CN103970136B - 一种灰度传感器及一种基于灰度传感器的循迹控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种灰度探测传感器及一种基于灰度探测传感器的循迹控制方法，包括灰度探测模块、取样触发模块、模数转换器、计算比较模块和输出接口；取样触发模块的输出端与灰度探测模块的控制端电连接；灰度探测模块的输出端与模数转换器的输入端电连接；模数转换模器的输出端与计算比较模块的输入端电连接；计算比较模块的输出端与输出接口电连接。通过取样触发模块发出取样信号，使灰度探测模块自动取样，并将模拟信号转换为数字信号，实现自动取样、自动计算灰度平均值，而当前灰度值与灰度平均值进行比较，输出控制信号，机器人在循迹前进时，依靠控制信号自动进行换向，实现全自动控制，使得机器人能够更精确地循迹前进，调节相当简单。

Description

一种灰度传感器及一种基于灰度传感器的循迹控制方法

技术领域

本发明涉及一种灰度传感器，尤其涉及一种灰度传感器及一种基于灰度传感器的循迹控制方法。

背景技术

目前，灰度传感器在检测领域上有较为广泛的应用，通常是利用灰度传感器获取被测对象的实时灰度，通过对实时灰度的判断来确定被测对象的表面是否符合标准。

灰度传感器在机器人循迹前进的控制上也有所应用，在以往的机器人循迹前进时，一般需要采用人工目测的方法调整灰度对比值，使用者只能凭借经验粗略估计灰度比较状态（灰度对比值的大小），并进行手工调节，通常是通过螺丝刀调节灰度传感器上的可调电阻，这样不仅调节相当麻烦，而且容易出现灰度对比值偏差较大，造成机器人在循迹前进时容易出错。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种灰度传感器及一种基于灰度传感器的循迹控制方法，这种灰度传感器调节相当简单，能够自动计算灰度平均值，而且灰度平均值更加精确，使得机器人能够更精确地循迹前进。采用的技术方案如下：

一种灰度传感器，包括灰度探测模块，其特征是：还包括取样触发模块、模数转换器、计算比较模块和输出接口；取样触发模块的输出端与灰度探测模块的控制端电连接；灰度探测模块的输出端与模数转换器的输入端电连接；模数转换模器的输出端与计算比较模块的输入端电连接；计算比较模块的输出端与输出接口电连接。

取样触发模块发出取样信号给灰度探测模块，灰度探测模块在接收到来自取样触发模块的取样信号的情况下，探测被测对象的灰度，产生取样灰度模拟信号；在其他情况下，灰度探测传感器探测被测对象的灰度，产生当前灰度模拟信号。

模数转换器将来自灰度探测模块的取样灰度模拟信号和前灰度模拟信号分别转换为取样灰度值和当前灰度值。

计算比较模块接收来自模数转换器的取样灰度值和当前灰度值，计算比较模块计算两次取样灰度值的平均值，并储存为灰度平均值，当前灰度值与灰度平均值进行比较，根据比较结果输出一个控制信号给输出接口。

这种灰度传感器，通过取样触发模块发出取样信号，使灰度探测模块自动取样，并将模拟信号转换为数字信号，实现自动取样、自动计算灰度平均值（灰度比对值），而实时的当前灰度值与灰度平均值进行比较，输出控制信号，机器人在循迹前进时，依靠控制信号自动进行换向，实现全自动控制，并且由于自动计算灰度平均值，比以往人工目测调整灰度对比值更加精确，使得机器人能够更精确地循迹前进，而且只要通过取样触发模块（一般包括触发开关）进行触发取样即可，调节相当简单。

作为本发明的优选方案，还包括滤波器，滤波器电连接在所述灰度探测模块与数模转换器之间。通过设置滤波器，对灰度探测传感器发出的取样灰度模拟信号和前灰度模拟信号进行滤波，使得模数转换后的取样灰度值和当前灰度值更加精确。

作为本发明进一步的优选方案，所述计算比较模块包括储存器、平均值计算模块和比较器；储存器、比较器的一个输入端与所述数模转换器的输出端电连接，比较器的另一个输入端与储存器电连接，平均值计算模块与储存器电连接；比较器的输出端与所述输出接口电连接。储存器接收来自模数转换器的取样灰度值并进行储存；平均值计算模块从储存器读取两个取样灰度值并计算两个取样灰度值的平均值，并返回给储存器储存为灰度平均值；比较器接收来自数模转换器的当前灰度值和读取储存器的灰度平均值，将当前灰度值与灰度平均值进行比较，并根据比较结果输出控制信号给输出接口。上述比较器一般采用一个减法器。

