紅外避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊 黎，余 勝

(湖南人文科技學(xué)院物理與信息工程系，湖南婁底417000)

機(jī)器人在行進(jìn)過程中遇到障礙物時(shí)，首先能夠檢測到障礙物，同時(shí)需要對障礙物是否妨礙行動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步判斷，最后達(dá)到避開障礙物的目的。而機(jī)器人的視覺傳感器就具有識(shí)別障礙物的功能，同時(shí)它也作為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。它的典型應(yīng)用領(lǐng)域是自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)，但其需要通過大量的運(yùn)算，且只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)[1]。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)簡單實(shí)用，且能夠快速識(shí)別障礙物的避障系統(tǒng)是非常有必要和有現(xiàn)實(shí)意義的。

本設(shè)計(jì)最重要的特點(diǎn)是紅外發(fā)射部分不設(shè)專門的發(fā)射電路，而是直接從接收部分檢測。既簡化了線路與調(diào)試工作，又防止了周圍環(huán)境和元件參數(shù)變化對收發(fā)頻率造成的差異，使電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大加強(qiáng)。

一 基本參數(shù)研究和方式

(一)紅外光檢測方式

紅外線是波長介于微波與可見光之間的電磁波，波長在770nm至1mm之間，是波長比紅光長的非可見光。本設(shè)計(jì)通過紅外發(fā)光二極管發(fā)射一束調(diào)制在特定頻率上的紅外光線，在遇到障礙物的時(shí)候反射回來，同時(shí)被紅外接收二極管捕捉到，再送到特定的電路進(jìn)行相應(yīng)處理。

(二)中心頻率

中心頻率就是濾波器通頻帶中間的頻率，以中心頻率為準(zhǔn)，高于中心頻率一直到頻率電壓衰減到0．707倍時(shí)為上邊頻，相反為下邊頻，上邊頻和下邊頻之間為通頻帶。

本設(shè)計(jì)的中心頻率可以手動(dòng)自由調(diào)節(jié)，因此可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)紅外傳感器的共同工作，而彼此互不干擾，達(dá)到多點(diǎn)檢測，以便更好的掌握周圍環(huán)境，為避障提供準(zhǔn)確的信息。

二 主要器件分析

(一)紅外反射式傳感器

1．傳感器比較

能實(shí)現(xiàn)視覺功能的傳感器主要有以下幾種[2]:

(1)利用CCD攝像頭進(jìn)行圖像采集和識(shí)別，但不適用小體積系統(tǒng)的使用，并且涉及圖像采集與識(shí)別等領(lǐng)域。

(2)電容式接近傳感器，基于檢測對象表面靠近傳感元件時(shí)的電容變化。

(3)超聲波傳感器，通過發(fā)射一束超聲波，在遇到障礙物時(shí)反射回來后，根據(jù)超聲波的速度與時(shí)間差來計(jì)算與障礙物的距離。

(4)紅外反射式光電傳感器，它包括有固態(tài)發(fā)光二極管與的固態(tài)光敏二極管或光敏三極管。

根據(jù)情況，紅外反射式傳感器與精確的測距系統(tǒng)不同，它只要感知物體的有無以及接近的程度，并且判斷出簡單的閾值及提供遠(yuǎn)近分檔的距離。因此，使用較簡單的接近傳感器來實(shí)現(xiàn)避障功能是可行的。

2．特性及工作原理

反射式光電傳感器的光源有多種，包括紅外發(fā)光二極管，普通發(fā)光二極管，激光二極管等。前兩種易受到外界光源的干擾，而第三種光的頻率相對比較集中，只接收很窄的頻率范圍信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)但造價(jià)比較高。

在理想的情況下，光電傳感器需要處于發(fā)射的紅外線經(jīng)障礙物發(fā)射回來能被接收二極管接收到的區(qū)域，才能檢測到周圍的物體。同時(shí)，光的檢測受到來自顏色，形狀，光潔度及日光等不同因素的反射面的影響。因此，用發(fā)射與接收二極管，將受到外界干擾，不利于測量結(jié)果，但利用反射光強(qiáng)的測量方法可以提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性[3]。它的原理是紅外發(fā)射管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)，然后由紅外接收管接收。X表示紅外傳感器與被測障礙物之間的距離，如圖1所示。

