近距离传感器

概述

近距离传感器用于检测机器人周围短距离（通常 <5m）的障碍物、悬崖和物理接触。它们是机器人安全系统的最后防线，在扫地机器人、服务机器人和工业机器人中大量使用。

红外接近传感器

工作原理

红外接近传感器发射调制红外光，通过检测反射光的强度或位置来测量距离。

反射式测距：

\[ I_{\text{received}} \propto \frac{\rho}{d^2} \]

其中 $\rho$ 为目标表面反射率，$d$ 为距离。接收信号强度随距离平方衰减。

Sharp GP2Y0A21YK0F

最经典的红外测距传感器，采用三角测距法。

参数	值
测距范围	10–80 cm
输出	模拟电压（与距离非线性关系）
响应时间	~39 ms
供电	4.5–5.5V
电流	~30 mA
尺寸	29.5 × 13 × 13.5 mm
价格	~$10

电压-距离关系（近似）：

\[ d = \frac{a}{V - b} \]

其中 $V$ 为输出电压，$a$、$b$ 为经验系数（需标定）。

import numpy as np

def sharp_gp2y0a21_distance(voltage):
    """
    Sharp GP2Y0A21 电压转距离
    voltage: ADC 读取电压 (V)
    返回距离 (cm)
    """
    if voltage < 0.4 or voltage > 3.1:
        return None  # 超出有效范围

    # 经验公式（需要根据实际标定调整）
    distance = 29.988 * pow(voltage, -1.173)
    return distance

其他红外传感器

型号	范围	输出	特点	价格
GP2Y0A21	10–80cm	模拟	经典通用	~$10
GP2Y0A02	20–150cm	模拟	远距离	~$12
GP2Y0A41SK	4–30cm	模拟	近距离	~$8
TCRT5000	1–25mm	模拟	反射式，适合循线	~$0.5

超声波传感器

工作原理

发射超声波脉冲（通常 40kHz），测量回波时间来计算距离：

\[ d = \frac{v_s \cdot t}{2} \]

其中 $v_s \approx 343 \, \text{m/s}$（20°C 空气中声速）。

声速与温度

声速随温度变化：$v_s = 331.3 + 0.606 \cdot T$（m/s），其中 $T$ 为摄氏温度。精确测距需要温度补偿。

HC-SR04

最常用的超声波测距模块。

参数	值
测距范围	2–400 cm
精度	±3 mm
测量角度	~15°（锥形波束）
工作频率	40 kHz
触发方式	10μs 高电平脉冲
供电	5V
电流	~15 mA
价格	~$2

使用方式：

向 Trigger 引脚发送 >10μs 的高电平脉冲
模块自动发送 8 个 40kHz 超声波脉冲
Echo 引脚输出高电平，持续时间等于回波时间

import RPi.GPIO as GPIO
import time

TRIG = 23
ECHO = 24

def measure_distance():
    """HC-SR04 测距"""
    GPIO.output(TRIG, True)
    time.sleep(0.00001)  # 10μs 触发脉冲
    GPIO.output(TRIG, False)

    # 等待 Echo 高电平开始
    while GPIO.input(ECHO) == 0:
        pulse_start = time.time()

    # 等待 Echo 高电平结束
    while GPIO.input(ECHO) == 1:
        pulse_end = time.time()

    duration = pulse_end - pulse_start
    distance = duration * 34300 / 2  # cm

    return distance

超声波的局限性

问题	原因	影响
锥形波束	超声波扩散角 ~15°	角分辨率低，小物体可能漏检
镜面反射	光滑斜面将声波反射偏离	测距失败
吸声材料	布料、泡沫吸收声波	无回波
串扰	多个超声波模块相互干扰	需要时分复用
最小距离	发射和接收需要时间间隔	盲区 ~2cm

ToF 接近传感器

工作原理

使用激光 ToF 测量微型化方案，发射 VCSEL 激光，SPAD 探测器接收。

VL53L0X

STMicroelectronics 出品的微型 ToF 传感器。

参数	值
测距范围	30–2000 mm
精度	±3%（长距离模式）
FOV	25°（锥形）
光源	940nm VCSEL
接口	I2C
测量速率	最高 50Hz
供电	2.6–3.5V
尺寸	4.4 × 2.4 × 1.0 mm
价格	~$3

