フォトリフレクタの感度をソフトで調整

こんにちは。けりです。
今回は、マイクロマウスに使っているフォトリフレクタのお話です。

フォトリフレクタの感度は悩みの種

僕自身、フォトリフレクタの感度にはかなり悩まされました。

探索で前壁を判定するにはある程度の輝度が必要

マウスを小型化すると、壁からの距離が遠くなります。特に探索走行中の前壁は結構遠く、赤外線LEDを強めに光らせないと届きません。

LEDを強く光らせると問題が発生

光を強くすると、近くで飽和してしまったり、光が散乱して異なる方向からやってきたりします。

また、LEDに大電流を流すと、電源に負担がかかり、様々な部分に影響を及ぼします。

ハーフサイズのマウスではバッテリーの持ち時間にも大きな影響を与えるでしょう。

LEDの明るさを変えるのは大変

一般的な発光回路では、抵抗や定電流回路を使うので、明るさは固定になります。しかも、ハードウェアなので、パラメータチューニングは大変です。

今回考えること

ソフトウェアで赤外線LEDの明るさを調整する方法

ハードウェアは固定でも、ソフトウェアでLEDの明るさを調整できれば、これらの問題を解決することができます。

ソリューション

森永式発光回路を使う

まずはこちらの回路図をご覧ください。

こちらは森永式と呼ばれる発光回路で、電源Vから直接LEDを光らせるのではく、少し大きめのコンデンサに充電して、その電気でLEDを発光させるというものです。

FETがオフのとき、LEDは消灯しコンデンサが充電されます。

FETがオンになると、コンデンサからLEDに一気に電流が流れ、一瞬だけLEDが明るく光ります。

ソフトウェアでの調光

森永式発光方法では、充電時間によりLEDの明るさが決まります。充電時間はソフトウェアで設定できるので、調光可能というわけです。

サンプルコード

こんな感じで充電時間を引数に取る関数で計測すればできます。

delayの部分は適宜タイマー割り込みなどを使用するとよいでしょう。

/** フォトリフレクタのサンプリング関数. 
	@param charge_time_us コンデンサへの充電時間[us]
	@return 測定データ
*/
uint16_t sampling(const int ch, const int charge_time_us = 1000) {
	digitalWrite(tx_pins[ch], LOW);	//< コンデンサへの充電開始
	delayMicroseconds(charge_time_us);	//< 波形がピークになるまで待つ
	digitalWrite(tx_pins[ch], HIGH);	//< 充電終了 & 放電開始
	delayMicroseconds(10);	//< 波形がピークになるまで待つ
	return analogRead(rx_pins[ch]); //< ADC結果を返す
}

まとめ

この発光方法を考えた森永さんはすごいですね。

僕は2つのレンジを用意して、壁検出用と壁制御用に使い分けています。