创意之星机器人说明书

创意之星机器人说明书

目录

1结构套件简介 (3)

1.1 结构件概述 (3)

1.2 ConnFLEX连接结构 (3)

1.3 不同版本......................................................................................................... .. (4)

1.4 使用零件3D模型 (6)

2控制器及电源 (7)

2.1 MultiFLEX?2-A VR控制器 (8)

2.2 MultiFLEX?2-PXA270控制器 (9)

2.3 电池和直流电源 (12)

3传感器 (12)

3.1传感器的信号类型及电气规范 (13)

3.2“创意之星”传感器接口 (14)

3.1接近传感器 ...................................................................................................... (16)

3.2 测距传感器 (19)

3.3 声音传感器 (24)

3.4 碰撞传感器 (26)

3.5 倾覆传感器 (26)

3.6 温度传感器 (27)

3.7 光强传感器 (27)

3.8 灰度传感器 (28)

3.9 视觉和语音传感器 (28)

4执行器 (29)

4.1 CDS5516机器人舵机 (29)

4.2 CDS5401大扭矩R/C舵机 (32)

4.3 BDMC1203电机驱动模块 (33)

4.4 Faulhaber大功率减速电机 (34)

5 NorthSTAR 图形化开发环境 (35)

5.1 安装及使用介绍 (35)

5.2 使用流程图开发 (39)

5.3 手写代码开发 (46)

5.4 调试与在线监控 (47)

6 其它部件 (54)

6.1 UP-Debugger 下载调试器 (54)

6.2 WiFi 无线网卡或以太网线缆 (55)

6.3 ZigBee无线模组 (56)

1结构套件简介

1.1 结构件概述

“创意之星”是一种模块化机器人组件，其特点是组成机器人的各种零件都是通用、可重组的，各个零件之间有统一的连接方式，零件之间可以自由组合，从而构建出各种各样的机器人构型。从光盘“……InnSTAR产品光盘\构型资料\构型图片”或者登录北京博创的网站，您可以看到各种各样、不同形状的、不同功能的机器人构型，这些都是博创工程师或者使用“创意之星”的用户搭建的。“机器人爱好者”论坛的“博创机器人讨论区”是发布您作品的最佳地点。博创科技会定期收集用户作品的资料和视频，征得作者的同意后统一发布。您的作品如果收录进博创科技的资料库，将会有更多的朋友看到。

为了保证“创意之星”机械结构的刚性、牢固，如下图所示零件之间采用面接触、键连接、螺钉紧固的方式进行组合。

图2.1 典型连接方式

“创意之星”结构件根据功能可以分为7大类：LUI型结构件、连接件、舵机结构件、机械手结构件、履带全向轮结构件、仿人结构件和其它结构件，详见图2.8。LUI型零件和舵机结构件是机器人骨架的主体，通过连接件将其组合在一起构成机器人主体；仿人结构件、履带全向轮结构件、机械手结构件都是比较专用的零件。

1.2 ConnFLEX连接结构

在“创意之星”机器人套件里，各种结构件的连接遵循统一的标准。我们这种标准连接方式称为“ConnFLEX连接结构”。ConnFLEX连接结构主体是统一尺寸的花键和键槽，每个花键或键槽具有20 个齿，每个花键可以转动的角度是18°的整数倍。因此，ConnFLEX 连接结构使得各个零件之间可以不同角度连接，例如平行连接、垂直连接，或者其它以18°为增量的角度来连接。为了适用各种连接场合，还派生出两并联、三并联、加长型、扁形等零件，如图2.2所示。

ConnFLEX连接结构连接精密、无间隙，单个连接可承受5Nm以上的弯矩和扭矩，如图2.3所示。ConnFLEX连接结构连接简单，只需要一颗螺丝，就可实现牢固的连接效果，两个或多个零件通过连接件可以实现各种角度的连接组合，如图2.4所示。

