EEPW论坛

LEGO用轨迹传感器
―― 一个扩充RCX输入口的尝试

摘要：
近来机器人比赛日渐普及，轨迹赛又是比赛的常规项目，使用LEGO器材参赛的十分普遍，但是RCX仅有三个输入口成了此项目的不小障碍。在此，我们作了一个尝试，为RCX设计了一个专用的轨迹传感器，使其只用一个输入即可实现复杂轨迹的监测，剩余两个输入口可以接其它传感器，以使项目设计得更具趣味性、挑战性。

关键词： RCX输入扩充，轨迹采样。

一、 背景

作为学习器材，LEGO器材应当是一种比较好的选择，但是也有其不足之处，RCX的输入口太少就是一个比较主要的缺陷。

对于复杂的应用项目，RCX的输入制约就十分明显。拿最典型的走轨迹项目来说，要完成“2003年大学生机器人赛的机器人游北京”或者“江苏首届大学生机器人赛的机器人游南京”项目，用一个RCX就很困难，因为项目中要检测许多交叉轨迹和支路、直角弯，至少需要3个光电传感器，同时还要检测是否到了指定的“景点”，三个输入口就有些“吃力”。

即使可以用三个光电传感器实现，已经用完了所有的输入，此时对于项目的设计者而言只能搞单纯的走轨迹，不能再添加一些有趣的、有挑战的任务，致使这种竞赛的观赏性、趣味性、挑战水平都会大打折扣。

另一方面，RCX的ROBOLAB软件设计偏重于功能，而非性能，它具备很多高级系统才具备的特征，如：多任务、事件监测、数据采集、直接任务执行、多机通讯等，远非一般自己制作、编写的单片机系统可比，但是这一切是以降低系统的实时性能为代价的，从其“100 Hz的采样速率”和“10ms 开/关一次电机”等技术参数就可见一斑。

100Hz的采样率对于很多应用是十分勉强的，走轨迹就是一例，如果小车行进的快一些，有可能漏掉一个支路或交叉。如果小车的纠偏处理过快，可能掠过了轨迹还以为没有回到轨迹上呢！这一切都是RCX在具体应用时可能遇到的困惑。

我认为，RCX的ROBOLAB更适合用于构成应用系统的主构架，相当于我们一般编程的主程序，而将一些实时性要求高的任务交由一些“外设”完成，相当于一般编程中的子程序或库函数。这些“外设”完成一些特定的任务，如轨迹的监测，将结果交给RCX处理。

二、设计目标及需求分析

基于上述想法，我们决定设计一个RCX用轨迹传感器。

设计目标是：

• 用一个输入口完成复杂轨迹的监测，实现输入口的扩充；
• 提高采样速率，弥补原来RCX使用ROBOLAB时采样率低的缺陷；
• 为这类扩充应用提供一种方式。

要实现的功能：

• 对轨迹进行采样，可靠的分析出传感器所安装的LEGO模型所处的位置；
• 将结果以RCX兼容的模拟量形式输出；
• 便于安装到用LEGO积木构建的模型上；
• 便于RCX的编程使用。

要输出给RCX的位置状态有：

• 在轨迹上；
• 左或右部分偏离轨迹；
• 左或右完全偏离轨迹；
• 左侧或右侧有轨迹支路；
• 双侧有轨迹支路（十字路）；
• 前面没有轨迹，两侧有轨迹支路（T字路）；
• 左或右直（锐）角弯。

三、具体设计
我们制作的轨迹传感器外形如下：

3.1 硬件设计
3.1.1 采样器设计
为了便于准确的判断出轨迹的情况，考虑用4个光电采样器对轨迹进行采样，4个采样器的布置如下：

图中1、2号采样器负责检测是否脱离轨迹，3、4号采样器负责检测轨迹的交叉。这样布置的要求是：

• 1、2号采样器间距小于轨迹宽度，同时要平行；
• 3、4号采样器间距要大于线宽1.5 - 2 倍，也要平行；
• 同时，前后两组的采样平行线间距要小于轨迹宽度。

因为采样器主要目的是监测轨迹，所以在采样电路上作了一些处理，以减小环境光的干扰。
采样器的电路如下：

采样器解剖图：

采样器外形：

3.1.2 CPU的选择
根据设计目标，同时为了简化系统的硬件，缩小体积，便于封装在LEGO积木块中，选用了PHILIP的LPC917 单片机作为处理芯片。

LPC917 具有：

• 4路AD输入；
• 2路PWM输出；
• 256字节RAM；
• 2K字节FALSH ROM，支持ICP，更新程序十分方便；
• FLASH ROM还支持IAP，可以作为备份数据存储；
• 内置上电复位、RC振荡器，可实现零外部器件工作；
• 2周期高速51内核，弥补了原来51系列单片机慢的缺陷；
• 16脚小体积封装，只有5 X 6 mm ,便于缩小PCB。

之所以选择LPC900 系列单片机，首先是因为它是51系列单片机，51系列在国内是一个最普及的单片机品种，涉及51的资源最为丰富，选用51系列为使用者二次开发提供了方便。

其次是LPC900系列速度快，是原来标准51的6倍。

第三是LPC900系列均支持ICP方式编程，而使用USB的ICP下载线成本不高，零售价只有120元，这对于追求小体积而不得不使用表贴器件的用户来说，应该是个不错的选择。ICP方式相对于IAP更可靠一些。
程序下载示意图：

第四就是LPC900系列的品种比较齐全，对于单一功能性的应用均可以找到合适的规格，我们所选的917就是看中了其4路AD输入和2路PWM输出。

3.1.3 电路设计
因为RCX输入口的电源负载能力有限，为避免不可靠，轨迹传感器自供电，一方面减少了不确定因素，另一方面可以使用RCX的通用输入模式，增加输入的分辨率，RCX的通用输入数值范围为 0 - 1024 （10位AD）。

