机器人传感器论文.doc

机器人概论 姓名：张波 班级：60961P 学号：34机器人传感器机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。 根据传感器的作用分，一般传感器分为：内部传感器：主要测量机器人内部系统，比如温度，电机速度，电机载荷，电池电压等。外部传感器：用来检测机器人所处环境（如是什么物体，离物体的距离有多远等）及状况（如抓取的物体是否滑落）的传感器。具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器，听觉传感器等。具体有：（1）明暗觉检测内容：是否有光，亮度多少应用目的：判断有无对象，并得到定量结果传感器件：光敏管、光电断续器（2）色觉检测内容：对象的色彩及浓度应用目的：利用颜色识别对象的场合传感器件：彩色摄像机、滤波器、彩色CCD（3）位置觉检测内容：物体的位置、角度、距离应用目的：物体空间位置、判断物体移动传感器件：光敏阵列、CCD等（4）形状觉检测内容：物体的外形应用目的：提取物体轮廓及固有特征，识别物体传感器件：光敏阵列、CCD等（5）接触觉检测内容：与对象是否接触，接触的位置应用目的：确定对象位置，识别对象形态，控制速度，安全保障，异常停止，寻径传感器件：光电传感器、微动开关、薄膜特点、压敏高分子材料（6）压觉检测内容：对物体的压力、握力、压力分布应用目的：控制握力，识别握持物，测量物体弹性传感器件：压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料（7）力觉检测内容：机器人有关部件（如手指）所受外力及转矩应用目的：控制手腕移动，伺服控制，正解完成作业传感器件：应变片、导电橡胶（8）接近觉检测内容：对象物是否接近，接近距离，对象面的倾斜应用目的：控制位置，寻径，安全保障，异常停止传感器件：光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器（9）滑觉检测内容：垂直握持面方向物体的位移，重力引起的变形应用目的：修正握力，防止打滑，判断物体重量及表面状态传感器件：球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器 根据传感器的运行方式，可以分为：被动式传感器：传感器本身不发出能量，比如CCD，CMOS摄像头传感器，靠捕获外界光线来获得信息。主动式传感器：传感器会发出探测信号。比如超声波，红外，激光。但是此类传感器的反射信号会受到很多物质的影响，从而影响准确的信号获得。同时，信号还狠容易受到干扰，比如相邻两个机器人都发出超声波，这些信号就会产生干扰。传感器一般有以下几个指标：动态范围：是指传感器能检测的范围。比如电流传感器能够测量1mA20A的电流，那么这个传感器的测量范围就是 10log（20/0.001)=43dB. 如果传感器的输入超出了传感器的测量范围，那么传感器就不会显示正确的测量值了。比如超声波传感器对近距离的物体无法测量。分辨率：分辨率是指传感器能测量的最小差异。比如电流传感器，它的分辨率可能是5mA，也就是说小于5mA的电流差异，它没法检测出。当然越高分辨率的传感器价格就越贵。线性度：这是一个非常重要的指标来衡量传感器输入和输出的关系。频率：是指传感器的采样速度。比如一个超声波传感器的采样速度为20HZ，也就是说每秒钟能扫描20次。下面介绍一下常用的传感器：编码器：主要用于测量电机的旋转角度和速度。任何用电机的地方，都可以用编码器来作为传感器来获得电机的输出。光电编码器的原理电子罗盘：可以检测机器人与地球南北极之间的角度，从而获得机器人的朝向。但是精度很低。而且任何磁性物体都会造成罗盘失灵，比如扬声器。所以要配合其它传感器，比如编码器一起使用才能获得比较好的定位效果。