图2.2 花键的种类

图2.3 ConnFLEX连接结构的受力示意图图2.4 ConnFLEX连接结构

1.3 不同版本

从“创意之星”的产品样本上，您会发现“创意之星”有三个版本：入门版、标准版、高级版。我们利用图2.5、2.6、2.7的19个典型构型作对比，说明这三个版本在零件、机器人舵机和其它部件的差别。当然，这19个典型构型只是例子而已，并不是说“创意之星”只能搭建这么些构型。

入门版较为简单，舵机、零件和传感器数量也较少，但价格较为低廉，适用于机器人爱好者创作独特的机器人样机；也可供初中、高中学生开展机器人创作和机器人相关实践活动。

入门版使用MultiFLEX?2-A VR控制器，在2.2.1小节您可以看到这款控制器的所有功能。

入门版的零件数量、种类比标准版和高级版要少些，在《创意之星机器人套件组装指南》P6您可以看到详细的零部件清单。图2.5没打叉的部分是入门版的典型构型，从图中我们可发现入门版的构型都相对比较简单，没有全向轮和履带的构型。

入门版能做什么呢？这个是您最关心的问题，也是我们在设计时重点考虑的问题之一。

1、兴趣小组、工程训练中心的实践器材。入门版价格低廉，零部件数量对初级用户而言已经非常充足，对学校的兴趣小组、实践中心而言，入门版是最合适的选择。

2、机器人比赛。使用“创意之星”入门版可以组织很多比赛，类似当前高职机器人比赛、创意机器人设计比赛、迷宫机器人比赛、循迹机器人比赛、机器人擂台赛等等。

3、单片机、自动控制、C语言、电子设计实验平台。区别于常规的单片机实验板，“创意之星”可以很生动地将您的程序代码以动作和行为的方式展示出来，用它来辅助学习可以

达到事半功倍的效果。

图2.5 入门版能够搭建的构型

标准版使用MultiFLEX?2-A VR控制器，结构零件种类和数量都很丰富，如图2.6所示，除了入门版的构型之外还能够搭建诸如4足爬虫、机器蛇等复杂的机器人构型。

标准版主要适用于以下领域：

作为大学工科学生的创新实训课程教具和实验器材。

作为大学工科学生的课程设计或者毕业设计平台。

供机器人研究者用于验证理论算法、验证学术论文的结论。

供机器人研究者在开发新的机器人之前搭建快速原型，验证原理和可行性。

供机器人发烧友用于创作独特的、自己的机器人样机。

供初中、高中学生的机器人创作和机器人相关实践活动。

图2.6 标准版能够搭建的构型

如图2.6所示，标准版能够搭建仿生类的蛇形机器人、四足爬虫、六足爬虫；轮式机器人；简单仿人形机器人；机械手等构型。当然，这些构型只是博创提供的示例，起到抛砖引玉的作用，相信通过这些构型熟悉“创意之星”机器人套件后，您可以搭建出更加有趣的构型来。有位同学使用6个舵机和若干结构件，搭建了一个并联机器人，能够控制毛笔的空间姿态，从而实现写毛笔字的控制，您可以再光盘“……\InnSTAR产品光盘\构型资料\构型视频”里找到《小书童》的精彩视频。

高级版是“创意之星”功能最丰富的一个版本，使用MultiFLEX?2-PXA270控制器，

拥有50余种，760余个结构零件，12种25个传感器，20个机器人舵机。足够搭建出如图2.7所示的每一种机器人构型。

图2.7 高级版能够搭建的构型

MultiFLEX?2-PXA270控制器除了MultiFLEX?2-AVR控制器的所有更能外，还拥有强大的图像、语音处理能力，能够识别颜色和人的语言，基于此您可以搭建很多有趣的构型，如：

1、听得懂主人的语言，会说话的小狗。您可以和它进行交流，指导它的行为，塑造它的思想。

2、追小球的小车。它能看见各种颜色的小球，会像小猫玩毛线团一样淘气地玩小球。

1.4 使用零件3D模型

如图2.8所示，创意之星机器人套件总共有50几种零件，这些零件可以任意组合，搭建出各种各样的机器人构型。如图2.7所示，仿生机器人、轮式机器人、履带式机器人等等都是创意之星擅长搭建的机器人构型。

