アストロボーイへの道　      　astro1

５．フォト測距センサ

　超音波測距センサの実験結果の所で述べたように、超音波測距センサでは壁が30度傾くと、障害物として認識できない。使用している超音波 の周波数が40KHzのため空気中の波長は約1cmであり、分解能が波長と同程度になると共に、波長以下の凹凸しかない平坦な壁では乱反射が起きず、壁に 反射した超音波はスネルの反射の法則に従った方向に進んでしまって反射波が戻って来ないためと考えられる。
　そこで、超音波より遥かに波長が短くて、傾いた壁の検出が期待できるフォト測距センサを併用することにした。
（１）フォト測距センサモジュールの外観

　Amazonで中国製の非常に安価なフォト測距センサモジュール（単価 123円）を見付けたので、それを使用する。
　赤外線を使用、電源電圧5Vで動作、2〜30cmの検出範囲（基板上のボリュームで設定）、検出角35度の仕様。
　赤外線を使ったシステムでは外乱となる可視光の影響を防ぐため、何らかの光学的なフィルタを受光側に入れるのが普通である。ここでは、黒色プラスチックのケースでフィルタを代用しており、手前の透明な物が発光素子、奥の黒い物が受光素子と考えられる。


           図１．フォト測距センサモジュール外観


（２）回路図

　Amazonのweb上に掲載されていた回路図を図２に示す。
　常時発光している赤外線LEDから前方に照射し、障害物からの反射光をフォトトランジスタで受ける構造。赤外線LED、フォトトランジスタとも型名は不明だが、低価格な 800 nmから900 nmの近赤外波長帯の物と推定する。従って、超音波より波長は３桁短くなる。
　コンパレータLM393でフォトトランジスタ出力と可変抵抗VR1で作った基準電圧と比較してCON3の3ピン（IO信号：基板上では"OUT"表示）に出力する。
　LM393はFairchild製の8ピンSOPのバイポー ラ Dual Differential Comparator で出力はオープンコレクタ。基板上で10KΩ抵抗及び橙色LEDでプルアップされている。障害物から反射光が戻って来て、フォトトランジスタの受光量が多 くなるとコンパレータ出力がLOWレベルになって、障害物を検出する。コンパレータ出力にノイズ取り用の0.1μFコンデンサが付いている。10kΩのコ レクタ抵抗を考慮すると時定数は 1s となり、障害物検出の時間的応答性は余り良くないので注意が必要。
　単純に受光量の強弱を監視しているだけなので、ボリュームを回して基準電圧を下げ、遠方の障害物を検出すべく感度を上げ過ぎると、太陽光などの外乱を受け易く なる。また、ガラスなどの透明な物、黒い物、小物体など反射光の少ない障害物の検出は難しい。余り感度は上げずに、超音波センサを補助する形で使用するし かなさそう。


　　　　　                   図２．回路図


（３）プログラム

　フォト測距センサの実験で使用したArduinoプログラムを図３に示す。
　Arduinoへの入力ピンとして、アナログ５ピンをアサインした。デジタル入出力ピンを全て使い果たしたためで、Arduinoではアナログピンもデジタル入出力ピンとして使用することができる。
　void loop() では、フォト測距センサ出力を１秒毎にUSBシリアルに出力して、PCモニターに表示するようにした。



                         図３．フォト測距センサのプログラム


（４）実験

　円筒（白色φ30mm）と平面（白色A4サイズ）を使って、検出限界角と斜平面への検出感度を求めた結果を図４に示す。ボリュームはデフォルトの状態とした。

　青い線は、円筒を前方の光軸に対して -60度から +60度の角度で配置した時に障害物として検出する限界距離をプロットしたもの。光軸上に円筒がある場合の検出限界距離10.5 cmに対し、距離が半減するのは 20度の所である。使用されているLED及びフォトトランジスタの型名は明らかにされていないが、一般的な防滴構造のLEDの放射特性は30度前後な ので、この結果は妥当と考える。超音波距測センサが 30度だったので、検出範囲は少し狭くなった。

　赤い線は、平面を光軸に垂直に配置した場合を 0度として、光軸に対して -60度から +60度の角度で傾けた時の検出限界距離をプロットしたもの。平行光を平面に照射した場合の平面の照度は、傾きをθとするとcosθで減衰するから、30 度で0.87、45度で0.71、60度で0.5となる。それに対して図４の赤い線は多めに減衰している。照射したのが平行光ではなく、また照度ではなく て、拡散して距離の２乗で減衰する反射光の強度を観測しているのがその理由ではないか。いずれにしても、光軸に垂直の場合の検出限界距離 13.5cm に対し、60度傾けても検出限界距離は4から5cmあり、30度で全く検出しなくなった超音波距測センサに比べて有利である。

　今回の実験には反射率の高い白色の円筒と平面を使用したが、現実の障害物は茶や黒など反射率が低い物が多い。その場合、検出限界距離は更に低下するので、フォト測距センサへの依存を高くするのは危険であり、超音波測距センサの補助手段とするのが適当である。
　


                   図４．検出限界角及び斜平面への検出限界



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