12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器12.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器12.3傳感器智能化技術(shù)與智能傳感器12.4機器人傳感及臨場感技術(shù)12.5多傳感器信息融合技術(shù)12.6傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)《傳感器技術(shù)》課程

主講人：宋愛國

第12章傳感器新技術(shù)研究趨勢：開發(fā)和利用新材料發(fā)現(xiàn)和利用新現(xiàn)象、新效應(yīng)微機械加工技術(shù)的大量應(yīng)用微型化集成化低功耗、無源化數(shù)字化智能化特點：12.1.1傳感器集成化的途徑§12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器集成傳感器的定義一集成傳感器(IntegratedSensor)就是用標準的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)把傳感器和接口電路及信號處理電路制作在同一芯片上或封裝在同一管殼內(nèi)。圖中是浮式集成傳感器（FMT），在手術(shù)中被直接連接到聽骨鏈上，并放大聽骨鏈的自然振動。由于FMT非常小，它對聽骨鏈沒有負擔。這種獨特的設(shè)計給患者帶來很大好處?！?2.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器

傳感器集成化的含義二含義一：將傳感器與其后級的放大電路、運算電路、溫度補償電路等集成在同一芯片上。具有體積小、反應(yīng)快、抗干擾、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。含義二:將多個相同的敏感元件或各種不同的敏感元件集成在同一芯片上。圖中是HK-2000B集成化脈搏傳感器，集成了程控放大電路、基線調(diào)整電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、串行通信電路，使用戶使用更方便、快捷?！?2.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器

傳感器集成的主要方法三傳感器與各種調(diào)節(jié)和補償電路的集成傳感器與信號放大和阻抗變換電路的集成傳感器與信號數(shù)字化電路的集成多傳感器的集成傳感器與信號發(fā)送接收電路的集成（1）傳感器與各種調(diào)節(jié)和補償電路的集成

把電源電壓穩(wěn)定電路和傳感器集成在一起，不僅降低了傳感器對外部電源的要求，方便使用，而且輸出信號的穩(wěn)定性也得到了改善。由于傳感器特別是半導(dǎo)體傳感器對溫度的靈敏性一般比較高，因此良好的溫度補償更具有重要的意義。對于分立元件式傳感器的情況，溫度補償是通過外部感溫元件構(gòu)成溫度補償電路實現(xiàn)的，但由于傳感器的實際溫度和外部感溫元件不完全一致，因此難以達到預(yù)期的補償效果。如果將溫度補償電路與傳感元件集成在同一芯片上，那么補償電路就能很好地感知傳感元件的溫度，取得較好的補償效果。返回§12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器（2）傳感器與信號放大和阻抗變換電路的集成

把信號放大電路和阻抗變換電路與傳感元件集成在一起，可以顯著改善信號的信噪比，抑制外來干擾的影響。傳輸線往往是干擾噪聲的一個主要來源，在傳感器輸出信號弱和傳感器輸出阻抗高的情況下，傳輸線上的干擾噪聲會對信號產(chǎn)生很大的影響，并且這種干擾噪聲與信號將同時被后級放大電路所放大。而在集成傳感器中，由于傳感元件和放大器、阻抗變換電路集成在一起，傳感元件產(chǎn)生的信號經(jīng)放大和阻抗變換后再經(jīng)過傳輸線饋送到后面的信息處理電路作進一步處理，因此，傳輸線上的干擾影響被大大削弱，而且沒有得到放大。返回§12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器（3）傳感器與信號數(shù)字化電路的集成

提高抗干擾能力的另一有效措施是將模擬信號變換成數(shù)字信號。常用的方法是在芯片上先把模擬信號變換成一定頻率的交變信號，再把交變信號變成數(shù)字信號。各種電流控制振蕩器和電壓控制放大器都可用于此目的。為了適應(yīng)控制系統(tǒng)的要求，也常把傳感器的輸出變換成為開—關(guān)兩種狀態(tài)的輸出以實現(xiàn)控制。當被測信號強度高于某一閾值時，輸出從一個狀態(tài)變換到另一個狀態(tài)。為了克服被測信號在閾值附近受干擾而影響輸出狀態(tài)，通常把一個施密特觸發(fā)器和開關(guān)電路集成在一起。返回§12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器（4）多傳感器的集成

