9传感器信息融合的实例

1、2.5.4传感器信息融合的实例一机器人中的传感器信息融合传感器信息融合技术在机器人领域有着广泛的应用，从而也对传感器信息融合技术的发展起到了促进作用。我们介绍的是一种自主移动装配机器人。顾名思义，这种机器人是用于搞装配工作的。1 .自主移动装配机器人的组成、结构控制和信息附合计算机图2-40自主移动装配机器人图2-40是自主移动装配机器人示意图。由图可见，机器人主要由超声波传感器、视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、测距传感器、控制和信息融合计算机以及机械手等部件组成。由此可以看出，机器人是一个典型的多传感器系统，机器人进行工作的技术核心就是传感器信息融合。图2-40机器人的自主移动是建立在视

2、觉传感器、测距传感器和超声波传感器信息融合的基础上；机械手装配作业是建立在视觉传感器、触觉传感器和力觉传感器信息融合的基础上。该机器人的信息融合结构为并行结构。2 .机器人自主移动的信息融合建立环境模型首先建立多传感器信息的已知三维环境模型。模型采用分层表示：最底层为环境的具体特征，如环境中物体的长度、宽度、高度及距离等。环境具体特征要与传感器提供的数据一致。高层是抽象的用符号表示的环境特征。控制机器人移动的各传感器的作用视觉传感器采集的环境特征是最主要的信息；另外，视觉传感器的信息还用于引导测距传感器和超声波传感器对准被测物体。测距传感器在较远距离上获得物体较精确的位置，而超声波传感器用于检

3、测近距离物体。以上三种传感器分别获得环境中同一对象在不同条件下的近似三维表示。传感器的数据融合将以上三种传感器的测量数据进行融合，这时每种传感器的坐标框架首先变换到共同的坐标框架中，然后采用以下几种方法得到机器人对环境的精确估计：相对于机器人位置的相对位置定位法。目标运动轨迹记录法。参照环境静坐标的绝对位置定位法。用卡尔曼滤波器确定物体相对于机器人的准确位置及物体的表面形状，并完成对物体的识别。3 .机器人装配作业的信息融合机器人装配作业时，主要是对视觉传感器、触觉传感器和力觉传感器数据的融合。装配过程表现为每一个决策所确定的几个阶段。整个装配过程的每一个决策，由上述三个传感器的数据融合实现。

4、视觉传感器用于识别有规则几何形状的物体以及对物体定位。力觉传感器检测机械手末端与物体的接触情况以及接触力的大小，从而提供接触时物体的准确位置。触觉传感器和视觉传感器相结合，可以为无规则形状的物体定位。另外，力觉传感器还可以提供物体传送、取放的信息。第三章测试信号的调理被测量经传感器这个环节被转换成电信号，为了后续对信号的进一步处理或为了用被测信号驱动显示、记录和控制等器件，需对传感器输出的电信号进行调理。信号调理涉及的内容较多，本章仅讨论几个常用的信号调理环节。3.1 模拟信号与数字信号的转换传感器输出的是模拟信号，但是计算机处理的是数字信号，因此必须把传感器输出的模拟信号转换成数字信号才能输

5、入到计算机中。经计算机处理后的信号是数字信号，但在实际应用中往往还要求将计算机输出的数字信号再转换成模拟信号。因此，模数转换或数模转换在测试系统中是必不可少的环节。一般将模拟信号转换数字信号的转换称为模/数转换，或称为A/D(AnalogtoDigital)转换；将数字信号转换成模拟信号的转换称为数/模转换，或称为D/A(DigitaltoAnalog)转换。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写成DAC3.1.1 模/数转换(A/D)模拟信号转换成数字信号通常需要经过以下环节：1 .采样。所谓采样，就是按一定的时间间隔Ts对模拟信号的瞬时