为了减小体积，采用了升压电路，将一节7号电池的电压升高到5V，作为传感器的电源。

所有的功能均由LPC917 完成，使用其4路AD输入将采样器的信号转换为数字值，经内部软件处理后，根据结果用PWM方式转换为模拟量输出给RCX。

因为系统的可靠性、速度要求不高，所以使用了LPC917的内部复位电路和内部的RC振荡器，工作频率为7.3MHz。CPU工作无外部器件。

处理部分的电路如下：

(点击放大)

电路中设计了一个电源及工作状态指示灯，用于指示传感器的工作状态。
为了实现对采样器的调试，设计了一个按键，控制进入和退出调试。
对于采样器，为了减小环境光的干扰，每路均增加了一个控制信号。
为了和RCX的输入匹配，做到无极性连接，输出经放大后接了全桥整流，虽然损失了一部分信号幅度，但是方便了使用。为减小幅度损失，全桥选用肖特基二极管组成。

处理部分解剖图：

处理部分外形：

3.2 软件设计
3.2.1 资源分配

• 使用LPC917的4路AD输入对采样信号进行数值转换，工作在直接触发、单次扫描模式；
• 使用Timer0 产生 1ms时基，控制采样和输出；
• 使用Timer1 作为 PWM 输出，产生RCX所要的模拟信号；
• 借用ICP的端口P0.5 作为进入调试模式的控制端。

3.2.2 程序实现的功能

• 4路A/D采样；
• 计算出模型在轨迹上的位置；
• 输出模拟量结果；
• 调试功能，实现轨迹判断值的建立以及光电采样器的安装调整；

3.2.3 程序架构

程序分为以下几个模块：
☆采样模块 ―― 实现每 1ms 对4路信号的AD转换一次，并根据判断域值换算为逻辑值保存，定义采样逻辑值为：
在轨迹上为“1”，不在轨迹上为“0”。

☆位置计算模块 ―― 根据转换后的4个采样器逻辑值计算出目前的位置信息，并转换为定义的模拟量。

输出模拟量定义如下：
输出的轨迹特征 内部的输出值 RCX的输入中值（判断值）

一共是11种状态，为了避免信息混乱，所有特殊的轨迹状态（判断值小于3，大于7的）均是在走过后输出，输出维持 100 ms ,以确保RCX能可靠获取。

对于偏离轨迹的判断，如果没有经过特殊轨迹，偏离后只会维持3或7 输出，必须纠偏后回到状态5，才继续判断其它状态。

☆判断值建立和采样器安装调试模块 ―― 为了建立轨迹和背景之间的判断值和变化方向，需要有一个调试状态，同时完成对采样器安装的调试。

进入调试状态借用 ICP 口中的P0.5，正常工作时P0.5 浮空（芯片内部上拉），为高电平，对地接一个按钮，按一下进入调试状态。在调试状态下，输出为采样器的实际值，可以通过RCX的VIEW功能对采样器的安装位置进行调试。

具体操作模式为：第一次按时，进入调试模式，输出1号采样值，可根据此值调试采样器安装位置，再按依次输出2、3、4号采样值，第五次按前将1、2号采样器置于轨迹上，3、4置于背景上（轨迹外），输出的是判断域值，此时再按下按钮将保存判断域值，并返回到工作模式，完成调试过程。

在上述过程中，电源指示的闪烁方式为：在调试1号时，闪一下，灭1秒；调试2号时，闪2下，灭1秒；依次到输出判断域值时，闪5下，灭1秒。回到正常工作时连续闪烁。

程序完成纪录轨迹及背景的采样值，计算出判断值以及变化方向，并写入FLASH中保存，不再次进入调试不会被修改。

采样在1ms 中断中完成，建立标志。主程序根据标志启动计算或调试模块，输出对应的结果。

四、使用方法

连接示意图：

ROBOLAB 程序：

以上程序只是一个示例，对于特殊轨迹没有处理，具体应用时可根据需求添加。

上述采样器的布置方案不是唯一的，可能有更好的模式，我们提供的只是一种思路，希望能起到抛砖引玉的作用。

五、扩展应用
上述模式也可用于其它的应用，如在青少年机器人足球项目中，用于对灰色渐变场地的监测，本采样器在LEGO 提供的练习纸上测试，最黑处约为180，最亮处约为 920，红灰测试块的灰色约为480。而用原配的光感，最黑处约为35，最亮处约为55，红灰测试块的灰色约为 44。

我没有在足球场地纸上试过，但根据这些数据可以初步推论：用于监测足球场地的灰度变化会比原来大有改善，而且，如果使用者有能力用C51编程的话，肯定会使足球水平大有提高。

如果将现在用于监测轨迹的反射采样器换为检测红外球的采样器，那么用在守门员或进攻机器人上，对找球将会有很大的好处，这样RCX可以专注于策略。而且，用LEGO参加足球赛的学校也可以体现出水平了，因为传感器的性能、功能可以根据自己的需要改变，而非统一提供的，大家指标差异有限。

用这种方式学习单片机编程也是一种选择，由于完成的功能单一，所以易于上手，易于看到效果，对学习者而言容易获得成就感。

这是我们的一个尝试，希望能对使用LEGO器材的朋友们有所帮助，如果有什么好的建议，请发邮件到 support@embedream.com。

==============

非常感谢此文作者分享这么好的资料。在乐高机器人方便，这篇文章是ROBOTDIY开站快4年最好的文章。