【智能轮椅系统的设计9400字（论文）】

智能轮椅系统的设计目录TOC\o"1-3"\h\u102101绪论 155261.1研究背景与意义 1278131.2智能轮椅在国内外的研究概况 1227571.2.1国外发展概况 125751.2.2国内发展概况 3302761.3主要研究内容 3200282电动轮椅车超声波传感器测距原理 3239362.1超声波测距原理 4254362.2电动轮椅车超声波测距原理 428732.3改进的测距算法 4107513智能轮椅系统的设计 66463.1智能轮椅的模块划分 6129533.1.1机械构造模块 7114823.1.2人机交互模块 7144233.1.3驱动模块 766743.1.4控制模块 8203523.2环境感知和避障模块的设计 10106933.2.1超声测距原理 10194463.2.2超声波传感器系统硬件电路 11123733.2.3超声波发送电路设计 12185743.2.4超声波接收电路设计 14320863.2.5超声波数据的采集与处理软件设计 15159584结束语 155691参考文献 161绪论1.1研究背景与意义联合国发表报告指出：当二十一世纪上半叶到来时，全球人口将增加0.6倍，而老年人口将增加2.3倍，老年人口占总人口的比例将上升到20%。也就是说，全世界人口老龄化进程正在加快，今后50年内,60岁以上的人口比例预计将会翻一番。而我国是人口最多的国家，老龄化和残疾是我们不得不面对的重大问题，据老龄委统计结果显示，目前我国60岁以上的老年人已达到1.43亿，超过总人口的10%。而我国有残疾人6000多万，平均每5个家庭就有一个残疾人。另一项调查显示，2000年，我国60岁以上老年人中有腿脚不便情况的人已接近2800万。此外，根据中残联统计数据，目前我国肢体残疾人接近900万，其下肢残疾人为200万左右。为了给老年人和残障人士提供性能优越的代步工具,帮助他们提高行动自由度及重新融入社会,将智能机器人技术应用于电动轮椅的智能轮椅被提了出来。智能轮椅又称轮椅式移动机器人，具有记忆地图、避障、自动行走、与用户交互及为用户提供特殊服务等功能，融合了多种领域的研究，包括机器视觉、机器人导航和定位、模式识别、多传感器融合及用户接口等。智能轮椅作为一种帮助行动不便人群的服务机器人，近年来已经取得了长足的发展，其研究除了在大学和研究所进行外，得到了越来越多的企业和商业界的重视，是一项有良好应用前景的高技术行业。分析智能轮椅国内外研究现状及其发展趋势我们发现：初期的研究，赋予轮椅的功能一般都是低级控制，如简单的运动、速度控制及简单避障等，随着机器人控制技术的发展，移动机器人大量技术用于轮椅，智能轮椅在更现实的基础上，有更好的交互性、适应性和自主性。然而，由于其以人为核心的思想，在安全导航和实用性能方面仍需更多的努力。其中智能轮椅的导航是一项核心技术，也是机器人研究领域的重点和难点问题。本文围绕智能轮椅的避障问题进行了深入的研究，结合智能轮椅工作环境和用户来考虑避障问题和多传感器信息融合，研究成果也适用于通用移动机器人导航。1.2智能轮椅在国内外的研究概况1.2.1国外发展概况自1986年英国开始研制第一辆智能轮椅来,许多国家投入较多资金研究智能轮椅。如美国麻省理工学院WHEELESLEY项目、法国VAHM项目、德国乌尔姆大学MAID(老年人及残疾人助动器)项目、BremenAutonomousWheelchair项目、西班牙SIAMO项目、加拿大AAI公司TAO项目、欧盟TIDE项目、KISS学院TINMAN项目、台湾中正大学电机系LUOSON项目、我国863智能机器人智能轮椅项目及第三军医大学外科研究所项目等。由于各个实验室的目标及研究方法不尽相同,每种轮椅解决的问题及达到的能力不同。1989年法国开始研究VAHM项目，第一阶段的智能轮椅由轮椅、PC486、超声波传感器、人机界面和一个可匹配用户身体能力转换的图形屏幕组成，设置为手动、自动、半自动三种模式，手动时轮椅执行用户具体指令和行动任务：自动状态时用户只需选定目标，轮椅控制整个系统，此模式需要高度的可靠性：半自动模式下用户与轮椅分享控制。