红外测距模块GP2D12使用说明书.pdf-资料库

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寻寻红红外外测测距距模模块块红红外外测测距距模模块块 GG PP 22 DD 11 22 使使用用说说明明书书 V1.0 – 2008.3 用用手手册册北京亿学通电子北京海淀上地七街国际创业园2号院C座812 TEL: 86-10-62669059 E-mail:fae_61mcu@163.com http://www.61mcu.com

GP2D12红外测距传感器使用介绍机器视觉中最接近人眼的莫过于摄像头了，可图像处理小车的“大脑”对付不了，至少目前的“大脑”能力不够，等进化后也许能够应付。为了能“看到”障碍物，小车目前能用的主要是各类测距传感器，典型的有超声波和红外两种，此外还有利用光线的反射强弱来判断的，这种方式不具备“测距”功能，但可以判断有无！因为不同物体表面及颜色反射的能力不同（看后面的数据）。本文主要讨论的是机器人中最常用的红外测距传感器 —— GP2D12。一、“看到”障碍物的眼睛 —— 红外测距传感器首先认识一下：之所以选择 GP2D12 红外测距传感器，理由如下：首先是因为在机器人活动中（不包含工业机器人）这个传感器最常用，几乎每家国外的第 1 页共 14 页

创新实践学以致用机器人配件供应商都提供。使用 Google 英文版搜索一下“MiniSumo”，你将会发现 GP2D12 使用是多么普遍。其二是因为它的测距范围和小车的“个头”及运动速度匹配，对于 10cm 见方、运动速度 10 – 30cm/s 的小个头，能“看到”几米开外的东西意义不大，而 10 – 80cm 正是它所要关注的范围。 GP2D12 的工作原理我理解为（仅供参考，欢迎指正）：它是由一个红外发射管和一个 PSD（Position Sensing Device 位置敏感检测装置）以及相应的计算电路构成，Sharp 公司的 PSD 很有特色，它可以检测到光点落在它上面的微小位移，分辨率达微米，GP2D12 正是利用这个特性实现了几何方式测距。红外发射管发出的光束，遇到障碍物反射回来，落在 PSD 上，构成了一个等腰三角形，借助于 PSD 可以测得三角形的底，而两个底角是固定的，由发射管确定，此时便可通过底边推算出高，也就是我们所要的距离。如下图所示：障碍物此角度不变此处即光束的位置。从图中可以看出，这是一个顶角极锐的等腰三角形，底边只有 2cm ，高却要有 10 – 红外发射管 PSD 80cm，所以 PSD 的分辨率必须极高，否则微小的偏差都会带来距离的巨大误差。从这一点第 2 页共 14 页

创新实践学以致用也可以得出，它的测距结果很难稳定、精确，毕竟比值太大。因为 PSD 的尺寸有限，从图中就很容易理解为何它的测量距离超出范围后就不可能是有效数据，连趋势都得不到。从上述原理描述还可以知道，它不是连续测量，得到底边长度后，必须经过计算才能得到距离值，然后转换为模拟信号输出。这两个推论在那篇“Sharp GP2D12 applicationNote”（应用指南）有所印证，具体表现为它测距的强指向性和输出的不确定性（噪音高达 200mV，相对于 2.4V 的满量程输出而言达 5%）。这篇文章好像是国外一个爱好者写的，他做了大量的测试，对使用者掌握 GP2D12 的性能及合理的使用它极有帮助。此文二年前下载于 www.acroname.com （这是一个很不错的机器人网站），如果找不到，可到 http://www.embedream.com/bbx/cgq/2007-05-10/4.html 下载。 Sharp GP2D12 的主要技术参数如下：（摘自上述应用指南） Range 范围: 10 to 80cm Update frequency / period 刷新频率/周期: 25Hz / 40ms Direction of the measured distance 测距方向性: Very directional, due to the IR LED Max admissible angle on flat surface 最大允许角度: > 40° Power supply voltage 电源电压: 4.5 to 5.5V Noise on the analog output 模拟输出噪音: < 200mV Mean consumption 平均功耗: 35mA Peak consumption 峰值功耗: about 200mA 第 3 页共 14 页

