北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院智能機(jī)器人原理與應(yīng)用“智能檢測技術(shù)與模式識別”研究所北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》第三章

智能機(jī)器人的感知系統(tǒng)

智能機(jī)器人的感知系統(tǒng)相當(dāng)于人的五官和神經(jīng)系統(tǒng)，是機(jī)器人獲取外部環(huán)境信息及進(jìn)行內(nèi)部反饋控制的工具。

感知系統(tǒng)將機(jī)器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自身或者機(jī)器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息甚至知識，它與機(jī)器人控制系統(tǒng)和決策系統(tǒng)組成機(jī)器人的核心。環(huán)境感知是智能機(jī)器人最基本的一種能力,感知能力的高低決定了一個智能機(jī)器人的智能性。機(jī)器人感知系統(tǒng)本質(zhì)是一個傳感器系統(tǒng)。機(jī)器人感知系統(tǒng)的構(gòu)建包括：系統(tǒng)需求分析、環(huán)境建模、傳感器的選擇等。人、機(jī)器人在環(huán)境中的感知行為都可以按照復(fù)雜度分為以下幾個等級：(1)

反射式感知；(2)

信息融合感知；(3)

可學(xué)習(xí)感知；(4)自主認(rèn)知。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)人類具有5種感覺，即視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺。機(jī)器人有類似人一樣的感覺系統(tǒng)，Asimo機(jī)器人的傳感器分布。機(jī)器人則是通過傳感器得到這些信息的，這些信息通過傳感器采集，通過不同的處理方式，可以分成視覺、力覺、觸覺、接近覺等幾個大類。3.1.1

感知系統(tǒng)的組成(1)視覺：獲取信息最直觀的方式，人類75%以上的信息都來自于視覺。視覺一般包括三個過程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。(2)觸覺：觸覺傳感系統(tǒng)不可能實現(xiàn)人體全部的觸覺功能。機(jī)器人觸覺的研究集中在擴(kuò)展機(jī)器人能力所必需的觸覺功能上。一般地，把檢測感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸、壓力、滑覺的傳感器，稱為機(jī)器人觸覺傳感器。(3)聽覺：機(jī)器人擁有聽覺，使得機(jī)器人能夠與人進(jìn)行自然的人機(jī)對話，使得機(jī)器人能夠聽從人的指揮。達(dá)到這一目標(biāo)的決定性技術(shù)是語音技術(shù)，它包括語音識別和合成技術(shù)兩個方面。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3.1.1

感知系統(tǒng)的組成(4)嗅覺：機(jī)器人嗅覺系統(tǒng)通常由交叉敏感的化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R別算法組成，可用于檢測、分析和鑒別各種氣味。(5)味覺：海洋資源勘探機(jī)器人、食品分析機(jī)器人、烹調(diào)機(jī)器人等需要用味覺傳感器進(jìn)行液體成分的分析。(6)接近覺：接近覺傳感器介于觸覺傳感器和視覺傳感器之間,不僅可以測量距離和方位,而且可以融合視覺和觸覺傳感器的信息。接近覺傳感器可以輔助視覺系統(tǒng)的功能,判斷對象物體的方位和外形,同時識別其表面形狀。因此,準(zhǔn)確抓取部件,對機(jī)器人接近覺傳感器的精度要求較高。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1)內(nèi)傳感器

內(nèi)傳感器通常用來確定機(jī)器人在其自身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置,是完成智能機(jī)器人運動所必需的傳感器。下表為內(nèi)傳感器按照檢測內(nèi)容的分類。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布1．內(nèi)傳感器與外傳感器北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)2)外傳感器

外傳感器用于機(jī)器人本身相對其周圍環(huán)境的定位，負(fù)責(zé)檢測距離、接近程度和接觸程度之類的變量，便于機(jī)器人的引導(dǎo)及物體的識別和處理。按照機(jī)器人作業(yè)的內(nèi)容，外傳感器通常安裝在機(jī)器人的頭部、肩部、腕部、臀部、腿部、足部等。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布1．內(nèi)傳感器與外傳感器2．多傳感器信息融合

