Ардуино: оптический датчик препятствия. Датчик препятствия на ик лучах Лазерный датчик препятствия

Каждый робот, способный ездить, летать или плавать, должен видеть препятствия, находящиеся у него на пути. Чтобы робот смог это сделать, ему необходимы соответствующие датчики. В английской литературе такие устройства называют proximity sensor , мы же их будем называть датчиками препятствия. На этом уроке мы рассмотрим один из самых распространенных датчиков препятствия, который работает по принципу отражения. Устроен он очень просто. Датчик содержит направленный источник света и детектор света. Источником часто служит инфракрасный светодиод с линзой, а детектором — фотодиод или фототранзистор. Светодиод на датчике постоянно включен и излучает узкий пучок света в прямом направлении. Если перед датчиком есть препятствие (рисунок А), то на детектор попадает отраженный свет от источника, и на выходе датчика появляется положительный импульс. В противном случае, если препятствия нет, то датчик молчит (рисунок Б). Есть и третий вариант, когда препятствие есть, но свет от него не отражается! На рисунке В изображен как раз такой случай. Получается, матовую черную поверхность робот не увидит.

1. Подключение

Будем подключать самый простой датчик с цифровым выходом. Принципиальная схема подключения к выводам Ардуино Уно :

Внешний вид макета

2. Настройка чувствительности

Как известно, вокруг нас имеется множество источников инфракрасного излучения, включая лампы освещения и солнце. Фоточувствительный элемент датчика регистрирует это фоновое излучение, и может дать ложный сигнал срабатывания. Другими словами, датчик препятствия может сработать, когда никакого препятствия и нет вовсе. Чтобы решить эту проблему, на датчике имеется возможность настроить чувствительность таким образом, чтобы воспринимать только свет достаточной силы. Обычно это реализуется с помощью компаратора — электронного устройства, позволяющего сравнивать два уровня напряжения. Одно напряжение подается на компаратор с фотодиода, а другое с делителя напряжения на основе потенциометра. Второе напряжение будем называть пороговым . Теперь датчик даст положительный сигнал только тогда, когда напряжение на фотодиоде станет больше, чем настроенное нами. Для настройки порогового напряжения нам понадобится шлицевая отвертка (она же — плоская). В этой процедуре нам также поможет зеленый светодиод состояния, который загорается когда датчик регистрирует достаточный уровень инфракрасного света. Алгоритм настройки сводится к трем шагам:

помещаем датчик в условия освещенности, в которых он будет работать;
подключаем датчик к питанию, при этом на нем загорится красный светодиод;
убираем перед датчиком все препятствия, и крутим потенциометр до тех пор, пока зеленый светодиод состояния не погаснет.

Для проверки поднесем к датчику ладонь, и на определенном расстоянии загорится зеленый светодиод. Уберем руку — светодиод погаснет. Расстояние на котором датчик регистрирует препятствие зависит от уровня фоновой засветки, от настройки чувствительности и от правильного расположения фотодиода и светодиода на датчике. Они должны быть расположены строго параллельно друг другу. Теперь, когда датчик настроен должным образом, приступим к составлению программы.

3. Программа

Для примера, будем зажигать и гасить штатный светодиод №13 на Ардуино Уно , в зависимости от показаний датчика. При использовании цифрового датчика, программа будет такой же, как и в случае работы с кнопками. На каждой итерации цикла loop мы считываем значение на выводе №2, и затем сравниваем это значение с уровнем HIGH . Если значение равно HIGH , значит датчик видит препятствие, и мы зажигаем светодиод на выводе №13. В противном случае — гасим светодиод. const int prx_pin = 2; const int led_pin = 13; byte v; void setup() { pinMode(prx_pin, INPUT); pinMode(led_pin, OUTPUT); } void loop() { v = digitalRead(prx_pin); if(v == HIGH) digitalWrite(led_pin, HIGH); else digitalWrite(led_pin, LOW); }

4. Пример использования

Попробуем теперь применить цифровой датчик по прямому назначению. Заставим двухколесного робота реагировать на показания двух датчиков, размещенных слева и справа.