圖1 紅外發(fā)射與接收原理

(二)LM567鎖相環(huán)解碼器

LM567是美國國家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品，同類產(chǎn)品還有美國西格萊蒂克斯公司的NE567，新日本無線電公司的NJM567等。這種解碼器具有高噪聲抑制，窄通頻帶，不受假信號(hào)干擾，穩(wěn)定的中心頻率和通帶中心頻率可調(diào)等特點(diǎn)。因此在音頻亞音頻單音頻解碼中得到廣泛應(yīng)用[4]。

1．內(nèi)部結(jié)構(gòu)

LM567內(nèi)部包含了兩個(gè)鑒相器、放大器、電壓控制振蕩器 VCO等單元，它的引腳圖如圖2[5]。LM567的管腳功能是:1腳為輸出濾波，2腳為回路濾波，3腳為輸入端，4腳為正電源端(電壓值需最小為4．75V，最大為9V)，5腳為定時(shí)電阻端，6腳為定時(shí)電容端，7腳為接地端，8腳為輸出端。

圖2 LM567引腳圖

鎖相環(huán)內(nèi)包含電流控制振蕩器(CC0)、反饋濾波器和鑒相器。解碼塊由鎖相環(huán)和晶體管組成，若在輸入端加入一特定的音頻時(shí)，則可以輸出一個(gè)方波信號(hào)。處于通帶內(nèi)的輸入信號(hào)可以提供一個(gè)類似飽和晶體管的對地開關(guān)，由I和Q檢波器組成其電路，其譯碼器的中心頻率通過內(nèi)部電壓控制振蕩器驅(qū)動(dòng)的振蕩器決定，中心頻率的輸出和帶寬延遲由外接的獨(dú)立元件設(shè)定。

2．工作原理

當(dāng)音頻譯碼器LM567工作時(shí)，鎖相環(huán)內(nèi)部電流控制振蕩器產(chǎn)生一定頻率和相位的振蕩信號(hào)，此振蕩信號(hào)與3腳的輸入信號(hào)，通過內(nèi)部的正交相位探測器相比較。如果輸入信號(hào)的頻率在設(shè)定的通頻帶范圍內(nèi)，則輸入信號(hào)被鎖相環(huán)鎖定。此時(shí)，芯片的內(nèi)部晶體管導(dǎo)通，輸出一個(gè)低電平信號(hào)。

LM567通過5腳輸出的矩形信號(hào)和2腳輸出的鋸齒波脈沖，都與內(nèi)部的振蕩信號(hào)的頻率一致。鎖相環(huán)相位檢測器輸出的經(jīng)過F/V變換的電壓信號(hào)，通過2腳輸出。5腳受2腳輸入的音頻信號(hào)的影響，輸出一個(gè)經(jīng)調(diào)制的方波信號(hào)，作為振蕩信號(hào)。

四 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)總體設(shè)計(jì)框圖

本方案主要由紅外發(fā)射與接收電路，信號(hào)放大處理電路，及單片機(jī)外圍電路，包括晶振電路、復(fù)位電路和報(bào)警電路的設(shè)計(jì)。由紅外發(fā)射電路產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制在38K頻率載波上的紅外信號(hào)，經(jīng)障礙物反射回來后，被紅外接收電路接收，并經(jīng)過信號(hào)放大處理，產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，送給單片機(jī)處理，由單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)報(bào)警器。原理框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

(二)紅外發(fā)射與接收電路

圖4 紅外發(fā)射與接收電路圖

如圖4所示，D1發(fā)射紅外線，D2接收紅外信號(hào)。LM567第⑤、⑥腳為譯碼中心頻率設(shè)定端，一般通過調(diào)整其外接可變電阻W改變捕捉的中心頻率。圖中紅外載波信號(hào)來自LM567的第5腳，即載波信號(hào)與捕捉中心頻率一致，能夠極大的提高抗干擾特性。當(dāng)接收到的紅外載波信號(hào)和捕捉中心頻率一致時(shí)，說明不是干擾，LM567的第⑧腳輸出低電平。LM567⑤、⑥所接的RW和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f，f=1/(1．1RC)。第⑤腳產(chǎn)生的方波振蕩信號(hào)經(jīng)T1放大后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管D1發(fā)射紅外脈沖，紅外脈沖照射到D2后，使兩端產(chǎn)生一個(gè)同頻的電壓脈沖。該脈沖通過C2被送到運(yùn)放741的②腳，經(jīng)放大后從⑥腳輸出，使之形成于中心頻率波形相同的方波，經(jīng)C3輸入到LM567第⑧腳。由于振蕩和鎖相接收為同一振動(dòng)源，發(fā)射頻率與中心頻率相同，且當(dāng)?shù)冖勰_輸入幅度大于25mv，頻率在其帶寬內(nèi)的信號(hào)時(shí)，第⑧腳輸出低電平，同時(shí)使D3發(fā)光。