多傳感器信息融合技術(shù),是通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用,把多個傳感器在時間和空間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合,以獲取被觀測對象的一致性解釋或描述。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為獲取較好的感知效果，移動機(jī)器人的多傳感器有著不同的分布形式：(1)水平靜態(tài)連接：傳感器分布在同一水平面的裝配方式。一般用于多個同一類型傳感器互相配合使用的場合，傳感器具有零自由度。(2)非水平靜態(tài)連接：傳感器不在同一水平面上分布。多種不同類型、不同特點的傳感器常常采用這種方式，傳感器具有零自由度。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布2．多傳感器信息融合(3)水平動態(tài)連接：傳感器分布在同一個水平面,且至少具有一個自由度。一般用于多個同一類型傳感器互相配合的場合。(4)非水平動態(tài)連接：傳感器不在同一水平面分布,且至少具有一個自由度。多種不同類型、不同特點的傳感器常常采用這種方式。(5)動態(tài)與靜態(tài)混合連接：多個傳感器既有靜態(tài)連接又存在動態(tài)連接，是動靜結(jié)合的連接方式。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)是由部屬在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)顯著地擴(kuò)展了智能機(jī)器人的感知空間,提高了智能機(jī)器人的感知能力,為智能機(jī)器人的智能開發(fā)、機(jī)器人間的合作與協(xié)調(diào),以及機(jī)器人應(yīng)用范圍的拓展提供了可能性。另外,由于智能機(jī)器人具有機(jī)動靈活和自治能力強(qiáng)等優(yōu)點,將其作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點,可以方便地改變無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),改善網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性能。因此,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合可以有效地改善和提高系統(tǒng)的整體性能,是智能機(jī)器人與傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量機(jī)器人測距系統(tǒng)主要完成如下功能：(1)

實時地檢測自身所處空間的位置，進(jìn)行自定位；(2)

實時地檢測障礙物的距離和方向，為行動決策提供依據(jù)；(3)

檢測目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)行簡單形體的識別，用于導(dǎo)航及目標(biāo)跟蹤。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量非接觸測定空間距離的方法大體可以按以下幾種角度進(jìn)行分類。(1)根據(jù)測量的介質(zhì),可以分為超聲波傳感器和激光或紅外線等光學(xué)距離傳感器。(2)根據(jù)測量方式,可以分為主動型(向被測對象物體主動照射超聲波或光線)和被動型(不向?qū)ο笪矬w照射光線,僅依據(jù)發(fā)自對象物體的光線)。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量超聲波是頻率高于20KHz的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能。脈沖回波法通過測量超聲波經(jīng)反射到達(dá)接收傳感器的時間和發(fā)射時間之差來實現(xiàn)機(jī)器人與障礙物之間的測距，也叫渡越時間法。該方法簡單實用，應(yīng)用廣泛，其原理如下所示：3.2.1

聲吶測距北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量發(fā)射傳感器向空氣中發(fā)射超聲波脈沖，聲波脈沖遇到被測物體反射回來，由接收傳感器檢測回波信號。若測出第一個回波達(dá)到的時間與發(fā)射脈沖間的時間差為t，即可算得傳感器與反射點間的距離s，即：脈沖回波方法僅需要一個超聲波換能器來完成發(fā)射和接收功能，但同時收發(fā)的測量方式又導(dǎo)致了“死區(qū)”的存在。因為距離太近，傳感器無法分辨發(fā)射波束與反射波束。通常，脈沖回波模式超聲波測距系統(tǒng)不能測量小于幾個厘米的范圍。3.2.1

聲吶測距北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量

紅外輻射俗稱紅外線，是一種不可見光，其波長范圍大致在0.76~1000μm。工程上把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。