Сделаем так, чтобы при обнаружении препятствия робот отворачивал от него в противоположную сторону, а затем продолжал движение вперед. Оформим программу в виде блок-схемы процедуры loop .

Задания

Если все получилось, попробуйте выполнить еще несколько заданий с роботом.

Направить датчики препятствия вниз, чтобы робот смог чувствовать край стола. Написать программу, которая предотвращает падение робота со стола.
Снова направить датчики вниз, но на этот раз для другой цели. Как мы выяснили, датчик может отличить черную поверхность от белой. Воспользуйтесь этим свойством, чтобы сделать робота-следопыта (он же LineFollower).
Направить датчики в стороны, и заставить робота двигаться вдоль стены.

Заключение

На следующем уроке мы познакомимся с датчиком, который устроен практически так же, но больше подходит для детектирования черных и белых поверхностей. Попробуем считывать уже не цифровой, а аналоговый сигнал датчика, чтобы сделать более совершенного робота-следопыта.

Простейший инфракрасный сенсор, который будет сообщать о наличии препятствия, можно сделать всего на одном транзисторе. Эта самоделка имеет скорее не практическое применение, а скорее теоретическое, демонстрируя работу инфракрасного датчика наличия препятствия. Конечно, никто не мешает сделать и практическое применение, скажем, при построении простых роботов.

Схема инфракрасного датчика препятствия

Работа схемы очень проста. Инфракрасный светодиод излучает инфракрасное излучение, в невидимом человеческому глазу спектре. Если на пути излучения появляется объект, то инфракрасные лучи начинают отражаться от объекта и возвращаться обратно в сторону светодиода. Ловушкой для этих лучей служит инфракрасный фото элемент (ИК фотодиод). При попадании на него отраженных лучей, его сопротивление уменьшается. В результате ток в цепи базы транзистора увеличивается и транзистор открывается. Нагрузкой транзистора служит синий светодиод, который начинает светиться. Можно на выход подключить зуммер и слышать звуковой сигнал.
Если препятствия датчику нет, то лучи не отражаются и транзистор не открывается.
Транзистор можно взять любой, той же структуры, можно советский КТ315 или КТ3102.

Сборка датчика

Схема собрана навесным монтажом. Настройка не требуется – работает сразу. Питаю я от аккумуляторной батареи 3,7 В.

Инфракрасные датчики используют роботы-пылесосы, различные системы контроля, в обычном печатном принтере обязательно стоит таких парочка, а то и больше и тп.

ИК-датчик препятствий для роботов-машин YL-63 (FC-51)
Smart Car Obstacle Avoidance Sensor Module Infrared Tube Module Reflective Photoelectric Sensor

Бесконтактный датчик YL-63 обнаруживает объекты в диапазоне расстояний почти от нуля и до установленного предела не вступая с ними в непосредственный контакт. Разные производители присваивают одному и тому же устройству разные наименования. Одни именуют представленный датчик наименованием YL-63 другие FC-51. Датчик предназначен для применения, когда не требуется информация о расстоянии до объекта, а только о его наличии или отсутствии. Предельная дистанция регистрации зависит от настройки. Датчик YL-63 имеет дискретный выход. Это оптический датчик регистрирующий увеличение интенсивности отраженного инфракрасного (ИК) излучения в контролируемом пространстве. Изменение отраженного излучения происходит из-за движущихся частей механизмов или перемещения окружающих предметов. YL-63 может размещаться на движущемся объекте для определения положения в окружающем пространстве. Применяется для обнаружения препятствия при движении колесных и гусеничных автоматов. Датчик может стать частью наглядного пособия для обучающихся в области систем управления и автоматики.
Устройство содержит источник ИК излучения и фотоприемник. Излучение отражается от препятствия и регистрируется фотоприемником. Он передает сигнал на компаратор LM393, который настроен на срабатывание при определенном уровне освещенности фотоприемника. Компаратор формирует сигнал на выходе датчика YL-63 низкого или высокого логического уровня.