为了更好适应用户需求，研究者在康复中心进行了一系列调查，得出结论：系统必须是多功能的，不仅应适应残障人士的生理和认知能力，也应适应环境的结构和形态。在此基础上，经改进研制出第二代产品，相对于第一代产品，其功能更丰富，面向用户范围更广，性价比更好，改良了大量控制。西班牙SIAMO始于1996年，由ONCE基金会资助，目标是根据用户的残障程度及特殊需求建造多功能系统。为达到要求，特别研究了系统的模块化和灵活性，设计了分布式构架，也着重开发了人机界面，使用户更易于控制轮椅。项目第一个成果是一个轮椅原型，其中电子系统完全由ALCALA大学电子系开发，包括运动和驾驶控制(低级控制)、基于语音的人机界面、操纵杆、由超声波和红外传感器组成的感知系统(高级控制)，轮椅可以探测障碍及突发不平地带。随着项目的发展，整个系统包括一个完整的环境感知及综合子系统、一个高级决策导航与控制子系统和人机界面三个部分，人机交互界面有五种方式：呼吸驱动、用户独有语音识别、头部运动、眼电法及智能操作杆，大大增加了用户与轮椅交互的方式，使轮椅的功能更为丰富，而模块化设计为将来产品商业化奠定了良好的基础。德国乌尔姆大学在一个商业轮椅基础上研制了轮椅机器人MAID，在乌尔姆市中心车站的客流高峰期及1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演。该轮椅机器人在公共场所有大量乘客的拥挤环境中，通过了超过36小时的考验，能够自动识别和判断出行驶的前方是否有行人挡路，或是否可能出现行驶不通的情况，自动采取绕行动作，它甚至还能够提醒挡路的行人让开道路。根据航行的环境不同，机器运行模式分为：NAN(狭窄区域航行)和WAN(宽区域航行)，大大增加了航行准确率。此项目得到德国科学技术部的财政支持，据计划，这种智能轮椅将于两年后正式面世，价格会比普通电动轮椅高出约50%。1.2.2国内发展概况我国智能轮椅研究起步较晚，在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距，但也根据自身特色研制出技术指标接近国外先进水平的智能轮椅。研究单位有中科院自动化所、台湾中正大学电机系、上海交通大学和第三军医大学等。中国科学院自动化研究所承担了“863”智能机器人智能轮椅项目，研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅NLPR，曾在“863”，计划十五周年成就展展馆的人群中穿梭自如。此项研究成果于2000年11月通过“863”智能机器人主题专家组的鉴定，并研制出我国第一台多模态交互式智能轮椅样机。此项研究高度重视了智能轮椅人机控制界面的设计，在轮椅的设计中综合运用模式识别实验室有关图像处理、计算机视觉和语音识别等最新成果，使人能通过语音控制轮椅自由行走，轮椅可以实现简单的人机对话功能。上海交通大学开发成功一种声控轮椅，主要是为四肢全部丧失功能的残疾者设计，使用者只需发出“开”、“前”、“后”、“左”、“右”、“快”、“慢”、“停”等指令，轮椅可在1.2秒内按指令执行。台湾中正大学电机系以一台工业级PC为控制中心，通过马达控制卡驱动放大器，利用操作杆执行基本的电动轮椅操作功能，采取平行化设计，配备了麦克风、CCD,LCD、传感器、无线网络通讯界面等，并搭配了自行开发的软件以达到系统配置最佳效果。1.3主要研究内容根据调研结果，智能轮椅在国外已取得长足的发展，但大多数也都是在实验室或是少数定做，还没有形成批量生产，在国内也是近几年才开始进行研究。智能轮椅作为帮助残疾人的一种服务机器人，应以人为核心进行设计，即应当在安全行驶和实用性方面下功夫。本文围绕智能轮椅的安全避障进行了深入的研究，本课题采用价格便宜、信号处理简单、受外界环境影响较小的超声波传感器进行环境感知，并运用模糊神经网络进行数据融合，从而达到安全行驶的目的。