紅外傳感系統(tǒng)按照功能能夠分成五類：3.2.2紅外測距(1)

輻射計，用于輻射和光譜測量；(2)

搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運動進(jìn)行跟蹤；(3)

熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；(4)

紅外測距和通信系統(tǒng)；(5)

混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量基本原理

紅外傳感器一般采用反射光強(qiáng)法進(jìn)行測量，即目標(biāo)物對發(fā)光二極管散射光的反射光強(qiáng)度進(jìn)行測量。

紅外傳感器包括一個可以發(fā)射紅外光的固態(tài)二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極管或三極管。當(dāng)光強(qiáng)超過一定程度時光敏三極管就會導(dǎo)通，否則截止。發(fā)光二極管和光敏三極管需匯聚在同一面上，這樣反射光才能被接收器看到。3.2.2紅外測距北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量

掃描運動位于由物體到檢測器和由檢測器到激光發(fā)射器兩直線所確定的平面內(nèi)，檢測器聚焦在表面很小的一個區(qū)域內(nèi)。因為光源與基線之間的角度

β

和光源與檢測器之間的基線距離B已知，可根據(jù)幾何關(guān)系求得3.2.3激光掃描測距1）三角法北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量

如圖所示，波長為

λ

的激光束被一分為二。一束（稱為參考光束）經(jīng)過距離

L

到達(dá)相位測量裝置，另一束經(jīng)過距離d到達(dá)反射表面。反射光束經(jīng)過的總距離為2）相位法3.2.3激光掃描測距北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量

若d=0，此時，d'=L，參考光束和反射光束同時到達(dá)相位測量裝置。若d增大，反射光束與參考光束間將產(chǎn)生相位移

若θ=2kπ，k=0,1,···,n,兩個波形將再次對準(zhǔn)。因此只根據(jù)測得的相位移無法區(qū)別反射光束與發(fā)射參考光束，因此只有要求θ＜360°，才有唯一解，把d'=L+2d代入上式，可得北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量絕對型編碼器能提供運轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)的絕對位置信息，工作原理如圖所示。3.2.4旋轉(zhuǎn)編碼器

圖中示意了從發(fā)光管經(jīng)過分光濾鏡等光學(xué)組件，通過編碼盤的透射光被光學(xué)敏感器件檢測到的原理。1．絕對式編碼器北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量

典型的增量式編碼器由一個紅外對射式光電傳感器和一個由遮光線和空隔構(gòu)成的碼盤組成。當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時，遮光線和空隔能阻攔紅外光束或讓其通過。為計算絕對位置，增量型編碼器通常需要集成一個獨立的通道——索引通道，它可以在每次旋轉(zhuǎn)到定義的零點或原點位置時提供一個脈沖。通過計算來自這個原點的脈沖可以計算出絕對位置。3.2.4旋轉(zhuǎn)編碼器2．增量式編碼器北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量3.2.5旋轉(zhuǎn)電位計

