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1、目 录第1章 绪论41.1机器人研究的意义41.2目前国内外机器人发展趋势41.3能力风暴机器人概述51.3.1能力风暴机器人的外形与结构51.3.2 能力风暴机器人的计算机硬件101.3.3 能力风暴机器人的开发能力11第2章 红外测距卡的设计132.1红外线概述132.1.1红外线简介132.1.2红外传感器的分类152.1.3红外传感器的应用172.2红外测距的工作原理及基本结构172.2.1红外线测距发射与接收器件介绍172.2.2红外线测距的工作原理212.2.3 红外线测距的基本结构222.3课题来源222.4设计方案一232.4.1系统硬件结构电路图232.4.2 各硬件电路设计
2、232.4.3方案一的优缺点252.5设计方案二262.5.1系统硬件结构262.5.2方案二的优缺点272.6印刷电路板27第3章 红外测距的软件设计293.1 VJC简介293.2 系统软件结构框图293.3红外测距应用程序303.4 误差分析31结论31谢辞33参考文献34摘要这篇论文讲述了能力风暴机器人红外测距的一种设计方法，包括发射电路，接收电路，显示电路的设计。并用Protel 99 SE软件绘制出了电路原理图和印刷电路板，用VJC1.6软件编出了简单调试程序。该红外测距卡所用元器件较少，成本较低，重量轻，使用起来非常方便，比较好的解决了能力风暴机器人在足球、擂台赛只知道对手在附近
3、而无法确定距离远近的问题。关键词：红外测距卡；Protel 99 SE；VJC1.6；机器人AbstractThis paper describes a method of the design infrared range card,includeing transmission circuit ,acceptor circuit and display circuit. The circuit schematic and printed circuit board are maken out using Protel 99 SE,and a simple program is given
4、in this paper. The infrared range card is composed of very fewer chips,so it is lower-cost, light weight, and very easy to use.In a word,it solves the problem of only knowing.somingthing is near but not sure of its distance in the fierce competition such as the robot soccer game.Keywords: the infrar
5、ed range card; Protel 99 SE；VJC1.6;robot 第1章 绪论1.1机器人研究的意义机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。科学的进步与技术的创新,为机器人的研究与应用开辟了广阔的思路与空间。自从二十世纪六十年代初人类创造了第一台机器人以后,机器人就显示出它极大的生命力,在短短不到五十年的时间中,机器人的技术得到迅速的发展。“机器人产业在二十一世纪将成为和汽车、电脑并驾齐驱的主干产业。”从庞大的
6、工业机器人到微观的纳米机器人，从代表尖端技术的仿人型机器人到孩子们喜爱的宠物机器人，机器人正在日益走近我们的生活，成为人类最亲密的伙伴。机器人技术和产业化在中国具有一定的现实基础和广阔的市场前景。开展机器人研究活动，对加强思想道德教育，提高科学素养，发展自身潜能，引导更多学生关注科技、热爱科技、走进科技具有重大意义。同时有利于积极推进基础教育和高等教育改革，渗透科学技术教育，培养学生的实践能力和创新精神。1.2目前国内外机器人发展趋势机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性高新技术，既是光机电软一体化的重要基础，又是光机电软一体化技术的典型代表。
7、其产品主要有两大类，即以日本和瑞典为代表的一系列特定应用的机器人，如弧焊、点焊、喷漆装备、刷胶和建筑等，并形成了庞大的机器人产业。另一类是以美国、英国为代表的智能机器人开发，由于人工智能和其它智能技术的发展远落后于人们对它的期望，目前绝大部分研究成果未能走出实验室。机器人系统集成技术也是由几个主要发达国家所垄断。近年来，机器人技术并未出现突破性进展，各国的机器人技术研究机构和制造厂商都继续在技术深化、引进新技术和扩大应用领域等方面进行探索。工业机器人技术发展与应用水乳交融。在第一代工业机器人普及的基础上，第二代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。以应用为龙头拉动工业机器