VL53L1X（升级版）

参数	值
测距范围	40–4000 mm
FOV	27°（可编程 ROI）
测量速率	最高 50Hz
多区域	支持 4×4 区域检测
价格	~$4

import board
import adafruit_vl53l0x

# I2C 初始化
i2c = board.I2C()
sensor = adafruit_vl53l0x.VL53L0X(i2c)

# 读取距离
distance_mm = sensor.range
print(f"距离: {distance_mm} mm")

# 设置测量模式
sensor.measurement_timing_budget = 200000  # 200ms，高精度模式

悬崖传感器（Cliff Sensor）

作用

悬崖传感器是扫地机器人、服务机器人等移动平台上的关键安全传感器，用于检测地面的突然下降（楼梯、台阶边缘），防止机器人跌落。

工作原理

使用向下照射的红外反射传感器，检测地面反射信号：

正常地面：红外光被反射回来，接收信号强
悬崖/台阶：红外光射向远处，反射信号极弱或无

\[ \text{Cliff detected} \iff I_{\text{received}} < I_{\text{threshold}} \]

典型配置

扫地机器人通常在底部前方安装 3–6 个悬崖传感器：

graph TD
    subgraph "扫地机器人底部视图（前方朝上）"
    direction TB

    A["前方左 ●"] --- B["前方中 ●"] --- C["前方右 ●"]
    D["侧方左 ●"] --- E["（底盘）"] --- F["侧方右 ●"]
    end

    style A fill:#ff6666
    style B fill:#ff6666
    style C fill:#ff6666
    style D fill:#ff9966
    style F fill:#ff9966

常用传感器

型号	类型	检测距离	说明	价格
TCRT5000	红外反射	1–25mm	最常用	~$0.5
ITR9608	红外反射	1–15mm	小型封装	~$0.3
QRD1114	红外反射	1–10mm	分立式	~$1

悬崖检测的可靠性

悬崖传感器是安全关键传感器。注意以下失效场景：

深色地面：黑色地毯/地面可能被误判为悬崖
透明地面：玻璃地面无法反射红外光
传感器脏污：灰尘覆盖导致信号衰减
强环境光：直射阳光可能干扰红外检测

实际产品中通常采用多传感器冗余 + 保守策略来保证安全。

碰撞传感器（Bumper）

工作原理

碰撞传感器是最简单的近距离检测方式——物理接触触发。通常使用微动开关或触力传感器。

类型

类型	原理	优点	缺点
微动开关	机械触点	简单、可靠、成本低	需要物理接触
力敏电阻	电阻随压力变化	可以感知力度	需要 ADC
电容式	接近改变电容	非接触（~1cm）	环境敏感
压电式	压电效应	灵敏、响应快	信号处理复杂

扫地机器人碰撞传感器

大多数扫地机器人使用前部的弧形 bumper，内部安装微动开关或光电开关：

# 简单的 bumper 中断处理
import RPi.GPIO as GPIO

BUMPER_LEFT = 17
BUMPER_RIGHT = 27

def bumper_callback(channel):
    if channel == BUMPER_LEFT:
        print("左侧碰撞！后退并右转")
        # motor.backward()
        # motor.turn_right()
    elif channel == BUMPER_RIGHT:
        print("右侧碰撞！后退并左转")
        # motor.backward()
        # motor.turn_left()

GPIO.setup(BUMPER_LEFT, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
GPIO.setup(BUMPER_RIGHT, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

GPIO.add_event_detect(BUMPER_LEFT, GPIO.FALLING, 
                      callback=bumper_callback, bouncetime=200)
GPIO.add_event_detect(BUMPER_RIGHT, GPIO.FALLING, 
                      callback=bumper_callback, bouncetime=200)