图2.8 “创意之星”零件汇总

2控制器及电源

“创意之星”有两个版本的控制器：以ATmega128为核心的MultiFLEX?2-A VR控制器，以PXA270为控制核心的MultiFLEX?2-PXA270控制器。

MultiFLEX?2-A VR控制器的处理器是A TMEL公司出品的A VR系列ATmega128单片机。ATmega128能够运行在16MHz的频率下，对于“创意之星”这种轻量级的自动控制系统而言有足够的数据处理能力。A VR系列单片机是当前最为流行的单片机种类之一，接口丰富、开发简单是它最显著的特点（关于A VR其它信息您可查阅百度百科的词条“A VR单片机”：https://www.360docs.net/doc/4818395572.html,/view/942508.htm）。

MultiFLEX?2-PXA270控制器的处理器是Marvell Xscale PXA270，Xscale PXA270处理器可工作在520MHz的主频下，加入了Wireless MMX、Intel Speed Step等新技术，以其高性能、低功耗、多功能等特点在信息家电、工业控制等领域得到了广泛的应用。MultiFLEX ?2-PXA270控制器运行Linux操作系统，Linux以其内核精炼、高效、源代码开放且免费等优势，嵌入式领域得到了广泛的应用。MultiFLEX?2-PXA270控制器和MultiFLEX?2-AVR 控制器相比，除了能够处理IO、AD和总线数据之外，还能够处理语音、视频，我们据此可

以开发出功能更加丰富的机器人构型。

2.1 MultiFLEX?2-A VR控制器

MultiFLEX?2-A VR控制器是一款小型机器人通用控制器。MultiFLEX?2-A VR控制器功能高度集成，具有众多IO、AD接口，能够控制R/C舵机、机器人舵机，具有RS-232接口和RS-422总线接口，能够胜任常规机器人控制；MultiFLEX?2-AVR 控制器开发简单，使用图形化集成开发环境，只需编写程序逻辑流程就能够自动生成C代码，下载到控制器后就可实现机器人的各种功能控制。开放所有底层函数接口，如果您熟悉嵌入式C代码开发，您可以直接调用这些函数，从而专注于机器人上层算法的研究和编写。

2.1.1 功能概述

对照图示意图2.10，MultiFLEX?2-A VR控制器功能如下所示：

ATmega128@16MHz；

6个机器人舵机接口，完全兼容Robotis Dynamixel AX12+；

8个R/C舵机接口；

12个TTL电平的双向I/O口，GND/SIG/VCC三线制；

8个AD转换器接口（0~5V）；

2个RS-422总线接口(可挂接1-127个422设备)；

1个无源蜂鸣器；

通过RS-232与上位机通讯，可选无线通讯模组；

使用USB接口的A VR-ISP下载调试器；

图2.10 MultiFLEX 2-A VR控制器功能示意图

2.1.2 外部接口及电气规范

在“创意之星”使用过程中，您会频繁操作MultiFLEX?2-A VR控制器，对其各种输入

输出接口的电气规范您需要心里有数，错误的操作可能会导致危险。比如给充电口接上12V 的电压可能会让整个控制器冒烟。MultiFLEX?2-A VR控制器的电气规范如下表所示：

