WS04G/R/W

反射光センサ … WS04G, WS04R, WS04W

ロボカップジュニア・レスキューチャレンジでライントレースに使う反射光センサや、サッカーチャレンジで白線検出に使う反射光センサは、反射物まで1cm以内の近距離用の物が多くありますが、応用を広げるために、より離れた物体にも使えるアナログ電圧出力の反射光センサを開発しました。

WS04G

WS04Gは緑発光

◆改良のため基板や部品の形状が変わることがあります

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WS04R
WS04W

WS04Rは赤発光
WS04Wは白発光

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WS04Gは、1～10cm程度離れた物体の反射光の強さを調べるセンサです。機能的にはWS01Rと同じです。応用例の写真・動画はWS01Rを見てください。
WS04R,WS04Wは、照射を広角度にし、1～5cm程度離れた物体の反射光の強さを調べるセンサです。
サッカーチャレンジの白線検出に用途をしぼった出力時間延長型デジタル出力の反射光センサWS04M,WS04Eはこちら。

特徴

サッカーチャレンジで使われるパルス光ボールと同じように、光に変調をかけているので外光や照明の影響を受けにくい。
より遠い物体を検出するための増灯信号や2個以上で使用するための同期機能も利用できる。
電源は、
WS04G,WS04Wは4.2V∼5.0V
WS04Rは3.3V∼5.0V
電源の最大定格は 5.25V
パルス発光のため、消費電流は15mA以下の低消費電流で、電源の負担が少ない。
寸法: 55mm×27mm 高さ約12mm

WS04GのLEDは緑色、光が遠くまでとどくように集光型です。
ライントレースやサッカーの黒線検出に使います。

なぜ緑色?
受光に使っているフォトトランジスタの分光特性(色の違いによる感度の違い) は人間の目の特性に近くできています。最も感度が高いのが黄緑色の波長です。感度を高めるためにそれに近い色の発光にしています。

WS04RのLEDは赤色、光が広い範囲にとどくように散光型です。

なぜ赤色?
サッカーチャレンジで、床に引かれた白線を調べることを目的にしています。

床はルールで緑色とされています。緑色は人間の目で判断します。人間の目は光の3原色である赤,緑,青を感じて、この3原色の混ざる割合で色を感じます。白い物は、赤,緑,青をどれもよく反射します。緑色の物は、緑の光だけをよく反射し、その他の色を吸収するから緑色に見えます。赤を使うと、白は赤をよく反射し、緑は赤を吸収するので、緑と白の違いがわかります。

WS04Wの光源LEDは白色です。

図の左はふつうの照明や白色光で見たレスキューチャレンジの交差点です。緑や赤の光源での反射光は中,右のようになります。緑の光源では緑色は白に近い反射に、赤の光源では緑色は黒に近い反射になります。光源色を使い分けると緑マーカーを見たり見なくしたりできます。

外形

WS04G完成品
WS04Gキット

完成品は光が基板横方向に出ます。
キットは、横,上,下から受発光部品の取り付け方向を選べます。
WS04R外形図

WS04W完成品
WS04Rキット

完成品は光が基板上方向に出ます。
キットは、横,上,下から受発光部品の取り付け方向を選べます。

端子P1,P2は、組み込み方に合わせて、電線をはんだづけするか、取り付け場所に合う 2.5mmまたは2.54mmピッチのコネクタを付けてください。コネクタは製品に含みません。

自分ではんだづけする場合の受発光素子の取り付け例です。
写真左から、上向き、横向き、下向き。
基板裏側に付ける場合は、LEDから受光素子に直接光が入らないよう壁を付ける方がいいでしょう。

回路

◆改良のため回路が変わることがあります
光源のLEDが発する光を600Hzで点滅させます。
受光器S1可視光フォトトランジスタは、反射して来る光の強さを電流に変換します。この信号には600Hzの反射光の他に外光の電流も含まれます。
これを600Hzバンドパスフィルタ(BPF)に通すと、反射光の信号だけが得られます。 BPFは周波数600Hz付近の信号だけ通す回路です。
これを整流、平滑して直流に変換し電圧信号で出力します。