Оптический датчик YL-63 относится к классу диффузионных. Название группы датчиков возникло из-за лежащего в основе работы датчика отражения излучения по множествам направлений - диффузии излучения отражающей поверхностью.
Работа устройства заключается в определении освещенности фотоприемника. Поскольку YL-63 фиксирует отраженное излучение, то возникает погрешность измерения расстояния, вызванная различной отражающей способностью поверхностей объектов изготовленных из разнообразных материалов.

Коэффициенты расстояния для отражения от различных материалов.

Белая матовая бумага	1
Хлопчатобумажная ткань	0,6
Серый поливинилхлорид	0,57
Дерево
слабо окрашенное	0,73
необработанное	0,4
Пластик
белый	0,7
черный	0.22
Черная резина	0,2-0,15
Матовый алюминий	1,2
Нержавеющая полированная сталь	2,3

Различное отражение и поглощение излучения различных материалов используются для работы воспринимающего узла тахометра. Предположим у нас есть . Требуется узнать количество оборотов в минуту вала двигателя. Нас выручит YL-63. Достаточно приклеить на маховик фрагмент белой бумаги, направить луч датчика на маховик и получим воспринимающий узел тахометра.
Для снижения последствий различных помех обрабатывающим микроконтроллером накапливаются данные полученные от датчика за короткий промежуток времени и производится усреднение. Датчик YL-63 может работать в приборах не имеющих МК.

Параметры

Напряжение питания 3,3-5 В
Дистанция обнаружения до отражающей белой матовой плоскости 0,02-0,3 м
Угол обнаружения 35°
Размеры 43 х 16 х 7 мм

Контакты

Датчик препятствия YL-63 он же FC-51 имеет вилку разъема из трех контактов:
VCC - питание,
GND - общий провод,
OUT - выход.

Индикаторы

На плате модуля расположено два индикатора. Свечение зеленого сообщает о включении питания. Красный светодиод светится если в зоне обнаружения находится объект.

Установка расстояния срабатывания

Настройку устройства облегчает работа индикатора обнаружения. Это позволяет настроить YL-63 он же FC-51 на срабатывание в реальных условиях. Установка чувствительности датчика выполняется с помощью переменного резистора, установленного на плате. Препятствие устанавливается на требуемом удалении от фотоприборов датчика. Поворотом подвижного контакта переменного резистора на плате модуля YL-63 выполняется установка расстояния срабатывания, добиваются включения красного светодиода. Затем проверяют дистанцию срабатывания перемещением отражающего объекта. Настройку повторяют не менее трех раз.

Программа для Ардуино обработки сигнала Y L-63

Сигнал датчика подается на контакт 12 Ардуино.

Void setup() {
Serial.begin (9600);
pinMode (12, INPUT);
}
void loop() {
Serial.print("Signaal: ");
Serial.println (digitalRead(12));
delay (500);
}

Обзор датчика препятствия YL-63

Цифровой инфракрасный датчик обхода препятствий YL-63 (или FC-51) (рис.1) применяется тогда, когда нужно определить наличие объекта, а точное расстояние до объекта знать необязательно. Датчик состоит из инфракрасного излучателя, и фотоприемника. ИК источник излучает инфракрасные волны, которые отражаются от препятствия и фиксируются фотоприемником. Датчик обнаруживает препятствия в диапазоне расстояний от нуля до установленной предельной границы. Он построен на основе компаратора LM393, который выдает напряжение на выход по принципу: обнаружено препятствие –логический уровень HIGH, не обнаружено – логический уровень LOW, данное состояние показывает и находящийся на датчике красный светодиод. Пороговое значение зависит от настройки датчика и регулируется с помощью установленного на модуле потенциометра. Для индикации питания на датчике установлен зеленый светодиод. Датчик применяется в робототехнике для обнаружения препятствий при движении колесных или гусеничных роботов.