6、值进行抽样，得到时间上离散的模拟信号。采样过程(a)被测信号(b)采样开关图3-1采样过程示意图采样过程如图3-1所示，图中：(a)为被测信号；(b)为采样开关。采样开关每隔TS秒短暂闭合一次，接通连续函数X(t)，实现一次采样。设每次开关闭合时间为T秒，则采样开关的输出为脉宽T、周期为Ts的脉冲序列。该脉冲信号的幅值等于该脉冲所在时刻的相应的连续时间信号的幅值。采样开关输出的信号为采样信号，记为x*(t)。则*x(t)=x(t)，s(t)(3-1)式中，s(t)为周期为Ts、脉冲宽度为T、幅值为1的采样脉冲序列。s(t)和x*(t)的图形表示见图2-42所示。(a)采样脉冲信号s(t)(b)

7、采样信号x*(t)图3-2采样脉冲和采样信号示意图因脉冲宽度T远小于采样周期Ts,可以认为t-0,这时采样脉冲序列可用单位脉冲序列函数6T(t)来描述，6T(t)可表示为：O06T(t)=Z6(tnTs)(3-2)n-：式中，5(t-nTs)为t=nTs处的单位脉冲，如图3-3所示。因此，采样信号为：QOQ0*一一x(t)=x(t)5(t)=x(t)£6(tnTs)=£x(nTs)6(tnTs)(3-3)n-.：n-:：采样定理采样定理指出：只有当采样频率大于被测信号最高频率的两倍时，采集的数据才可能包含被测信号的所有频率分量的信息。在实际中，为了较好地还原信号波形，采样频

8、率一般是被测信号最高频率的5至10倍。采样频率过低时，由采样数据所还原的信号频率，与原始信号可能不同，这种信号畸变叫做混叠。为了避免混叠现象发生，通常在信号采样之前，让被测信号通过一个低通滤波器，将信号中过高的频率成分滤掉。这种滤波器称为抗混叠滤波器。采用抗混叠滤波器将信号中过高的频率成分滤掉，是因为：信号中过高的频率成分并不包含信号的有用信息；另外，信号频率过高势必造成采样频率过高，过高的采样频率会导致计算机内存相对不足，以及硬盘存储数据量变大。采样一保持采样一保持的概念采样就是把一个时间连续的信号，变换成时间离散的信号。然后由A/D转换器把时间离散的模拟信号的幅值数字化。但是进行A/D转换

9、需要一定的时间，这样就需要在A/D转换的同时，将未进行转换的采样信号暂时存储起来，采样一保持电路就是完成采样和对采样信号进行暂时存储任务的器件。采样一保持电路的工作原理(a)采样一保持电路原理图(b)输入-输出电压波形开关驱动电路图3-4采样一保持电路工作原理图图3-4(a)是采样一保持电路的原理图。图中，A1是输入放大器，A2是输出放大器，且要求Aui人2=1(Aui和Au2为放大系数)；由于AuiA?=1,所以U0=Ui。Ch是保持电容。在to时刻，开关S闭合，电容Ch被迅速充电，在toti时间间隔内是采样阶段(见图b)。在t1时刻S断开。若A2的输入阻抗为无穷大，这样就可以认为电容Ch没

10、有放电回路，其两端电压保持不变，并由它维持u0不变。这一阶段即为保持阶段，如图3-4(b)中t1到t2的平坦段。t2时刻开关S又闭合，t2到t3时间间隔为采样阶段，t3开关S又断开，t3到14为保持阶段，这样采样一保持一直循环下去，直到采样结束。2 .量化量化的概念将时间离散的采样信号以某个最小数量单位的整数倍来度量，就变为数字信号，这个过程称为量化，所取的最小数量单位称为量化单位。显然，数字信号最低有效位的1,所代表的数量大小就等于量化单位。图3-5是量化的示意图，图中T为量化单位，则采样信号的幅值分别被量化为T、2T、3T、4T、，即以T的整数倍表示。图3-5采样信号的幅值称为量化电平。从

11、以上讨论我们可以看出，采样是对模拟信号在时间轴上的离散化，而量化则是把采样点的幅值离散化，并用最小数量单位的整数倍来表示。3 .编码将量化的结果用代码表示出来，称为编码。这些代码就是A/D转换的输出结果。既然采样信号的幅值是连续的，那么它就不一定能被量化单位整除，因而量化过程不可避免地会引入误差，这种误差称为量化误差。将采样信号划分为不同的量化等级时，通常有图3-6(a)和(b)所示的两种方法，但是它们的量化误差相差较大。输入信号IV二进制代码代表的模拟电压输入二二进制代码代表的模拟电压7/6V口”7T=T/8V7T=14/15V5/8V)1106T=6/8V13/15V)1106T=12/1