使い方

通常はJ1を開放(つながない状態)で使います。
P1に電源,信号を接続します。
半固定抵抗V2で受光感度を調整します。
半固定抵抗V1でLEDの電流を増減します。

増灯信号の使い方

WS04G,WS04R,WS04WのLEDは目ではわかりませんが600Hzで点滅しています。
LEDの光量を増やして遠くまで光が届くようにするために増灯信号をP2から出力しています。
LEDを増設して、増灯信号を増幅した電流で点灯させます。回路例を示します。この増灯回路付きのセンサ基板がWS08Fです。

同期機能の使い方

WS04G,WS04R,WS04Wを2個以上使い、光を当てる範囲が重なるときには、それぞれの発光期間を同時にしないと他の光の影響で正しく働きません。
この場合、ひとつを親モードとして、他を子モードに設定してP2どうしを接続します。これで親から送った信号に同期して子が動くため、光を当てる範囲が重なっても正しく働きます。子モードに設定するにはJ1を短絡します。

改造応用例

WS05を使い、発光受光素子を引き出し配線しました。
こうすると、せまい場所でも付けられます。

引き出したLEDの光を離れた場所から受光素子に当てます。
こうすると、間に光を通さない物体が通れば検知します。これをフォトインタラプタといいます。

実験

サッカーフィールドの黒線をどの程度検出できるか調べました。白線とは違い、緑床上の黒線検出は緑色光が適しています。
緑色発光の反射光センサWS04Gを付けたロボットを走行させ、黒線を横切るときの出力値を測定します。

国内大会でよく使われるこの床材は、黒に近い緑色でセンサの感度を高く調整することにより反射光が拾えます。さらに黒線の材質と表面の状態による違いもあります。発光受光素子の高さや角度を調整することにより違いがわかるようにできます。
黒線を識別するには光の入射角反射角を考えることがたいせつです。この色のじゅうたんでは緑と黒の差が小さいので実際に使うフィールドで毎回調整する方がよいでしょう。

	黒の油性インクで線を引いたものです。
	測定結果です。左から右に時間、縦軸が出力値で下が0% 上が100% 黒線の場所で値に変化があり、検出していることがわかります。
	黒のビニールテープです。表面はつやがあり動画でもLEDの光が映り込むのがわかります。この鏡面反射光を避けるくふうが必要です。鏡面反射を拾うと、かえって黒テープの方が値が大きくなります。
	測定結果です。これも黒線の場所で値に変化があり、検出していることがわかります。
	紙でできた黒色のマスキングテープです。表面は良いつや消しになっています。
	測定結果です。これも黒線の場所で値に変化があり、検出していることがわかります。

指導者様へ

ロボットを使う技術教育の中で、電子回路や電子工作の教材にご利用ください。

発光素子、受光素子が基板上にあり、信号を観測できます。パルス発光させていますので、オシロスコープが適しています。最近低価格で手に入る低速のオシロでも十分観測できます。
LEDにかかる電圧を見たり、受光電圧を見て、反射があるときとないとき、懐中電灯などの光を当てた時の振る舞いを観測すれば回路の理解が深まります。

適度な部品点数ですので、はんだづけを含む基板製作の材料にも適します。しかも実用的です。

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	黒の油性インクで線を引いたものです。
	測定結果です。左から右に時間、縦軸が出力値で下が0% 上が100% 黒線の場所で値に変化があり、検出していることがわかります。
	黒のビニールテープです。表面はつやがあり動画でもLEDの光が映り込むのがわかります。この鏡面反射光を避けるくふうが必要です。鏡面反射を拾うと、かえって黒テープの方が値が大きくなります。
	測定結果です。これも黒線の場所で値に変化があり、検出していることがわかります。
	紙でできた黒色のマスキングテープです。表面は良いつや消しになっています。
	測定結果です。これも黒線の場所で値に変化があり、検出していることがわかります。