2015讲课机器人技术第八章_传感1

1、人技术人感觉技术简介第八章授课对象：课程类型：生学位课主日讲人期：丁亮教授：2015年4月17日参考文献¾1. 蔡自兴.，2009人学(第二版). 北京：¾2. 谭民，徐德，侯增广等. 先进人控制. 北，2007京：高等教育¾3.于金霞，王璐，蔡自兴. 未知环境中移. 北京：电子工业，2011器人自2本章内容概要¾§8-1¾§8-2¾§8-3¾§8-4¾§8-5¾§8-6¾§8-7概述感知系统作用及传感器分类内部传感器外部传感

2、器感知系统实例及需要考虑的问题人感觉技术研究热点思考题3 §8-1 概述(1)人通过各种传感器组成感知(Perception)系统，为其提供感觉(视觉、力觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉等)信息。操作者人机接口4人系统内部传感器计算机硬件及软件控制器驱动器执行器环境（任务规划，轨迹规划）外部传感器 §8-1 概述(2)人感觉是把相关特性或相关物体的特性转化为执行 人功能所需的信息。某一处理(软硬件)变换(硬件)解释(软件)人功能变送器传感器处理感觉顺序变换：通过硬件把相关目标特征转换为信号。处理：主要通过软硬件改善信号并转换为标准信号。 解释：通过软件对标准信号进行分析，并提取所

3、需的人信息。5信号所需信息目标特征标准信号 §8-1 概述(3)传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路 等组成。¾敏感元件：直接感受被测量，并以确定关系输出某一物 理量的原件。如：弹性敏感元件可将力转换为位移或应变。¾转换元件：将敏感元件输出的非电物理量转换成电量。¾基本转换电路：将由转换元件产生的电量转换成便于测 量的电信号，如电压、电流、频率、数字量等。6被测量电信号敏感元件转换元件基本转换电路 §8-2 感知系统作用及传感器分类位置传感器姿态传感器速度传感器度传感器¾内部传感器力/力矩传感器触觉传感器接近传感器距离传感器视

4、觉传感器检测外部对象和外部环境状态；¾外部传感器允许境人相对其环具有多种外部传感器是先进人的重要标志！7检测内部状态信息； 导航§8-3 内部传感器 (Proprioceptive Sensors)一、位置和姿态传感器1.1 电位器（Potentiometer）电位器是一种典型的位置传感器，可分为直线型（测量位移）和旋（测量角度）。电位器由环形或棒状电阻丝和滑片（或称为电刷）组成。输出电压V：电位器可分为导电、线绕式、混合式等滑片型和磁阻式、光标式等非接触型。8V = R(q ) E = q ER0q0电位器的主要性能指标：人技术9101.2 光电码盘(Optical en

5、coder)光电码盘是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电码盘是一种在伺服控制系统中应用非常广泛的高精度的位移传 感器。通常分为增量式和绝对式两种。11增量式光电码盘由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。电机旋转时，光栅盘与电同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电的转速。此外，增量式码盘是直接利用光电转换原理输出三组信号A、B 和 C 相。A、B 两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向；而C相为每转一个脉冲，用于基准点

6、。12(a) 全亮 (b)半亮 (c)全暗 (d)半亮 (e)全亮提示：¾控制器或者电机驱动器(如松下伺服电机)提供A、B 相极性设置功能，极性设置不当，会引起正反馈而导致飞车。调试时，可以通过限制电机极限速度降低。¾在要求较高精度时，可以采用C相。回零操作中，当回零开关动作，且C脉冲触发时，认为到达零点。可以减小开关带来的机械误差，将精度提高到与单个脉冲对应的数量级13光电码盘实际提供的为三对差分信号C+、C-、A+、A-、B+、B-。利用DS公司的AM26LS32构成差分电路，该电路的功能是将输入的一刺的方波信号C、A、B 。对极性相反的码盘反馈信号转化为单极性的各路信

7、号经HP公司的高速光电藕合器件6N137进行光电输出信号接入控制卡。，对应的14基于CPLD的正交编码脉冲处理电路：ref-clk是参考时钟，QEP1(A)和QEP2(B)经异或后从器件qep_encode的QEP_IN输入，输出为QEP_CLK，完成了四倍频。器件DIR_CONFIRM为方向检测逻辑部分，送给CPLD内部的计数器，QEP_DIR则是电机的转向信号。qep_encode15绝对式码盘是直接输出数字量的传感器，当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种码盘的特点是不要计数器，利用自然二进制或格雷码（Gray码）方式进行光电 转换的，在转

