实验报告2
――光电传感器测距功能测试
1． 实验目的：
➢ 了解光电传感器测距的特性曲线； ➢ 掌握LEGO基本模型的搭建； ➢ 熟练掌握ROBOLAB软件；
2． 实验要求：
能够用LEGO积木搭建小车模式，并在车头安置光电传感器。能在光电传感器紧贴红板，以垂直红板的方向作匀速直线倒车运动过程中进行光强值采集，绘制出时间－光强曲线，然后推导出位移－光强曲线及方程。
3． 程序设计：
编写程序流程图并写出程序，如下所示：
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开始 设置采样函数 电机转动 采样24次 （0.05S/次） 电机停机 音乐响 结束
ROBOLAB程序设计：
4． 实验步骤：
1) 搭建小车模型，参考附录步骤或自行设计（创新可加分）。 2) 用ROBOLAB编写上述程序。
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3) 将小车与电脑用USB数据线连接，并打开NXT的电源。点击ROBOLAB
的RUN按钮，传送程序。
4) 取一红颜色的纸板（或其他红板）竖直摆放，并在桌面平面与纸板垂直
方向放置直尺，用于记录小车行走的位移。
5) 将小车的光电传感器紧贴红板放置，用电脑或NXT的红色按钮启动小
车，进行光强信号的采样。从直尺上读取小车的位移。
6) 待小车发出音乐后，点击ROBOLAB的数据采集按钮，进行数据采集，
将数据放入红色容器。共进行四次数据采集。
7) 点击ROBOLAB的计算按钮，分别对四次采集的数据进行同时显示、平
均线及拟和线处理。
8) 利用数据处理结果及图表，得出时间同光强的对应关系。再利用小车位
移同时间的关系（近似为匀速直线运动），推导出小车位移同光强的关系表达式。
5． 调试与分析
a) 采样次数设为24，采样间隔为0.05s，共运行1.2s。采得数据如下所示。
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b) 在ROBOLAB的数据计算工具中得到平均后的光电传感器特性曲线，如图所示：
c) 对上述平均值曲线进行线性拟合，得到的光强与时间的线性拟合函数：
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d) 取四次实验小车位移的平均值，根据时间与光强的拟合函数求取距离与
光强的拟合函数：
由上图可得光强与时间的关系为：y= -25.261858×t+56.524457 ; 量取位移为4.5cm，用时1.2s，得：x=3.75×t ; 光强与位移的关系为：y= -6.73649547×x+56.524457 ;
e) 通过观测上图及导出的光强位移函数可知，光电传感器在短距离里内对
位移信号有着良好的线性关系，可以利用光强值进行位移控制。但我们也可以发现，其线性区域十分狭窄，从图中可看出，主要集中在0.1s到0.8s之间。故只能用于短距离测控。
6． 注意事项：
光电传感器对环境光较为敏感，故应采用一定的遮光措施，使环境尽量
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的暗，增大光强变化范围，提高定位准确度。另外，采用光电传感器的自身光源，最大限度的减少环境光对实验的不利影响。
小车在行进之中，并不能保证轨迹完全与红板垂直，可以采取固定后轮
的方式，强制小车直线运动。
由于光电传感器的自身光源为红色光，故采用红板反射效果最好。在同
等条件下，白板的反射光强曲线较陡。
由于线性区域很窄，故只用低速档并可以考虑采用齿轮减速机构，使速
度尽量的慢，得到较为理想的曲线。
7． 实验总结：
通过这次实验，我们看到光电传感器的另一种功能，在短距离内的测距功能。但我们也看到，这种工作方式容易受环境的影响，产生较大的误差。另外，它也只适合于短距离的测量，这是由于其与位移的线性关系决定的。最后，这次实验也为下次实验提供了理论支撑和相关数据的确定。
注：小车的搭建过程详细请见9797套装手册
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附图：小车模型
实验示意图
齿轮减速机构（右图为拆去轮子后）
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后轮固定机构
实验报告3
－—光电传感器位移传感应用
1． 实验目的：
➢ 掌握利用光感的局部线性特征进行测距的方法
2． 实验要求：
小车由出发点向障碍物方向匀速行进，距离3CM、2CM、1CM时各停止5秒钟并以不同音调提示到达指定位置。回程亦然并停止在3CM位置。测量小车到达各目标位置的实际位置。重复实验三次并记录相关数据。
3． 软件设计：
编写程序流程图并写出程序，如下所示：
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开始 延时1s 电机正转 N 光强值是否上升到指定值？ Y 电机停机5s，响音乐 光强值是否上N 升到指定值？ Y 电机停机5s，响音乐 光强值是否上N 升到指定值？ Y
ROBOLAB程序设计：
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电机停机5s，响音乐 电机正转 光强值是否下N 降到指定值？ Y 电机停机5s，响音乐 光强值是否下N 降到指定值？ Y 电机停机，响音乐 结束