電位計就是帶中心抽頭的可變電阻。旋轉(zhuǎn)電位計通常具有一個軸，軸旋轉(zhuǎn)的時候電位計的抽頭會在電阻絲上移動。電位計帶有3個端子,兩個是電阻的兩端,電阻值固定;另外一個是抽頭輸出端,其與兩端的電阻值隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化。因此可以利用旋轉(zhuǎn)電位計測量轉(zhuǎn)動角度等信息。使用它們作為角位移傳感器的時候要注意兩點：(1)旋轉(zhuǎn)電位計都是采用電阻絲作為傳感元件。屬于接觸式測量，會有磨損，壽命有限，因此不宜用在高速頻繁旋轉(zhuǎn)的場合；(2)由于制造工藝原因，同一型號的多個旋轉(zhuǎn)電位計會有一定誤差。通常這個誤差在5%~10%。因此無法用于高精度的角位移測量。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.3觸覺測量一般認(rèn)為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺、力覺四種，狹義的觸覺是指前3種感知接觸的感覺。觸覺傳感器可以具體分為集中式和分布式（或陣列式）。(1)集中式傳感器：集中式傳感器的特點是功能單一，結(jié)構(gòu)簡單。(2)分布式（陣列式）傳感器：分布式傳感器可以檢測分布在面狀物體上的力或位移。由于輸出的是傳感器面上各個點的信息,因此其結(jié)構(gòu)比集中式傳感器更復(fù)雜。隨著新型敏感壓阻材料CSA(碳?xì)?等的出現(xiàn),更高分辨率的觸覺傳感器成為可能。CSA靈敏度高,具有較強(qiáng)的耐過載能力。缺點是有遲滯,線性差。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺測量通常我們將機(jī)器人的力傳感器分為三類：(1)裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上的力傳感器，稱為關(guān)節(jié)力傳感器。用于控制中的力反饋。(2)裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個關(guān)節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。(3)裝在機(jī)器人手爪指關(guān)節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱為指力傳感器。力覺傳感器是從應(yīng)變來測量力和力矩的，所以如何設(shè)計和制作應(yīng)變部分的形狀，恰如其分地反映力和力矩的真實情況至關(guān)重要。力傳感器的種類繁多,如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺測量1）環(huán)式傳感器圖中所示為美國Draper研究所提出的Waston腕力傳感器環(huán)式豎梁式結(jié)構(gòu)，環(huán)的外側(cè)粘貼測量剪切變形的應(yīng)變片，內(nèi)側(cè)粘貼測量拉伸一壓縮變形的應(yīng)變片。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺測量2）垂直水平梁式傳感器圖中為Dr.R.Seiner公司設(shè)計的垂直水平梁式力覺傳感器。在上下法蘭之間設(shè)計了垂直梁和水平梁，在各個梁上粘貼應(yīng)變片，構(gòu)成力覺傳感器。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺測量3）圓筒式傳感器圖為SRI（StanfordResearchInstitute）研制的六維腕力傳感器，它由一只直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有八個窄長的彈性梁，每個梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺測量4）四根梁式傳感器圖為日本大和制衡株式會社林純一研制的腕力傳感器。它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個應(yīng)變片（圖中以小方塊），組成8路全橋輸出。顯然，六維力（力矩）的獲得需要進(jìn)行解耦運算。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量移動機(jī)器人在行進(jìn)的時候可能會遇到各種地形或者各種障礙。這時即使機(jī)器人的驅(qū)動裝置采用閉環(huán)控制，也會由于輪子打滑等原因造成機(jī)器人偏離設(shè)定的運動軌跡，并且這種偏移是旋轉(zhuǎn)編碼器無法測量到的。這時就必須依靠電子羅盤或角速率陀螺儀來測量這些偏移，并進(jìn)行必要的修正，以保證機(jī)器人行走的方向不會偏離。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量指南針就是一種機(jī)械式磁羅盤。早期的磁羅盤將磁針懸浮于水面或者懸置于空中來獲取航向?，F(xiàn)在的機(jī)械式磁羅盤系統(tǒng)將環(huán)形磁鐵或者一對磁棒安裝于云母刻度盤上，并將其懸浮于裝有水與酒精或者甘油混合液的密閉容器中。3.5.1

磁羅盤磁通門羅盤是在磁通門場強(qiáng)計的原理上研制出來的。它除了可應(yīng)用在陸地的各種載體上之外，還廣泛地應(yīng)用在飛行體、艦船和潛水設(shè)備的導(dǎo)航與控制上。其主要優(yōu)點是靈敏度高、可靠性好、體積小和啟動快。1．機(jī)械式磁羅盤2．磁通門羅盤磁羅盤是一種基于磁場理論的絕對方位感知傳感器。借助于磁羅盤,機(jī)器人可以確定自己相應(yīng)于地磁場方向的偏轉(zhuǎn)角度。常用的磁羅盤包括機(jī)械式磁羅盤、磁通門羅盤、霍爾效應(yīng)羅盤、磁阻式羅盤。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量當(dāng)在矩形霍爾元件中通以如圖中所示的電流