Технические характеристики датчика препятствия YL-63

Модель: YL-63(или FC-51)
напряжение питания: 3.3–5 В
тип датчика: диффузионный
компаратор: LM393
расстояние обнаружения препятствий: 2 – 30 см
эффективный угол обнаружения препятствий: 35°
потенциометр для изменения чувствительности
светодиод индикации питания
светодиод индикации срабатывания
размеры: 43 х 16 х 7 мм

Подключение YL-63 к Arduino

Модуль имеет 3 вывода:

VCC - питание 3-5 В;
GND - земля;
OUT - цифровой выход.

Подключим датчик к плате Arduino (Схема соединений на рис. 1) и напишем простой скетч, сигнализирующий звуковым сигналом о наличии препятствия. Загрузим скетч из листинга 1 на плату Arduino и посмотрим как датчик реагирует на препятствия (см. рис. 2).

Рисунок 1. Схема соединений подключения датчика YL-63 к плате Arduino

Загрузим скетч из листинга 1 на плату Arduino и посмотрим как датчик реагирует на препятствия (см. рис. 3). Листинг 1 // Скетч к обзору датчика препятствий YL-63 // http:// http://3d-diy.ru // контакт подключения выхода датчика #define PIN_YL63 5 // Данные с датчика Y63 #define barrier digitalRead(PIN_YL63) void setup() { // инициализация последовательного порта Serial.begin(9600); // настройка контакта подключения датчика в режим INTPUT pinMode(PIN_YL63,INTPUT); } void loop() { if (barrier == 1) { Serial.println("BARRIER!!!"); // Зона обнаружения препятствия while (barrier == 1) // Ждем выхода {;} } else { Serial.println("not barrier"); // Вне зоны обнаружения препятствия while (barrier == 1) // Ждем входа {;} } }

Рисунок 2. Вывод данных в монитор последовательного порта

С помощью потенциометра поэкспериментируем с установкой порогового значения.

Пример использования

Рассмотрим пример использования датчика YL-63 на борту популярной самоходной робототехнической платформы – мобильный робот на базе Arduino (см. 3).

Рисунок 3. Робототехническая платформа – мобильный робот на базе Arduino

Создадим скетч обхода роботом лабиринта. Если при движении робота в лабиринте придерживаться одной его стороны (левой или правой), то выход обязательно будет достигнут (рис. 4).

Рисунок 4. Схема обхода лабиринта роботом.

Установим на передний бампер робота три датчика препятствий, два смотрят вперед, один – вправо (см. рис. 5).

Наличие двух передних датчиков улучшает качество определения препятствий спереди, поскольку один датчик не охватывает всю переднюю зону.

Рисунок 5. Подключение датчиков препятствий к мобильному роботу на базе Arduino.