8、轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字码。161.3 倾角计(Inclinometer )倾角传感器经常用于人系统俯仰、横滚角度的测量。AngleStarAccuStar II/DAS 20171.4 电子罗盘电子罗盘又称数字罗盘，原理是测量地球磁场，进行人在水平面内偏转角度的测量。三轴电子罗盘可以测量转(RPY)角度。人的俯仰、横滚和偏如果在使用的环境中有除了有地球以外的磁场且这些磁场无法有效时，那么电子罗盘的使用就有很大的问题，这时只能考虑使用陀的螺仪来测定航向了。HMR3500 HoneyWell电子罗盘Ø 数据刷新频率：25HzØ 航向精度：高于1

9、76;Ø 分辨率：0.1°Ø RS232接口Ø 硬铁和软铁常规磁补偿181.5 陀螺仪(gyroscope)陀螺仪可以测量俯仰、横滚和偏转角度，可以和 结合，组成惯性导航控制系统(IMU)。陀螺仪分类：机械陀螺、光学陀螺、压电陀螺等。度计、GPS等机械陀螺：基于陀螺力的原理，自由陀螺的对称轴在惯性参考系中的方位保持不变。例如Gyration公司的GyroEngine陀螺仪。191.5 陀螺仪(gyroscope)光学陀螺：包括光纤陀螺和激光陀螺两种。基于Sagnac效应测量 转动速度的工作原理。压电陀螺：振梁式压电陀螺利用科里奥利力进行旋转速率测量。II

10、IrrIII20ìtI = 2p r / (c - rw)D4p r 2wíL = c(tI - tII ) =222îtII = 2p r / (c + rw)c- r w二、速度和度传感器2.1 测速发电机(tachogenerator)测速发电机是一种检测机械转速的电磁装置。它能利用发电机原理，把机械转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系。根据直流电机理论，在磁极磁通量n为常数时，电枢感应电动势为:输出电压为:c 测速发电机输出特性的斜率RL 负载电阻Ra 电枢电阻21u=Ea= Cefnn = cnaRR1+a1+aRLRLE a=C e f

11、 n n直流测速发电机的主要性能指标: u% = um´100%¾线性误差 U%：¾最大线性工作转速uamnm¾最小负载电阻RL¾不灵敏区n¾纹波系数Ku应用注意事项：转速不应超过最大线性工作转速；所接负载电阻不应小于最小负载电阻。222.2度传感器 (Acceleration sensor)度传感器用于测量人的动态控制信号。度传感器的测量原理包括：(1) 由速度测量进行推演 由于信噪比的下降，此方法难以获得满意的测量结果。(2) 惯性原理(3) 物理效应应等 。基于应变仪等的度传感器。压电效应、压阻效应，电容效应，热气泡效应，光效L

12、ance LC01内装IC压电度传感器原理图23度传感器主要指标¾输出方式：模拟 vs 数字¾测量轴数：2轴可以满足多数要求；Rover等移要3轴器人需¾量程：±2g ，可以反应人的动态特性； ±5g ，可以适用于存在突然或者急停的情况¾灵敏度：一般来说，越灵敏越好¾带宽：动态性能测试需要上百Hz带宽，如振动测试24§8-4外部传感器 (Exteroceptive Sensors)一、力/力矩传感器 (Force/torque sensor)力和力矩传感器以用来检测设备内部力或与外界环境相互作用力 和力矩为目的。力

13、不是直接可测量的物理量，而是通过其他物理量间接测量出来的。其测试方法包括：通过检测物体弹性变形测量力，如采用应变片，弹簧的变形测量力；通过检测物体压电效应检测力；通过检测物体压磁效应检测力；采用电机、马达驱动的设备可以通过检测电机电流及马达油压等方法测量力或转矩，但精度较低；装有速度、度传感器的设备，可以通过速度与度的测量反求作用力。25扭矩传感器ATI六维力/力矩传感器26Wheatstone Bridge腕力传感器大多数腕力传感器实际上是一种变换器，它将作用在手上的力和力矩转换为可测量的腕部的挠曲和位移。筒式腕力传感器：27十字形腕力传感器：标定矩阵及其唯一性28二、 触觉传感器销键按钮式