8、人技术的发展，其技术特点与重点发展领域体现在下述方面：(1)机械结构(a)以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总量的l3(目前世界工业机器人总数约为750000台)，90年代初开发的适用于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节型机器人大量用于焊接和上、下料。(b)应3K(炼钢、炼铁、铸锻)行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接数十米长、l0t以上大构件的弧焊机器人群；采取蚂蚁啃骨头的协作机构。(c)己普遍采用CAD、CAE等技术用于设计、仿真与制造中。(2)控制技术(a)大多数采用32位CPU，控制轴多达27轴，NC技术和离线编
9、程技术大量采用。(b)协调控制技术日趋成熟，实现了多手、与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。(c)基于PC的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，己成为一股潮流。”(3)驱动技术(a)80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。日本23家机器人公司于1998年生产的167种型号机器人产品，其中采用AC伺服驱动的有156种，占93.4。直接驱动技术则广泛用于装配机器人中。(b)新一代的伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合，已由日本FANUC 公司开发并用于工业机器人中；在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。1.3能力风暴机器
10、人概述1.3.1能力风暴机器人的外形与结构能力风暴机器人外形酷似UFO。AS-UII是面向教育的新一代智能移动机器人。AS-UII结构参见图1.1图1.1 AS-UII的内部结构图AS-UII有一个功能强大的微处理系统和传感器系统，而且它还能扩展听觉、视觉、和触觉，成为真正意义上的智能机器人。 AS-UII的身体结构主要由控制部分、传感器部分和执行部分三大部分组成。每一部分介绍如下：(1)控制部分控制部分是AS-UII机器人的核心组成部分，见图1.2。图1.2 AS-UII的控制部分从图中我们可以清楚的看到AS-UII控制部分的主要由以下两个部分组成：(a)主板位于AS-UII“心脏”部位的控
11、制部件是AS-UII的大脑主板，它由很多电子元器件组成，跟人的大脑一样，主要完成接收信息、处理信息、发出指令等一系列过程。AS-UII的大脑有记忆功能，这主要由主板上的内存来实现，至于“大脑”的分析、判断、决断功能则由主板上的众多芯片共同完成。(b)控制按键位于AS-UII背部的控制面板，是AS-UII机器人运行控制部件，具体按键分布如下图所示：图1.3 控制按键部分开关按钮控制AS-UII电源开关的按钮，按此按钮可以打开或关闭机器人电源。“电源”指示灯按下AS-UII的开关后，这个灯会发绿光，这时就可以与机器人进行交流。“充电”指示灯当你给机器人充电时，“充电”指示灯发红光。“充电口”将充电
12、器的相应端插入此口，再将另一端插到电源上即可对机器人充电。“下载口”“充电口”旁边的“下载口”用于下载程序到机器人主板上，使用时只需将串口连接线的相应端插入下载口，另一端与计算机连接好，这样机器人与计算机就连接起来了。“复位/ASOS”按钮这是个复合按钮，用于下载操作系统和复位。当串口通信线接插在下载口上时，按击此按钮，机器人系统默认为此操作为下载操作系统；如果你想使用其复位功能则需要将通信线拔下，按击此按钮，机器人系统认为此操作为系统复位。“运行”键打开电源后，按击“运行”键，机器人就可以运行内部已存储的程序，按照“指令”行动。“通信”指示灯“通信”指示灯位于机器人主板的前方，在给AS-UI
13、I下载程序时，这个黄灯会闪烁，这样就表明下载正常，程序正在进入机器人的“大脑”即CPU。(2)传感器部分AS-UII机器人的传感器。主要有以下五种传感器：(a)碰撞传感器AS-UII机器人的下部放置了一个碰撞系统，保证AS-UII机器人的正常活动。AS-UII机器人的碰撞机构能够检测到来自360范围内物体的碰撞，使AS-UII机器人遭遇到来自不同方向的碰撞后，能够转弯避开并保持正常活动。(b)红外传感器AS-UII机器人的红外传感器共包含两种器件：红外发射管和红外接收管，红外接收管位于AS-UII机器人的正前方，两只红外发射管位于红外接收管的两侧。红外发射管可以发出红外线，红外线在遇到障碍后被
14、反射回来，红外接收管接收到被反射回来的红外线以后，通过A/D转换送入CPU进行处理。AS-UII机器人的红外传感器能够看到前方10cm80cm，90范围内的比210mmx150mm面积大的障碍物，如果障碍物太小太细、或者在它的可视范围以外，它可就没法看到了。在AS-UII机器人的可视范围内，它的可视距离是可以调整的。(c)光敏传感器光敏传感器是由两个光敏电阻组成，它位于机器人的正前方。光敏传感器能够探测光线，不过在这里我们是让它看见特定的颜色。在AS-UII机器人的光敏传感器罩上了一层滤光纸，通过它的颜色来决定AS-UII机器人能探测什么颜色的光线。(d)话筒AS-UII机器人的话筒的功能很强
