摘要：采用Freescale公司的MC9SDG128單片機進行控制，使用ROHM公司生產的發送接收一體化反射型光電傳感器RPR220，設計了一種新型迷宮機器人。該迷宮機器人能夠在程序中嚴格控制光電傳感器的開關，同時用軟件消除外界干擾，取得了很好的探測效果。
關鍵詞：迷宮機器人；光電傳感器；RPR220；MC9SDG128；干擾

引言
    迷宮機器人走迷宮競賽是一項綜合性十分強的競賽，它涉及的學科包括了計算機學、機械學、電工學、嵌入式開發知識以及算法的實現等。迷宮機器人是一種人工智能的機器人，又稱為電腦鼠(Micromouse)。它擁有靈活的“雙腿”，銳利的“眼睛”，還有聰明的“大腦”用于控制“眼睛”和“雙腿”協調工作，最終走出IEEE標準迷宮。迷宮由256個方塊(單元)組成，每個方塊的大小為18 cm見方，排成16行×16列。
    迷宮機器人在迷宮中要能按照一定規則完成行走，所以機器人必須具備以下幾種能力：
    ◆穩定且快速的行走能力；
    ◆正確判斷能力；
    ◆記憶路徑的能力。
    很明顯，這些能力必須建立在迷宮墻壁能夠被準確探知的基礎上，這就要求迷宮機器人要有很強的“觀察力”，即具有一雙“慧眼”。現實中，能夠進行避障的傳感器有很多，如CCD攝像頭、超聲波傳感器、光電傳感器等。從設計成本和使用方面綜合考慮，本設計采用紅外式光電傳感器。紅外傳感器的功能有兩個：一是判斷迷宮墻壁的有無，確定迷宮機器人的行進方向；二是根據傳感器獲得的數值判斷迷宮機器人和墻壁之間的距離，從而對迷宮機器人的姿態進行調整，避免迷宮機器人和墻壁發生碰撞。

1 光電傳感器原理
    紅外光電傳感器工作原理如圖1所示。發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體光源、發光二極管(LED)、激光二極管及紅外發射二極管。光束不間斷地發射，或者改變脈沖寬度。接收器由光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面裝有光學元件(如透鏡和光圈等)；在接收器后面的是檢測電路，用于濾除無效信號，以及對有效信號進行利用。

    隨著車體和墻壁的距離不同，接收管接收到的信號的強弱也不同。當車體距離墻壁較近時，大量發射的紅外光線經墻壁反射后被接收管接收，產生的電壓較高；反之，車體距離墻壁較遠時，反射的紅外光線在傳播過程中會損耗，被接收管接收到的信號較弱，產生的電壓也就較低。根據接收管產生電壓的強弱，可以判斷車體與墻壁之間的距離，為迷宮機器人避障提供數據。

2 光電傳感器的選用
    光電傳感器的特點：不受電磁波的干擾，非噪聲源，可實現非接觸性測量；受環境的影響非常大，物體的顏色、方向、周圍的光線都可能導致測量誤差；由于發射光線是光而不是聲音，可以在相當短的時間內獲得較多的紅外線傳感器測量值；測距范圍較近，大致為40 cm以內。紅外傳感器發射管和接收管的類型很多，其工作光波長約為800～1100 nm。通常在小功率條件下的工作電壓為1．5～5 V左右，工作電流為3～10 mA左右。在本設計中選用了日本ROHM公司生產的發送接收一體化反射型光電傳感器RPR220。該光電管功率為80 mW，工作波長為800 nm，完全滿足迷宮機器人的使用要求。

3 光電傳感器應用電路
    在本設計中，采用Freescale公司的16位單片機MC9S12DG128對光電傳感器進行控制。單片機的A／D模塊進行信號采集，獲知當前的墻壁信息和車體的位置信息。單片機采集到A／D數值后，通過RS232傳到PC機上。然后根據傳感器采得的數值為電機指定相應的動作信號，控制迷宮機器人在迷宮中的姿態，并且實時記錄迷宮墻壁有無的信息，為建立迷宮地圖提供數據。
3．1 傳感器電路
    傳感器電路是獲知迷宮信息的主要途徑，其電路設計的好壞直接影響著機器人的工作。一般來說，傳感器電路由控制電路、發射管、接收管和信號處理電路構成。陽光譜中含有紅外成分，所以在迷宮機器人中要想方設法將紅外光譜消除，才能保證迷宮機器人的正常運行。
    本設計使用了5路傳感器，分置于迷宮機器人的正前、偏左45°、左側、偏右45°、右側。每一路的打開與關閉由處理器控制，如圖2所示。

    本設計中的傳感器電路如圖3所示。CTR1為傳感器的開關控制口，CTR1置高時，發射管兩端沒有電壓差，所以傳感器不會對外發射紅外信號；CTR1置低時，發射管和傳感器均工作，對外發射紅外光譜信號。當發射的紅外光譜經迷宮墻壁發射反射回迷宮機器人時，接收管會產生感應電流。此時，RPR220的3號端口的電阻將該端的電動勢拉高。如果電流增大，那么3號端口輸出的地電動勢也會相應增大，從而實現對迷宮環境的信息探測。

3．2 傳感器電路的使用
    從前面的分析可以知道，傳感器采集信號時存在著陽光干擾。在設計期間，我們也進行了相應的干擾實驗。結果表明，陽光的干擾十分強烈，完全可以使得紅外傳感器失去作用。因此，在傳感器電路的使用過程中必須考慮陽光對光電傳感器的干擾，可從硬件和軟件兩方面去消除陽光的影響。
    在本設計中，采用了軟件消除誤差的方法。首先，CTR1置高，也就是傳感器發射管處于關閉狀態。這時使用處理器的A／D采集模塊對接收管的信號進行采集，作為基值AD1。然后，將CTR1置低，將發射管打開，再一次用處理器的A／D采集功能進行信號采集。這時采得的數據為AD2，是反射光譜和陽光紅外譜的混合信號，而真正的A／D值應為AD=AD2-AD1。軟件消除陽光紅外光誤差的流程如圖4所示。

    本設計采用MC9S12DG128處理器的PB0～PB4控制5個傳感器的開斷。實驗表明，軟件消除陽光紅外光誤差的方法效果較好。

3．3 實驗結果
    該實驗使用RS232通信接口，將處理器采集獲得的A／D數值實時傳到上位機，然后改變車體與墻壁之間的距離，記錄各個點的A／D數值，利用MATLAB繪制出A／D值與距離之間的關系圖。
    實驗表明，該方法能夠有效地在迷宮中進行距離的探測，最大探測距離達到20 cm，在1 cm處傳感器飽和，而迷宮機器人的要求能夠探測的最大距離為18 cm，飽和距離不能大于2 cm。顯然，該電路完全滿足使用要求。實驗程序如下所示：
    
    實驗結果如圖5所示，可見距離與A／D采樣值成反比。

4 結論
    本文設計了一款新型迷宮機器人，其中光電傳感器的設計部分采用RPR220實現。實驗表明，本設計的探測距離完全滿足迷宮機器人的使用要求。其創新點是使用軟件的方法進行干擾消除，有效地避免了陽光紅外信號的干擾，提高了迷宮機器人走迷宮的成功率，機器人的可靠性也得到了大幅的提升。