В скетче проверяем состояние датчиков и в зависимости от полученных данных принимается решение о движении. Датчики подключены к контактам Arduino 2, 12, 13. // Номера портов к которым подключены датчики препятствия. const int Front1 = 2, Front2 = 12, Right = 13; Создадим в Arduino IDE новый скетч, занесем в него код из листинга 2 и загрузим скетч на на плату Arduino. Листинг 2 // Объявляем переменные для хранения состояния двух моторов. int motor_L1, motor_L2, input_L; int motor_R1, motor_R2, input_R; // Временные константы служат для точного задания времени на поворот, разворот, движение вперед // в миллисекундах. const int time_90 = 390; // Номера портов к которым подключены датчики препятствия. const int Front1 = 2, Front2 = 12, Right = 13; //========================================= void setup() { // Заносим в переменные номера контактов (пинов) Arduino. // Для левых и правых моторов машинки. setup_motor_system(3, 4, 11, 7, 8, 10); // pinMode(Front1, INPUT); pinMode(Front2, INPUT); pinMode(Right, INPUT); // Двигатели запущены. setspeed(255, 255); } // Основная программа. void loop() { boolean d_Front1, d_Front2, d_Right; d_Front1 = digitalRead(Front1); d_Front2 = digitalRead(Front2); d_Right = digitalRead(Right); // Если ни один датчик не сработал. if (d_Front1 && d_Front2 && d_Right) { //Замедление правых колес setspeed(255, 15); forward();//подворот вправо. } else { //Если сработал один из передних датчиков и не сработал правый. if ((!d_Front1) || (!d_Front2)) { //Максимальная мощность на все колеса. setspeed(255, 255); // поворачиваем налево на 90 градусов. left(); delay(time_90 / 5); } else { // Если сработал правый датчик. // Замедление левых колес. setspeed(15, 255); forward();//подворот влево. } } } // Функция инициализации уравления моторами. void setup_motor_system(int L1, int L2, int iL, int R1, int R2, int iR) { // Заносим в переменные номера контактов (пинов) Arduino. motor_L1 = L1; motor_L2 = L2; input_L = iL; // Для левых и правых моторов машинки. motor_R1 = R1; motor_R2 = R2; input_R = iR; // Переводим указанные порты в состояние вывода данных. pinMode(motor_L1, OUTPUT); pinMode(motor_L2, OUTPUT); pinMode(input_L, OUTPUT); pinMode(motor_R1, OUTPUT); pinMode(motor_R2, OUTPUT); pinMode(input_R, OUTPUT); } // Функция задает скорость двигателя. void setspeed(int LeftSpeed, int RightSpeed) { // Задаем ширину положительного фронта от 0 до 255. analogWrite(input_L, LeftSpeed); analogWrite(input_R, RightSpeed); // Чем больше, тем интенсивнее работает мотор. } // Поворот налево с блокировкой левых колес. void forward() { // Левые колеса вращаются вперед. digitalWrite(motor_L1, HIGH); digitalWrite(motor_L2, LOW); // Правые колеса вращаются вперед. digitalWrite(motor_R1, HIGH); digitalWrite(motor_R2, LOW); } // Поворот налево. void left() { // левые колеса вращаются назад digitalWrite(motor_L1, LOW); digitalWrite(motor_L2, HIGH); // правые колеса вращаются. digitalWrite(motor_R1, HIGH); digitalWrite(motor_R2, LOW); } Запускаем робота в лабиринте и смотрим как он движется в лабиринте.

Часто задаваемые вопросы FAQ

1 . Не горит зеленый светодиод

Проверьте правильность подключения датчика.

2. Датчик не определяет препятствие на определенном расстоянии

С помощью протенциометра подберите порог срабатывания датчика.

В данном обзоре мы рассмотрим и протестируем модуль инфракрасного датчика препятствия с обозначением MH-B. Модуль построен на сдвоенном компараторе LM393.

Заказ производился в китайском интернет-магазине Алиэкспресс . Датчик стоит ~20 рублей:

В Грузию товар был доставлен бесплатно компанией "4PX Singapore Post OM Pro" в стандартном пакете:

Плата модуля была герметично запечатана в антистатический пакет и обвернута полиэтиленом с пупырышками:

С одной стороны платы имеются штырьки для подачи питания и снятия сигнала, а с противоположной стороны параллельно друг другу установлены инфракрасный светодиод и фотодиод, которые нужно направлять в сторону препятствия для определения его наличия:

Все контакты подписаны и будет очень легко подключиться к модулю:

На VCC подаётся напряжение питания;
Вывод GND - общий;
С вывода OUT снимается сигнал.