2电动轮椅车超声波传感器测距原理2.1超声波测距原理利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制的装置可称为超声换能器、探测器或传感器.加上触发脉冲时,超声换能器受激以脉冲形式发出超声波,发射出来的超声波脉冲作用到一个声反射的物体上,经过一段时间后,被反射回来的声波被换能器接收,经过分析处理后就可以测得障碍物的距离。超声波从发射器到物体表面,又从物体表面反射到换能器的时间为:式中,h——换能器距物体表面的距离;c——超声波在介质中传播的速度.因此只要测量出超声波传播的时间t,就可以得到其传输的距离。2.2电动轮椅车超声波测距原理微处理器的I/O口发出脉冲驱动信号驱动超声波发出信号,与此同时计数器T0开始计数,当遇到障碍物反馈信号到超声波接收器经放大、整形后产生脉冲传送给INT0产生中断,微处理器调用距离运算子程序计算出轮椅车距离障碍物的距离,在LED上显示.测距原理图见图2-1所示。图2-1电动轮椅车超声波测距原理框图2.3改进的测距算法实验时,在换能器对面等距离间隔移动障碍物,运行检测障碍的程序,在数码管上显示单片机在超声波从发射到接收这段时间的计数值,并将障碍物位置和对应的单片机计数值记录下来.障碍实际位置y1与单片机计数值x组成的一组数据如表2-1所示。表2-1障碍实际位置与单片机计数值对照表障碍实际位置y1(mm)单片机计数值x150029812100060183150081164200010046525001264763000161927350018276通过Excel拟合出曲线如图2-2所示,得到障碍位置y与单片机计数值x的距离拟合公式为:图2-2测距拟合曲线其相关度R2=0.9941,其中由于超声波传感器安装在电动轮椅车的主体上,而主体前端还有361mm长的脚踏板.所以电动轮椅车作为一个整体,和障碍之间的距离应该是超声波传感器所测距离再减去脚踏板的长度.结合距离拟合公式,计算电动轮椅车与障碍之间距离的综合测距公式为:考虑到摇摆、颠簸及各种干扰,对测量信号需进行判别及数字滤波.首先,如在最大检测距离(此处取3.5m)对应的单片机测量时间内,未产生INT0中断,则将此次测量的数值舍掉,表示是由于摇摆、颠簸造成的无回波现象;如连续3次舍掉该类测量值,则表示前方在最大检测距离范围内无障碍.然后,再对测量值进行数字滤波,在单片机中有n个存储单元作为测距数据单元,这n个测距数据单元中的数据保持最近的n个数据xi,即进行滑动滤波.然后对最近的n个测距数据进行加权平均值滤波,再根据综合测距公式,计算得到距离.其中的加权平均值滤波结果C0、C1、C2、…、Cn-1均为常数项,为各次采样值的系数,它体现了各次采样值在平均值中所占的比例,并应满足，此处取n=3。3智能轮椅系统的设计智能轮椅的任务是安全、便捷地把用户送到目的地，完成既定任务。在运动过程中，轮椅既需要接受用户的指令，又需结合环境信息启动自身避障、导航等功能模块，与其它移动机器人不同的是，在使用过程中，轮椅与用户成为一个协同工作的系统。这就要求在设计之初就把人这个因素纳入考虑之中，所以，安全、舒适和容易操作应成为智能轮椅设计中最重要的因素；使用者身体能力的差异决定了智能轮椅需要被设计为一个功能多元化，能满足多种层次需要的电子系统，而模块化最能体现系统多能化的特征，每个用户都能根据其自身残障类型和程度选择适当的模块集成，且设计者可以在现有基础上通过增添功能模块，很方便地对轮椅功能进行改进。本章着重就智能轮椅模块化设计进行了阐述；主要对环境感知和避障模块进行了详细的阐述。3.1智能轮椅的模块划分智能轮椅是一个以普通电动轮椅为行动平台，赋予一定程度智能的机电一体化系统。一般说来，一个复杂的机电一体化系统不可能用某种简单结构满足总功能要求，需要进行功能分解。根据系统内部组成，结合文献提到的服务机器人功能划分方式，智能轮椅总功能可以分解为以下几个子功能：环境感知及避障功能、控制功能、驱动功能、人机交互功能和构造功能，根据功能的划分，将轮椅可分为一下几个模块来进行设计：机械构造模块、控制模块、驱动模块、人机交互模块和环境感知与避障模块。