机器人控制理论与技术3

1、机器人控制理论与技术机器人控制理论与技术（3）2超声距离传感器及其组成结构超声距离传感器及其组成结构3超声波传感器性能指标超声波传感器性能指标n工作范围：工作范围：15.24cm10.6mn波束角：波束角：15n工作频率：工作频率：49.4kHzn重量：重量：8.2克克n使用温度：使用温度：-3070Cn特点：使用方便，功耗较小。特点：使用方便，功耗较小。4声波能量分布声波能量分布5超声距离传感器电路图超声距离传感器电路图6超声距离传感器对外接口超声距离传感器对外接口nPin 1 - Power Supply nPin 2 - GNDnPin 3 - Echo Output nPin 4 -

2、OSC OutputnPin 5 - INIT InputnPin 6 - BINH Input nPin 7 - BLNK Input. nProgrammable Jumper7超声距离传感器主要芯片超声距离传感器主要芯片 TL852 TL8518TL852工作原理图工作原理图9TL852工作时序图工作时序图10超声距离传感器工作时序图（一）超声距离传感器工作时序图（一）11超声距离传感器工作时序图（二）超声距离传感器工作时序图（二）12主动红外距离传感器（一）主动红外距离传感器（一）n主动红外距离传感器是由主动红外距离传感器是由红外发射红外发射和和接收接收器器组成，发射机是由电源、发光源

3、和光学组成，发射机是由电源、发光源和光学系统组成，接收机是由光学系统、光电传系统组成，接收机是由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。感器、放大器、信号处理器等部分组成。n发射机中的红外发光二极管在电源的激发发射机中的红外发光二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束，经过下，发出一束经过调制的红外光束，经过光学系统的作用变成平行光发射出去。此光学系统的作用变成平行光发射出去。此光束被障碍物反射后由接收机接收，接收光束被障碍物反射后由接收机接收，接收机中的红外光电传感器把光信号转换成电机中的红外光电传感器把光信号转换成电信号，经过电路处理后，输出。信号，经过电路处理后，输出

4、。13红外红外PSD传感器测距原理（一）传感器测距原理（一）14红外红外PSD传感器测距原理（一）传感器测距原理（一）15红外红外PSD传感器测距原理（二）传感器测距原理（二）16红外红外PSD传感器外观及装配图传感器外观及装配图17GP2D12组成结构图组成结构图18GP2D12距离传感器性能指标距离传感器性能指标19GP2D12使用电路图使用电路图20GP2D12传感器检测结果图传感器检测结果图21数据拟合方法数据拟合方法插值法插值法n首先通过预先的测量得到一系列的输入输首先通过预先的测量得到一系列的输入输出对应值：出对应值：n然后在实际测量时，得到一个输出值。然后在实际测量时，得到一个输

5、出值。n在上述对应值之间查找该值位于上述一系在上述对应值之间查找该值位于上述一系列中的位置列中的位置n最后使用公式计算传感器的输入：最后使用公式计算传感器的输入：22插值法示例插值法示例距离（距离（cm）电压（电压（V）102.5151.8201.4251.1300.95350.8400.75450.65500.6550.55600.52650.5700.48750.45800.4n新测输出为：新测输出为：1.5V1.5V；n查表可知：该值位于查表可知：该值位于1.41.4 1.8V1.8V之间；之间；n故利用上页公式：故利用上页公式：n可得：可得：20 1520(1.5 1.4)1.4 1.

6、8D18.75Dcm23SHARP红外距离传感器选型指南红外距离传感器选型指南24激光测距传感器激光测距传感器25激光测距传感器的工作原理（一）激光测距传感器的工作原理（一）26激光测距传感器的工作原理（二）激光测距传感器的工作原理（二）nD表示传感器与障碍物之间的距离表示传感器与障碍物之间的距离;nc表示光的传播速度表示光的传播速度;nt表示接收器接收到的两次光时刻的时间差表示接收器接收到的两次光时刻的时间差;27激光测距传感器的工作原理（三）激光测距传感器的工作原理（三）28激光测距所得结果激光测距所得结果29常用激光传感器介绍常用激光传感器介绍n目前在工业、机器人、安全防护等领域最常用的

7、目前在工业、机器人、安全防护等领域最常用的传感器是德国传感器是德国Sick公司生产的公司生产的LMS-200。30LMS 200检测范围检测范围31LMS200传感器结果图传感器结果图32三种距离传感器对比三种距离传感器对比超声传感器超声传感器 激光传感器激光传感器 红外传感器红外传感器类型类型主动型外感受传感器主动型外感受传感器测距范围测距范围0.810m80m0.10.8m价格高低价格高低较高较高很高很高较低较低输出方式输出方式脉冲信号脉冲信号RS232模拟电压模拟电压工作温度工作温度-3070C-2050C-1060C重量重量8.2g1.4kg3g功耗功耗较低较低高高低低33GPS系统简

