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．