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摘要：
GP2D12是一个在机器人活动中使用较普遍的测距传感器，LEGO器材恰恰缺少测距传感器，但RCX直接使用有点困难，使用以前所介绍的方法，性能上有些欠缺。在此，我以足球守门员的应用为例，介绍一种新的在RCX上使用GP2D12的方法。

关键词：测距，GP2D12，机器人足球，守门员

一、 背景
论坛中已有文介绍了“如何在RCX上安装、使用GP2D12 测距传感器”，从文中可以看出，按其介绍的使用方法，采样率只有4 Hz左右，因为需要占用250 ms 给电容充电，这样设计的优点是不用外部电源，但损失了采样速度，本来GP2D12 的测量速度就只有40Hz，对于运动检测已经有些勉强，再降低则限制了其应用。

为此，我决定采用外部电源为GP2D12供电，以提高采样率。开始使用的是9V充电电池，用7805 降压供电，后考虑9V充电电池难于采购，改用一节7号电池升压供电。

但在使用RCX获取GP2D12的输出时，发现数据波动较大，在仔细阅读了GP2D12的应用指南（Application Note，见附件）后得知，GP2D12的输出是非连续的，每40 ms输出一个数据，在运动时输出为阶跃信号；而且在这40ms期间，输出的噪声也比较大。

为此，考虑借用轨迹传感器的处理部分，对GP2D12 的输出进行滤波、线性化后送给RCX。还是这个思路：让RCX做适合的事。滤波要求实时性较高，而且要占用比较多的内存（我使用了40个字节），使用RoboLAB是难以实现的。

二、 设计及实现
考虑到没有具体的需求难于说明测距的应用，所以选用机器人足球的守门员作为应用对象。
在目前的青少年机器人足球赛中，参赛方通常都设置一个守门员，而按规则守门员必须不断运动，但是由于机械结构和电机的精度差异，守门员不可能保证来回重复运动，所以经常出现守门员在远离球门区处“晃荡” 。
根据球门区和两侧的距离差，使用测距传感器可以检测守门员的位置，从而保证守门员不至于走出球门区，同时配合返回的距离值和走动的方向，可以判断是否走偏，以便及时纠正，使用这个方案就可以用与进攻机器人同样的结构，不必搭建成只会走直线的守门员了。

2.1 设计目标

• 实现滤波，增加数据的稳定、可靠性；
• 实现线性化，直接输出距离值，减少RCX的处理负担；
• 根据判断值给出位置信号，使RCX可以用事件方式获取位置信息，提高效率。

2.2 具体实现
从“LEGO用轨迹传感器”一文中可以得知，处理部分的采样器输入端实际上就是4个模拟量输入口，接入LPC917 的4路AD，最大输入为3.0 V。
而GP2D12的输出恰好为0.4 ― 2.4 V的模拟信号，所以直接将GP2D12 接到原来采样器的输入口即可，原来的采样器供电电压也是5V，与GP2D12 相同。

传感器实物：

GP2D12 的封装示意图

余下的工作是按照需求编写相应的软件。

软件的编写主要考虑两个方面，一是滤波问题，二是线性化问题。

滤波的主要设计依据是应用指南（Application Note，见附件），此文详细的分析了GP2D12 的工作原理，以及实际的性能，给出各种试验数据，有很好的参考价值。此文从网上下载，我忘了取自那个网站。

我采用的滤波方法为1ms 采样一次，取连续的40次平均值作为计算距离的数据，这个方式的主要目的是为了消除噪声，同时也平滑了阶跃，我认为这样处理阶跃比较合理，因为此时GP2D12 前次计算的结果权值是逐渐降低的，而非一次性“作废”。但是否正确，有待大家评判。

线性化问题比较简单，因为网上有人已经作了很细致的工作，我使用的是从Acroname 网站上下载的计算表（gp2d12_cal.xls ，见附件），此表做的十分精细，使用很方便，只需键入所用的AD位数、电压，并输入8个距离下的GP2D12 输出值，表中自动会计算出线性化的计算系数。

在判断位置处理上，考虑到GP2D12 在10 ― 35cm 这个范围测量比较准确，所以将球门的判断位置设置为 20 cm （可以通过调整传感器装在模型上的位置满足此要求）, 为防止在进出球门区的边界上出现“抖动”，程序设置了判断回差，类似于电子线路中的“施密特触发器”。

在进出球门区的瞬间，输出100ms的位置信号，告知RCX目前的位置变化。平时输出实际的距离值。
输出的定义为：
RCX 输入值：300 ― 800（约） 对应10 ― 80 cm；
RCX 输入值：小于 100 ，走出球门区；
RCX 输入值：大于 900 ，走入球门区；

因为没有获取运动方向，所以无法给出是在哪一侧位置。RCX可以根据自己的控制状态知道。
实际上，因为处理部分还余下3个输入，用一个输入接上“LEGO用轨迹传感器”中的采样器，在LEGO模型上加装一个从动轮，并在此轮轴上安装一个检测环，环上由“黑、灰、白”三色，用采样器对此环采样，即可获取运动的方向和距离，配合距离传感器的值，就可以得出在球门左或右侧的信息，同时还可以得到是否走偏的信息。

RCX侧的应用程序在此就不在赘述了，与LEGO轨迹传感器类似，根据自己的需求，结合原来的守门程序，我想一定比我做的好。

三、总结
连续两个应用实际上原理相近，都是使用单片机对特定的信号进行处理，给出所需的结果，实际上这是一个趋势，因为单片机已十分便宜，而且正在向简单、易用方面发展，零外部器件就是一个典型的特征，为这种单一功能应用提供了很好的基础。目前足球赛中所用的指南针传感器就是用一片PIC单片机实现数据处理和模拟量输出的。

也许有人觉得难于上手，其实现在使用单片机已很方便，用C语言编程，基本不涉及硬件，只需开始时初始化好硬件即可，有些单片机还提供了很方便的初始化硬件工具，如：沈阳新华龙供应的51F系列、南京万利提供的ST3200系列。

我这两个应用就是用C51实现的，没有使用一句汇编，我将测距的程序附在后面，大家可以看一下，没有接触过单片机的可以有个感性认识。从改别人的程序开始，逐步过渡到自己构建框架、编写程序，最后再自己设计、制作硬件，独立完成一个项目。

有意实践者可以与我们联系：support@embedream.com

附件：
1、 GP2D12 应用指南
2、 GP2D12_CAL.XLS
3、 程序：
Constant.h 常数定义
Port_def.h 输入输出口定义
Reg_917.h LPC 917 寄存器定义
Stru_var.h 变量定义
Main2D12.C 程序
注：因为是在LEGO用轨迹传感器程序基础上改的，所以有些无用的内容。

程序下载！

感谢原作者与大家一起分享好文章，另一篇好文章：

LEGO用轨迹传感器―― 一个扩充RCX输入口的尝试