表2.1 MultiFLEX?2-A VR控制器的电气规范

项目数据说明

电池电压 6.5~8.4VD

C 使用2节锂聚合物电池，标称电压7.4V，使用过程电压范围为6.5V~8.4V。

充电电压——控制器内置智能充电器，充电过程会自动调节电压。外接电源12V 外接直流稳压电源，电压12V，正常使用电流0~5A。

保护反接保护

过流保护长时间电源反接仍可能损坏控制器。过流保护生效后，需要重新上电才能工作。

静态功耗0.5W 无外接设备下的静态功耗。

保护电流6~8A 超过此电流后，自动切断。约10秒后才能再次工作。I/O电平低电平< GND + 1.5V；高电平> VCC –1.5V

数字通讯接口RS-232接

口

TX，RX，GND三线制

数字量输入/输出12个GND/VCC/SIG三线制（SIG可以配置为输入或者输出，在NorthSTAR软件中配置或通过协议配置）。

模拟量输

入

8个GND/VCC/SIG三线制，10位精度。

机器人舵机接口6个1M速率的半双工异步串行总线，理论可接255个机器人舵机，由于供电能力限制，建议同时使用时不超过30个。舵机工作电

压等于控制器工作电压。

R/C舵机

接口

8个GND/VCC/SIG三线制（SIG为信号输出），工作电压5V。

ISP功能支持GND/RST/MOSI/MISO/SCK五线，配套提供ISP编程电缆。

无线通讯支持可选配ZigBee无线通讯模块，57.6KBps。

2.2 MultiFLEX?2-PXA270控制器

2.2.1 功能概述

MultiFLEX?2-PXA270控制器纯粹就是为智能机器人控制而存在的。它有以下特点：

1、高运算能力、低功耗、体积小。MultiFLEX?2-PXA270控制器具备520MHz、32位的高性能嵌入式处理器和Linux操作系统，运算处理能力强大，而功耗不到2W；体积小巧，可以直接放入仿人机器人体内。

上述特点有什么用处呢？使用这个控制器可以让您的机器人有眼睛（视觉），并且能够把看到的图像以30帧/s的速度进行识别处理；这个控制器可以让您的机器人能听得懂您的语言；不到2W的静态功耗，让您可以不用半个小时就换块电池；体型轻巧，可以用在小尺寸的机器人机体上。

2、控制接口丰富。可以控制直流电机（须配合BDMC系列伺服驱动器）；可以控制各

种信号的舵机（包括所有的传统R/C舵机、博创出品的CDS55XX系列机器人舵机、韩国Robotis公司出品的AX12+机器人舵机等）；可以对机器人舵机进行调速、位置控制、力矩控制；可以同时控制接近40路舵机\电机。

MultiFLEX?2-PXA270控制器充分放开了对机器人执行机构的限制，您在设计机器人时只需要考虑使用什么方案合适，而不用顾忌控制器能不能支持。您也不用耗费心力研究怎么控制电机和舵机，MultiFLEX?2-PXA270控制器上提供了您能使用到的所有函数接口，您直接调用即可。

3、数据接口丰富。控制器具有12路双向可设置通用IO接口，8路10位精度的AD 接口；还有RS-422总线、RS-232接口，足够满足绝大多数运用场合。

感知的丰富性是机器人区别于其它机器的重要因素之一，要让您的机器人具有与众不同的功能，对各种外界刺激有合理的反应，您需要给它添加各种各样的传感器。温度、光照、声强、距离等传感器您可以通过IO和AD接口接入，姿态、语音、视觉传感器可以通过RS-422总线、RS-232接口、USB接口接入。

4、开发简单。配套NorthSTAR图形化集成开发环境，您不用面对令人头疼的Linux 系统编程，嵌入式高手基本上都是高薪人士，原因是嵌入式编程难度高、人才少。您只是为了设计一只比较听话的小狗，不用非得抱着厚厚的“砖头”啃上半年到一年之后再开始动手设计，相信到时您对设计会说话的小狗的激情与创意都已灰飞烟灭了。

MultiFLEX?2-PXA270控制器的详细功能如下所示：

MultiFLEX?2-PXA270控制器：

完全支持MultiFLEX?2-A VR控制器的全部功能；

Marvell Xscale PXA270@520MHz，32 位处理器，16M NOR-FLASH，128M NAND-FLASH ，64M SDRAM；

Linux操作系统；

4个USB Host，1个100bps以太网端口、Wifi模块插槽（Wifi模块属选配件）；

1个麦克风接口，1个立体声音频输出接口；

支持摄像头作为视觉传感器，麦克风作为听觉传感器。

图2.11 MultiFLEX 2-PXA270控制器

2.2.2 外部接口及电气规范

如图2.11所示，MultiFLEX?2-PXA270控制器相比MultiFLEX?2-AVR控制器多出了以太网接口、USB接口、音频接口。MultiFLEX?2-PXA270控制器独有接口电气规范如下表所示：

