机器人碰撞检测：碰撞传感器与消抖

开关不是干净的边沿

按下一个杠杆微动开关，金属触点会到达、偏转、分离、再到达——在最初几毫秒里反复好几次，然后才稳定下来。这就是触点抖动，它是机械问题：无论在它前面加多少软件、还是在它后面加多少电容，都没法让那块金属停止运动。

之所以要紧，只是因为读它的东西比金属快得多。一颗 16 MHz 采样的单片机，会把这些跳变每一次都当成真实的边沿。

下图就是设计曲线。边沿数随窗口增长呈阶梯式下降，在抖动结束的那个点降到一，之后保持不变。窗口短了会多数，窗口长了就是白白付出的延迟。

典型的抖动时长，值得亲自量一量而不是照抄：

**常见的“5 ms 就够了”这个建议，只是对表格中间位置的一个猜测。**量一量你自己的：一行代码的事，它把一个迷信变成一个数字。

先接线，这些才有意义

碰撞开关要的是常开触点接地，引脚上拉：

pinMode(BUMP_L, INPUT_PULLUP);   // idle HIGH, LOW when the bumper is pressed

选这种接法而不是另一种，有三个理由：

• **低电平有效，失效时更安全。**断线读到的是高电平，也就是没有按下，所以保险杠的线断了不会让机器人以为自己永远在碰撞。下拉接法的失效方向正相反。
• **内部上拉是免费的。**不需要外接电阻，也不用在一台前端会被反复撞击的机器人上多加零件。
• **噪声被旁路掉，而不是被收集。**一根长的保险杠线就是天线；触点闭合时那条到地的低阻抗路径，才让它不去拾取旁边电机驱动器的噪声。

改用开关的常闭触点，你会得到相反的失效行为——断线看起来像一次永久碰撞。对急停来说这是正确选择，对保险杠来说是错误选择。

消抖：三选一

**接受后忽略。**最省事的一种，对保险杠来说也是正确的做法。立刻接受第一个边沿，然后在窗口期内拒绝再看：

const unsigned long BOUNCE_MS = 6;
unsigned long lastBumpAt = 0;

bool bumped() {
  if (digitalRead(BUMP_L) == HIGH) return false;         // not pressed
  if (millis() - lastBumpAt < BOUNCE_MS) return false;   // still inside the window
  lastBumpAt = millis();
  return true;
}

对那个要紧的边沿零延迟，抖动在它背后被丢弃。你要的就是这种：当反应是停电机时——为求稳妥多等 6 ms，就是多往家具里扎 6 ms。

**等稳定。**Arduino 示例的做法：记住读数上次变化的时间，只有在它保持不变达到整个窗口之后才接受。它付出整个窗口的延迟，而对菜单上的按键来说这是合适的形状——那里误触比反应慢更糟。

**硬件。**触点并一只 100 nF 电容、加上上拉，在 100 kΩ 内部上拉下给出约 10 ms 的 RC——但它产生的边沿很慢，而慢边沿进入数字输入可能在阈值附近来回抖动。走这条路的话，后面要跟一个施密特触发输入。通常不值得为这个多几个零件。

注意这三种做法的共同点：它们都是非阻塞的。边沿之后一个 delay(20) 确实能把抖动消干净，代价是 20 ms 内车什么都读不到；对一台以 0.3 m/s 行进的机器来说，那是 6 mm 的盲走——见用毫秒计时做时序。

中断和抖动是一对坏搭档

给保险杠挂中断看上去理所当然，实际上通常不是。

九次跳变意味着 ISR 会触发九次。如果它递增一个计数器，你现在有九次碰撞；如果它置一个标志位，你有一次，无害。只有处理函数幂等时才用中断——置标志、记时间戳——如果它要计数，就永远别用。

volatile bool bumpFlag = false;
volatile unsigned long bumpAt = 0;

void onBump() {                       // idempotent: nine calls do what one call does
  if (millis() - bumpAt < BOUNCE_MS) return;
  bumpAt = millis();
  bumpFlag = true;
}

在 AVR 上，millis() 在 ISR 内部不会前进，这让它对一次抖动的持续时间是安全的，但对更长的时间就不对了——如果窗口长度要求精确，就用 micros()。

老实说，保险杠很少真的需要中断。200 Hz 的循环在 5 ms 内就能注意到一次碰撞，而车在这段时间里只走了 1.5 mm。直接轮询它，把中断引脚留给那些确实无法轮询的编码器。

搭一个真正好用的保险杠

开关只是容易的那一半。挡在它前面的机构，决定了机器人能不能发现一条斜着撞上来的椅子腿。

• **一个活动外壳，两个开关。**单块前面板架在两个弹性支点上，两侧各有一个开关顶在后面。只有左开关触发，就说明障碍在左边，而这正是避障行为决定往哪边转所需要的信息。
• **把包角转过来。**平的前保险杠会漏掉任何以超过约 30° 撞上来的东西，而擦碰正是大多数碰撞。至少让外壳每一侧各包过 45°。
• **回位靠弹簧，不靠开关。**微动开关自带的弹簧是 50–100 g，推不回去一个外壳。用橡皮筋或轻压簧，开关只负责感知。
• **给它行程和一个硬限位。**在开关动作前留 3–5 mm 行程，并让一个硬限位去吃冲击，而不是让开关本体去吃。开关本体才是会坏的东西。
• **和某种非接触的传感器搭配。**保险杠是最后手段——它报告的是已经发生的碰撞。装在它前面的超声波或飞行时间传感器才躲掉了大多数碰撞；保险杠负责抓住黑色椅腿、玻璃，以及高度不合适的东西。

自己测抖动

// Count transitions in the 20 ms after the first edge. Run it, press the switch,
// read the number. That number is your debounce window, in your robot, with your wiring.
void loop() {
  if (digitalRead(BUMP_L) == HIGH) return;
  unsigned long start = micros();
  int last = LOW, edges = 0;
  while (micros() - start < 20000) {
    int now = digitalRead(BUMP_L);
    if (now != last) { edges++; last = now; lastEdgeAt = micros(); }
  }
  Serial.print(edges); Serial.print(" edges, settled after ");
  Serial.print(lastEdgeAt - start); Serial.println(" us");
  delay(500);
}

把窗口设成你测到的稳定时间，再加大约 50%。开关旧了要重测——触点只会变差，不会变好。

出问题时

至于保险杠在整台机器人里处于什么位置，房间覆盖机器人就建立在两个保险杠之上，别无他物——而覆盖模拟器会精确展示只靠一比特感知时机器人能走多远。