I，并外加磁場

B，磁場方向垂直于霍爾元件所在平面時，霍爾元件中的載流子在洛侖茲力的作用下運動將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在霍爾元件上下邊緣出現(xiàn)電荷積聚，產(chǎn)生一電場，該電場稱為霍爾電場。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時霍爾電場和磁場對載流子的作用互相抵消，載流子恢復(fù)初始的運動方向，從而使霍爾元件上下邊緣產(chǎn)生電壓差，稱為霍爾電壓。3.5.1

磁羅盤3．霍爾效應(yīng)羅盤北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量霍爾電壓可根據(jù)如公式近似計算

μH——比例常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)B——磁場強(qiáng)度；I——電流強(qiáng)度。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量磁阻式羅盤是利用磁阻元件制作而成的羅盤。磁阻元件可以分為各向異性磁阻元件和巨磁阻元件。這類傳感器利用的是一種鎳鐵合金材料的磁阻效應(yīng)工作的，給鎳鐵合金制成的薄片通上電流，磁場垂直于該薄片的分量將改變薄片的磁極化方向，從而改變薄片的電阻。這種合金電阻的變化就叫做磁阻效應(yīng)，并且這種效應(yīng)直接與電流方向和磁化矢量之間的夾角有關(guān)。這種電阻變化可由惠斯通電橋測得。3.5.1

磁羅盤4．磁阻式羅盤北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量電子羅盤(數(shù)字羅盤、電子指南針、數(shù)字指南針)是測量方位角(航向角)比較經(jīng)濟(jì)的一種電子儀器。

(1)雙軸磁傳感器系統(tǒng)：由兩個磁傳感器垂直安裝于同一平面組成，測量時必需持平，適用于手持、低精度設(shè)備。

(2)三軸磁傳感器雙軸傾角傳感器系統(tǒng)：由三個磁傳感器構(gòu)成X、Y、Z軸磁系統(tǒng)，加上雙軸傾角傳感器進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，同時除了測量航向還可以測量系統(tǒng)的俯仰角和橫滾角。(3)

三軸磁傳感器三軸傾角傳感器系統(tǒng)：由三個磁傳感器構(gòu)成X、Y、Z軸磁系統(tǒng)，加上三軸傾角傳感器（加速度傳感器）進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，同時除了測量航向，還可以測量系統(tǒng)的俯仰角和橫滾角。3.5.1

磁羅盤4．電子羅盤系統(tǒng)實例

電子羅盤有以下幾種傳感器組合：北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量

商用的電子羅盤傳感器精度通常為0.5°或者更差。如果機(jī)器人的運動距離較長,0.5°的航向偏差可能導(dǎo)致機(jī)器人運動的線位移偏離值不可接受。而陀螺儀可以提供極高精度(16位精度,甚至更高)的角速率信息,通過積分運算可以在一定程度上彌補(bǔ)電子羅盤的誤差。角速度陀螺儀就是能夠檢測重力方向或姿態(tài)角變化(角速度)的傳感器,根據(jù)檢測原理可以將其分為陀螺式和垂直振子式等。3.5.2角速度陀螺儀北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量

繞一個支點高速轉(zhuǎn)動的剛體稱為陀螺。在一定的初始條件和一定的外力矩在作用下，陀螺會在不停自轉(zhuǎn)的同時，還繞著另一個固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進(jìn)，又稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)。陀螺傳感器檢測隨物體轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的角速度它可以用于移動機(jī)器人的姿態(tài)，以及轉(zhuǎn)軸不固定的轉(zhuǎn)動物體的角速度檢測。陀螺式傳感器大體上有速率陀螺儀、位移陀螺儀、方向陀螺儀等幾種，在機(jī)器人領(lǐng)域中大都使用速率陀螺儀(rategyroscope)。3.5.2角速度陀螺儀1.陀螺式北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量