主要有hall-effect和flux-gate两种：Hall-Effect 原理的电子罗盘Flux-gate 原理的电子罗盘陀螺仪：又分机械陀螺仪和光电陀螺仪。可以检测绝对朝向。但是目前价格过高，只在飞机上采用。目前最好的光电陀螺仪能提供100KHz的采样频率，同时提供0.0001degress/hr的分辨率。但是价格也是同样昂贵。GPS系统：这个相比不需要太多的解释。GPS系统分为标准GPS和差分GPS系统。标准GPS系统能提供 15m的误差定位，而差分GPS系统能提供高达1m内误差的定位。如果再考虑相位差信号的话，最新的GPS设备能提供精确到10cm的定位坐标。怪不得美 国人现在的导弹精确度如此之高。超声波传感器：超声波传感器是基于TOF原理。首先发射一组声波脉冲信号，然后一个积分器就开始计算发射时间。 一个返回信号阀值接着就会被设定来接受回波信号，这个阀值会随着时间的增加而减小，因为回波会随着距离的增加而发散，从而强度变小。但是在刚发射信号的时 候，返回信号的阀值会被设定的很高以防止发射波直接触发接受器，但是这样造成一个问题，就是如果检测的距离很短，在阀值没有下降之前，返回信号已经到达接 收器，这时，接收器会认为这个返回信号是刚发出的信号，从而拒绝接受。超声波传感器就会有一个探测盲区，没法这样对近距离物体探测。一般超声波探测器的频 率为40Hz，探测范围为12cm5m，精度为98%-99.1%,分辨率为2cm。同时超声波是一个2040度角的面探测，所以可以使用若干个超 声波组成一个超声波阵列来获得180度甚至360的探测范围。 超声波还有其它几个缺点，比如交叉感应，扫描频率低，尤其是使用超声波阵列的时候，还有回波衰减，折射等问题。不过对于移动机器人来说，超声波还是目前最 廉价和有效的传感器。TOF（time of flight):TOF 原理就是 距离速度时间，比如声波传输速度是0.3m/ms,如果3m的距离，需要10ms才能到达。然后通过计算这个返回的时间差来确定距离。但是如果是光速 的话，光速是0.3m/ns，同样3m的距离，光只要10ns就到了。这就对检测元件提出了非常高的要求。这也是激光传感器价格居高不下的原因。TOF 原理 激光传感器：原理就是一个旋转得反射镜，将激光光束或者超声波按一定间隔反射出去，然后根据旋转得角度和时间差来得到不同角度得距离值。是用很典型得TOF原理。 不过对于激光传感器而言，有3种检测方式： 1）使用脉冲激光，按一定间隔发射激光，然后计算返回时间。这种方法和超声波一样，但是激光速度太快，所以对检测元件要求太高，一般LaserScanner不用这种方式。 2）使用不同频率得激光，按照一点顺序，发射不同频率得激光，通过检测返回光束得频率来得到距离。 3）相位差。多数激光传感器用得是这种方法。通过检测发射激光和反射激光得相位差来得到距离。 红外传感器：是利用三角测量法。三角测量法（Triangulation-based):就是把发射器和接受器按照一定距离安装，然后与被探测的点形成一个三角形的三个顶点，由于 发射器和接收器的距离已知，发射角度已知，反射角度也可以被检测到。因此检测点到发射器的距离就可以求出。假设发射角度是90度的情况，D=f(L/x) L=发射器和接收器的距离x接受波的偏移距离f（）是函数。由此可见，D是由1/x决定的，所以用这个测量法可以测得距离非常近的物体，目前最精确可以到1um的分辨率。但是由于D同时也是L的函数，要增加测量距离就必须增大L值。所以不能探测远距离物体。但是如果将红外传感器和超声波传感器同时应用于机器人，就能提供全范围的探测范围了，超声波传感器的盲区正好可以由红外传感器来弥补。多普勒效应传感器：主要用于探测移动物体的速度。目前战斗机上用的雷达就是基于这个原理的。主要用于躲避快速移动障埃物。多普勒原理（Doppler)：假设发射器以频率ft发射波，接收器以频率fr接受波，发射器和接收器之间的相对速度为v。如果发射器在移动，则fr=ft