8、介系统简介n导航星全球定位系统导航星全球定位系统Navstar Global Positioning Systemn 可在全球范围内，全天候为海上、陆上、可在全球范围内，全天候为海上、陆上、空中、空间的用户连续地提供高精度的位空中、空间的用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息，并且有良好的抗干置、速度和时间信息，并且有良好的抗干扰和保密性能，对导航定位、大地测量，扰和保密性能，对导航定位、大地测量，以及精密授时等均具有重要意义。以及精密授时等均具有重要意义。 34GPS应用领域应用领域导航、授时、高精度测量导航、授时、高精度测量35GPS系统的组成系统的组成n该系统由该系统由地面支持网地面

9、支持网、空中卫星群和用户空中卫星群和用户设备设备三个子系统组成。三个子系统组成。36GPS系统的组成系统的组成地面支持网地面支持网nGPSGPS系统的地面支持网由五个监测站、一个系统的地面支持网由五个监测站、一个主控站和三个注入站组成。主控站和三个注入站组成。37GPS系统的组成系统的组成空中卫星群空中卫星群nGPS系统空中卫星群由系统空中卫星群由21颗工作卫星和颗工作卫星和3颗备用卫颗备用卫星组成。星组成。38GSP系统的组成系统的组成空中卫星群空中卫星群n卫星在高约卫星在高约20183km的近的近圆轨道上运行，周期约圆轨道上运行，周期约12h。n卫星姿态采用三轴稳定方卫星姿态采用三轴稳定方

10、式，保证卫星上天线的辐式，保证卫星上天线的辐射口总是对准地面。射口总是对准地面。39GPS系统的组成系统的组成用户设备用户设备n包括包括GPS接收机及其天线，并包括内部配接收机及其天线，并包括内部配套的或外部选装的控制显示设备。接收机套的或外部选装的控制显示设备。接收机和天线是用户设备的核心部分。它的主要和天线是用户设备的核心部分。它的主要功能是接收功能是接收GPS系统的卫星信号并进行处系统的卫星信号并进行处理、量测和数据输入。理、量测和数据输入。40机器人用机器人用GPS模块模块-GPS25LVSn尺寸：尺寸：46.48*69.85*11.43mmn重量：重量：38gn输入电压：输入电压：3

11、.66Vn接收通道：接收通道：12n定位精度：定位精度：15mn速度精度：速度精度：0.2m/sn工作温度：工作温度：-308041GPS25LVS外部接口外部接口nTXD2：串口：串口2输出输出nRXD2：串口：串口2输入输入nPPS：秒脉冲：秒脉冲nTXD1：串口：串口1输出输出nRXD1：串口：串口1输入输入nPWR_DN：外部关机：外部关机nVAUX：备用电源：备用电源nGND：电源地和信号地：电源地和信号地nVIN：与：与10脚相接脚相接nVIN：输入电压：输入电压3.66VnNC：留待扩展：留待扩展nNMEA：输出与：输出与4脚相同脚相同42GPS25LVS输出数据输出数据n串口串

12、口1NMEA0183 2.0版本的版本的ASCII语句，包括：语句，包括：NMEA标准语句：标准语句：GPALM，GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG； GARMIN定义语句：定义语句：PGRME，PGRMF，PGRMT，PGRMV，LVGLL，LCVTG；n串口串口2包括包括GPS载波相位数据的二进制数据；载波相位数据的二进制数据；43GPS25LVS串口串口1输出数据示例输出数据示例n$GPGGA,121252.000,3937.3032,N,11611.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,0000*77 n$GPRMC,121252.000,

13、A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,A*54n$GPVTG,359.95,T,M,15.15,N,28.0,K,A*04n$GPGSA,A,3,14,15,05,22,18,26,2.1,1.2,1.7*3Dn$GPGSV,3,1,10,18,84,067,23,09,67,067,27,22,49,312,28,15,47,231,30*7044GPSRMC推荐定位信息推荐定位信息n$GPRMC，UTC时间（时间（hhmmss），定位），定位状态，纬度，纬度半球，经度，经度半球，状态，纬度，纬度半球，经度，经度半球，地面速率，地面航向