(1)振動陀螺儀：振動陀螺儀是指給振動中的物體施加恒定的轉(zhuǎn)速，利用哥氏力作用于物體的現(xiàn)象來檢測轉(zhuǎn)速的傳感器。

3.5.2角速度陀螺儀1.陀螺式根據(jù)具體的檢測方法，又可以將其分為振動型、光纖型、機(jī)械轉(zhuǎn)動型等。

(2)光纖陀螺儀：光纖陀螺儀的工作原理是基于Sagnac效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度姿態(tài)測量。在圖3.24所示的環(huán)狀光通路中，來自光源的光經(jīng)過光束分離器被分成兩束，在同一個環(huán)狀光路中，一束向左轉(zhuǎn)動，另一束向右轉(zhuǎn)動進(jìn)行傳播。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量

圖3.26是垂直振子式伺服傾斜角傳感器的原理。振子由撓性膜片支撐,即使傳感器處于傾斜狀態(tài),振子也能保持鉛直姿態(tài),為此振子將離開平衡位置。通過檢測振子是否偏離了平衡點,或者檢測由偏離角函數(shù)(通常是正弦函數(shù))給出的信號,就可以求出輸入傾斜角度。該裝置的缺點是,如果允許振子自由擺動,由于容器的空間有限,因此不能進(jìn)行與傾斜角度對應(yīng)的檢測。3.5.2角速度陀螺儀2.垂直振子式北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量

為抑制振動，有時在機(jī)器人的各個構(gòu)件上安裝加速度傳感器測量振動加速度，并把它反饋到構(gòu)件底部的驅(qū)動器上。有時把加速度傳感器安裝在機(jī)器人的手爪部位，將測得的加速度進(jìn)行數(shù)值積分，然后加到反饋環(huán)節(jié)中，以改善機(jī)器人的性能。3.5.3加速度計

對于不存在對稱中心的異極晶體加在晶體上的外力除了使晶體發(fā)生形變以外，還將改變晶體的極化狀態(tài)，在晶體內(nèi)部建立電場，這種由于機(jī)械力作用使介質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)

。壓電加速度傳感器利用具有壓電效應(yīng)的材料，它在受到外力時發(fā)生機(jī)械形變，并將產(chǎn)生加速度的力轉(zhuǎn)換為電壓（反之，若外加電壓也能產(chǎn)生機(jī)械變形）。壓電元件大多數(shù)由高介電系數(shù)的鈦（鋯）酸鉛(Pb(Ti，Zr)O3)系材料制成。壓電加速度傳感器北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量

“姿態(tài)/航向測量單元”簡稱AHRS，是一種集成了多軸加速度計、多軸陀螺儀以及電子磁羅盤等傳感器的智能傳感單元。AHRS依靠這些傳感器的數(shù)據(jù)，通過捷聯(lián)航姿解算，可以以50-200Hz的速率輸出實時測量的XYZ三軸的加速度、角速率，以及航向角、滾轉(zhuǎn)角和俯仰角。

具備AHRS的機(jī)器人可以實時地知道自己的姿態(tài)和航向，也可以獲得實時的角速率、加速度等信息，這對于機(jī)器人的運動控制、時空認(rèn)知有很大的意義。3.5.4姿態(tài)/航向測量單元北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.6視覺測量

視覺測量在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用也很廣泛。如圖所示，視覺傳感器它可以分為被動傳感器（用攝像機(jī)等對目標(biāo)物體進(jìn)行攝影，獲得圖像信號）和主動傳感器（借助于發(fā)射裝置向目標(biāo)物體投射光圖像，再接收返回信號，測量距離）兩大類。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.6視覺測量3.6.1被動視覺測量1.單眼視覺