15、，它可以感受到声音的强弱。但AS-UII的话筒和人的耳朵一样，并不是所有的声音都能听得见，能听见的声音在一定的频率范围内，这个范围和人能听得到的范围大致是一样的，大约是16Hz20000Hz的机械波。AS-UII机器人在听到声音命令后，会根据指示（由程序事先输入）采取行动。(e)光电编码器在AS-UII机器人里有码盘和光耦（光电编码器）。光电编码器主要作为控制的反馈信号。光耦通过测定随轮轴一起转动的码盘的转动角度，得出轮子所转动的圈数，从而测定距离。(3)执行部分AS-UII机器人的执行部分是指机器人执行具体功能时所要用到的部件，如图1.4 AS-UII执行部分所示。图1.4 AS-UII执行
16、部分(a)扬声器AS-UII机器人也可以通过扬声器发出一定频率的声音，也可以通过编程让机器人演奏歌曲。(b)LCDAS-UII机器人上的LCD可以显示除中文外的各种字符。利用LCD可以单步显示程序运行的中间结果。(c)主动轮及其驱动机构AS-UII机器人的主动轮有两只，能够完成向前直走，向后转弯，左转，右转，原地打转这些平地上的技术动作；正因为有驱动机构齿轮箱的存在，AS-UII才可以利用直流电机输出的动力。(d)从动轮AS-UII机器人有2只从动轮，通过安置弹簧，它们可以在垂直与地面的方向上上下移动，保持机器人动态平衡和实现一定的越障功能。(e)直流电机在AS-UII机器人上有两个直流电机。
17、(4)AS-UII的能源将AS-UII机器人头朝下翻过来，就能够看到它的底盘下安装有一个盒体，这就是电池。见图1.5 AS-UII的电池。智能机器人的能量就来自于这个电池。图1.5 AS-UII的电池1.3.2 能力风暴机器人的计算机硬件人对周围环境的反应过程主要是感觉大脑思考作出反映，机器人的信息处理流程也是如此。能力风暴智能机器人的配有5种十几个传感器，另外还可以根据需要扩展其他传感器，对环境的感知能力很强。感知环境的能力是产生智能行为的前提，因此能力风暴能产生许多智能性行为。能力风暴通过微控制器（microcontroller）来思维。我们采用的是Motorola公司8位单片机中功能最强
18、、集成功能最全的高档机种。它的可靠性很高，有程序自下载功能。能力风暴连上串口线就可自动下载程序。计算机硬件决定了机器的极限潜能，去开发这种潜能是软件的工作。我们为用户提供了交互式图形化编程C语言VJC，它使开发能力风暴的高层行为充满了乐趣。有的低层的驱动软件与硬件相关太紧密或实时要求很高，需要用汇编语言来处理。能力风暴智能机器人的执行器有：二只高性能直流电机；一只喇叭；一只2*16字符的液晶显示器。能力风暴机器人的系统结构如图1.6所示。图1.6 能力风暴机器人的系统结构能力风暴计算机硬件的设计策略是尽量选择功能齐全、可靠、周边设备集成度高的微控制器，价格也需控制，能让中国的学生以可以承受的价
19、格获得世界上先进的智能机器人计算平台。Motorola生产的68HC11，使我们以极少的周边芯片获得了齐全的功能，8个模拟口，5个输入捕捉，3个PWM输出，16位地址，8位数据总线，串口，以及4个通用I/O。同时，充分考虑到软件开发工具问题。因为没有优秀方便的软件开发工具，硬件只能成为专有系统，而无法成为开发平台。68HC11的自下载功能，使我们拥有了纯软件开发调试的优秀工具JC。JC即可用于开发高层应用软件，又便于开发低层驱动，还能交互调试。(1)微控制器68HC11E1有CPU、片内存储器、定时器系统、串行口、A/D、并行I/O口，中断和复位系统组成。(2)外部存储器能力风暴智能机器人扩展
20、了32K的静态不挥发RAM。其优点是既有静态RAM的速度和方便（70ns），又有EEPROM或FlashRom的掉电不丢失性，从而能将程序和数据合用一个芯片。AS62256写入的数据可保存十年以上，同时具有可靠的上电、掉电、强静电等数据保护功能。(3)电源与复位电路能力风暴控制板采用Maxim603稳压芯片，提供500MA，5V电压，该芯片自身的功耗很低。低电压复位保护电路采用DS1233D-10，当电压低于4.5V，将产生复位信号，同时红色RST发光二极管变亮。1.3.3 能力风暴机器人的开发能力(1)软件开发能力标准语言子集，简洁的专业程序员语言支持浮点运算、指针、多维数组；先进的多任务操
21、作系统；便于学习的图形化交互式语言；众多的驱动程序和应用程序代码，在高手的基础上学习编程。能力风暴机器人AS- U它采用图形化交互C 语言( 简称VJC)完成AS- U的软件开发, 具有基于流程图的编程语言和交互式C 语言(简称JC),便于用户自由发挥。(2)机械扩展能力1至32个直流电机；1至4个步进电机交流伺服电机；1至32个继电器、电继阀、记忆合金；1至32个灯泡、电热丝、蜂鸣器。扩展实例：灭火风扇，机械手臂，装饰彩灯等。(3)电子扩展能力1至几百路8位模拟输入；3至几十路输出捕捉；32路数字式输出。扩展实例：超声测距卡，红外测距卡，6路伺服电机驱动卡，8路输入输出。第2章 红外测距卡的
