红外反射传感器阵列

它是什么

红外反射传感器阵列是一排朝地的小红外传感器。每个传感器是红外 LED 往下打光加光敏三极管量弹回多少。深色线在浅地面上反射少——线上的传感器和地面上的读数不一样。整排读下来不只知道在不在线上，还知道线在车底哪。

几乎每台循迹车的眼睛，循迹是极好的第一个项目的原因：传感便宜直观，立竿见影。

工作原理

每通道发射接收一对。红外 LED 打不可见约 940 nm 光；回光越多光敏三极管导通越多。白或浅表面反射强（回波大）；黑线吸收红外（回波小）。两种输出：

• 模拟——每个通道给出一个正比于反射率的连续值。信息更丰富：你能算出线落在两个传感器之间的什么位置，从而得到给 PID 控制器用的平滑误差信号。
• 数字——板上比较器每通道只报有线无线。好读，但粗。

阵列变转向信号靠加权平均看哪几个传感器见线。线偏到左边传感器下，平均左移，这个偏移就是控制环要修的误差。

什么时候用它

机器人要跟高对比路径就用反射阵列——白底黑线或深底白胶带。通道越多，位置分辨率越细，过弯和过缺口也更从容；五通道够学，八通道跑更快或更弯的路线更舒服。

测物体、测距、测离地东西别用它——那是超声或飞行时间的活。

标定与坑

• **一定标定。**环境光、表面、离地高度全改读数。跑之前阵列在线和地面都扫一遍，每通道记最小最大，实时读数归一。不做是循迹这桌好使那桌跪的头号原因。
• **高度要紧。**反射传感器的最佳范围很窄（几毫米）。阵列装得太高，对比度就会塌下来。
• **环境红外就是噪声。**阳光和某些照明会往探测器里灌满红外。给传感器加遮光罩，或者在室内跑以获得一致的表现，并对信号做滤波——见驯服传感器噪声。
• **表面反光骗人。**亮黑胶带错角度反得像白；哑光胶带配哑光地面才可靠。

接到 Arduino

模拟阵列每通道一只 ADC 脚，所以 8 通道阵列配 Uno（六模拟脚）别扭——Nano 八个（A0–A7）正好。

LEDON 脚值得接，虽然大多数项目无视。8 通道阵列发射管一起100–200 mA持续，小电池上占预算显著——还能做环境光相减，见下。

标定：决定成败的代码

这不是可选项，也不是锦上添花的改进。没标定的阵列，是循迹车在厨房餐桌上跑得好、到了比赛场上却失败的头号原因。

const int N = 8;
const int PIN[N] = {A0, A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7};
int lo[N], hi[N];

void calibrate() {
  for (int i = 0; i < N; i++) { lo[i] = 1023; hi[i] = 0; }

  // Sweep the array across the line and the floor for ~3 seconds.
  unsigned long start = millis();
  while (millis() - start < 3000) {
    for (int i = 0; i < N; i++) {
      int v = analogRead(PIN[i]);
      if (v < lo[i]) lo[i] = v;
      if (v > hi[i]) hi[i] = v;
    }
  }
}

// 0 = floor, 1000 = line, per channel, normalised against this run's own extremes.
int normalised(int i) {
  int span = hi[i] - lo[i];
  if (span < 50) return 0;                       // this channel never saw contrast
  return constrain(map(analogRead(PIN[i]), lo[i], hi[i], 0, 1000), 0, 1000);
}

注意 span < 50 这道保护。标定时没扫到的通道——扫描漏掉了它，或者它的发射管已经坏了——否则微小的噪声归一化后会产生巨大的数值，小车就会朝一个根本没在提供信息的传感器猛拐。

八个读数变一个转向数

加权平均是全部诀窍，产出连续位置而不是离散“3 号传感器见了”：

// Returns position in the same units as the weights: 0..7000 for an 8-channel array,
// or -1 if the line is not visible at all.
long linePosition() {
  long weighted = 0, total = 0;
  for (int i = 0; i < N; i++) {
    int v = normalised(i);
    if (v > 100) {                    // ignore channels that are clearly on floor
      weighted += (long)v * i * 1000;
      total    += v;
    }
  }
  if (total == 0) return -1;          // line lost
  return weighted / total;
}

// Error for the control loop: 0 when centred.
long error() {
  long pos = linePosition();
  if (pos < 0) return LAST_ERROR;     // hold the last known direction, do not zero it
  return pos - 3500;                  // centre of an 8-channel array
}

里面两个设计决策比算术重要：

低于阈值的通道无视，地面噪声不拖平均。没有它，八通道各读小非零，线在哪估计都往中间拽。

丢线回上次误差——而不是零——急弯能回来的原因。零是“完美居中”，丢线归零的车全速直行，离刚丢的线而去。保持上次误差车继续往已转的方向转，线就往那边去的。

安装高度，以及为什么决定一切

反射传感器甜点窄。信号两边都掉得快：太高回波弱，太低发射锥没散开照不到接收视场。

两条实践后果。刚性安装——装在柔性支架上的阵列会随小车加速而改变高度，高度一变读数就变，而控制环会把这读成线在移动。装平，因为阵列一旦倾斜，每个通道的有效高度就各不相同，标定也就各不相同，表现出来就是小车在一个方向上跟得好、另一个方向上跟得差。

装轮子前面也重要：越靠前越早见弯，控制器提前量越多。太靠前几何放大误差成振荡。

打赢环境光

阳光里大量 940 nm 红外，到接收管看起来和反射一模一样。室内好使窗边跪的车几乎永远是这个。

发射管能开关，解法彻底，两读数的事：

int ambientSubtracted(int i) {
  digitalWrite(LEDON, LOW);   delayMicroseconds(200);
  int dark = analogRead(PIN[i]);      // ambient only
  digitalWrite(LEDON, HIGH);  delayMicroseconds(200);
  int lit  = analogRead(PIN[i]);      // ambient + our own emitter
  return lit - dark;                  // just our emitter
}

环境里恒定不变的东西会被精确抵消。代价是采样时间翻倍，在快速循迹车上这是实打实的开销——但它把一个不可靠的传感器变成可靠的传感器，商用阵列用的就是这个办法。

没有就给阵列加裙边，只看正下方地面。

故障排查

选哪个阵列

**带控制环的场合，模拟胜过数字。**数字阵列的比较器只给你每个通道有无线，把位置量化成少数几个离散值，平滑的比例转向根本做不到。模拟输出的是连续误差信号，PID 控制器要的正是这个。

通道间距和数量一样重要：阵列要比线宽够多，两边永远至少一传感器在地面上，又不能宽到线卡两传感器之间看不见。标准 19 mm 电工胶带，8 mm 间距好。

线迷宫机器人还多一条要求：阵列必须宽到能看见路口。小车是靠最外侧的左端传感器变黑、而中间还压在线上，来判断出现了左转——如果阵列只比胶带宽一点点，这根本做不到。