3.1.1机械构造模块即轮椅的机械结构，机械系统的基本模块元件：齿轮副、丝杆螺母副、传动机构、轴承支承、连轴器、支架、润滑系统等。轮椅机械结构的尺寸大小图3.1中所示：（单位：mm）图3.1轮椅基本尺寸示意图3.1.2人机交互模块人机接口作为用户和轮椅之间的交互方式，必须设计得合理，方便，易于使用，也需从技术、心理学及经济角度来选择用户与机器间最佳的合作方式。轮椅提供其反应和自动行动能力，用户提供对环境的感知和理解。在构建系统的每个阶段中应把用户作为系统不可或缺的中心部分纳入考虑，而轮椅的设计并不是使其自动化程度越高越好，应在不加重用户负担的前提下充分利用其能力，故轮椅系统的自动化程度应基于用户的身体和认知能力而设计，也决定了用户与机器之间的交互方式应丰富多彩，己有的智能轮椅都设计了既有共性也有个性的人机接口。比较通用的有界面操作(如菜单选择、鼠标驱动等)和操作杆形式，各个系统根据自身需要也设计了语音识别、头部运动、鹰眼系统、呼吸驱动等富有特色的交互方式，一般在每个系统中都是几种方式共存，以便根据环境、用户身体状况来选择合适的接口。在这里我们采用最简单的手柄式操作进行人机交互控制。3.1.3驱动模块本轮椅采用双后轮驱动，用无刷直流电机进行驱动。无刷直流电动机(BLDCM)既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具有直流电机良好的调速性能，并且用电子换向电路代替了机械换向器，消除了励磁损耗，故得到了迅速的发展.现已广泛应用于伺服控制、医疗器械、仪器仪表及家用电器等领域。无刷直流电动机的本体实质上是一台永磁同步电动机，只是去除了永磁同步电动机的起动装置。定子三相绕组通过交流方波，转子为永磁体。电机采用Y型连接，由6个IGBT构成的三相桥式逆变器为其供电。如图3.2所示，逆变器通常采用导通型，当两相导通时，另一相断开。无刷直流电动机内的位置传感器输出三路互差120°，宽度为180°的脉冲信号.三路脉冲信号在一个周期内可以组合出六种有效的状态，各个不同状态对应转子的不同位置.再结合换相逻辑，对连接到三相定子绕组的逆变器模块的6个IGBT进行开关控制，使三相定子绕组按照一定顺序依次通电，就可以满足转矩角要求，使转子持续获得稳定的电磁转矩，从而使电机连续不断地旋转。通过对定子绕组输入电压进行PWM斩波，可以改变定子绕组的平均电压，进而实现了调压调速。图3.2三相无刷直流电机星形连接全桥驱动电路3.1.4控制模块本课题采用TI的TMS320LF2407ADSP作为智能轮椅的控制器。DSP芯片是一种特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛总线结构，具有专门的乘法器，采用流水线操作。TMS320LF240xADSP主要有以下一些特点：●采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V,减少了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩短为25ns，从而提高了控制器的实时控制能力。●基于TMS320C2xxDSP的CPU内核，保证了TMS320LF240x系列DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。●片内有高达32K字的FLASH程序存储器，高达2.5K字的数据/程序RAM,544字双口RAM(DARAM)和2K字的单口RAM(SARAM)。●两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制((PWM)通道。它们能够实现：三相逆变器控制：PWM的对称和非对称波形的产生；当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速封锁PWM输出通道；可编程的PWM死区控制以防止逆变器同一桥臂功率器件直通；3个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16模拟输入通道的A/D转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机和逆变器。