22、设计2.1红外线概述2.1.1红外线简介近二十年来，红外辐射技术已成为一门迅速发展的新兴技术科学。它已广泛应用于生产，科研，军事，医学等各个领域。红外辐射技术是发展测量技术、遥感技术和空间科学技术的重要手段。红外辐射俗称红外线，又称红外光，它是一种人眼看不见的光线。但实际上它和其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物体，只要它的湿度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。它的波长介于可见光和微波之间，它的波长范围大致在0.75M1000M的频谱范围之内。相对应的频率大致在4101431011之间，红外线与可见光、紫外线、射线、射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱，在红外
23、技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。0.77M3M为近红外区，3M30M为中红外区，30M1000M为远红外区。这里所说的远近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离。红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。红外线在通过云雾等充满悬浮离子的物质时不易发生散射，有较强的穿透能力，还具有抗干扰能力强、易于产生、对环境影响小、不会干扰临近的无线电设备的特点，因而被
24、广泛应用。目前红外发射器件（红外发光二极管）发出的是峰值波长0.88M0.94M之间的近红外光，红外接收器件（光敏二极管、光敏三极管）的受光峰值波长为0.88M0.94M之间，恰好与红外发光二极管的光峰值波长相匹配。红外光具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体镜体和透明体。红外遥控的优点：(a)采用红外线发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本底。(b)红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制。(c)红外线不能通过阻挡物，不会产生信号串扰等误动作
25、。(d)功率消耗小，反映速度快。(e)对环境无污染，对人、物无损害。(f)抗干扰能力强，工作可靠。红外辐射的基本定律(1)基尔霍夫定律基尔霍夫定律指出，一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。如果几个物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领，这就是基尔霍夫定律，可由下式表示 Ey=E(2-1)式中Ey物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能；物体的吸收系数；E常数，其值等于黑体在相同条件下发出的辐射能。(2)斯蒂芬-玻尔滋蔓定律物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量E为E=T4.(2-2)式中T物体的绝对温度，273K；斯蒂芬-玻尔
26、滋蔓常数，=5.6710-8W/(M2K4)；比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，黑体的=1。(3)维恩位移定律热辐射发射的电磁波中包含各种波长。实验证明物体峰值辐射波长m与物体自身的绝对温度T成反比。即m=2897/T(M)(2-3)该式称为维恩位移定律。红外传感器（也称为红外探测器）是能将红外辐射能转换为电能的光敏器件，它是红外探测系统的关键部件，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。2.1.2红外传感器的分类常见红外传感器可分为热传感器和光子传感器。(1)热传感器热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温
27、度变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。热探测器的主要优点是相应波段宽，可以在室温下工作，使用简单。但是，热传感器相应时间较长，灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。热传感器主要类型有：热敏传感器型，热电偶型，高莱气动型和热释放电型四种。(a)热敏电阻型传感器热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧解而成的，热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上，其温度升高，电阻值减少。测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温 (b)热电偶型传感器 热电偶是由热电功率差别较大的两种材料构成。当
