红外线测距传感器的应用与原理

1.红外线测距传感器的功能

红外线测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同其反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外线测距传感器具有一对红外信号发射与接收的二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种特定频率的红外信号，当红外信号在检测方向遇到障碍物时，会产生反射，反射回来的红外信号被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化[86]。需要说明的是，机器人在这里利用了红外线传播时不会扩散的原理，由于红外线在穿越其他物质时折射率很小，所以长距离测量用的测距仪都会考虑红外线测距方式。红外线的传播是需要时间的，当红外线从测距仪发出一段时间碰到反射物经过反射回来被接收管收到，人们根据红外线从发出到被接收到的时间差（Δt）和红外线的传播速度（C）就可以算出测距仪与障碍物之间的距离[87]。简言之，红外线的工作原理就是利用高频调制的红外线在待测距离上往返产生的相位移推算出光束渡越时间Δt，从而根据D=（C×Δt）/2得到距离D。

图3-17所示红外线测距传感器的型号为GP2Y0A21YK0F，该传感器是由位置敏感探测集成单元（PSD）、红外发光二极管（IRED）和信号处理电路组成，工作原理如图3-18所示。

图3-17　GP2Y0A21YK0F红外测距传感器

图3-18　红外线传感器工作原理图

红外线测距传感器的测距功能是基于三角测量原理实现的，其情况如图3-19所示。由图可知，红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，这束光就会被反射回来，反射回来的红外光束被CCD检测器检测到以后，会获得一个偏移值L。在知道了发射角度a、偏移距L、中心距X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以利用三角几何关系计算出来了[88]。可以看到，当距离D很小时，L值会相当大，可能会超过CCD的探测范围。这时虽然物体很近，但传感器反而看不到了。而当距离D很大时，L值就会非常小[89]。这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值也难以肯定。换言之，CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。要检测越远的物体，CCD的分辨率要求就越高。由于采用的是三角测量法，物体的反射率、环境温度和操作持续时间等因素反而不太容易影响距离的检测精度[90]。

图3-19　三角测量原理

红外线测距传感器可以用于测量距离、实现避障、进行定位等作业，广泛应用于移动机器人和智能小车等运动平台上。图3-20所示为一款装置了红外线测距传感器和超声波测距传感器的智能小车。(www.xing528.com)

2.红外线测距传感器的参数

本书为仿蛇机器人选用了GP2Y0A21YK0F红外线测距传感器，这是一款比较常见的测距传感器，其测量距离为20～150 cm。同样，它可以在任意一家电子商店中以较低的价格购得。

图3-20　装置着红外线测距传感器和超声波测距传感器的智能小车

该传感器拥有4.5～5.5 V的电压输入范围，消耗电流为33 mA，具有非接触式测量距离的功能，同时具有模拟输出端口，输出电压范围为-0.3～+0.3 V，工作稳定可靠，其主要的技术参数见表3-3所示。

表3-3　红外测距传感器的参数表

GP2Y0A21YK0F红外线测距传感器的板上有两个半径为1 mm的孔可以用于定位和固定。模块共有3个PIN端口，接口从左到右依次编号1、2、3，它们的定义如下：

1号PIN端口：数据发生端，输出模拟信号（-0.3～+0.3 V）；

2号PIN端口：接外部电路的地；

3号PIN端口：接VCC电源（供电5 V）。