●可扩展的外部存储器(LF2407A)总共192K字空间：64K字程序空间：64K字数据存储空间：64K字I/O寻址空间。图3.3TMS320LF2407A结构●看门狗定时器模块(WDT)。●10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择有两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。●控制器局域网络(CAN)2.0B模块。●基于锁相环的时钟发生器。●高达40个可单独编成或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)。●5个外部中断源(两个电机功率器件保护中断、一个复位中断源和两个可屏蔽中断)。●电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。此芯片的结构图如图3.3所示，其内部的两个事件管理器可与驱动部分相连接，来实现对两个无刷直流电机的驱动，控制和驱动电路如图3.4所示：图3.4DSP控制驱动电路图3.2环境感知和避障模块的设计3.2.1超声测距原理超声波是指频率在2000Hz以上，不能引起正常人听觉反应的机械振动波。其波长很短，可以集成狭小的发射线束，呈束状直线传播，传播具有一定的方向性。同时超声波作为一种非接触的检测方式，和红外、激光及无线电测距相比，不受光线、被测对象的颜色等的影响，在恶劣的环境中(如含粉尘时)具有一定的适应能力，比激光测距更容易获得近距离信息，并且具有结构简单、成本低等优点。为了研究和利用超声波，人们己经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图3.5所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。图3.5超声波传感器结构图超声波测距原理很简单，一般采用渡越时间法(Timeoffight,TOF)，即检测超声波往返距离的时间，由于所用的时间与超声波通过距离成正比，当超声波发射极发出一个短暂的脉冲时，计时开始；当超声波接收器接收到第一个返回脉冲后，计时立即停止。此时，记录得到的时间值为D=CT/2，其中D为机器人与被测物之间的距离，C为声波在介质中的传播速度(,t为摄氏温度)，T为超声发射到返回的时间间隔。超声波在空气中的传播速度为340m/s，但其中传播速度随介质温度的上升而加快，气温增高10℃，速度加快0.6m/s。图3.6给出了超声波传感器的构成原理图。图3.6超声波传感器构成原理图3.2.2超声波传感器系统硬件电路超声波传感器系统由三部分组成：控制部分、总线驱动部分、超声波发送与接收部分。系统的结构框图如图3.7所示。控制器通过I/O输出发射超声波信号经过双总线驱动片74HC245分别发送到下面八个信号发生电路板分别控制八个超声波的发送，再由下面八个信号接收板接收到超声波信号放大以后经过总线驱动分别传送到控制器的输入口，然后控制器根据发送时间与接收时间差T，根据渡越时间法：即D=CT/2，计算机器人与前面障碍物的距离，最后通过MAX232进行电平转换，经由串行口COM1将结果送到PC/104处理程序。图3.7环境感知系统结构图3.2.3超声波发送电路设计超声波发送电路结构图见图3.7框1，原理图如下图3.8所示：图3.8超声波发送电路原理图通过对超声波的衰减特性和在空气中的阻尼的分析，如图3.9和3.10，同时考虑超声波灵敏度的影响,如图3.11可知，频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳；同时，为了方便处理，发射的超声波被调制成40kHz左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。