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4． 实验步骤：
1) 搭建小车模型，参考附录步骤或自行设计(创新可加分)。 2) 用ROBOLAB编写上述程序(控制阈值需要修改)。
3) 将小车与电脑用USB数据线连接，并打开NXT的电源。点击ROBOLAB
的RUN按钮，下载程序。
4) 取一红颜色的纸板（或其他红板）竖直摆放，并在桌面平面与纸板垂直
方向放置直尺，用于记录小车与红板之间的距离。
5) 将小车的正对红板放置，与红板距离约为4cm。用电脑或NXT的红色
按钮启动小车。每逢小车停顿，从直尺上读取小车的位移。重复三次。 6) 将记录的数据记录在自制的表格中。（可以用办公软件绘制表格和图形）
5． 调试与分析
a) 利用上次实验推导出光强与位移的方程：
y= -6.73649547×x+56.524457
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得出： x=1cm时, y=49.8611≈50 ;
x=2cm时, y=43.16889≈43 ; x=3cm时, y=36.46665≈36 ;
b) 利用上述数据进行程序设置，虽然小车能够按要求在不同的距离停顿，
但与我们所设的位置有较大误差，特别是回程的时候。这是由于拟和的函数本身就存在误差，再加上环境的影响，故实现起来有较大的误差。
c) 记录的实验数据：
预定停机位置 各位置控制阈值 3cm 36% 2cm 43％ 1.2cm 1.1cm 1.0cm 1.1cm 0.9cm 1cm 50％ 0.5cm 0.3cm 0.4cm 0.4cm 0.6cm 2cm 43％ 1.5cm 1.6cm 1.5cm 1.5cm 0.5cm 3cm 36％ 2.6cm 2.5cm 2.4cm 2.5cm 0.5cm 实际停机位置（第一次） 2.0cm 实际停机位置（第二次） 2.0cm 实际停机位置（第三次） 1.8cm 实际停机位置（平均） 1.9cm 误差
1.1cm d) 为更好的进行程序调试，故改进程序如下，加入光电感应器的数据采集：
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e) 运行程序，得到下图：
f) 观测上图，可以发现小车并未在我们设定的控制阈值处停顿。在向前运
动中，停顿位置的实际光强值比预设的大。而在回程中，停顿位置的光强值比我们预设的小，故可以推测由于小车的惯性及电机自身的因素，产生了控制误差。另外，我们可以从图表中读出停顿位置的实际光强值，故可以根据现场情况，调整控制阈值，达到较好的控制效果。
g) 根据现场情况调整控制阈值后的记录表格：
预定停机位置 修改前各位置控制阈值 修改后各位置控制阈值 实际停机位置（第一次） 实际停机位置（第二次） 实际停机位置（第三次） 实际停机位置（平均） 误差 3cm 36％ 33％ 2.9cm 2.8cm 3.0cm 2.9cm 0.1cm 2cm 43％ 37％ 2.2cm 2.1cm 2.1cm 2.1cm -0.1cm 1cm 50％ 44％ 1.1cm 1.0cm 1.1cm 1.1cm -0.1cm 2cm 43％ 42％ 2.1cm 2.0cm 2.1cm 2.1cm -0.1cm 3cm 36％ 35％ 3.0cm 3.1cm 3.0cm 3.0cm 0cm
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h) 调整控制阈值后采集的数据：
i) 根据上图可以发现，小车实际停顿位置的光强值为34，39，47。将这些
数据代入上次实验得出的方程，发现处在这些光强之下的位移都比预计值大，说明上一个实验得出的方程存在误差，把一开始的加速运动简化为匀速直线运动处理所产生的。
6． 注意事项：
光电传感器对环境光较为敏感，故应采用一定的遮光措施，使环境尽量
的暗，增大光强变化范围，提高定位准确度。另外，本实验采用光电传感器的自身光源，最大限度的减少环境光对实验的不利影响。
小车在行进之中，并不能保证轨迹完全与红板垂直，可以采取固定后轮
的方式，强制小车直线运动。
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由于光电传感器的自身光源为红色光，故采用红板反射效果最好。在同
等条件下，白板的反射光强曲线较陡。
由于控制的位移很小，故尽量采用低速档及齿轮减速机构，使速度尽量
的慢。另外一开始摆放的距离也不宜太大，尽量减小惯性，才能得到较为精确的控制。
读取直尺数值时尽量保持以垂直桌面的角度，减小误差。
7． 实验总结：
通过这次实验，我们看到利用光电传感器，可以实现短距离的较为精确的位移控制。但由于受环境光，以及小车的惯性等因素的影响，利用上次实验拟和的位移－光强曲线函数虽然实现不同距离停顿的功能，但与预定值有着较大的误差。故可以考虑现场采集光强值的方式，以上次实验计算出的控制阈值作为初始值，通过多次试验进行校正，最后达到较为理想的位置控制。
另外，从直尺上读取小车的位移值时，从不同的角度读取值不一样，易引入误差。故可以考虑在车轮上直接绘制标尺的方式或改用角度传感器反馈的方式来进行位移值的读取。
注：小车的搭建过程详细请见9797套装手册
附图：小车模型——请参见实验2的附图
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