С другой стороны платы написано +OUT, но это не совсем так, и об этом мы поговорим позже:

Кроме микросхемы и светодиода с фотодиодом из радиоэлементов на модуле имеются:

светодиод индикации питания;
светодиод индикации сигнала;
два гасящих резистора для светодиодов на 1 кОм;
гасящий резистор инфракрасного светодиода на 100 Ом
два резистора смещения по 10 кОм;
подстроечный резистор на 10 кОм
два шунтирующих конденсатора по 0,1 мкФ;

Как уже говорилось модуль основан на сдвоенном компараторе LM393. Коротко рассмотрим документацию на эту микросхему:

Серия LM393 представляет собой двойные независимые прецизионные компараторы напряжения, способные работать с одиночным или раздельным питанием. Эти устройства спроектированы таким образом, чтобы обеспечить общий режим от одного до другого с одним режимом питания. Спецификации смещения входного напряжения до 2,0 мВ делают это устройство отличным выбором для многих применений в потребительской, автомобильной и промышленной электронике. Особенности компаратора LM393:

Широкий диапазон питания постоянного тока с одним источником(от 2,0 В до 36 В);
Диапазон двуполярного питания от 1,0 В до 18 В постоянного тока;
Очень низкий ток покоя, независящий от напряжения питания(0,4 мА);
Низкий синфазный входной ток смещения(25 нА);
Низкий дифференциальный входной ток смещения(5 нА);
Низкое входное напряжение смещения(5,0 мВ макс.);
Дифференциальное входное напряжение, равное напряжению питания;
Выходное напряжение, совместимое с логическими уровнями DTL, ECL, TTL, MOS и CMOS;
Температура окружающей среды от 0 ° C до 70 ° C.

У микросхемы восемь выводов, два из которых общий(4) и плюс питания(8), два других выходы: 1 - выход компаратора A, 7 - выход компаратора B. Выводы 2 и 3 соответственно инверсный и прямой вход компаратора A, а выводы 5 и 6 соответственно прямой и инверсный входы компаратора B. Представляю так же внутреннюю схему одного из компараторов:

Как видно из схемы выход компаратора представляет из себя каскад на транзисторе с открытым коллектором.

Весь модуль в собранном виде не больше длины спичинки и легко может уместится в небольшом пространстве:

Перейдем к проверке и для этого нам понадобится:

разъём для подключения к штырькам модуля;
токоограничительный резистор для светодиода на сопротивление 220 Ом;
ну и собственно сам модуль разумеется

Проверять мы будем самым простым способом, без всяких контроллеров, и все это мы соединим по следующей схеме:

В описании к модулю говорится что он будет работать при напряжении от 3 В до 5 В и мы будем проверять с напряжением питания 5 В. Хочу отметить одну особенность - в начале я говорил, что на штырьке выхода подписано +OUT и что это не совсем так. Из внутренней схемы компаратора, на котором собран модуль, видно что коллектор выходного транзистора никуда не подключён и на нём никак не может быть "+", хотя на плате модуля установлен резистор смещения между выходом и плюсом питания на 10 кОм, но в некоторых случаях этого может быть недостаточным, и при этом получается что выход работает инверсно: при срабатывании датчика на выходе будет логический "0". Это нужно учесть при конструировании некоторых поделок. Сначала я все же поверил надписи на плате и подключил светодиод между выходом и общим проводом, но светодиод начинал светится сразу при подаче питания без препятствия перед модулем, а во время срабатывания при поднесении препятствия на 3 см. он наоборот гаснет:

Пришлось подключить светодиод между выходом и плюсом питания. Собираем правильную схему и подаём напряжение питания:

Видим что без препятствия светодиод не светится.

Замеряем ток и видим что без препятствия в режиме покоя ток потребления 36 мА:

После срабатывания светится светодиод индикации наличия сигнала и потребляемый ток увеличивается до 47 мА:

Изменяя сопротивление подстроечного резистора я замерил стабильное минимально И максимально возможное расстояние срабатывания датчика. При вращении оси подстроечного резистора против часовой стрелки расстояние срабатывания уменьшается и минимально возможное расстояние составило 1 см.:

При вращении же оси подстроечного резистора по часовой стрелке расстояние срабатывания датчика увеличивается и максимальное надёжное расстояние срабатывания датчика составило около 12 см..