Разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create (стр. 6 из 13)

Рисунок 2.3 – Интерфейс для фоторезистора

Этот датчик очень чувствителен к видимому свету, соответственно, данная информация может быть очень полезна для управления роботом. Подобно человеку датчик должен быть способен различать градации света: темноту, затемненные зоны и изменения яркости света.

ИК-датчиками являются фототранзисторы или фотодиоды.

Фототранзистор и фотодиод обладают максимальным покрытием ИК-области спектра, но их также можно применять и в красной области спектра. Фотодиод имеет более быстрое время срабатывания, чем фототранзистор.

Фотодиоду отдают предпочтение, когда необходимо обнаружение кодированного сообщения, например, при приеме сигналов пультом дистанционного управления телевизора. Но для усиления принятого сигнала необходим интерфейс, и, соответственно, фотодиод не может подключаться непосредственно к плате управления.

Фототранзистор используется в качестве замены фоторезистора для обнаружения быстрых перепадов освещенности окружающего пространства. Как и фоторезистор, фототранзистор подключается непосредственно к плате управления при помощи простого интерфейса (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 – Интерфейс для фототранзисторов и фотодиодов

Фототранзисторы часто используются совместно с излучателем фотонов – источником света, например светодиодом (французское обозначение - Del, английское обозначение -Led). Эти совместно работающие компоненты называются оптопарой и в зависимости от ориентации могут образовывать датчик отражения или оптокоммутатар. Схема включения неизменна для обоих типов датчиков (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Интерфейс для датчика отражения и оптокоммутатора

Для сведения к минимуму влияния окружающего света на датчик используется ИК-модель светодиода. Светодиод настраивается на оптимальное значение светового излучения при помощи переменного резистора, которым регулируется количество излучаемых фотонов. Это позволяет избежать насыщения приемника, в результате которого приемник становится непригодным для использования. Сопротивление нагрузки фототранзистора зависит от модели. Оптимальное значение сопротивления подбирается опытным путем.

Датчик отражения используется для обнаружения градаций монохромного (черно-белого) цвета на плоской поверхности. Темная поверхность поглощает излученные фотоны, и транзистор остается в закрытом состоянии. Светлая поверхность отражает свет в направлении фототранзистора, в результате чего происходит его насыщение - транзистор переходит в другое, открытое, состояние.

Таким же образом возможно обнаружение и других цветов, например зеленого. Оптимальное расстояние обнаружения составляет порядка 5 мм. При изменении этого расстояния характеристики датчика заметно ухудшаются.

2.2.3 Детекторы приближения

Очень полезно уметь уклоняться от столкновения с неподвижным или мобильным препятствиями. Столкновение может привести к неожиданным последствиям. Итак, данное умение - очень ценное преимущество робота.

Для обнаружения препятствий, расположенных на небольшом расстоянии, можно использовать излучающий ИК-светодиод с небольшим фотоприемником. В совокупности компоненты называют оптопарой.

Используемый принцип обнаружение препятствия близок к принципу работы датчика отражения, но с одним усовершенствованием. ИК-излучение должно быть не непрерывным, а импульсным, что позволит исключить паразитные ИК-излучения (солнечный свет, источник тепла). При наличии препятствия перед роботом излучение отражается и принимается приемником. Но эффективность этой системы зависит от мощности излучения, угла отражения, происхождения и цвета препятствия.

Импульсное излучение модулирует несущую волну на частоте 40 кГц. Эта частота является стандартной несущей частотой всех коммуникационных систем, использующих ИК-излучения (пульты дистанционного управления телевизорами и прочие приборы). Излученный сигнал принимается специальным приемным модулем, который включает в себя фотодиод, усилитель и демодулятор, работающий на частоте 40 кГц. Модуль после демодуляции преобразует ее в цифровую форму и в уровнях, непосредственно совместимых с уровнями сигналов на входах платы управления.

Для обеспечения достоверности информации необходимо, чтобы продолжительность излучения составляла примерно 1 мс, а между излучениями выдерживалась пауза длительностью 1 мс. Во время излучения выполняется чтение приемника, наличие препятствия подтверждается отсутствием сигнала приемника при отсутствии излучения. Указанные промежутки могут быть сокращены при испытаниях в конкретной ситуации.

Схема датчика представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Схема детектора приближения

Для увеличения или уменьшения расстояния обнаружения можно изменить номинал резистора.