利用集成技術(shù)還可以把多個相同類型的傳感器或多個不同類型的傳感器集成在一起。將多個相同類型的傳感器集成在一起就可通過對各個傳感器的測量結(jié)果進行比較，去除性能異?；蚴骷臏y量結(jié)果?？梢詫φ９ぷ髌骷臏y量結(jié)果求平均值以改善測量精度。將多個功能不同的傳感器集成在一起，就可以同時進行多個參數(shù)的測量。還可以對這些參數(shù)的測量結(jié)果進行綜合處理，得出一個反映被測系統(tǒng)的整體狀態(tài)的參數(shù)。例如，通過對內(nèi)燃機的壓力、溫度、排氣成分、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測量，經(jīng)過分析處理可得出內(nèi)燃機燃燒完全程度的綜合參數(shù)。返回§12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器（5）傳感器與信號發(fā)送接收電路的集成

在一些應(yīng)用中，傳感器需要安裝在運動的部件上，或安放在有危險的封閉環(huán)境中，或放置在被測試的生物體內(nèi)，這時測得的信號需要通過無線電波或光信號的形式傳送出來。在這種情況下，若將信號發(fā)送電路和傳感器集成在一起，那么測量系統(tǒng)的重量可以大大減輕，尺寸可以減小，給測量帶來很多方便。另外，如把傳感器與射頻信號接收電路以及一些控制電路集成在一起，那么傳感器可以接受外部控制信號而改變測量方式和測量周期，甚至關(guān)閉電源以減少功率消耗等。返回§12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器12.1.2幾種集成傳感器原理§12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器幾種集成傳感器一12.1.2幾種集成傳感器原理集成色敏傳感器集成壓力傳感器集成霍爾傳感器集成氣敏傳感器12.1.2幾種集成傳感器原理§12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器帶溫度補償?shù)募蓧毫鞲衅鞫?/p>

圖中R5、R6和晶體管T構(gòu)成溫度補償電路，用作全橋的供電電源。當晶體管T的基極電流比流過R5

、R6的電流小得多時，晶體管集電極到發(fā)射極的電壓降Vce為：

于是力敏電阻電橋的實際供電電壓為：

溫度升高時，Vbe下降，引起Vce降，使VB升高。這就補償了壓阻靈敏度隨溫度升高而下降造成的誤差：§12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器頻率輸出型集成壓力傳感器三如圖，R1~R4是構(gòu)成全橋的四個力敏電阻。電橋的輸出電壓經(jīng)T1~T6變換成電流信號。T6的輸出電流和電容C決定了最后部分施密特觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換頻率，從而實現(xiàn)了將電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號。該傳感器的靜態(tài)輸出頻率約1.5MHz，壓力靈敏度約為12Hz／Pa，量程為0~33kPa?！?2.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器霍爾集成傳感器四霍爾集成傳感器分為開關(guān)型和模擬型。開關(guān)型由四部分組成：一是霍爾元件H為敏感部件。二是差分放大器，由T1、T2晶體管及有關(guān)元件構(gòu)成，對輸出的霍爾電壓進行放大。三是施密特觸發(fā)器由T3、T4組成。若霍爾元件有輸出，R6中有電流流過，T5~T7導(dǎo)通，輸出為低電平；若霍爾元件無輸出，R6中無電流流過，T5~T7截止，輸出高電平。四是由T7組成的輸出器，根據(jù)T5、T6的導(dǎo)通與否，分別輸出低電平和高電平?！?2.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器半導(dǎo)體集成色敏傳感器五半導(dǎo)體色敏傳感器是利用兩只光電二極管的輸出電流對數(shù)差與波長的對應(yīng)關(guān)系來確定入射光的波長。將色敏感部分與運算電路部分集成在同一塊硅片上就可以構(gòu)成半導(dǎo)體集成色敏傳感器。圖中虛線框內(nèi)是色敏傳感部分。§12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器多維化集成氣敏傳感器六對某一類氣體，假設(shè)它含有i種組分，根據(jù)各組分的比例，就能得到一組從S1到Sn的信號譜。譜的特征代表這類氣體，譜的強度代表氣體的濃度。利用具有模式識別功能的電路就有可以準確地檢測被測氣體的組成和濃度。12.1.3典型集成溫度傳感器實例§12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器集成溫度傳感器的分類一電流型集成溫度傳感器輸出電流與溫度成比例的電流源。在一定溫度下，它相當于一個恒流源，因此，它不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾，具有很好的線性特性。典型代表是AD590。電壓型集成溫度傳感器其特點是直接輸出電壓,輸出電壓只隨溫度變化,且輸出阻抗低,易于和控制電路接口?！?2.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器高精度攝氏溫度計二AD590用作攝氏溫度計可以對零點和溫標系數(shù)獨立進行調(diào)整，因此可以構(gòu)成一個高精度的攝氏溫度計。在0℃時，It為273.2μA，通過調(diào)節(jié)電阻R2，使這時的輸出為0。在溫度不等于0℃時，It與流過R1的電流不平衡，使運放的輸出電壓Vo升高，有一部分電流從Vo流過R2來補充It的電流。§12.1傳感器集成化技術(shù)與集成傳感器溫差的測量三AD590型集成溫度傳感器在測量兩點溫度差時也十分方便。圖中是一種最簡單的測溫電路。兩個傳感器處在兩個不同的溫度環(huán)境中，因此產(chǎn)生不同的電流I１和I２，這兩支電流的差值流經(jīng)一個微安表，因此微安表的讀數(shù)就表示了兩點的溫度差。12.２.１概述§12.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器基本概念一微電子機械系統(tǒng)簡稱MEMS(Micro－Electro－Mechanical