14、单向微动开关铰链杠杆式压簧按钮式片簧按钮式软杆式接近开关29触须传感器触觉传感器阵列传感器阵列的检测电路触觉阵列的结构图30作用下电阻变化区域装有触觉传感器阵列的人手爪外表面传感器外表面传感器31Example 1: (Pos, Vel, Force) Wheel-soil interaction test-bed2. 转向电机(光电码盘) 3. 六维F/T传感器 6. 前进电机(光电码盘)7. 扭矩传感器10. 传动电机(旋转变压器)18. 位移传感器未标注：光电开关、机械限位开关32三、滑觉传感器滑觉传感器是检测垂直于加压方向的力和位移的传感器。用手爪抓取处于水平位置的物体时，手爪对物体施

15、加水平，如果较小，垂直方向作用的重力会克服这个使物体下滑。重心移动重力平衡可以用传感器阵列组成滑觉传感器33四、接近传感器人应用的接近传感器主要有：磁力式、红外线式、超声波式等类型的测距传感器，其测量范围和测量精度均有差别。4.1 磁力式接近传感器4.2 红外接近传感器344.3 超声波接近传感器 （距离应大于3050cm）35Example 236五、激光测距传感器37激光测距(LIDAR)流程：38Example 3: (LiDAR) El-dorado II rover, Tohoku Univ. Japan1. 侧向URG 2. 控制箱 3. 顶端URG 4. 姿态调整电机 5.前向避

16、障相机6. 编码器 7. 转向电机 8.装置 9. F/T传感器 10. 远心摄像机顶端URG(激光测距传感器)和一个用于调整其姿态的伺服电机组成LIDAR (Light Detection And Range)用于反馈周围地形信息并生成DEM数字高程图。39激光测距结果(静态) ：40激光测距结果(动态) ：41六、GPS:人绝对装置GPS (Global Positioning System)，是美国第二代系统，是以空间正在建设北斗为基础的高精度导航与导航系统。我国系统包括三部分：导航、地面站组、用户设备。42七、人视觉传感器人视觉系统包括硬件和软件两部分，如下图所示：43硬件组成：1.

17、景物和距离传感器 常用的有摄像机、CCD (Charge Coupled Device)像感器等。2. 照明和光学系统对观察对象选择合适的照明方法，以便得到高质量的图像，照明光源可使用钨丝灯，碘卤灯，荧光灯，水银灯，氖灯（闪光灯），激光灯等。3.它的任务是把摄像机或CCD像感器输出的全视信号数字化设备频信号转化成计算方便的数字信号。4.信号快速处理器信号实时，快速，并行算法的硬件实现。5. 计算机及其外设根据系统的的需要可以选用不同的计算机及其外设来来满足人视觉信息处理及人控制的需要。6.人或机械手及其控制44软件组成：1. 计算机系统软件 选用不同的计算机，就有不同的操作系统和它所支撑的各种

18、语言，数据库等；2.法；人视觉处理算法 图像预处理，分割，描述，识别和解释等算3.人控制软件45视觉输入方式：三维信息的输入采用与人眼同样的方法，用两个二维摄像器件，根据三角测量原理获取距离信息(图a)。也可以用零维聚光束进行二 维扫描(图b)或用一维光束进行一维扫描(图c)以取代一个二维摄像器 件。46CCD摄像机具有体积小，质量轻，长，抗冲击等优越性。耗电极少，一般只需几十毫瓦就可以启动。CCD的光谱敏感范围为420110nm（波长）。但是CCD存在敏感度不一致问题，它的光敏元件间灵敏度的不一致高达10%。虽然光敏元件灵敏度的稳定性很好，不一致性可以矫正，但逐个 像素加以矫正，要耗费计算时

19、间，所以选择CCD时要注意这个问题。47Example 4 (Vision): MER (Mars Exploration Rovers)后部相机全景相机滑转检测: 视觉里程计+电机编码器前部相机48§8-5感知系统实例及需要考虑的问题49足式人感知系统组成¾导航与：XSENS的MTi-G，GPS+陀螺仪¾地图构建：UTM-30LX激光测距传感器+视觉传感器¾力协调控制反馈：足端三维(六维)力传感器+关节霍尔传 感器(根据电流估算力矩)；¾关节位置反馈：光电码盘对于驱动足式人，可以采用传感器估计缸作用力，进而反求关节力矩；采用位移传感器测量缸位移反求关节角度；还需要引入与力、流量等传感器。系统相关的温度、压50人感知系统设计需要考虑的问题¾性能指标：量程、精度、分辨率、采样频率¾与计算机的接口(数字量或模拟量)：CAN、Ethernet、RS232