28、红外辐射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时，该接点温度升高。而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流。同时回路中产生温差电势，温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器，因其时间常数较大，相应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制在10HZ以下。(c)莱气动型传感器高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附有吸收模，它是低热容量的薄膜。红外辐射通过窗口入射到吸
29、收模上，吸收模将吸收的热能传给气体，使气体温度升高，气压增大，从而使柔镜移动。在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生变化，这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这种传感器的特点是灵敏度高，性能稳定。但响应时间性长，结构复杂，强度较差，只适合于实验室内使用。(d)热释电型传感器热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”。铁电体的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外线辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上
30、时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映入射的红外辐射的强弱。由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。所以，必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒定的辐射变成交变辐射，不断的引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。(2)光子传感器光子传感器是利用某些半导体材料在入射
31、光的照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应所制成的红外传感器。统称光子传感器。光子传感器的主要特点灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率。但其一般须在低温下工作，探测波段较窄。按照光子传感器的工作原理，一般可分为内光电和外光电传感器两种，后者又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。(a)外光电传感器（PE器件）当光辐射在某些材料的表面上时，若入射光的光子能量足够大时，就能使材料的电子逸出表面，这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。它的响应速度比较快，一般只需
32、几个毫微秒。但电子逸出需要较大的光子能量，只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。(b)光电导传感器（PC器件）当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，这种现象叫光电导现象。利用光电导现象制成的传感器称为光导传感器，如硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲隔汞等材料都可制光电导传感器。使用光电导传感器时，需要制冷和加一定的偏压，否则会使响应率降低，噪声大，响应波段窄，以致使红外线传感器损坏。(c)光生伏特传感器（PU器件）当红外辐射照射在某些半导体材料的PN结上时，在结内电场的作用下，自由电子移向N区，如果PN结
33、开路，则在PN结两端便产生一个附加电势，称为光生电动势。利用这个效应制成的传感器或PN结传感器。常用的材料为砷化铟、锑化铟、碲化汞、碲锡铅等几种。(d)光磁电传感器（PEM器件）当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴将向内部扩散，在扩散中若受强磁场的作用，电子与空穴则各偏向一方，因而产生开路电压，这种现象称为光磁电效应。利用此效应制成的红外传感器，叫做光磁电传感器。光磁电传感器不需致冷，响应波段可达7M左右，时间常数小，响应速度快，不用加偏压，内阻极低，噪声小，有良好的稳定性和可靠性。但其灵敏度低，低噪声前置放大器制作困难，因而影响了使用。2.1.3红外传感器的应用
