制作机器人常用传感器盘点

现在越来越多的朋友都对机器人开发产生了浓厚的兴趣，而机器人小车由于技术门槛低，成本低廉而成为了很多入门者的首选。机器人小车电子部分主要的构成就是控制芯片、电机和传感器。今天我们就在这里介绍几种机器人小车上常用的传感器。

传感器，简单点下个定义就是把现实中的各种物理信号转变为电子电路中可以识别的电信号。下面我就根据用来识别不同的物理信号来介绍几种机器人爱好者常用的传感器。

1、障碍物：

避障可以说是各种机器人最基本的功能。因此选择测障传感器可以说是每一个机器人DIYer必须熟知的知识。

检测机器人面前是否存在障碍物的传感器，可以分为接触式和非接触式。

接触式测障传感器最典型的便是碰撞开关。



这是一幅碰撞开关的外形图。



这是一幅碰撞开关的工作状态图。碰撞开关的工作原理非常简单，完全依靠内部的机械结构来完成电路的导通和中断。当碰撞开关的外部探测臂受到碰撞，探测臂受力下压，带动碰撞开关内部的簧片拨动，电路的导通状态从而发生改变。一般碰撞开关需要接三根线，一根红色的电源线，一根黑色的地线，和一根黄色的信号线（信号线的颜色可能存在不同）。

在机器人小车上的用法多数为将探测臂加长，扩大探测范围和灵敏度，当机器人小车装到前面的障碍物，碰撞开关的信号端便可返回一个高电平，控制芯片由此可以知道小车面前存在着障碍物。

碰撞开关的优点是价格便宜，一般每只零售仅几块钱，使用简单，使用范围广，对环境条件没有什么限制。

缺点是必须在发生碰撞后才能检测到障碍，这在某些机器人比赛中是相当失分的。并且使用时间较长后容易发生机械疲劳，无法继续正常工作。

非接触式测障开关一般的工作原理与雷达相似，发射某种射线，遇到障碍物会被反射回来，这时传感器就认为发现了障碍物。最常用的便是发射红外线的传感器。


红外测障传感器电路图

现在网上有成套的红外测障传感器出售，可以直接购买产品使用，也可以自己购买电子元件焊接。




红外发射管外形图

红外测障传感器成本较低（当然比碰撞开关还是要高一点），电路简单，检测范围大，并且如果在电路中加上一个电位器可以随时调节传感器的检测范围。检测方式为非接触式，控制起来更加好看，也更加灵活。

缺点是多个传感器之间容易互相干扰，在传感器的布局上需要多花心思，安装位置也要尽可能的避免碰撞。

2：距离

有时间单单知道哪个方向上有障碍物并不够，还必须知道障碍物距离机器人具体有多远才好判断机器人下一步的行动。这个时候我们就需要测距传感器。

测距传感器大多为非接触式，目前在个人机器人领域用的比较多的是红外和超声波两种。

红外测距传感器：提到红外测距传感器，就不能不提夏普的GP2D12红外测距传感器，几乎可以说是机器人爱好者的必备传感器。现在在网上看到的一些个人机器人作品几乎都可以看到GP2D12的身影。

无图无真相，相信很多朋友看到下面这张图都会禁不住感叹：“哦，原来是它呀！”



是不是很眼熟？说实话除了在个人机器人上，我还真没在其他的地方见过这个东西。

GP2D12产品规格参数：

1.测量射程范围：10 to 80 cm
2.最大允许角度：>40°
3.电源电压：4.5 to 5.5V
4.平均功耗：35mA
5.峰值功耗：约200mA
6.更新频率/周期：25Hz/40ms
7.模拟输出噪声：<200mV
8.测量距离与输出模拟电压关系：2.4V~0.4V模拟信号对应10cm~80cm，输出与距离成   反比非线性关系。