12、5V5/3VS1015T=5/6V11/15VS1015T=10/15Y4/8V)1004T=4/8V9/15V1004T=8/15V3/8V.yon3T=3/8Vr/15¥'oil3T=6/15V2/0V0102T=2/SVS/15V01C2T=4/15¥i/av2OOL1T=1/BV3/15V)0011T=2/15¥0001/15V0T=0¥0T=OVV'0(a)(b)图3-6划分量化电平的两种方法图3-6(a)的方法图3-6(a)中，是将0-1V(伏)的采样信号转换成3位二进制代码。其方法是取量化、，、11单位T=-V,并规定：凡数

13、值在0-V之间的采样信号都当作0T对待，用二进制数88,12000表不；凡数值在-V之间的米样信方，都当做1T对待，用进制数001表小；-88.1等等。不难看出，这种量化方法带来的最大量化误差可达一个量化单位T,即-V。8图3-6(b)的方法为了减小量化误差，通常采用图3-6(b)的方法。在图3-6(b)的方法中，取电平的量化211单位为T=_V,并将输出代码000对应的米样信号范围规定为0V，即0T,这样151521 1可以将最大量化误差减小到1T，即，V。这个道理不难理解，因为图（b）将每个输出的二2 15进制代码所表示的电压值，规定为二进制代码所对应的采样信号范围的中间值，所以最大量.一

14、、.1，一，1化误差不会超过T。2常用的编码形式在数据采集中，被采集的模拟信号是有极性的，因此编码也分为单极性编码和双极性编码。在应用时可根据采集信号的极性来选择编码形式。所谓极性，就是指采集信号的值有正，有负。若采集信号的值全为正值或全为负值，称为单极性信号；若有正，有负为双极性信号。常用的单极性编码有二进制编码和二一十进制（BCD编码；常用的双极性编码有：符号一数值码，偏移二进制码、2的二进制补码等。虽然在实际应用中，编码的方式很多，但其基本原理是图3-6介绍的方法。所以在实际应用中的编码方式，就不一一介绍了，有兴趣的同学可以自己查看有关书籍。4.A/D转换器A/D转换器的一般原理采样信号

15、的量化和编码由A/D转换器完成，A/D转换器将时间离散的采样信号进行量化，并转换成相应的二进制编码信号。需要注意的是：采样信号的幅值要与A/D转换器的输入量范围相匹配。A/D转换常使用的二进制分数码输出信号，可表示成以下形式：aa9a2222(3-4)nDai2i土01234567E式中，n为位数；ai为系数，表示0或1两个数码；第一位（最高位MSB）的权彳1是1/2,第二位的权值是1/4,第n位（最低位LSB）的权值是1/2;图3-7所示为：A/D转换器将一个输入电压信号转换成二进制编码信号输出。Dili0110010101000011001000010000.图3-7二进制A/D转换图3-

16、7中，U是输入的电压信号，D是输出的二进制编码信号。由图可以看出，每输入一个电压信号，就有对应的二进制编码信号输出；此编码是二进制分数码。由图我们还可以看出，A/D转换的量化单位T=1V,量化误差是1T,此A/D转换米用了图3-6（b）的量化万2法：输出编码对应输入信号范围的中间值，并将输出代码000对应的输入信号范围规定为10T。2A/D转换器的类型根据功能原理，可将A/D转换器划分成三种类型：并行转换器、串行转换器及其它。所谓其它主要是指串、并行两种方式的组合及采用中间变量的转换器。并行转换器能同时确定所有系数ai；而串行转换器则是依次确定各个系数。因而串行转换法比并行转换法要慢，但它的电