34、红外技术是最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它已在科技、国防和工农业生产等领域获得广泛的应用。红外传感器的应用主要体现在以下几个方面：(1)红外辐射计：用于辐射和光谱辐射测量(2)搜索和跟踪系统：用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对其运动进行跟踪。(3)热成像系统：能形成整个目标的红外辐射分布图像。(4)红外测距系统：实现物体间距离的测量。(5)通讯系统：红外线通信作为无线通信的一种方式。(6)混合系统：是指以上各类系统中的两个或多个的组合。2.2红外测距的工作原理及基本结构2.2.1红外线测距发射与接收器件介绍红外线测距是利用红外光来传送控制指令信号，因此，作为红外测距中的红外光发射
35、器件的红外发光二极管和红外光接收器件的红外光敏管，是构成红外测距系统的基本器件。 (1)红外线发射器件(a)红外线发射器件的结构与原理红外线发射器件是最长用的为红外发光二极管，它与普通发光二极管的结构 原理以及制作工艺基本相同，是只有一个PN结的半导体器件，只是所有的材料不同，制造红外发光二极管砷化钾，砷铝钾等，其中应用最多的是砷化钾。红外发光二极管一般采用环氧树脂，玻璃，塑料等封装，除白色透明材料封装外，还可见到用蓝色透明材料封装的，。红外发光二极管按发光功率的大小，可分为小功率，中功率，大功率三种。另外，红外发光二极管除顶面发光型外，还有侧面发光型。小功率管一般采用全塑封装，也有部分是采用
36、陶瓷底座，顶端用玻璃或环氧树脂透镜封装的，中大功率管一般采用带螺纹金属底座，以便安装散热片。随着发光功率得提高，相应体积的管子也增大。(b)红外发光二极管的主要参数正向工作电流I是指红外发光二极管长期工作时，允许通过的最大平均电流，因为电流通过PN结时，要消耗一定的功率而引起管子发热，如管子长期超过I运行，会因过热而烧毁，因此，使用的最大平均正向工作电流不得超过I。光功率P是指输入到发光二极管的电功率转化为光输出功率的那一部分。光功率越大，发射距离越远。峰值波长p是指红外发光二极管所发出近红外光中，光强最大值所对应的发光波长，在选用红外接收管时，其受光峰值波长应尽量靠近p。反向漏电流Ir是指管
37、子未被反向击穿时反向电流的大小，希望它越小越好。响应时间t0由于红外发光二极管PN结电容的存在，影响了它的工作频率。现在，红外发光二极管的相应时间一般为10-6S10-7S最高工作频率为几十MHZ。(c)红外发光二极管使用事项及简易测试争相平均工作电流不要太大管子的正向平均工作电流不得超过产品参数给出的工作电流。加装散热片对中大功率管，工作电流一般较大，为了管子不因发热损坏，应根据实际使用电流的大小，考虑加装散热片。防水、防油污、防机械损伤有些红外发光二极管在制作时管芯装在管座上，未加装帽封装，使用时要注意防水、防油污及机械损伤，如作为远距离控制，可加装聚光透镜，这样不仅可以大大提高作用距离，
38、同时聚光透镜也是管子的一种封装保护。红外发光二极管安装方法红外发光二极管安装在发射器上时，应有发射窗口，窗口可用红色或白色透明有机玻璃封口，以便能够透过红外线，又能防尘。当然，红外发光二极管也裸露在外。红外发光二极管测试方法红外发光二极管测试方法非常简单，用万用表R X 1K档测量，正向电阻在30K左右，反向电阻在200K以上的管子是好的。反向电阻越大，漏电流越小，质量越好。若反向电阻只有几十K，说明管子质量不好，但可使用。若管子的正向的反向电阻都为无穷大或为零，说明管子是废品，不能使用。(2)红外光敏二极管(a)红外光敏二极管原理与结构我们知道半导体具有光电效应，即用光照半导体，可使半导体的
39、电阻率发生变化。利用半导体的光电效应可以制成光电二极管，不同的半导体材料对不同波长的入射光的响应是不同的。光敏二极管有顶面受光和侧面受光两种形式。它也是采用塑料、玻璃、环氧树脂等材料封装。(b)光敏二极管的主要参数光电流IL是指在一定反向电压下，入射光强为某一定值时流过管子的电流。光敏二极管的光电流一般为几十A，并与入射光强成正比。暗电流ID暗电流是指在一定反向电压下，无光照时流过管子的电流。一般在50V反压下，ID小于0.1A。反向工作电压UR反向工作电压是指在无光照时，光敏二极管反向电流小于0.2A-0.3A时，允许的最高反向工作电压，一般在10V左右，最高可达几十伏。峰值波长p峰值波长是
40、指光敏二极管光谱响应最灵敏的波长范围，一般为0.88M-0.94M。(c)光敏二极管的简单测试电量测量法一般用万用表R X 1K档，光敏二极管的正向电阻较普通二极管大些，约十几K左右，反向电阻随光照变化。无光照时（用物体将管子挡住，不让光照射），反向电阻接近无穷大，说明漏电流大。管子的反向电阻至少应在500K以上，有光照射时（在较强日光或灯光下），反向电阻越小越好，一般应在20K以下。若有光照射时反向电阻为穷大或为零，说明管子是坏的。光敏二极管的引线较长的一根是正极。电量测量法一般用万用表电压档0.5V或1V档测量，万用表的“+”、“-”分别与光敏二极管“+”、“-”相连，在光照下，电压表指示
