红 外接收模块中带通滤波器的中心频率。
红外传感器测障原理图
是通过发射端发射红外信号，接收端接收由障 碍物反射或直接接收回来的红外信号，来判断 是否有障碍物
void main() {int ir; while(1) {ir=ir_detector(); printf(“ir=%d\n”,ir); wait(0.5); }}
专题项目
红外避障。机器人前进，发现障碍物就转向。 （相关模块：红外测障、条件判断、永远循环、 直行、转向）拓展项目：跟人走。 自己制作硬件，并进行软件编程。 撰写论文。内容包括：相关的研究资料；硬件 设计、制作详细说明，并画出硬件电路图；详 细的软件驱动程序，附加必要的软件说明；测 试运行效果图，或者运行的录象；工作总结与 展望。
能力风暴个人机器人硬件结构
4只碰撞传感器 稳压与低电 压复位系统 电机 驱动 2只直流电机 2只红外传感器 外部存储器 2只光敏传感器 喇叭 驱动 直流 驱动 喇叭
BU S
LCD
2只光电编码器
单片机
1只麦克风
1只直流电机 或伺服电机
各种外部 扩展卡
ASBUS 总线
串口 通讯 PC
机器人的传感器
是指能把智能机器人对内外部环境感知的物理 量变换为电量输出的装置。智能机器人通过传 感器实现某些类似于人类的知觉作用。 机器人传感器可分为内部检测传感器和外界检 测传感器两大类。内部检测传感器安装在机器 人自身中，用来感知它自己的状态，以调整和 控制机器人的行动，通常由位置、加速度、速 度及压力传感器组成。外界传感器用于机器人 对周围环境、目标物的状态特征获取信息，使 机器人与环境之间能发生交互作用，从而使机 器人对环境有自校正和自适应能力。外界检测 传感器通常包括触觉、接近觉、听觉、嗅觉、 味觉等传感器。
参比补偿器型：这类传感器利用有补偿功能敏 感元件与传感用的敏感元件对比，补偿消除环 境温度或电源波动的影响，如用温度补偿片与 压电元件构成可以减少温度变化影响的压电式 压力传感器。 差动型：采用差动的构成方式，以提高传感器 的品质（灵敏度、线性度等），消除或降低环 境变化的影响，此外，还有自成闭环系统的反 馈型构成方式。其中的敏感元件或变换元件兼 有反馈功能，使传感器自成闭环系统。
/*红外测障，返回值：无0,左1,右2,前4。 左发射PD2,右发射PD3,接收PE4*/ int ir_detector() { int val1, val2, val3, result; val1 = read(0x100A) & 0b10000; /* 检测接收到的背景红外信号 */ bit_set(0x1008,0b0100); /* 打开左红外发射传感器, PD2口 */ msleep(2L); /* 等待 2毫秒 */ val3 = read(0x100A) & 0b10000; /* 检测接收到的红外信号 */ bit_clear(0x1008,0b0100); /* 关闭左红外发射传感器 */ bit_set(0x1008,0b1000); /* 打开右红外发射传感器, PD3口 */ msleep(2L); /* 等待 2毫秒 */ val2 = read(0x100A) & 0b10000; /* 检测接收到的红外信号 */ bit_clear(0x1008,0b1100); /* 关闭所有红外发射传感器 */ result = ((val1 & ~val2) >> 3) | ((val1 & ~val3) >> 4); msleep(2L); /* 等待 2毫秒 */ if(result==3) result=4; return result; }
中间变量型：这类传感器的敏感元件感受到的 信号要经过中间变量的变换后才能从变换电路 中输出相应的电气量。如力传感中，敏感元件 受力后变换成变形或应力/应变，只有通过应变 片等转换元件才能使之变换成变换电路中的阻 抗参数变化，才有可能通过有源的变换电路输 出电信号。有时这种中间变换要进行多次，其 中有的中间变换也可以是无源型的变换。
红外接收模块集成了红外接收管、前置放大器、 限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器、整前 电路和输出放大电路，灵敏度很高。有时从红 外管侧面和后面漏出的红外光也会被接收模块 检测到。
红外接收模块只是在接收到了一定强度的红外 光时才起到质的变化，认为有障碍。所以，当 障碍物太细时，能力风暴个人机器人会检测不 到；当障碍物是深色时，会吸收部分的红外光， 而只反射回一小部分，会导致接收模块接收到 的红外光强度不够，不足以产生有障碍的信号。
Байду номын сангаас
传感器的类型
能量变换型:：它是无源型传感器，无须外加电 源。传感器的功能就是将被测对象的信号能量 变换成电压或电流信号能量 有源型：它要求提供外加能量才能将信号转换 成电信号，其外加电源供给转换电路 阻抗变换型：这类传感器首先把感受到的被测 量信号变换成电路中的阻抗参数（电阻、电容 或电感量），再由有外加电流的变换电路输出 对应的电信号。
红外避障传感器利用红外信号遇到障碍物反射 的原理，进行有、无障碍物的检测。红外传感 器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射 管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种 频率的红外信号，当红外传感器的检测方向遇 到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收， 经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机 器人主机，机器人即可利用红外传感器的返回 信号来识别周围环境的变化。
