避障机器人设计

（2）红外接收器的选择
红外传感器实物图片
编号 1 2 3 4 5
名称/功能 VCC 电源线 GND 地线 Vo 输出信号线 发射管 接收管
4、基于红外传感器的电路设计
（1）红外发射二极管的选择 红外发射二极管分为很多种。一般按峰值波长（λp）主要 有： 850nm、870nm、880nm、940nm、980nm。
2）使用不同频率的激光，按照一点顺序，发射不同频率得激光，
通过检测返回光束得频率来得到距离。 3）相位差。通过检测发射激光和反射激光得相位差来得到距离。
多数激光传感器使用这种方法。
2、测距超声波传感器：
超声波传感器是基于TOF原理。首先发射一组声波脉冲信号， 然后一个积分器就开始计算发射时间。一个返回信号阀值接着就 会被设定来接受回波信号，这个阀值会随着时间的增加而减小， 因为回波会随着距离的增加而发散，从而强度变小。
4、基于红外传感器的电路设计
半功率角：指红外线二极管其上下或左右两边所辐射出之 红外线强度为该组件最大辐射强度的50%时，其上下或左 右两边所夹的角度称为半功率角。
（ 2）红外接收器的选择
红外线（IR）接收（检测）器有内置的光滤波器，除了需要 检测的940nm波长的红外线外，几乎不允许其它光通过。 红外检测器还有一个电子滤波器，它只允许大约38.0KHz的
（四）电源模块
假定主控制器由9V/12V电源供电，使用电源适配器或者使
用电池供电，经DC-DC变换电路分别产生5V，3.3V，
2.5V电源给各个功能模块供电。 例如：9V/12V给电机供电； 5V给I/O口驱动、数字和模拟传感器等供电； 3.3V给主控芯片、传感器、采集系统、串口等供电。
（四）电源模块
一般超声波探测器的频率为40Hz，探测范围为12cm－5m， 精度为98%-99.1%,分辨率为2cm。同时超声波是一个20－40度 角的面探测，所以可以使用若干个超声波组成一个超声波阵列 来获得180度甚至360的探测范围。 超声波还有其它几个缺点，比如交叉感应，扫描频率低， 尤其是使用超声波阵列的时候，还有回波衰减，折射等问题。
舵机结构简介
与普通直流电机的区别： 直流电机是一圈圈转动的，舵机只能在一定角度内转动 ，不能一圈圈转（数字舵机可以在舵机模式和电机模式中切
换，没有这个问题）。
普通直流电机无法反馈转动的角度信息，而舵机可以。 用途也不同，普通直流电机一般是整圈转动做动力用，舵 机是控制某物体转动一定角度用（比如机器人的关节）。
电源适配器 或电池 9V-12V 9V-12V转 5V 9V-12V 9V-12V转 5V 5V 模拟和数 字传感器 5V I/O驱动电 路 5V转3.3V 3.3V 键盘/LCD 3.3V 传感器系统处 理器 3.3V 串口 9V-12V 电机驱动电路 及电机
（五）机械结构设计
1、前轮定位的调整 模型车过弯时，转向舵机的负载会因为车轮转向角度增 大而增大。为了尽可能降低转向舵机负载，可对前轮定位
它角度产生变化，但是这个是有上限的，上限就是它的最大扭
力。除非控制系统不停的发出脉冲稳定舵机的角度，舵机的角 度不会一直不变。
舵机控制系统
当舵机接收到一个小于1.5ms的脉冲，输出轴会以中 间位置为标准，逆时针旋转一定角度。接收到的脉冲 大于1.5ms情况相反。
不同品牌，甚至同一品牌的不同舵机，都会有不同的
避障避险机器人设计
电气工程系：吴娜
主要内容
一、比赛要求 二、机器人总体方案设计 三、机器人各部分硬件电路设计
☞ 机器人主控系统
☞ 机器人传感器系统
☞ 机器人执行系统
☞ 机器人电源模块
一、比赛要求
（一）比赛任务
小车从出发区出发后，沿车道行驶一圈，并返回 出发区。 （二）比赛场地
注： ⑴ ⑦⑧⑨为遮挡墙，固定于场地表面，距离场地表面高度大于 10cm，厚度大约2cm。 ⑵ ①②③④⑤⑥为遮挡柱，固定于场地表面，距离场地表面高度大于10cm，横截面为4cm × 4cm(误差为+0.3cm)正方形。

TOF 原理
3、红外传感器
(1)红外传感器原理：利用三角测量法。
三角测量法（Triangulation-based):就是把发射器和
接受器按照，由于发射器和接收器的距离已知，发射角度 已知，反射角度也可以被检测到。因此检测点到发射器的距 离就可以求出。
舵机结构示意图
舵机结构简介
舵机底壳拆开后就可以看到，主要是电机与控制板。
控制板拿起来后下方是与控制板连接的电位器
从顶部来看电机与电位器，与电机齿轮直接相连的为第一级 放大齿轮。
经过一级齿轮放大后，再经 过二、三、四级放大齿轮， 最后再通过输出轴输出。
舵机控制系统
舵机的伺服系统由可变宽度的脉冲来进行控制，控制线是用来 传送脉冲的。脉冲的参数有：最小值、最大值、频率。 一般而言，舵机的基准信号都是周期为20ms，宽度为
舵机结构简介
舵机组成：它由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路 组成的一套自动控制系统。通过发送信号，指定输出轴旋转 角度。舵机一般而言都有最大旋转角度（比如180度。）
电机控制板：驱动电机和接受电位器反馈回来的信息。 电位器：通过其旋转后产生的电阻的变化，把信号发送回电机控 制板，使其判断输出轴角度是否输出正确。 齿轮组：力量的放大，使小功率电机产生大扭矩。