表2.2 MultiFLEX?2-PXA270控制器的电气规范

项目数据说明

电池电压 6.5~8.4V

DC 使用2节锂聚合物电池，标称电压7.4V，使用过程电压范围为6.5V~8.4V。

充电电压——控制器内置智能充电器，充电过程会自动调节电压。外接电源12V 外接直流稳压电源，电压12V，正常使用电流0~5A。

保护反接保护

过流保护长时间电源反接仍可能损坏控制器。过流保护生效后，需要重新上电才能工作。

静态功耗 1.5W 无外接设备下的静态功耗。

保护电流6~8A 超过此电流后，自动切断。约10秒后才能再次工作。I/O电平低电平< GND + 1.5V；高电平> VCC –1.5V。

数字量输入/输出12个GND/VCC/SIG三线制（SIG可以设为输入或者输出，在NorthSTAR 软件中配置或通过协议配置）。

模拟量输

入

8个GND/VCC/SIG三线制，10位精度

机器人舵机接口6个1M速率的半双工异步串行总线，理论可接255个机器人舵机，由于供电能力限制，建议同时使用时不超过30个。舵机工作电压等于控

制器工作电压。

R/C舵机

接口

8个GND/VCC/SIG 三线制（SIG为信号输出），工作电压5V。

USB接4个在接口板上有两个对外USB接口，一个USB接口固化为无线网卡

口USB2.0 专用端口，一个USB接口固化为调试接口。

1个100M自适应以太网接口

以太网接

口

音频接口1输入1

输出

无线通讯支持54M无线以太网卡（选配部件）

2.3 电池和直流电源

MultiFLEX?2-PXA270控制器和MultiFLEX?2-A VR控制器内置一组7.4V的锂离子电池，一般情况下使用电池供电。电池电量不足的情况下，您可以使用直流稳压电源给控制器供电。

电池的种类很多，比如镍氢电池、铅酸电池、锂离子电池、锂聚合物电池等等。锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，但对于日常维护要求较高，在使用中需要注意下面的注意事项。

电池：如图2.12所示，创意之星”使用7.4V 锂离子电池，内置8A放电能力的充放电保护板。在电池的使用过程，您需要注意以下几点：

1、电池输出电压会随着电池电量的下降而下降，充满电时电池电压约为8.4V，使用过程中可能会降低到6.5V。

2、电池电压过低时（低于6.5V），控制器电源指示灯会以2s的周期闪烁，蜂鸣器会发出短促的鸣叫。这时请您切断电源，给电池充电，继续使用会使电池过度放电，造成永久性损伤。您也可以选择使用外接直流稳压电源为控制器供电。

3、充电器和电池已经内置到控制器里面，请不要自行拆卸。如果您需要更大容量的电池，请在确认电池符合要求（额定电压6.5~8.4V之间）后，将电池直接连接到用于连接外接直流稳压电源的圆形插座上，而不是替换原装电池。

直流稳压电源：如图2.13所示，“创意之星”配置了一个直流稳压电源。电源的输出为12V/5A，峰值电流可达8A。直流稳压电源使用过程中，您需要注意以下情况：

1、电源的正常输出能力是12V/5A，峰值可达到8A，但是长时间工作在5A以上会导致电源过热，缩短电源使用寿命。

2、您如果使用自己的外置电源时，请保证电源输出电压是在12V。

3、欠压报警症状是蜂鸣器短促鸣叫，控制器电源指示灯以2s的时间间隔闪烁。过压报警症状是蜂鸣器短促鸣叫，控制器电源指示灯以200ms的时间间隔闪烁。

3传感器

“创意之星”配置了大量的传感器，而什么是传感器？在不同的运用场合如何选用合适

的传感器呢？如果您没有接触过这些类型的机器人部件，您会很茫然。接下去我们将对常用的机器人传感器进行介绍。

结构零件构成了“创意之星”机器人的躯体，控制器是“创意之星”机器人的大脑，而传感器就是“创意之星”机器人的感知器官：皮肤、眼睛、耳朵、鼻子和舌头等等。

传感器能够将机器人自身的电流、电压、位置信息，外部的距离、温度、湿度、光线、声音、图像等信息转化为电信号。传感器内部的电路对这些电信号经过预处理之后转化为能够为控制器所采集或读取的电压、脉冲、数据信号。传感器据此得到需要的内外部信息。