作为本发明更进一步的优选方案，所述平均值计算模块包括加法器和乘法器。加法器的两个输入端与所述储存器电连接，加法器的输出端与乘法器的输入端电连接，乘法器的输出端与储存器电连接。加法器对两个取样灰度值进行相加，输出给乘法器与0.5相乘，乘法器的计算结果返回给储存器。乘法器（multiplier）是一种完成两个互不相关的模拟信号相乘作用的电子器件。它可以将两个二进制数相乘。它是由更基本的加法器组成的。乘法器不仅作为乘法、除法、乘方和开方等模拟运算的主要基本单元，而且还广泛用于电子通信系统作为调制、解调、混频、鉴相和自动增益控制；另外还可用于滤波、波形形成和频率控制等场合，因此是一种用途广泛的功能电路。一个理想的通用乘法器，不应当对任何一个输入信号的极性加以限制，也就是说，应当具有能完成四个象限的运算功能的电路。硬件乘法器，其基础就是加法器结构，它已经是现代计算机中必不可少的一部分。乘法器的模型就是基于“移位和相加”的算法。在该算法中，乘法器中每一个比特位都会产生一个局部乘积。第一个局部乘积由乘法器的LSB产生，第二个乘积由乘法器的第二位产生，以此类推。如果相应的乘数比特位是1，那么局部乘积就是被乘数的值，如果相应的乘数比特位是0，那么局部乘积全为0。每次局部乘积都向左移动一位。乘法器可以用更普遍的方式来表示。每个输入，局部乘积数，以及结果都被赋予了一个逻辑名称（如A1、A2、B1、B2），而这些名称在电路原理图中就作为了信号名称。在原理图的乘法例子中比较信号名称，就可以找到乘法电路的行为特性。在乘法器电路中，乘数中的每一位都要和被乘数的每一位相与，并产生其相应的乘积位。这些局部乘积要馈入到全加器的阵列中（合适的时候也可以用半加器），同时加法器向左移位并表示出乘法结果。最后得到的乘积项在CLA电路中相加。注意，某些全加器电路会将信号带入到进位输入端（用于替代邻近位的进位）。这就是一种全加器电路的应用；全加器将其输入端的任何三个比特相加。

作为本发明进一步的优选方案，所述取样触发模块包括电位上拉电阻、防抖电容、触发开关和第一限流电阻；触发开关与防抖电容并联连接；电位上拉电阻的一端、第一限流电阻的一端均与防抖电容的同一端连接。在线路连接时，电源的正极连接在电压上拉电阻的另一端，电源的负极连接在防抖电容的另一端。

作为本发明进一步的优选方案，所述灰度探测模块包括发光支路和取样支路；发光支路包括串联连接的发光二极管和第二限流电阻；取样支路包括串联连接的光敏电阻和第三限流电阻；光敏电阻与第三限流电阻之间的引出线为灰度探测模块的输出端。

作为本发明进一步的优选方案，还包括取样状态指示模块，取样状态指示模块包括取样指示支路和当前指示支路；取样支路包括串联连接的取样指示灯和第四限流电阻；当前指示支路包括串联连接的当前指示灯和第五限流电阻；取样指示支路的一端与所述取样触发模块的输出端电连接；当前指示支路的一端与所述灰度探测模块的输出端电连接。如果取样指示灯和当前指示灯同时亮起，说明正处于取样状态；如果仅仅当前指示灯亮起，说明处于实时探测灰度的状态。

作为本发明进一步的优选方案，所述滤波器、模数转换器、储存器、平均值计算模块和比较器集成为一个集成芯片。

一种基于灰度传感器的循迹控制方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将机器人放置在线迹上，机器人上设置有至少一个灰度探测模块；

（2）通过机器人上的灰度探测模块，对线迹和线迹之外部分分别进行取样，产生两个取样灰度模拟量；

（3）两个取样灰度模拟量进行模数转换，转换为两个取样灰度值；

（4）计算两个取样灰度值的平均值，标记为取样灰度平均值；

（5）通过机器人上的灰度探测模块实时探测前进方向上的灰度，产生一个实时灰度模拟量，通过模数转换，将实时灰度模拟量转换为实时灰度值；

（6）将实时灰度值与取样灰度平均值进行比较，根据比较结果输出方向控制信号给机器人；

（7）机器人根据方向控制信号的指示，调整前进方向，沿线迹前进；

（8）回到步骤（5）。

自动取样，并将模拟信号转换为数字信号，实现自动取样、自动计算灰度平均值（灰度比对值），而实时的当前灰度值与灰度平均值进行比较，输出控制信号，机器人在循迹前进时，依靠控制信号自动进行换向，实现全自动控制，并且由于自动计算灰度平均值，比以往人工目测调整灰度对比值更加精确，使得机器人能够更精确地循迹前进。