现在市场上使用较多为850nm和940nm两种。
940nm红外发射二极管优点：光强度高，响应速度快，可 用脉冲驱动，
4、基于红外传感器的电路设计
4、基于红外传感器的电路设计
在使用红外发射二极管时，发射管的辐射强度(Power)
与输入电流(If)成正比。辐射强度：表示红外线发光二极
管其辐射红外线能量之大小。 发射距离与辐射强度成正比。
最大值和最小值。一般而言，最小脉冲为1ms，最大 脉冲为2ms。如下图：
舵机控制系统
（四）电源模块
电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源。设计 中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还 要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面
进行优化。
可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。 由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量 各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将电源电 压转换成各个模块所需要的电压。
不过对于移动机器人来说，超声波还是目前最廉价和有
效的传感器。
TOF（time of flight)原理: 距离＝速度×时间
比如声波传输速度是0.3m/ms，如果3m的距离，需要10ms才能到达。 然后通过计算这个返回的时间差来确定距离。但是如果是光速的话，光速是 0.3m/ns，同样3m的距离，光只要10ns就到了。这就对检测元件提出 了非常高的要求。这也是激光传感器价格居高不下的原因。
电信号通过。换句话说，检测器只寻找每秒闪烁38000次的红
外光。这就防止了普通光源像太阳光和室内光对IR的干涉。 太阳光是直流干涉（0KHz）源，而室内光依赖于所在区域 的主电源，闪烁频率接近100Hz或120Hz。由于120Hz在电 子滤波器的38.0KHz通带频率之外，它完全被IR探测器忽略。
（三）执行电路设计
舵机结构简介
直流伺服电机（舵机）是指在伺服系统中控制机械元 件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电 机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转
化为转矩和转速以驱动控制对象。
伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应， 在自动控制系统中，用作执行元件，可把所收到的电信号 转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
根据传感器的作用分，一般传感器分为： 内部传感器（体内传感器）：主要测量机器人内部系统，比 如温度，电机速度，电机载荷，电池电压等。 外部传感器（外界传感器）：主要测量外界环境，比如距离 测量，声音，光线。 根据传感器的运行方式，可以分为： 被动式传感器：传感器本身不发出能量，比如CCD，CMOS摄像 头传感器，靠捕获外界光线来获得信息。 主动式传感器：传感器会发出探测信号。比如超声波，红外， 激光。但是此类传感器的反射信号会受到很多物质的影响，从而 影响准确的信号获得。同时，信号还狠容易受到干扰，比如相邻 两个机器人都发出超声波，这些信号就会产生干扰。
假设发射角度是90度的情况，D=f(L/x)
L=发射器和接收器的距离 x＝接受波的偏移距离 f（）是函数。
3、红外传感器
D=f(L/x) 由此可见，D是由1/x决定的，所以用这个测量法可以测得距 离非常近的物体，目前最精确可以到1um的分辨率。但是由
于D同时也是L的函数，要增加测量距离就必须增大L值。所
☞机器人电源模块：电源模块将给前三部分提供电力动能。
（一）机器人主控系统设计
(1)硬件系统 机器人主控系统硬件包括：微处理器、存储器、键盘电路、 显示电路、I/O驱动电路、电源供电电路等。
(2)软件系统
机器人主控系统软件包括：系统启动程序、各模块硬件设备 驱动程序、实时操作系统等。
（二）传感器电路设计
但是在刚发射信号的时候，返回信号的阀值会被设定的很高
以防止发射波直接触发接受器，但是这样造成一个问题，就是如 果检测的距离很短，在阀值没有下降之前，返回信号已经到达接 收器，这时，接收器会认为这个返回信号是刚发出的信号，从而 拒绝接受。因此超声波传感器就会有一个探测盲区，没法对近距
离物体探测。
2、测距超声波传感器：
适用于机器人比赛等小范围障碍物距离检测中。
4、基于红外传感器的电路设计
红外线二极管发射红外光线，如果机器人前面有障碍物，红
外线从物体反射回来，相当于机器人眼睛的红外检测（接收）器
，检测到反射回的红外光线，它通过测量红外线被反射的强度来 输出反映和物体距离的电压信号，有效距离 10～80厘米。