本電路的最大持點(diǎn)是紅外線發(fā)射部分不設(shè)專門的信號(hào)發(fā)生電路，而是直接從接收部分的檢測電路U2的5腳引入信號(hào)，此信號(hào)是鎖相音頻譯碼器的鎖相中心頻率，這樣既簡化了線路和調(diào)試工作，又防止了周圍環(huán)境變化和元件參數(shù)變化對收發(fā)頻率造成的差異，實(shí)現(xiàn)了紅外線發(fā)射與接收工作頻率的同步自動(dòng)跟蹤，使電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大加強(qiáng)。

本電路可多個(gè)用于同一設(shè)備而不會(huì)相互干擾，因?yàn)椴煌琑W或C4的值U2譯碼器的中心頻率不同，但中心頻率不能大于500KHz。調(diào)整VR可改變探測距離，注意探測距離要受反射面顏色的影響，這是紅外線的特性決定，尋跡機(jī)器人用了此特性。

(三)軟件設(shè)計(jì)

首先對單片機(jī)進(jìn)行初始化，然后設(shè)置定時(shí)器T0初始值，啟動(dòng)定時(shí)器。由于紅外發(fā)射與接收電路是獨(dú)立于單片機(jī)的，它不需要單片機(jī)給予驅(qū)動(dòng)信號(hào)，只需在檢測到障礙物時(shí)，給單片機(jī)提供一個(gè)低電平信號(hào)即可。在單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，利用定時(shí)器每隔一段時(shí)間就去定時(shí)檢測輸入進(jìn)來的信號(hào)。當(dāng)檢測到低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器以及其他的報(bào)警裝置，也可驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的電機(jī)等。

主程序開始設(shè)置定時(shí)器0，首先設(shè)置定時(shí)初值。因?yàn)槭敲扛?00ms進(jìn)行一次中斷，故可以先設(shè)置 TH0和 TL0為 50 000，然后再定義一個(gè)變量[6]。

設(shè)置完初值后，需對工作方式控制寄存器TMOD進(jìn)行設(shè)置。令TMOD=0x01，則讓定時(shí)器0工作在工作方式1，即16位的定時(shí)器。然后開總中斷即EA=1，開定時(shí)器0中斷即ET0=1，最后令TR0=1啟動(dòng)定時(shí)器。這樣經(jīng)過這些設(shè)置，定時(shí)器0 就開始工作了[7]。

由于單片機(jī)的晶振是12MHz，那么一個(gè)機(jī)器周期就是1us。單片機(jī)每隔一個(gè)機(jī)器周期就進(jìn)行自加一次，根據(jù)設(shè)置的初值，當(dāng)正好記滿50 000個(gè)機(jī)器周期時(shí)，即50ms時(shí)進(jìn)行一次中斷。然后通過變量值，每隔一次中斷進(jìn)行一次自加。當(dāng)加到10時(shí)就對輸入信號(hào)進(jìn)行檢測，同時(shí)對變量進(jìn)行清零，準(zhǔn)備下一次檢測。對于檢測到的低電平進(jìn)行判斷，確定為低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

五 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

(一)仿真實(shí)現(xiàn)

本仿真實(shí)驗(yàn)采用Proteus仿真軟件來實(shí)現(xiàn)，由于Proteus仿真軟件中沒有LM567這款芯片，故軟件仿真主要針對信號(hào)放大這塊，如圖5所示。

圖5 放大電路仿真圖

用1kHz時(shí)鐘信號(hào)代替LM567來驅(qū)動(dòng)光耦器件，光耦器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)后經(jīng)過運(yùn)放741的放大，將輸出的信號(hào)與輸入信號(hào)的頻率進(jìn)行比較。通過示波器觀察兩者的頻率大小，如圖6所示。從示波器上可以看到，在輸入信號(hào)為1kHz的方波信號(hào)時(shí)，通過放大的信號(hào)為窄脈沖信號(hào)，且兩者的頻率相同。