创新实践学以致用总有人问 GP2D12 是否能用于某些场合？如果能仔细吃透上述指标，自然会有答案。还有人问它与超声波传感器那个好，我想这些指标也会告诉你！至于更详细的内容，读者可进一步阅读 GP2D12 的数据手册以及上面介绍的应用指南，在此我就不再赘述。二、GP2D12 的使用从手册上可知，GP2D12 的输出为 0.4V – 2.4V 模拟信号，对应 80 – 10 cm 距离，输出与距离间的关系成反比，且为非线性。要使用它，首先必须具有 AD 转换，这点圆梦小车具备，且十分适合，因为圆梦小车的 MCU 供电电压为 3.3V，其内带的 AD 满量程也为 3.3V，对于 2.4V 的 GP2D12 输出信号，利用率较高（如果 AD 是 5V 满量程，也许要考虑增加一级放大）。而且小车使用 4 节充电电池供电，4 节串联为 4.8– 5V，正好满足 GP2D12 的 4.5-5.5V 供电要求（注意：千万不要使用普通电池供电，因为普通电池的电压为 1.5V，新的通常有 1.6V， 4 节串联将达 6.4V，有可能损坏 GP2D12！此外，普通电池的电压不稳定，内阻随使用逐渐增大，导致静态时电压还凑合，电机一转小车就复位）。圆梦小车设计时在底盘上预留了 GP2D12 的安装位置，并在扩展板上预留了 GP2D12 的接口，购买 GP2D12 时还提供了连线和插座，用户只需将插座焊在扩展板预留位置即可方便使用。第 4 页共 14 页

创新实践学以致用此时，GP2D12 接入 STC12LE5412AD 的 P1.4 脚，即内部 AD 的第四通道。在硬件上，没有太多的难度，但是要用好 GP2D12，软件上似乎要做些努力，必须解决的有两个问题：一是信号的线性化，因为输出与距离的关系是非线性的，为便于程序中使用距离信息，必须将模拟信号转换为相应得距离值。二是滤波，因为按照上述应用指南的测量分析，GP2D12 的输出噪声很大；此外，还由于测量的非连续性，导致连续的距离变化对应的输出为阶跃信号，也需要通过滤波将其平滑。 2.1 线性化关于线性化，开始时我也一筹莫展，曾想用折线近似实现，但尝试后觉得代码量太大，而且需要做大量数据采集。后来在 www.acroname.com 网站上（二年前），发现了一个极好的“东东” —— 一个用 Excel 制作的电子表，表格的格式如下：第 5 页共 14 页

创新实践学以致用里面有作者根据 GP2D12 特性建立的数学模型（线性化公式），并预留的使用者输入参数的地方，只需按其要求填入： AD 的位数、AD 供电电压（满量程），并采集 8 点（10cm 间隔）GP2D12 的输出电压，填入表中，它就可自动生成线性化公式的参数，提供了整形和浮点两种格式，还附有由此产生的结果与实际的偏差表，并用生动的图形表示，十分直观、实用。此表可在 www.embedream.com 的相关资料中下载，本该提供它的原始链接，无奈现在没有了，只找到了一个类似的文档 — Sharp IR Range Finder Voltage-to-Range Conversion Article 其链接为：http://www.acroname.com/robotics/info/articles/irlinear/irlinear.html。内容也是讨论线性化的，读者不妨一读。配合此文也许更容易理解使用那张 Excel 表格。本文所附的示范程序就是根据上表的系数计算的，表中，由我确定的数据有： Bits A2D （AD 转换的位数） —— 10 SupplyV （供电电压） —— 3.30 以及 Caliberation Data （校验数据）中的 8 个电压值。我所使用的是整形公式，需要三个参数：m’ 、 b’、k’ 计算公式为：（int）R（距离） = （m’/（A2D（AD 转换的结果）+ b’））- k’ 程序中的处理十分简单： // 线性化转换，得到距离值，其中 B_C 即 b’，M_C 即 m’，K_C 即 k’ uiResult = uiResult + B_C; uiResult = M_C/uiResult - K_C; // 得到距离值第 6 页共 14 页

根据上述公式及程序得到的结果如下：创新实践学以致用 GP2D12 不同颜色测距结果对比距离白纸褐色木盒 cm 10 20 30 40 50 60 70 80 cm 9 20 30 40 50 63 68 77 cm 9 21 30 38 48 65 76 80 第一列为实际距离，第二列障碍物表面为白纸，第三列障碍物为褐色木盒，读者可比照 Excel 表中的数据，可以看出基本吻合。同时还可以从上面数据中看出，GP2D12 确实如其手册中所说，基本不受障碍物的颜色影响。还可以得出结论：用其作为精确的距离测量不妥！第 7 页共 14 页

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