14、，地面速率，地面航向，UTC日期日期（ddmmyy），磁偏角，磁偏角方向，模），磁偏角，磁偏角方向，模式指示式指示*hhn$GPRMC，121252.000，A，3958.3032，N，11629.6046，E，15.15，359.95，070306，A*5445GLONASS系统系统nGlonass是前苏联于是前苏联于1982年年宣布发展并发宣布发展并发射首颗试验卫星开始建立，直至射首颗试验卫星开始建立，直至1996年初年初达到了达到了24颗卫星在轨的满星座运行。其星颗卫星在轨的满星座运行。其星座方案与座方案与GPS相仿，为相仿，为24颗中高度轨道颗中高度轨道（MEO）卫星，采用）卫星，采用

15、19100公里高度的三公里高度的三个等间隔轨道，轨道倾角个等间隔轨道，轨道倾角64.8。n由于倾角较大，对高纬度地区的信号覆盖由于倾角较大，对高纬度地区的信号覆盖较好。每个轨道上平均分布较好。每个轨道上平均分布8颗卫星。卫星颗卫星。卫星绕地球旋转周期约绕地球旋转周期约11小时小时15分钟。分钟。46Galileo计划计划n欧洲联盟委员会于欧洲联盟委员会于1999年公布的年公布的Galileo计计划，意欲靠欧洲力量建立一个和划，意欲靠欧洲力量建立一个和GPS相仿相仿的，可以和的，可以和GPS兼容，但独立自主的民用兼容，但独立自主的民用全球导航卫星系统，于全球导航卫星系统，于2002年年3月决策上

16、马。月决策上马。n由由30颗中高度轨道（颗中高度轨道（MEO）卫星组成，采）卫星组成，采用用23100公里高度上的三个等间隔轨道，轨公里高度上的三个等间隔轨道，轨道倾角道倾角56，每个轨道上均匀分布，每个轨道上均匀分布9颗工作颗工作卫星，另有一颗在轨备用卫星。卫星，另有一颗在轨备用卫星。47北斗卫星导航实验系统北斗卫星导航实验系统n我国自行研制开发的区域性有源三维卫星我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（定位与通信系统（CNSS）。）。n第一代北斗系统由三颗（两颗工作卫星、第一代北斗系统由三颗（两颗工作卫星、一颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一一颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）

17、、地面控制中心为主的地面部份、北号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。斗用户终端三部分组成。48北斗卫星导航实验系统工作原理北斗卫星导航实验系统工作原理n基本工作原理是基本工作原理是“双星定位双星定位”n以以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这个球面，用户终端将位于这2个球面交线的个球面交线的圆弧上。圆弧上。n地面中心站配有电子高程地图，提供一个地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为以地心为球心、以球心至地球表

18、面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。与地球表面的交点即可获得用户的位置。49北斗导航系统发展历程北斗导航系统发展历程n两颗工作卫星在两颗工作卫星在20002000年年1010月月3131日日0 0时时0202分和分和20002000年年1212月月2121日日0 0时时2020分在西昌卫星发射中分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。心发射升空，并准确进入预定轨道。n备份卫星于备份卫星于20032003年年5 5月月2525日发射升空，并准日发射升空，并准确进入预定轨道。确进入预定轨道。n2003年年6月

19、月1日，我国自主研发的日，我国自主研发的“北斗运北斗运营服务平台营服务平台”正式开通。标志着我国已经正式开通。标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统，北斗导拥有了完全自主的卫星导航系统，北斗导航定位系统的大规模应用进入了实质性阶航定位系统的大规模应用进入了实质性阶段。段。502 2颗地球同步卫星颗地球同步卫星卫星距离地面高度：卫星距离地面高度：36000km36000km两颗工作卫星：赤经两颗工作卫星：赤经80E80E和和140E140E，备用卫星：赤经备用卫星：赤经110.5E110.5E，覆盖范围：东经覆盖范围：东经70140 北纬北纬555。第一代北斗导航系统特点：第一代北斗导航系统

20、特点：51北斗一代导航卫星北斗一代导航卫星52北斗北斗卫星导航实验卫星导航实验系统三大功能系统三大功能n快速定位快速定位：北斗导航系统可为服务区域内：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务。服务。n简短通信简短通信：北斗系统用户终端具有双向数：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可以一次传送超过字报文通信能力，可以一次传送超过100100个个汉字的信息。汉字的信息。n精密授时精密授时：北斗导航系统具有单向和双向：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能。可提供数十纳秒级的时间两种授时功能。可提供数十纳秒级的时间同步精度。同步精

21、度。53北斗应用五大优势北斗应用五大优势n同时具备定位与通讯功能，无需其他通讯系统支同时具备定位与通讯功能，无需其他通讯系统支持；持；n覆盖中国及周边国家和地区，覆盖中国及周边国家和地区，2424小时全天候服务，小时全天候服务，无通讯盲区；无通讯盲区；n特别适合集团用户大范围监控与管理和数据采集特别适合集团用户大范围监控与管理和数据采集用户数据传输应用；用户数据传输应用；n融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，提供更丰富的增值服务；提供更丰富的增值服务；n自主系统、高强度加密设计，安全、可靠、稳定，自主系统、高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适