41、一般可达0.3V-0.4V，说明光敏二极管是好的。(3)红外光敏三极管光敏二极管的光电流仅为A级，光敏灵敏度还不够高，而光敏三极管的光电流可达MA级，且具有较高的灵敏度。(a)红外光敏三极管的结构与原理红外光敏三极管与普通三极管结构一样，具有两个PN结，一般基极无引线，它可以等效成一个b c结是光敏二极管的三极管。无光照时，只有很小的集电极-基极漏电流，所以光敏三极管暗电流很小。在光照时，集电极-基极的反向电流就会因光照增大很多。当三极管的电流放大系数为时，光敏三极管的光电流要比相应光敏二极管的光电流大。(b)红外光敏三极管的主要参数最大功耗PM是指光敏三极管能够安全工作而不致损坏的最大耗散功
42、率，光敏三极管的最大功耗一般为几十mW100mW。最高工作电压UBRCE是指在光照射时，在管子不被击穿的前提下集电极与发射极之间的最高工作电压，一般为十伏几十伏。光电三极管的其它参数，如光电流IL暗电流ID等与光敏二极管定义相同(c)红外光敏三极管的简单测试电阻测量法用万用表R1K档，首先，万用表红表笔接C极，黑表笔接E极（管子长脚为E极，短脚为C极），由于这种接法管子所加电压极性（E为“+”、C为“-”）不符合正常工作条件，因此无论是有光照还是无光照，管子两端电阻都是非常大的，一般应接近无穷大。然后将红、黑笔调换，这种接法下所加符合正常工作条件，当无光照时（用物体遮住管子，使其不受任何光照）
43、，电阻多在无穷大附近，否则认为漏电流太大。当有光照时（将管子移致强光线下），电阻应从原来的无穷大变为几百欧，至少也应有几千欧以下，否则说明管子灵敏度太底；若电阻为无穷大，说明管子是坏的。电量测量法将光敏三极管的C极与E极之间接上10V左右的工作电压（C为“+”、E为“-”） 并在回路里接上电流表，当无光照射时，电流指示为暗电流，小于0.3A。当有光照时，电流指示光电流；一般在0.5A0.3A之间，有的管子可达10A。2.2.2红外线测距的工作原理对某一特定物体距离的测量是光学仪器领域的热门课题之一。在机器人视觉方面,快速精确的测距系统使机器人迅速准确地判断目标与机器人的距离,以便使机器人迅速做
44、出相应的判断和动作。各种测距方法很多, 目前应用较多的主要有PSD 测距法、超声时间法、带运动机构的双象比较法和反射能量法。PSD测距法利用三角测距原理,用一种称之为位置敏感器件(Position Sensitive Device) 的PSD 元件来获得二路输出信号, 根据这二路信号来获得物体的距离量值。超声时间法测量一束超声波从发射到反射回仪器的时间来判断被测距离。带运动机构的双象比较法则比较复杂,系统中有二套光路对被测物体成像，其中一套光路是经过可运动的反光镜获得的,接收系统及时比较二套光路来的图像,当二者一致时,就可根据可运动反光镜的位置来获得物体的距离信息。反射能量法中仪器发射一束光(
45、通常是近红外光) 照射到被测物体表面,仪器同时接收被测物体的反射光能量,根据接收到的反射光能量来判断被测物体的距离。我们在红外测距系统就是采用反射能量法。红外传感器的测距基本原理为红外发射电路的红外发光管发出红外光，经障碍物反射后，由红外接收电路的光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍物。根据发射光的强弱可以判断物体的距离，由于接收管接收的光强随是随反射物体的距离变化而变化的，因而，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。因为红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。红外
46、传感器包括红外发射器件和红外接收器件。自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强的发射和接收能力。2.2.3 红外线测距的基本结构在自主移动机器人的实时避障和路径规划过程中，机器人须依赖于外部环境信息的获取，感知障碍物的存在，测量障碍物的距离。目前，机器人避障和测距传感器有红外、超声波、激光及视觉传感器。激光传感器和视觉传感器价格贵，对控制器的要求较高，因而，在移动机器人系统中多采用红外及超声波传感器。由于超声波测距存在盲区问题，故为了解决超声波传感器的盲区问题,系统加入了红外测距传感器模块。该模块由红外发射电路、红外接收电路及LED显示电路等组成。其组成框
47、图如图2.1所示：68HC11E1红外发射电路红外接收电路LED显示图2.12.3课题来源机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。它可以说是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业甚至军事等领域中均有重要用途。机器人是近年来的研究热点，其研究水平是一个国际科技实力的重要标志。能力风暴（Ability Storms）机器人由上海广茂达电子信息有限公司开发，呈单片机结构，外形酷似宇UFO，是专为个人机器人的需求设计的, 它是最优秀的科技类探索性课程及课