控制器对这些信号解析提取之后，就能够知道相应的信息，比如机器人离前面的墙壁只有10cm 了。您编写程序时可以对此距离的不同数值采取不同的策略。比如机器人离墙壁20cm时减速，距离10cm时转弯。

3.1传感器的信号类型及电气规范

首先我们需要先理解几个概念：信号、数字信号、模拟信号、开关信号、总线、通信协议。

信号：信号是随时间变化的物理量（光、电、文字、符号、图像、数据等），可以认为它是一种传载信息的函数。人们通过一定的手段获取信号，通过适当的信息分析和处理，才能取得所需的信息。比如，我们用MultiFLEX?2-A VR控制器采集温度传感器的输出信号，通过解析之后就能够知道当前温度值，温度值就是我们所需要提取的信息。

根据信号的自变量（多指时间或空间等参数）和信号函数的取值不同，可以分为连续时间信号和离散时间信号两类。根据函数取值是否连续可分为模拟信号、量化信号、抽样信号、数字信号等。

模拟信号：在时间和数值上均是连续的物理量称为模拟量，如电压、电流、声音、速度、压力、温度等，我们将表示这些物理量的信号称为模拟信号，将工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电路，同理将输出信号为模拟信号的传感器称为模拟量传感器。

数字信号：有些物理量在时间和数值上均是离散的，它们的变化在时间上是不连续的，总是发生在一系列离散的瞬间。同时，它们的数值大小和每次增减变化都是某个最小单位的整数倍，小于这个最小数量单位的任何值都是没有意义的。这类物理量称为数字量，其信号称为数字信号，工作在数字信号下的电子电路称为数字电路。

开关信号：计算机的数据结构是由0和1构成的，所以0和1两种状态的数据是最容易处理的。数字信号里，最简单的信号就是只有高电平和低电平构成的0和1。只有0和1的数字信号称为开关信号，同理只能输出高电平或低电平的传感器电路称为开关量传感器。

数据总线：所谓总线，就是指能为多个功能部件服务的一组信息传输线，它是计算机中系统与系统之间、或者各部件之间进行信息传送的公共通路。如RS-422总线、CAN总线、IIC总线、USB总线等等。

RS-422总线：RS-422总线只有四根信号线，其接口采用平衡驱动差动接收电路。因为采用差动接收方法，起作用的是两个输入端的电位差，所以信号的电平幅度不必抬高，用TTL电平即可有很强的抗干扰能力，直接相连时距离可达l 200 m。

这种接口电路形式还使得一个驱动器能同时接多个接收器，因此可利用RS-422实现多台422设备的互连，构成主、从式通信网络。主机（指在整个网络系统中起主导作用的机器）的RS-422发送端与所有从机（指在整个网络系统中处于从属地位的机器或设备）的RS-422接收端相连；所有从机的RS-422的发送端连在一起，接到主机的RS-422接收端。这样连接使得主机发送时从机都可以收到，而从机都可以向主机发送信息。为避免两个或多个从机同时发送信息而引起冲突，通常采用主机呼叫、从机应答方式，即只有被主机呼叫的从机（每一台从机都有自己的地址）才能发送信息。

通信协议：协议（protocol）一词常用来表示“外交礼仪”、“条约”等。由此可见，通信协议也就是为进行数据通信而事先约定的章程。

通信协议由表示信息结构的格式和信息交换的进程组成。格式规定了数据为何种类型、如何排列，至于进程则规定了数据以怎样的步骤和流向来实现信息交流。数据通信时，为了保证双方能够正确的收发信息，应遵循相同的通信协议。我们最常见的通信协议时TCP/IP 协议。