一種方法是測量視野內(nèi)各點在透鏡聚焦的位置，以推算出透鏡和物體之間的距離；另一種方法是移動攝像機(jī)，拍攝到對象物體的多個圖像，求出各個點的移動量再設(shè)法復(fù)原形狀。2.立體視覺

雙眼立體視覺是被動視覺傳感器中最常用的方式。已知兩個攝像機(jī)的相對關(guān)系，基于三角測量原理可計算出的三維位置。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.6視覺測量3.6.2主動視覺測量1.光切斷法

光切斷法把雙眼立體視覺中的一個攝像機(jī)替換為狹縫投光光源的方法。原理如圖所示，從水平掃描狹縫光可得到的鏡面角度和圖像提取的狹縫像的位置關(guān)系，按照與立體視覺相同的三角測量原理就可以計算和測量出視野內(nèi)各個點的距離。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.6視覺測量2.空間編碼測距

空間編碼測距儀要在光切斷法中獲得整個畫面的距離分布信息,必須取得多幅狹縫圖像,這樣相當(dāng)花費時間。要解決這個問題,可以將其改進(jìn)為多個狹縫光線同時投光,不過此時需要對圖像中的多個狹縫圖像加以識別。這可以使用給各個狹縫編排適當(dāng)?shù)拇aID,把多條狹縫光線隨機(jī)切斷后再投光的方法,以及利用顏色信息來識別多個狹縫的方法。3.6.2主動視覺測量北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.6視覺測量3.莫爾條紋法

莫爾條紋法（Moirefringe)就是投射多個狹縫形成的條紋，然后在另一個位置上透過同樣形狀的條紋進(jìn)行觀察，通過對條紋間隔或圖像中條紋的傾斜等進(jìn)行分析，可以復(fù)原物體表面的凹凸形狀。4.激光測距法

激光測距法是一種投射激光等高定向性光線，然后通過接收返回光線，測量距離的方式。其中，有計算從光線發(fā)送到返回的飛行時間的方法和投射調(diào)制光線通過測量接收光線的相位偏差來推算距離的方法等。3.6.2主動視覺測量北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.6視覺測量3.6.3視覺傳感器

視覺傳感器將圖像傳感器、數(shù)字處理器、通訊模塊和I/O控制單元到一個單一的相機(jī)內(nèi)，獨立地完成預(yù)先設(shè)定的圖像處理和分析任務(wù)。視覺傳感器通常是一個攝像機(jī)，有的還包括云臺等輔助設(shè)施。1.兩自由度攝像云臺

自主移動機(jī)器人采用攝像機(jī)作為視覺傳感器。但是普通的攝像機(jī)無法同時覆蓋機(jī)器人四周的環(huán)境，一種解決辦法是采用2自由度云臺，利用云臺的旋轉(zhuǎn)、俯仰來獲得更大的視角范圍；但是這種方式也有響應(yīng)速度慢、無法實時做到360度全方位監(jiān)視等問題，并且機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件在機(jī)器人運動時會產(chǎn)生抖動造成圖像質(zhì)量下降、圖像處理難度增加。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.6視覺測量2.全景攝像機(jī)

全景攝像機(jī)是一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的攝像機(jī)。它的CCD傳感器部分與普通攝像機(jī)沒有什么區(qū)別，但是配備了一個特殊的鏡頭，因此可以得到鏡頭四周360度的環(huán)形圖像（圖像有一定畸變）。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件展平后即可得到正常比例的圖像。攝像機(jī)和其環(huán)形圖像的示例，如圖所示。3.6.3視覺傳感器北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.7其他傳感器3.7.1溫度傳感器

溫度傳感器被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域,數(shù)量高居各種傳感器之首。

近百年來,溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下3個階段:(1)傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件);(2)模擬集成溫度傳感器/控制器;(3)智能溫度傳感器。