22、合关键部门应用；适合关键部门应用；54北斗导航系统与北斗导航系统与GPS系统的差别系统的差别n覆盖范围覆盖范围n卫星数量和轨道特性卫星数量和轨道特性n定位原理定位原理n定位精度定位精度n用户容量用户容量n生存能力生存能力n实时性实时性55北斗二代导航系统（北斗二代导航系统（COMPASS）n该系统由该系统由5颗静止卫星和两个移动卫星网络颗静止卫星和两个移动卫星网络构成构成n工作区域：全球工作区域：全球 n卫星网络：卫星网络： 中轨卫星网络，中轨卫星网络，27颗卫星平均分布在倾角颗卫星平均分布在倾角55度度的三个平面上，轨道高度的三个平面上，轨道高度21500公里公里 高轨卫星网络，高轨卫星网络

23、，3颗颗IGSO轨道卫星，轨道高度轨道卫星，轨道高度36000KM； 静止卫星网络，由静止卫星网络，由5颗星组成，其中轨位分别颗星组成，其中轨位分别是：是：58.75E；80E；110.5E；140E ；160E 。5657北斗卫星导航实验系统覆盖的地区北斗卫星导航实验系统覆盖的地区 58双目立体视觉简介双目立体视觉简介n当人类利用眼睛观察外界物体时，除了能当人类利用眼睛观察外界物体时，除了能够知道物体的大小、形状、亮暗以及表面够知道物体的大小、形状、亮暗以及表面颜色以外，还能够产生远近的感觉。这种颜色以外，还能够产生远近的感觉。这种远近的感觉称为空间深度感觉。远近的感觉称为空间深度感觉。n为

24、了获得类似于人类的这种感觉，我们为为了获得类似于人类的这种感觉，我们为机器人设计了多种多样的视觉系统！机器人设计了多种多样的视觉系统！59典型的双目视觉图像典型的双目视觉图像60问题问题n单眼观察能否判断物体的远近？单眼观察能否判断物体的远近？61问题问题n单眼观察能否判断物体的远近？单眼观察能否判断物体的远近？n可以可以！单眼深度感觉的来源有以下几种：！单眼深度感觉的来源有以下几种：第一，当物体的高度已知时，根据它所对应的第一，当物体的高度已知时，根据它所对应的视角大小来判断它的远近。视角大小来判断它的远近。第二，根据物体之间的遮蔽关系和日光的阴影第二，根据物体之间的遮蔽关系和日光的阴影也能

25、判断物体之间的相对位置；也能判断物体之间的相对位置；第三，根据对物体细节的鉴别程度和空气的透第三，根据对物体细节的鉴别程度和空气的透明度也能产生一定的深度感觉；明度也能产生一定的深度感觉；第四，根据眼睛调节的程度第四，根据眼睛调节的程度(即眼肌肉收缩的紧即眼肌肉收缩的紧张程度张程度)也能判定物体的远近。也能判定物体的远近。62双目测距原理双目测距原理*rlbfZPPhr|2| /lXfXbZ|2| /rXfXbZ()rlZbfXX63视角与焦距视角与焦距n视角越大，焦距越小还是越大？视角越大，焦距越小还是越大？64视角与焦距视角与焦距n视角越大，焦距越小！双目测距系统可测视角越大，焦距越小！双

26、目测距系统可测的最小距离越小！的最小距离越小！65视角视角=45.8度度 视角视角=4.8度度 66焦距对像素解析度的影响焦距对像素解析度的影响67焦距对测量结果的影响焦距对测量结果的影响68焦距对测量结果的影响焦距对测量结果的影响nb=430mm f=5.8 mm b=430mm f=58 mm69结论结论n立体视觉系统中视野会随着焦距增大而减立体视觉系统中视野会随着焦距增大而减小。小。n摄影机焦距及基线距离的设定会影响立体摄影机焦距及基线距离的设定会影响立体视觉量测的分辨率。视觉量测的分辨率。n立体视觉在使用上焦距短的镜头适合近距立体视觉在使用上焦距短的镜头适合近距离且广大视野的距离量测，而焦距长则适离且广大视野的距离量测，而焦距长则适用于长距离时小范围精准的量测。用于长距离时小范围精准的量测。n立体视觉应用于距离量测的精准度主要受立体视觉应用于距离量测的精准度主要受限于它的分辨率。限于它的分辨率。70问题问题n