以上内容是模拟电路、数字电路、计算机技术的基础内容，更详细的资料还请查阅相关教材。

“创意之星”配套的传感器有模拟量传感器、数字量传感器、总线式传感器三种。具体如下表所示：

表2.3 “创意之星”传感器类型及电气规范

项目数据类型电气规范

红外接近传感器开关量低电平0V；高电平5V

碰撞传感器开关量同上

声音传感器开关量同上

霍尔传感器开关量同上

姿态传感器开关量同上

光强传感器模拟量0~5V

温度传感器模拟量同上

灰度传感器模拟量同上

红外测距传感器模拟量同上

超声波测距传感器RS-422总线博创RS-422总线协议

3.2“创意之星”传感器接口

“创意之星”模拟量和开关量传感器的接口是3针2.54杜邦插头，控制器上的IO接口

和AD接口是2.54杜邦插座。

如图2.14 所示，控制器上有丝印标识，IO\AD\模拟舵机线序：△为GND，依次为GND\VCC\SIG。

图2.14 “创意之星”控制器传感器接口

如图2.15所示，传感器的接头线序为：VCC\SIG\GND（+5V\信号\地），有“△”标识的针脚为GND。

图2.15 3针2.54杜邦插头

图2.16为RS-422总线使用的6针RJ11线材，线序如表格2.4所示。

图2.16 RS-422使用的线材

表2.4 RS-422线序

水晶头线序定义颜色

1、VCC 白

2、GND 黑

3、422_A 红

4、422_B 绿

5、422_Y 黄

6、422_Z 蓝

3.1接近传感器

您最不希望看到的莫过于费尽苦心设计的机器人“啪”的一声从桌上掉下来，摔了个稀烂。如何避免这种情况的出现呢？您可以在桌子上围上一圈栅栏，不过估计老师或者家长不会同意这种做法。您在设计机器人的时候会遇到很多类似的机器人行为或策略问题，这时候您可以回想一下人和动物是怎么解决这些问题的，人类和动物进化了亿万年，在适应环境方面已经有了完美的解决方案，我们从中可以得到有效的借鉴。

人们通过眼睛看到台阶，并估计台阶的距离和高度。如果让机器人用摄像头看到台阶，将之和其它物体区分开，并估算出距离，对机器人而言这还是一个世界难题，我们不打算钻这个牛角尖。我们可以用接近传感器来判断是不是到达台阶或桌子边沿。红外传感器和霍尔传感器是常见的两种接近传感器。

3.1.1 红外接近传感器

原理

红外接近传感器俗称光电开关。它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理如下图所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型，因此也称为红外开关。

由于红外线是不可见光，红外探头体积小巧，隐蔽性非常高，所以各种规格的红外开关、红外测距传感器常常用于安防保卫领域。在好莱坞电影里，我们常常看见金库、博物馆里有一条条红色光线，大盗们运用各种手段避开这些探测光线，最终盗得各种财宝。实际上，红外线是不可见的，电影里采用了普通可视光线冒充红外线，以烘托紧张的故事情节，我们对此大可一笑而过，千万不要受到误导。

图2.17 红外接近传感器工作原理

光电开关可以分类如下：

1. 漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体

经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

2. 镜反射式光电开关：它集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

3. 对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。

4. 槽式光电开关：它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体，使用安全可靠。

5. 光纤式光电开关：它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。

“创意之星”机器人套件配套了2个漫反射式光电开关，其有效距离约为20cm。

提示：漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接收器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接收器接收到光线的强度。粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度，材料的反射率是影响光电开关有效距离的重要参数。常用材料的反射率如下表所示。

表2.5常用材料的反射率

材料反射率材料反射率

白画纸90% 不透明黑色塑料14%

报纸55% 黑色橡胶4%

餐巾纸47% 黑色布料3%

包装箱硬纸板68% 未抛光白色金属表面130%

洁净松木70% 光泽浅色金属表面150%

干净粗木板20% 不锈钢200%

透明塑料杯40% 木塞35%

半透明塑料瓶62% 啤酒泡沫70%

不透明白色塑料87% 人手掌心75%

红外开关是红外线光电开关的简称，利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。现有的光电传感器优先使用的是波长780nm——3um 的近红外光，并已有比较稳定的集成化产品，与数字电路的接口也非常简单。