智能溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。因此,它適配各種微控制器,構(gòu)成智能化溫控系統(tǒng),也可脫離微控制器單獨工作,自行構(gòu)成一個溫控儀。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.7其他傳感器3.7.2聽覺傳感器1.語音傳感器

語音屬于20Hz-20kHz的疏密波。語音傳感器是機(jī)器人和操作人員之間的重要接口，它可以使機(jī)器人按照“語言”執(zhí)行命令，進(jìn)行操作。在應(yīng)用語音感覺之前必須經(jīng)過語音合成和語音識別。

機(jī)器人上最常用的語音傳感器就是麥克風(fēng)。常見的麥克風(fēng)包括動圈式麥克風(fēng)、MEMS麥克風(fēng)和駐極體電容麥克風(fēng)。2.聲音傳感器

聲波及超聲波雖然傳播的速度比較慢（在20℃空氣中為334m/s)，但由于其容易產(chǎn)生和檢測。除特殊情況外，聲音傳感器均采用超聲波頻域（從可聽頻率的上限到300kHz，個別的可達(dá)數(shù)兆赫茲。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.7其他傳感器3.7.3顏色傳感器(1)基于視覺傳感器的顏色傳感器：彩色攝像機(jī)采集顏色，并通過高速數(shù)字信號處理器的運算可以獲得顏色信息。

(2)基于普通光電開關(guān)的顏色傳感器：反射式光電開關(guān)的有效感應(yīng)距離是與反射面的反射率有關(guān)系的。只要在光電開關(guān)的光敏元件處加裝一個特定顏色的濾色鏡，相當(dāng)于選擇性地降低了其他顏色光的反射率，即可在特定距離下實現(xiàn)對顏色的檢測。顏色傳感器分為視覺傳感器與反射式光電開關(guān)兩類。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.7其他傳感器3.7.4氣體傳感器機(jī)器嗅覺是一種模擬生物嗅覺工作原理的新穎仿生檢測技術(shù)，機(jī)器嗅覺系統(tǒng)通常由交叉敏感的化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)挠嬎銠C(jī)模式識別算法組成，可用于檢測、分析和鑒別各種氣味。

按照檢測原理的不同，主要分為以下幾類：（1）金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器；（2）催化燃燒式傳感器；（3）定電位電解式氣體傳感器；（4）隔膜迦伐尼電池式氧氣傳感器；（5）紅外式傳感器；（6）PID光離子化氣體傳感器。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.7其他傳感器3.7.5味覺傳感器目前已經(jīng)開發(fā)了很多種味覺傳感器，用于液體成分的分析和味覺的調(diào)理。這些傳感器通常使用了下列元件。（1）離子電極傳感器（兩種液體位于某一膜的兩側(cè)，檢測所產(chǎn)生的電位差）；（2）離子感應(yīng)型FET（在柵極上面覆蓋離子感應(yīng)膜，靠濃度檢測漏電流）；（3）電導(dǎo)率傳感器（檢測液體的電導(dǎo)率）；（4）pH傳感器（檢測液體的pH)；（5）生物傳感器（提取與特定分子反應(yīng)的生物體功能，固定后用于傳感器）。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.7其他傳感器3.7.6全球定位系統(tǒng)1.GPSGPS定位的方法很多，常見的有偽距定位法、多普勒定位法、載波相位定位法等。后面兩種定位方法雖然精度比較高，但是其成本造價要高很多，所以，在導(dǎo)航型GPS接收機(jī)中，多采用偽距定位法。偽距定位測量是基于到達(dá)時間（TOA）測距原理。從已知位置上的衛(wèi)星發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號到達(dá)地面用戶接收機(jī)所需的時間間隔乘以信號的傳播速度，可以得到發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的距離。如果接收機(jī)接收到多個發(fā)射機(jī)的信號，便可以輕易測算出接收機(jī)的位置。北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.7其他傳感器3.7.6全球定位系統(tǒng)