圖6 仿真1

由于 LM567的頻率有一個(gè)從100Hz到500KHz的頻率變化范圍，故在仿真中通過改變時(shí)鐘信號(hào)的頻率來觀察741輸出的波形變化。如當(dāng)輸入信號(hào)頻率為10kHz時(shí)，輸出的信號(hào)如圖7所示。通過調(diào)節(jié)示波器，可以清楚的看到輸入與輸出波形的頻率比較。當(dāng)加大輸入信號(hào)的頻率時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其輸出信號(hào)的幅度出現(xiàn)了一定的失真，但其頻率會(huì)保持不變。

圖7 仿真2

(二)硬件電路

硬件仿真主要對紅外發(fā)射與接收電路模塊進(jìn)行測試，通過改變特定的參數(shù)來研究對整個(gè)電路性能的影響。在整個(gè)的測試中考慮的因素有紅外對管的夾角值大小，改變紅外發(fā)射強(qiáng)度的VR電阻值和用來改變中心頻率的RW電阻值。另外，還要考慮不同顏色的物體對紅外光的反射強(qiáng)度大小的影響。

硬件電路圖如圖8所示，透明二極管為紅外發(fā)光二極管，黑色為紅外接收二極管，在紅外對管前面有一個(gè)障礙物。當(dāng)紅外對管慢慢靠近障礙物時(shí)，紅色發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。其原理是紅外發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光，遇到障礙物反射回來后，被紅外接收二極管接收，經(jīng)過741運(yùn)放將信號(hào)放大。被放大的信號(hào)又送回LM567與內(nèi)部的中心頻率進(jìn)行比較，當(dāng)頻率相同時(shí)輸出低電平，同時(shí)點(diǎn)亮二極管。這樣基本的避障功能在不需要借用單片機(jī)的資源的情況下就可以實(shí)現(xiàn)了。

圖8 硬件電路

此外，電路還有一些基本問題需要探討。首先是紅外對管的夾角，當(dāng)兩管夾角θ=00時(shí)，基本檢測不到反射回的紅外光。當(dāng)00＜θ＜1800時(shí)，根據(jù)理論知識(shí)，隨著夾角的增大，更加容易檢測到障礙物反射回的紅外光。當(dāng)θ=1800時(shí)，只要中間沒有障礙物基本可以檢測到紅外光。實(shí)際的效果也如理論推導(dǎo)的一樣，符合反射原理。

但是，隨著夾角的增大，兩管的相交距離也越來越短，即檢測到障礙物的距離變短。夾角小時(shí)，可以檢測到更遠(yuǎn)的障礙物，但是反射回的紅外光強(qiáng)度變?nèi)?，不易被紅外接收管檢測到。夾角大時(shí)，反射回的紅外光強(qiáng)度增強(qiáng)，但檢測的距離變小，容易縮短機(jī)器的反應(yīng)時(shí)間，以至于不能及時(shí)的躲避障礙物。因此，選擇合適的夾角距離是比較重要的一步。夾角小時(shí)，反射回的紅外光減弱，可以通過VR電阻值來改變。隨著VR的減小，電流增大，發(fā)射管的電壓增大，發(fā)射的紅外光強(qiáng)度增強(qiáng)，則更容易檢測到障礙物反射回的紅外光。每當(dāng)改變VR電阻值時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)紅外光感知的距離會(huì)發(fā)生一些變化。由于時(shí)間的原因再加上實(shí)驗(yàn)條件的約束，沒有對此做進(jìn)一步探討。

總結(jié)

本設(shè)計(jì)利用紅外發(fā)射與接收二極管實(shí)現(xiàn)對障礙物的信息的采集，發(fā)光二極管發(fā)射的紅外線遇到障礙物反射回來后，被紅外接收二極管檢測到。并利用運(yùn)放對采集到的信息進(jìn)行放大，此微弱的信號(hào)經(jīng)過741運(yùn)放的放大后，送到LM567音頻解碼器進(jìn)行處理。LM567在此設(shè)計(jì)中即擔(dān)任振蕩器，又作選頻接收，將被放大的信號(hào)與內(nèi)部振蕩器頻率進(jìn)行比較，頻率相同則輸出一個(gè)低電平信號(hào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了對障礙物的檢測。

利用LM567作為頻率比較，能夠提高系統(tǒng)的抗干擾能力，且周圍電路簡單易于實(shí)現(xiàn)。在需要多個(gè)傳感器的時(shí)候可以通過改變其旁接的電容值，其操作簡單。這樣單片機(jī)就只需要檢測各個(gè)傳感器其輸出的是否為低電平信號(hào)，降低了占有單片機(jī)資源的比例，讓單片機(jī)去執(zhí)行更加重要的任務(wù)。

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