使用：如图2.18 “创意之星”机器人所使用的红外光电开关型号为E18-B0，规格数据为：

VCC：5V。

工作电流：小于100mA。

输出形式：NPN三极管OC输出。

封装形式：工程塑料。

图2.18 红外接近传感器

红外接近传感器的是开关量传感器，接IO0~IO11的任意一个接口都可以通过NorthSTAR进行数值读取和编程。由于输出是开关量，只能判断在测量距离内有无障碍物，不能给出障碍的实际距离。但是该传感器带有一个灵敏度调节旋钮，可以调节传感触发的距离。“创意之星”套件在出厂前已经将感应触发距离调整到约20cm。

红外接近传感器是机器人上最常用的传感器之一，用于躲避周围障碍，或者在无需接触的情况下检测各种物体的存在。它的用途非常多，第四章将利用红外接近传感器设计一个避碰小车，您可以根据这一章的指导，实际使用一下红外接近传感器。

3.1.2霍尔接近传感器

原理：霍尔效应接近传感器是利用霍尔效应（Hall Effect）制成的接近开关，主要用于检测磁性物体。市场上常见的霍尔接近传感器的检测距离为10mm左右。

以下是一些常见的接近开关的外形特点和安装方式。可以看到，接近开关种类非常丰富，安装方式也很多样。不管是电感式、电容式还是霍尔效应式，其外观都有些类似，接口也基本上都是三线制：信号输出（通常为OC输出）、电源（通常5-30V）、地。

图2.19 接近开关的种类

使用：霍尔接近传感器是开关量传感器，接IO0~IO11 的任意一个接口都可以通过NorthSTAR进行状态读取和编程，使用方法和红外接近传感器一致。

霍尔接近传感器对磁场或磁性物体很敏感，工厂据此铺设自主导引车（AGV）的行车轨迹，在水泥地面上镶嵌磁化的铁条，自主导引车可以检测预铺设的铁条，确定行车方向。

下图是“创意之星”使用的霍尔接近传感器，前方突起是传感器的探头：

图2.20 霍尔接近传感器

3.2 测距传感器

在很多场合，我们需要准确知道机器人和目标物的距离，这样的要求是不能通过接近传

感器来实现的，因为接近传感器是开关量，只能告诉我们“有无”，不能告诉我们“多少”。在实际生活中，我们可以用尺子来测量距离，机器人不可能随时随地伸着把尺子，它用于测量的标尺是声波、红外线或者激光。在生物界里，蝙蝠是用超声波进行测距和定位的高手，超声波测距传感器、雷达等设备就是根据蝙蝠使用超声波的原理进行设计的。下面我们会介绍“创意之星”使用的红外测距传感器和超声波测距传感器。

3.2.1 红外测距传感器

原理：日本SHARP公司推出了一系列的红外测距传感器（Infrared Range Finder），用来测量前方物体和传感器探头之间的距离。这些传感器体积小（手指大小）、重量轻（不到10克重），接口简单，用于微型机器人的测距是非常理想的选择。

GP2D12是该系列传感器中的典型。它的输出为：0~2.5V模拟量（电压值随距离变化）；量程范围10~80 cm。这个型号的传感器作为大多数微型移动机器人的避碰和漫游测距用传感器都是足够的。另外还可以用于检测机器人各关节位置、姿态等。

图2.21 GP2D12及其原理图

GP2D12主要是由红外发射器、PSD（位置敏感检测装置）及相关处理电路构成，红外发射器发射一束红外光线，红外光线遇到障碍物被反射回来，通过透镜投射到PSD 上，投射点和PSD的中心位置存在偏差值a，GP2D12根据上图所示的a、b、α三个值就可以计算出H的值，并输出相应电平的模拟电压。

由上述原理可知红外测距传感器的几个重要的特性：

1、与障碍物的反射角度基本无关。下图列出了GP2D12在以不同角度面对反射面时，实际距离与测得距离的偏差。实际距离均为40cm，反射物为一块40cmx40cm的白色木板。可以看到在反射物垂直于光路、20度、40度、60度夹角时，输出值误差很小。