这种传感器的优点是体积小，测量准确，电源电压与输出信号都较常规，一般单片机系统都可直接使用。

缺点是成本较高，购买途径较少。

超声波测距传感器：超声波测距传感器也是一种很常见的测距传感器，依靠超声波的发射与反射接收中的时间差来判断距离。


超声波测距传感器外形图

超声波测距传感器规格很多，测试距离也从远到近都有，价格相差也较大，一般机器人爱好者使用的都是测量范围在最小几厘米到最大几米之间。

超声波测距的优点在于测量范围较大，且不是使用光学信号，所以被测物体的颜色对于测量结果没有影响。

缺点是成本较高，由于是依靠声速测距，所以对于一些影响声速的因素较敏感，比如温度、风等。最大允许角度较小。

3、亮度：

很多个人朋友制作的机器人都需要判断环境光的亮度，这个时候就需要亮度传感器。最常用的便是光敏电阻。

光敏电阻：光敏电阻是一种随着照射在上面的可见光强度变化而阻值发生变化的电阻，可以根据其阻值的变化判断出光强。


光敏电阻实物图

光敏电阻的使用也非常简单，只要将它当做普通电阻接入电路，只要根据电流变化便可得出电阻的变化，进而判断出光强的变化。

优点：成本低廉、可靠性好、测量准确。

缺点：暂无。

4、速度

机器人自身的行走速度对于判断机器人运动状态和机器人所在位置非常重要，这里我们主要讨论一下机器人小车运动速度的测量。
机器人小车依靠电动机驱动轮子来运动，因此测量机器人小车的速度可以归结为测量驱动电动机的转速。
那么怎么测量电动机的转速呢？
测量电机转速有很多种方法，比较适合个人机器人爱好者的是光电编码器。

光电编码器也有很多种，在个人机器人上比较常见的有两种：一种为反射式，一种为透射式。（都是我随口起的名字^_^）

反射式的基本结构为在电机的旋转轴上加一个圆形的黑白相间码盘（很多都是粘在轮子上），距离码盘很近的距离固定一个红外发射接收一体模块，利用黑白色对红外线的吸收率不同，红外线照射到黑色部分时，大部分被吸收而无反射信号；红外线照射到白色部分时，大部分红外线被反射回来而产生强烈的反射信号。当码盘随电机旋转时，红外接收端的输出信号便是一个由旋转速度决定频率的方波。进而我们便可知道此时电机的旋转速度。


码盘外形图

透射式检测原理与反射式相似。唯一的不同是没有上图中的那种黑白相间的码盘，而是在光栅圆盘上开了一圈小孔，红外线或可见光的发射端与检测端分别位于光栅圆盘的两侧，同样是利用光栅圆盘旋转以后产生的脉冲信号来检测电机的旋转速度。


光栅盘式光电编码器原理图

其实这两种传感器从本质上来说都属于光电传感器，这类传感器的特点是价格便宜，结构可靠，检测结果准确。缺点是对于安装位置要求较高，因此建议大家购买电机时选择配备了光电编码器的电机，免去自己安装可能带来的种种问题。

检测电机转速，除了光电传感器之外，还有一些利用磁效应原理的传感器，汽车上经常使用这种传感器，我这里不再详细介绍了。

5、地面灰度

很多人最开始做的机器人小车基本功能就是循线，白色的地板上贴着一条黑线，让机器人小车沿着地面的黑线前进。很多机器人高手都是从类似的作品成长起来的。因此有必要介绍一下检测地面灰度的常用传感器。

可见光地面灰度检测器：所谓的可见光地面灰度检测器，就是使用一个发光装置与一个光敏电阻搭配，装在机器人底部离地面较近的一个位置上。利用不同颜色对可见光的吸收程度不同的原理来检测地面灰度。发光装置发射可见光，照射到不同颜色上面后反射光的强度会有一定的差异，根据光敏电阻的返回值便可知道现在机器人下面的地面颜色。


一种利用发光二极管作为发光装置的地面灰度检测器

我当初做的时候最初是自己弄了个小灯泡，可是效果不理想，后来换了个摩托车上的6v灯泡，效果好多了，就是电池受不了。后来买了个与图中差不多的灰度传感器，耗电量下来的，检测效果也还可以，但是还是会有漏测的现象，而且容易受到环境光的干扰。于是后来就使用了一种非可见光的检测方式。

红外线地面灰度检测器：前面介绍光电编码器的时候已经提到了，反射式光电编码器的码盘由黑白相间的条纹组成，利用黑白颜色对红外线的吸收程度不同来检测码盘的旋转。其实如果引申一下，把机器人巡线的场地看成一个大码盘，其实也是黑白相间，这样每当机器人越过一条白线，就相当于光电编码器上的码盘转动了一个最小角度，光电编码器的输出高低电平便会变化一次。

这种检测方式比较准确，很少出现漏检的情形，抗干扰能力也比较强，唯一的劣势就是对传感器本身的离地间隙要求较高，高一点或矮一点都不行。因此便对机器人的工作环境要求较高，不平的地面肯定是不行的。

这两种地面灰度检测方式成本都比较低廉，具体采用哪一种便由你自己的确切应用来决定了。

6、其他

以上这些是我个人比较熟悉，并且在个人爱好者中应用比较广泛的几种传感器，微电子领域的发展速度是日新月异的，每天都在有各种各样的新传感器问世，很多以前高不可攀的传感器如今也变成了几块钱甚至几毛钱一个，因此经常去电子市场转转，关注一下最新的传感器信息都是必要的。

其他制作个人机器人常用的传感器还有数字指南针、加速度传感器等，一般都是用在比较复杂的应用上，本篇文章的面向对象是准备制作第一个机器人作品的新手朋友们，因此就不再详细介绍了，有兴趣的朋友可以自己去了解一下。