传感器就是自动测量系统中一个把待测 量变换成某种电信号的装置，如将力或 温度、距离等各种工业量改变为电信号 输出的元件。它是一种获取信息的手段。 现代信息技术的三大基础是信息的拾取、 传输和处理，也就是传感技术、通信技 术和计算机技术。由此可见，传感器的 应用是多么广泛。
传感器的组成
传感器是能感受规定的被测量，并 按一定的规律性换成可用输出信号的器 件或装置，通常由敏感元件和转换元件 组成。而敏感元件是传感器中能直接感 知或响应被测量的元件；转换元件是传 感器中能把要敏感元件感知的或响应的 被测量的信号转换成适于传输、处理或 测量的电信号的部分。
红外传感器的电路图(见P25图3.10)
能力风暴运用了2只红外发射管 （970nm）和一只红外接收模块构成 红外传感系统，主要用来检测前方、 左前方和右前方的障碍，检测距离 范围为10～80cm。
红外传感器检测障碍的过程
1）左右发射管均关闭，红外探测器探测 一次当前信号，并保存下来以跟后面采 集的数据比较。 2）当程序中调用 ir_detector()时，启动红外发射探测系统。 首先，左红外发射管发射一次，延时1ms 后红外探测器探测一次信号；然后，右 红外发射管发射一次，延时1ms后红外探 测器探测一次信号，（红外探测器探测 一次信号的时间为0.064ms）红外探测器 通过PE4口采样当前值，并保存下来。3） 调用一次ir_detector()函数，红外探测系 统开启一次。完成后，左右发射管关闭。
能力风暴机器人的基本传感器
碰撞传感器 红外传感器 光敏传感器 光电编码器 麦克风
红外传感器
凡是温度高于绝对零度的物体，都在不停地向 四周辐射红外线，红外辐射测温仪通过光电转 换目标表面的热辐射（温度）变成一个电信号 输出，或者以数字的形式显示。 红外传感器由发光二极管和光敏晶体管组成。 发光二极管发出的光经过反射被光敏晶体管接 收。 其实红外传感器就好象是机器人的眼睛。红外 发射管发出红外线，红外线在遇到物体后被反 射回来，红外接收管接收到被反射回来的红外 线以后，发出电信号给机器人的“大脑”！这 时候机器人就“看见”东西了！
只有在初始探测无反射而第二次探测有反射时， 左反射管才是有反射的，这样系统才认为左方 有障碍；同理，初始探测无反射而第三次探测 有反射时，右反射管才是有反射的，右方被认 为有障碍。而当左右两方向都检测到障碍时， 就认为前方有障碍。注意：红外接收模块只是 在接收到一定强度的红外光时才认为有障碍， 所以，当障碍物太细时，会检测不到障碍；当 障碍物是黑色或深色时，由于只反射回一小部 分红外光，会使接收模块接收到的红外光强度 不够而被误认为无障碍。
红外传感器
接收到的光强和传感器与目标的距离有关，因 此也叫接近觉传感器。机器人的最远“可视距 离”是80cm。这是由红外传感器决定。有的机 器人看的近，有的机器人看的远，这是可调的， 只要不超过机器人的可视范围。在调节时我们 可以利用主板上的调节电位器，在电位器的旁 边分别标有“irleft”“irright”，顺时针旋转， 机器人的“可视距离”增大，反之，减小。 机器人上红外传感器可用于测距、测障、计数 等，也是机器人的视觉器官之一。红外信号被 调制成某一特定频率，可大大提高信噪比。
二进制表示
返回值： 0b00：没有障碍 0b01：左方有障碍 0b10：右方有障碍 0b100：前方有障碍。 即当左右两方向都有障碍时就认为前方有障碍。 红外传感器对应的库函数是ir_detector()。
这里我们选择用红外传感器来完成检测移动物体的任务。 然后我们要考虑的就是红外传感器的使用问题，我们调 用库函数ir_detector（）来检测移动物体。调用一次 ir_detector()函数，红外探测系统就开启一次 void main() { int ir; while(1) /*一直循环*/ { ir=ir_detector(); if(ir==0) /*检测不到物体*/ stop(); /*停下来*/ else /*检测到有移动物体*/ drive(30,0); /*跟进*/ } }
。
示例程序
Void main() { int ir; while(1) { ir=ir_detector(); if(ir!=0b00) { drive(-80,-40); wait(0.5); drive(100,0); } }
}
自编简短程序：
请用红外传感器检测障碍，并用液晶显 示器显示，无障碍，显示0，右边有障碍 显示1，左边有障碍显示2，前方有障碍 显示3
用户可以通过调节IRLEFT和IRRIGHT两个电位器来 调节左右两个红外的检测距离。主板中的R5为24K电阻， 它将红外光发射的调制频率固化在38KHz左右，这是红 外接收模块中带通滤波器的中心频率。
红外传感器测障原理图
是通过发射端发射红外信号，接收端接收由障 碍物反射或直接接收回来的红外信号，来判断 是否有障碍物
void main() {int ir; while(1) {ir=ir_detector(); printf(“ir=%d\n”,ir); wait(0.5); }}
专题项目
红外避障。机器人前进，发现障碍物就转向。 （相关模块：红外测障、条件判断、永远循环、 直行、转向）拓展项目：跟人走。 自己制作硬件，并进行软件编程。 撰写论文。内容包括：相关的研究资料；硬件 设计、制作详细说明，并画出硬件电路图；详 细的软件驱动程序，附加必要的软件说明；测 试运行效果图，或者运行的录象；工作总结与 展望。