扫地机器人传感器布局

graph TD
    subgraph "扫地机器人传感器系统"

    subgraph "顶部"
    L["LiDAR<br/>2D 激光雷达<br/>360° SLAM"]
    end

    subgraph "前部"
    B["Bumper<br/>碰撞传感器<br/>左/右区分"]
    IR["红外/ToF<br/>前方避障<br/>3-5cm~2m"]
    end

    subgraph "底部"
    C1["悬崖传感器 ×4-6<br/>IR反射式<br/>防跌落"]
    W["轮式编码器 ×2<br/>里程计"]
    end

    subgraph "侧面"
    WALL["沿墙传感器<br/>IR/ToF<br/>保持墙距"]
    end

    end

传感器协作逻辑

class VacuumRobotSafety:
    """扫地机器人安全传感器管理"""

    def __init__(self):
        self.cliff_threshold = 100   # ADC 阈值
        self.wall_distance = 50      # mm
        self.obstacle_distance = 200  # mm

    def check_cliff(self, cliff_sensors):
        """检查悬崖传感器，任一触发则紧急停止"""
        for i, value in enumerate(cliff_sensors):
            if value < self.cliff_threshold:
                return True, i  # 检测到悬崖
        return False, -1

    def check_bumper(self, bumper_left, bumper_right):
        """检查碰撞传感器"""
        if bumper_left and bumper_right:
            return 'front'   # 正面碰撞
        elif bumper_left:
            return 'left'    # 左侧碰撞
        elif bumper_right:
            return 'right'   # 右侧碰撞
        return None

    def safety_loop(self, sensors):
        """安全检查主循环 - 优先级最高"""
        # 1. 悬崖检测（最高优先级）
        cliff_detected, cliff_id = self.check_cliff(
            sensors['cliff'])
        if cliff_detected:
            return 'EMERGENCY_STOP', f'Cliff at sensor {cliff_id}'

        # 2. 碰撞检测
        bump = self.check_bumper(
            sensors['bumper_left'], 
            sensors['bumper_right'])
        if bump:
            return 'BACKUP_AND_TURN', bump

        # 3. 接近障碍物
        if sensors['front_tof'] < self.obstacle_distance:
            return 'SLOW_DOWN', sensors['front_tof']

        return 'NORMAL', None

传感器综合对比

传感器	范围	精度	速率	成本	优势	劣势
Sharp IR	10–80cm	±1cm	25Hz	$10	简单可靠	受光照影响
HC-SR04	2–400cm	±3mm	20Hz	$2	便宜	角分辨率低
VL53L0X	3–200cm	±3%	50Hz	$3	小巧、数字输出	范围有限
Cliff IR	1–25mm	检测级	快	$0.5	极低成本	仅检测有/无
Bumper	0cm	接触	快	$0.5	最可靠	需物理接触

ROS2 集成

Range 消息

# sensor_msgs/msg/Range
Header header
uint8 radiation_type        # ULTRASOUND=0, INFRARED=1
float32 field_of_view       # 检测锥角 (rad)
float32 min_range           # 最小距离 (m)
float32 max_range           # 最大距离 (m)
float32 range               # 当前距离 (m)

发布传感器数据

from sensor_msgs.msg import Range

def publish_ultrasonic(self, distance_m):
    msg = Range()
    msg.header.stamp = self.get_clock().now().to_msg()
    msg.header.frame_id = 'ultrasonic_front'
    msg.radiation_type = Range.ULTRASOUND
    msg.field_of_view = 0.26  # ~15°
    msg.min_range = 0.02
    msg.max_range = 4.0
    msg.range = distance_m
    self.range_pub.publish(msg)

参考资料

Sharp GP2Y0A21 数据手册
HC-SR04 技术文档
STMicroelectronics VL53L0X/VL53L1X 数据手册
iRobot Roomba 开放接口规范
ROS2 sensor_msgs 文档

近距离传感器

概述

红外接近传感器

工作原理

Sharp GP2Y0A21YK0F

其他红外传感器

超声波传感器

工作原理

HC-SR04

超声波的局限性

ToF 接近传感器

工作原理

VL53L0X

VL53L1X（升级版）

悬崖传感器（Cliff Sensor）

作用

工作原理

典型配置

常用传感器

碰撞传感器（Bumper）

工作原理

类型

扫地机器人碰撞传感器

扫地机器人传感器布局

传感器协作逻辑

传感器综合对比

ROS2 集成

Range 消息

发布传感器数据

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