每个信号发生板由发送与接收两部分组成。发送部分主要由超声波发送器和多谐震荡电路以及由6个非门构成的驱动放大芯片HEF4069组成。其中多谐振荡器由两个4011与非门IC1A、IC1B及C1、R1、R2及可调电阻RP1组成。通过调节RP1来调节震荡频率，由下式决定：DSP控制器通过软件编程首先初始化I/O口，使其都为低电平，分别发送给多谐振荡器的置零输入端，使其振荡器的输出被置为低电平，不受其他输入端状态的影响。当要发送超声波信号时，其控制器通过软件控制该I/O口输出高电平图3.9不同频率的超声波的衰减特性图3.10空气中声波阻尼图则使振荡器的置零输入端为高电平，振荡器输出40KHz的方波，经过HEF4069放大，HEF4069相应的输出为高电平，接着传送到超声波发生传感器，开始发射超声波。一般发射超声波时间为125-200微秒，即5-8个40KHz的方波，通过软件控制经过一段延时以后即可以通过该I/O口输出低电平，则使振荡器输出端输出零，关闭超声波的发送。然后一般要停顿一段时间才能开始接收超声波，这是为了防止传感器发射的超声波沿着电路板或外壳等直接进入接收传感器，即所谓的“虚假反射波”而引起误差。停顿时间一般为1.765ms,据D=CT/2，可以求出盲区距离为30cm。脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数。本系统有八路测距通道，采用分时工作，按顺序循环测距。若在有效测距范围内有被测物的话，则在后一路超声波束发出之前应当接收到前一路发射的反射波，否则认为前一路无被测物。因此按有效测距范围可以估算出最短的脉冲间隔发送时间。在本系统中，传感器的盲区约为30cm，对应值为8；没有反射波时，对应值为255。规定距离每增加3cm，对应值加l。由此可求得最大测距范围为(255-8)*3+30=770cm，则常温下发送脉冲间隔时间t=2D/C=2*7.7/340=45ms。图3.11超声波灵敏度曲线3.2.4超声波接收电路设计接收部分主要由超声波接收器和运算放大器以及电压比较器组成。由于在距离较远的情况下，声的回波很弱，因而转换为电信号的幅值也较小，为此要求将信号放大60万倍左右，故采用三级放大电路。LM324的3个运算放大器IC3A、IC3B、IC3C组成三级回波信号放大电路，前两级各放大100倍，第三级放大60倍左右。C6、D1组成信号整流滤波电路，将接收到的40kHz反射波交流信号转化成直流电压信号。LM324第4个运算放大器IC3D作为电压比较电路，将信号直流电压与设定的基准电压比较。当信号电压大于基准电压，比较器输出正脉冲，Q1导通，使比较器相应输出端P为低电平并送到DSP控制器，然后控制器探测到为高电平则产生中断并转到相应的处理程序，根据从发射到接收所花的时间算出距离。DSP控制器与上一级PC104的通一讯是采用串行通讯方式，由于PC/104配置的是RS-232C标准串行接口，而DSP输入输出电平为TTL电平。二者的电气规范不一致，所以他们之间连接采用MAX232芯片。3.2.5超声波数据的采集与处理软件设计图3.12给出了该超声波传感器系统数据的采集与处理的程序框图，该模块主要完成8通道超声波数据的循环采集处理，同时还把采集的距离数据和通道号及时传送给PC/104。程序开始时的初始化包括定时器TO和外部中断1的初始化。置工作方式1，构成16位定时器。回波中断由外部中断1触发，中断程序很简单，一方面使定时器仍停止计时，一方面置回波标志。图3.12超声波传感器系统数据的采集与处理的程序框图4结束语设计的电动轮椅车在正前方安装按照上述方法设计的超声波传感器,当靠近障碍物时,超声波传感器就会给出信号提示驾驶者应该避障,这样可以有效避免事故的发生,保障驾驶者的安全.此种测距方法测量精度可以达到cm级,具有较高的使用价值.设计的轮椅车在前方安装了传感器,为了改进测量的多面性、全面性,可采用多组传感器,运用多传感器融合技术进行障碍检测,进一步完善避障功能。参考文献[1]王国军.超声波测距传感器