作为本发明的优选方案，所述机器人上仅设置一个灰度探测传感器，所述步骤（6）中，如果当前的比较结果与上一次的比较结果相同，则所述步骤（7）中机器人沿原来方向前进；如果当前的比较结果与上一次的比较结果相反，则输出一个相反方向的方向控制信号给机器人，所述步骤（7）中，机器人换向前进，间隔一段时间后，步骤（6）再次输出另一个相反方向的方向控制信号给机器人，步骤（7）中，机器人再次换向前进。当换向前进时，采用躲离的方式前进，并设定了躲离的时间，在躲离一段时间后，再次换向以逼近方式前进，使得机器人能够较精确地循迹前进。

上述间隔一段时间，时间的长短根据实际情况而定，在较粗较长的线迹上，一般设置为0.5-2秒；在较细的线迹上，2-5毫秒。

作为本发明的优选方案，所述机器人的左侧和右侧均设置有灰度探测传感器，所述步骤（5）中，先采用其中一个灰度探测模块实时探测前进方向上的灰度；所述步骤（6）中，如果当前的比较结果与上一次的比较结果相同，则所述步骤（7）中机器人沿原来方向前进；如果当前的比较结果与上一次的比较结果相反，则输出一个相反方向的方向控制信号给机器人，所述步骤（7）中，机器人换向前进，所述步骤（8）之前切换另一灰度探测进行探测。采用交叉探测的方式来探测前进方向上的灰度，而在换向控制上也采用交叉的方式，因此，机器人在前进时体现为沿线迹交叉前进，线迹处于机器人前进线路上的中间位置，这种控制方式使得机器人更精确地循迹前进。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

通过取样触发模块发出取样信号，使灰度探测模块自动取样，并将模拟信号转换为数字信号，实现自动取样、自动计算灰度平均值（灰度比对值），而实时的当前灰度值与灰度平均值进行比较，输出控制信号，机器人在循迹前进时，依靠控制信号自动进行换向，实现全自动控制，并且由于自动计算灰度平均值，比以往人工目测调整灰度对比值更加精确，使得机器人能够更精确地循迹前进，而且只要通过取样触发模块（一般包括触发开关）进行触发取样即可，调节相当简单。

附图说明

图1是本发明优选实施方式的方框原理图；

图2是取样触发模块的电路原理图；

图3是灰度探测模块的电路原理图；

图4是取样状态指示模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。

如图1所示，这种自动计算灰度平均值的灰度传感器，包括灰度探测模块1、取样触发模块2、滤波器3、模数转换器4、计算比较模块5和输出接口6；取样触发模块2的输出端与灰度探测模块1的控制端电连接；灰度探测模块1的输出端通过滤波器3与模数转换器4的输入端电连接；模数转换模器4的输出端与计算比较模块5的输入端电连接；计算比较模块5的输出端与输出接口6电连接。

如图1所示，计算比较模块5包括储存器501、平均值计算模块502和比较器503；储存器501、比较器503的一个输入端与数模转换器4的输出端电连接，比较器503的另一个输入端与储存器501电连接，平均值计算模块502与储存器501电连接；比较器503的输出端与输出接口6电连接。比较器503一般采用一个减法器503。

平均值计算模块502包括加法器5021和乘法器5022。加法器5021的两个输入端与储存器501电连接，加法器5021的输出端与乘法器5022的输入端电连接，乘法器5022的输出端与储存器501电连接。

如图2所示，取样触发模块2包括电位上拉电阻201、防抖电容202、触发开关203和第一限流电阻204；触发开关203与防抖电容202并联连接；电位上拉电阻201的一端、第一限流电阻204的一端均与防抖电容202的同一端连接。

灰度探测模块1包括发光支路101和取样支路102；发光支路101包括串联连接的发光二极管1011和第二限流电阻1012；取样支路102包括串联连接的光敏电阻1021和第三限流电阻1022；光敏电阻1021与第三限流电阻1022之间的引出线1023为灰度探测模块1的输出端。

这种自动计算灰度平均值的灰度传感器还包括取样状态指示模块7，取样状态指示模块7包括取样指示支路701和当前指示支路702；取样支路701包括串联连接的取样指示灯7011和第四限流电阻7012；当前指示支路702包括串联连接的当前指示灯7021和第五限流7022电阻；取样指示支路701的一端与取样触发模块2的输出端电连接；当前指示支路702的一端与灰度探测模块1的输出端电连接。

取样触发模块2发出取样信号给灰度探测模块1，灰度探测模块1在接收到来自取样触发模块2的取样信号的情况下，探测被测对象（前进方向上线迹或其他部分）的灰度，产生取样灰度模拟信号；在其他情况下，灰度探测传感器1探测被测对象（前进方向上线迹或其他部分）的灰度，产生当前灰度模拟信号。

模数转换器4将来自灰度探测模块的取样灰度模拟信号和前灰度模拟信号分别转换为取样灰度值和当前灰度值。

计算比较模块5接收来自模数转换器4的取样灰度值和当前灰度值，计算比较模块计算两次取样灰度值的平均值，并储存为灰度平均值，当前灰度值与灰度平均值进行比较，根据比较结果输出一个控制信号给输出接口6。