17、路造价却小的多。并行A/D转换器Ur01图3-8并彳TA/D转换器图3-8是并行A/D转换器，图中Ue是输入电压信号，Ur是参考电压。参考电压Ur经电阻分压后，输入比较器作为比较电压。输入电压信号Ue在各个比较器中与参考电压相比较，并将比较结果输入到译码网络。译码网络给输入的信号确定系数ai(i=1,2,3,4),然后输出二进制码信号(即信号的系数按权值组成一组二进制码)。由图可以看出：各个比较器中的比较电压是不同的，但输入的电压信号Ue是相同的，因此确定了输出二进制码的权值。另外也看出：并行转换器能同时确定所有系数，所以转换速度很快，一般小于100纳秒。因此也把并行A/D转换器叫做闪烁转换器

18、。但是这种转换器的造价较高，因此一般只适用于小位数的转换，通常是4到8位。串行A/D转换器i反馈比较法原理串行A/D转换器是采用反馈比较的方法，依此确定各个系数；其基本原理是：取一个数字量（如图3-9中的a1a2a3a4码）加到D/A转换器上，于是得到一个对应的输出模拟电压12。将这个模拟电压U和输入的模拟电压信号U相比较（在比较器中）：如果两者不相等,则调整所取的数字量，直到两个模拟电压U和U2相等为止，最后所取的这个数字量就是所求的转换结果。在反馈比较法中，常采用的A/D转换器有计数型A/D转换器和逐次渐近型A/D转换器。D/A转换器图3-9反馈比较法原理ii计数型A/D转换器图3-10计

19、数型A/D转换器电路原理脉冲源输出寄存器图3-10是计数型A/D转换器原理图。由图可以看出：计数型A/D转换器主要由比较器、D/A转换器、计数器、脉冲源、控制门G以及输出寄存器等几部分组成。计数型A/D转换器的工作原理就是反馈比较法，其工作过程是：A/D转换开始前，先将计数器置零，而且使转换控制信号U=0。这时控制门G被封锁，计数器不工作。计数器加给D/A转换器的是全零数字信号，所以D/A转换器输出的模拟电压I2=0o当U1变成高电平时开始转换，这时U1>U2,U3=1o开始转换时，脉冲源发出的脉冲信号经过门G加到计数器的时钟信号输入端CLK,计数器开始做加法计数。随着计数器的进行，D/

20、A转换器输出的模拟电压U2也不断增加。当U2增至U2=U1时，比较器的输出电压变成U3=0,将门G封锁，计数器停止计数。这时计数器中所存的数字就是所求的输出信号。从以上工作过程可以看出：计数型A/D转换器工作的核心，就是通过计数器调整加到数模转换器上的二进制数码，使U2=U1;当U2=U1时，计数器中的数码就是所求的输出信号。因为在转换过程中，计数器中的数字不停地在变化，所以不宜将计数器的状态直接作为输出信号。为此，在输出端设置了输出寄存器。在每次转换完成以后，用转换控制信号LL的下降沿将计数器输出的数字置入输出寄存器中，而以寄存器的状态作为最终的输出信号。这种方法的明显缺点是转换时间太长。因

21、此，这种方法只能用在对转换速度要求不高的场合。然而由于它的电路简单，所以在对转换速度没有严格要求时，仍是一种可取的方法。iii逐次渐近型A/D转换器为了提高转换速度，在计数型A/D转换器的基础上又研究出了逐次渐近型A/D转换器。逐次渐近型A/D转换器的工作原理，可用图3-11加以说明。转换控制信号图3-11逐次渐近型A/D转换器电路原理由图可以看出：这种转换器主要由比较器、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑等五部分组成。转换开始前先将寄存器清零，所以加给D/A转换器的数字量也是全0。转换控制信号UL变为高电平时开始转换，时钟信号首先将寄存器的最高位置成1,使寄存器的输出为10000.这个数字量被D/A转换器转换成相应的模拟电压U2,并送到比较器与输入信号U1进行比较。如果U2>U1说明数字过大，则这个1应去掉；如果U2<U1,说明数字还不够大，这个1应予保留。然后，再按同样的方法将次高位置1,并比较U2与UI的大小，以确定这一位的1是否应当保留。这样逐位比较下去，直到最低位比较完为止。这时，寄存器里所存的数码就是所求的输出数字量。VF变换型A/D转换器iV-F变换型A/D转换器的基本原