Функция измерения расстояния обеспечивает проверку положения робота, рассчитанного другими способами. Долгое время измерение расстояния являлось прерогативой ультразвуковых систем из-за относительно небольшой стоимости по сравнению с лазерными телеметрическими датчиками. Ситуация изменилась после разработки технологичных телеметрических ИК-датчиков. Они обеспечивают достаточно точно измерение расстояний в пределах от 10 до 80 см при помощи инфракрасного излучения.

Для расчета расстояния или наличия объекта в поле зрения эти датчики используют триангуляцию совместно с сетью фотодиодов. Идея заключается в излучении коротких и мощных ИК-импульсов, которые отражаются объектом или теряются, если не попали в поле его зрения. В случае отражения на детектор поступает луч в точке, образующей треугольник с точкой излучения и обнаруженным объектом (рис. 2.7).

Угол отражения в треугольнике меняется в зависимости от расстояния до обнаруженного объекта. Точность датчика повышается линзой детектора. Фазочувствительный детектор положения определяет угол отражения и рассчитывает расстояние до объекта. Этот способ позволяет исключить влияние окружающего освещения, а также цвета обнаруженного объекта. Соответственно, возможно обнаружить черную стену при полном освещении помещения.

Рисунок 2.7 – Принцип работы телеметрических ИК-датчиков [13]

2.2.4 Пироэлектрические датчики

Пироэлектричекие датчики способны обнаруживать тепло, исходящее от человеческого тела или от огня. В самом деле, живые существа - люди или теплокровные животные - излучают инфракрасное излучение (в диапазоне от 8 до 10 мкм), которое может быть обнаружено пироэлектрическими датчиками. Эта особенность используется для обнаружения несанкционированного движения человека в системах тревожной сигнализации. Пироэлектрические датчики другого типа используются для обнаружения возгорания и подачи сигнала срабатывания на систему пожарной сигнализации. Датчики последнего типа представляют собой УФ-датчики, чувствительные к излучениям, исходящим от огня (от 185 до 260 нм).

2.2.5 Звуковые датчики

Окружающие нас предметы могут передавать полезные звуки, которыми даже лечат больных или проводят релаксацию работников, подверженных стрессу. Но они могут издавать и вредные звуки, которые называют источниками звуковых «загрязнений». Чем выше частота звука, тем с большей точностью можно определить направление на него. Звуки распространяются со скоростью 320 м/с, если их измерять на уровне моря при температуре 25 °С. При других условиях скорость может отличаться от приведенной. Звуки используются разными способами. С их помощью можно общаться с роботом или обнаруживать препятствия, на которых звуки образуют эхо.

Датчик детектирования звуков представляет собой классический микрофон, сигнал которого усиливается до определенного уровня. Декодирование звуковой команды для исполнения роботом может потребовать значительных ресурсов, если речь идет о распознавании звуков человеческого голоса. Но если для общения с роботом довольствоваться выбором одной определенной частоты, положение дел значительно упрощается. В этом заключается причина успеха небольших роботов, которые реагируют на такие простые однотонные звуки, как хлопанье в ладоши или свист.

В данном случае, как правило, используется два электронных устройства: частотный детектор селектирующий из множества одну определенную частоту, и преобразователь «частота-напряжение», генерирующий напряжение, пропорциональное поступающей на его вход частоте.

Схема, показанная на рисунке 2.8, является одной из возможных реализаций преобразователя частоты в напряжение. Устройство работает по следующему принципу: сигнал, вырабатываемый микрофоном, усиливается интегральной схемой LM386. Она представляет собой усилитель звуковых частот определяемых источником питания +5 В, работающий в диапазоне низких напряжений. Интегральная схема LM2917 –- это преобразователь частота-напряжение.

Рисунок 2.8 – Схема преобразования частоты в напряжение

Ультразвуковые частоты лежат выше диапазона звуковых частот и обладают узкой направленностью. Это свойство ультразвуковых сигналов позволило использовать их для измерения расстояний от нескольких сантиметров до 11 м. Ультразвуковая система измерения расстояния излучает спектр частот в полосе частот 40 кГц, а затем измеряет время возврата (отклика) отраженного сигнала. Так как излученный сигнал прошел расстояние от источника до препятствия дважды, измеренное время должно быть разделено на два. Для получения расстояния остается умножить полученный результат на скорость звука.