储存器501接收来自模数转换器4的取样灰度值并进行储存；平均值计算模块502从储存器501读取两个取样灰度值并计算两个取样灰度值的平均值，并返回给储存器501储存为灰度平均值；比较器503（减法器503）接收来自数模转换器4的当前灰度值和读取储存器501的灰度平均值，将当前灰度值与灰度平均值进行比较，并根据比较结果输出控制信号给输出接口6。

这种自动计算灰度平均值的灰度传感器，通过取样触发模块2发出取样信号，使灰度探测模块1自动取样，并将模拟信号转换为数字信号，实现自动取样、自动计算灰度平均值（灰度比对值），而实时的当前灰度值与灰度平均值进行比较，输出控制信号，机器人在循迹前进时，依靠控制信号自动进行换向，实现全自动控制，并且由于自动计算灰度平均值，比以往人工目测调整灰度对比值更加精确，使得机器人能够更精确地循迹前进，而且只要通过取样触发模块（一般包括触发开关）进行触发取样即可，调节相当简单。

在其他实施方式中，上述滤波器、模数转换器、储存器、平均值计算模块和比较器集成为一个集成芯片。

一种基于灰度传感器的循迹控制方法，包括如下步骤：

（1）将机器人放置在线迹上，机器人上设置有至少一个灰度探测模块；

（2）通过机器人上的灰度探测模块，对线迹和线迹之外部分分别进行取样，产生两个取样灰度模拟量；

（3）两个取样灰度模拟量进行模数转换，转换为两个取样灰度值；

（4）计算两个取样灰度值的平均值，标记为取样灰度平均值；

（5）通过机器人上的灰度探测模块实时探测前进方向上的灰度，产生一个实时灰度模拟量，通过模数转换，将实时灰度模拟量转换为实时灰度值；

（6）将实时灰度值与取样灰度平均值进行比较，根据比较结果输出方向控制信号给机器人；

（7）机器人根据方向控制信号的指示，调整前进方向，沿线迹前进；

（8）回到步骤（5）。

在一种具体方案中，机器人上仅设置一个灰度探测传感器，所述步骤（6）中，如果当前的比较结果与上一次的比较结果相同，则所述步骤（7）中机器人沿原来方向前进；如果当前的比较结果与上一次的比较结果相反，则输出一个相反方向的方向控制信号给机器人，所述步骤（7）中，机器人换向前进，间隔1秒后，步骤（6）再次输出另一个相反方向的方向控制信号给机器人，步骤（7）中，机器人再次换向前进。当换向前进时，采用躲离的方式前进，并设定了躲离的时间，在躲离一段时间后，再次换向以逼近方式前进，使得机器人能够较精确地循迹前进。

在另一种具体方案中，机器人的左侧和右侧均设置有灰度探测传感器，所述步骤（5）中，先采用其中一个灰度探测模块实时探测前进方向上的灰度；所述步骤（6）中，如果当前的比较结果与上一次的比较结果相同，则所述步骤（7）中机器人沿原来方向前进；如果当前的比较结果与上一次的比较结果相反，则输出一个相反方向的方向控制信号给机器人，所述步骤（7）中，机器人换向前进，所述步骤（8）之前切换另一灰度探测进行探测。采用交叉探测的方式来探测前进方向上的灰度，而在换向控制上也采用交叉的方式，因此，机器人在前进时体现为沿线迹交叉前进，线迹处于机器人前进线路上的中间位置，这种控制方式使得机器人更精确地循迹前进。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于灰度传感器的循迹控制方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将机器人放置在线迹上，机器人的左侧和右侧均设置有灰度传感器；

（2）通过机器人两侧上的两个灰度传感器，对线迹和线迹之外部分分别进行取样，产生两个取样灰度模拟量；

（3）两个取样灰度模拟量进行模数转换，转换为两个取样灰度值；

（4）计算两个取样灰度值的平均值，标记为取样灰度平均值；

（5）先采用其中一个灰度传感器实时探测前进方向上的灰度，产生一个实时灰度模拟量，通过模数转换，将实时灰度模拟量转换为实时灰度值；

（6）将实时灰度值与取样灰度平均值进行比较，根据比较结果输出方向控制信号给机器人；

（7）机器人根据方向控制信号的指示，调整前进方向，沿线迹前进，具体如下：如果步骤（6）中，当前的比较结果与上一次的比较结果相同，则机器人沿原来方向前进；如果步骤（6）中，当前的比较结果与上一次的比较结果相反，则输出一个相反方向的方向控制信号给机器人，机器人换向前进；

（8）切换另一个灰度传感器进行探测，并回到步骤（5）。