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1、关于常用传感器原理关于常用传感器原理第1页，讲稿共21张，创作于星期日感知系统是机器人能够实现自主化的必须部分。下面将介绍一下移动机器人中所采用的传感器以及如何从传感器系统中采集所需要的信号。第2页，讲稿共21张，创作于星期日根据传感器的作用分，一般传感器分为：根据传感器的作用分，一般传感器分为：n n内部传感器（体内传感器）内部传感器（体内传感器）内部传感器（体内传感器）内部传感器（体内传感器）：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。n n外部传感器（外界传感器）外部传感器（外界传感器）外部传感器（外界传感器）外部传感器（外界传感器）：主要测量外界环境，比如距：主
2、要测量外界环境，比如距离测量，声音，光线。离测量，声音，光线。第3页，讲稿共21张，创作于星期日根据传感器的运行方式，可以分为：根据传感器的运行方式，可以分为：n n被动式传感器：被动式传感器：被动式传感器：被动式传感器：传感器本身不发出能量，比如传感器本身不发出能量，比如CCDCCD，CMOSCMOS摄像头传感器，靠捕获外界光线来获得信息。n n主动式传感器：主动式传感器：主动式传感器：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
3、扰。第4页，讲稿共21张，创作于星期日传感器一般有以下几个指标：n n动态范围n n分辨率分辨率 n n线性度 n n频率 第5页，讲稿共21张，创作于星期日 动态范围：动态范围：是指传感器能检测的范围。比如电流传感器能够是指传感器能检测的范围。比如电流传感器能够测量测量1mA1mA20A20A的电流，那么这个传感器的测量范围就的电流，那么这个传感器的测量范围就是是10log（20/0.001)=43dB.20/0.001)=43dB.如果传感器的输入超出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
4、近距离的物体无法测测量值了。比如超声波传感器对近距离的物体无法测量。量。第6页，讲稿共21张，创作于星期日n n分辨率：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，它的分辨率可能是辨率可能是5mA5mA，也就是说小于，也就是说小于5mA5mA的电流差异，它没法检测出。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。当然越高分辨率的传感器价格就越贵。n n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。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。n n频率：频率：是指传感器的采样速度。比如一个超
5、声波传感器的采样速度为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20HZ20HZ，也就是说每秒钟能扫描，也就是说每秒钟能扫描2020次。次。第7页，讲稿共21张，创作于星期日常用传感器常用传感器n n编码器：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。第8页，讲稿共21张，创作于星期日绝对型编码器绝对型编码器第9页，讲稿共21张，创作于星期日增量型编码器增量型编码器第10页，讲稿共21张，创作于星期日电子罗盘：电子罗盘：电子罗盘：电子罗盘：可以检测机器人与地球南北极之间的角度，从而获可以检测机器人与地球南北极之间的角度，从
6、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。主要有一起使用才能获得比较好的定位效果。主要有hall-effecthall-effect和和flux-gateflux-gate两种：两种：第11页，讲稿共21张，创作于星期日n n陀螺仪：陀螺仪：陀螺仪：陀螺仪：又分机械陀螺仪和光电陀螺仪。可以检测绝对朝向。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
7、最好的光电陀螺仪但是目前价格过高，只在飞机上采用。目前最好的光电陀螺仪能提供能提供100KHz100KHz的采样频率，同时提供的采样频率，同时提供0.0001degress/hr0.0001degress/hr的分辨的分辨率。但是价格也是同样昂贵。率。但是价格也是同样昂贵。第12页，讲稿共21张，创作于星期日n nGPSGPSGPSGPS系统：系统：系统：系统：这个相比不需要太多的解释。这个相比不需要太多的解释。GPSGPS系统分为标准系统分为标准GPSGPS和差和差分分GPSGPS系统。标准系统。标准GPSGPS系统能提供系统能提供15m15m的误差定位，而差分的误差定位，而差分GPSGPS
8、系系统能提供高达统能提供高达1m1m内误差的定位。如果再考虑相位差信号的话，最新内误差的定位。如果再考虑相位差信号的话，最新的的GPSGPS设备能提供精确到设备能提供精确到10cm10cm的定位坐标。的定位坐标。第13页，讲稿共21张，创作于星期日n n超声波传感器：超声波传感器：超声波传感器：超声波传感器：超声波传感器是基于超声波传感器是基于TOFTOF原理。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。算发射时间。TOF TOF 原理就是原理就是 距离速度距离速度时间，比如声波传输速度是时间，比如声波传输速度是0.3m/m
9、s,0.3m/ms,如果如果3m3m的距离，需要的距离，需要10ms10ms才能到达。然后通过计算这个返才能到达。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，光速是回的时间差来确定距离。但是如果是光速的话，光速是0.3m/ns0.3m/ns，同，同样样3m3m的距离，光只要的距离，光只要10ns10ns就到了。这就对检测元件提出了非常就到了。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。高的要求。这也是激光传感器价格居高不下的原因。第14页，讲稿共21张，创作于星期日 一般超声波探测器的频率为一般超声波探测器的频率为40Hz40Hz，探测范围为，探测范围
10、为12cm12cm5m5m，精度为精度为98%-99.1%,98%-99.1%,分辨率为分辨率为2cm2cm。同时超声波是一个。同时超声波是一个20204040度角的度角的面探测，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180180度甚至度甚至360360的探测范围。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，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。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
11、效的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。传感器。第15页，讲稿共21张，创作于星期日n n测距声纳第16页，讲稿共21张，创作于星期日 激光传感器：激光传感器：激光传感器：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。到不同角度得距离值。有有3 3种检测方式：种检测方式：1 1）使用脉冲激光，按一定间隔发射激光，然后计算返回时间。）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
12、声波一样，但是激光速度太快，所以对检测元件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，一般要求太高，一般LaserScannerLaserScanner不用这种方式。不用这种方式。2 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，）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。通过检测返回光束得频率来得到距离。3 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）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。光和反射激光得相位差来得到距离。第17页，讲稿共21张，创作于星期日
13、 多普勒效应传感器：多普勒效应传感器：多普勒效应传感器：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。物。第18页，讲稿共21张，创作于星期日 多普勒原理（多普勒原理（Doppler)Doppler)：假设发射器以频率：假设发射器以频率ftft发射波，接收器发射波，接收器以频率以频率frfr接受波，发射器和接收器之间的相对速度为接受波，发射器和接收器之间的相对速度为v v。如果发射器在移动，则如果发射器在移动，则 fr=ft/(1+v/c)fr=ft/(1+v/c)如果接收器在移动，则如果接收器在移动，则 fr=ft(1+v/c)fr=ft(1+v/c)通过计算多普勒频移来得到相对速度通过计算多普勒频移来得到相对速度v v。f=ft-fr=2*ft*v*cosA/cf=ft-fr=2*ft*v*cosA/c f=f=多普勒频移多普勒频移 A A发射波和运动角度差发射波和运动角度差第19页，讲稿共21张，创作于星期日第20页，讲稿共21张，创作于星期日02.10.2022感感谢谢大大家家观观看看第21页，讲稿共21张，创作于星期日