Systems)

MEMS技術(shù)是指可批量制作的，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路，包括接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)?！?2.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器將機械系統(tǒng)與傳感器電路制作于同一芯片上構(gòu)成一體化的微電子機械系統(tǒng)的技術(shù)，稱為MEMS加工技術(shù)。利用MEMS加工技術(shù)制備的傳感器稱為MEMS傳感器(或微型傳感器)。幾種MEMS傳感器二微流體傳感器微電子傳感器振動傳感器壓力傳感器§12.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器MEMS傳感器的優(yōu)點三可以極大地提高傳感器性能具有陣列性具有良好的兼容性可以批量生產(chǎn)，成本低廉§12.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器12.２.２典型的MEMS傳感器§12.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器微機械加速度傳感器微機械角速度傳感器微型壓力傳感器§12.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器力平衡式硅微加速度傳感器一工作原理如圖所示，將懸臂梁支撐的慣性質(zhì)量塊作為可動極板，并與其上下各一個固定極板，構(gòu)成兩個電容?？蓜訕O板的位置可通過測量這兩個電容的差來確定?！?2.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器將UE與UE’加到可動電極和兩個固定電極上，通過改變脈沖寬度控制作用在可動極板上的靜電力。利用脈沖寬度調(diào)制器和電容測量相結(jié)合使可動極板精確地保持在中間位置。采用這種脈沖寬度調(diào)制靜電伺服技術(shù)，脈沖寬度與被測加速度成正比，實現(xiàn)通過脈沖寬度來測量加速度。特點是能夠測量低頻微弱加速度。§12.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器硅微諧振式加速度傳感器二獨特優(yōu)點：制造難點：它的準數(shù)字量輸出可直接用于復(fù)雜的數(shù)字電路而避免了其他類型傳感器在信號傳遞方面的諸多不便。硅諧振子的材料質(zhì)量和制作質(zhì)量一定要得到保證。要有足夠高精度的數(shù)字信號處理電路來監(jiān)測輸出頻率信號的微弱變化。單邊支撐梁的懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)點：高靈敏度缺點：固有頻率低，頻響范圍窄，且存在很大的橫向靈敏度硅微諧振式加速度傳感器的三種結(jié)構(gòu)三§12.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器同時具有支撐梁和諧振梁的對稱懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)點：滿足方向性較高的要求，提供工藝兼容的便利條件§12.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器只具有諧振梁的對稱懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)點：四條諧振梁同時用作支撐作用而省去原來的支撐梁，從而增加了檢測的靈敏度§12.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器微機械角速度傳感器四微機械陀螺有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)、音叉結(jié)構(gòu)等，其工作原理基于哥氏效應(yīng)。諧振式微機械陀螺由固定在基底上的靜止驅(qū)動器、質(zhì)量塊和2個雙端音叉諧振器(DETF)組成。質(zhì)量塊通過4個支承梁固定在基底上?！?2.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器當在靜止驅(qū)動器上加上驅(qū)動電壓時，質(zhì)量塊的內(nèi)部動齒框架作沿著ｙ軸方向的振蕩運動。如果一個外部的繞z軸的轉(zhuǎn)動(輸入信號Ω)作用到芯片上，質(zhì)量塊產(chǎn)生沿ｘ軸方向的哥氏力，且通過內(nèi)支承梁轉(zhuǎn)移到外框架上，外框架由兩對支承梁固定并可沿ｘ軸方向運動，通過兩對杠桿這個力被放大并傳遞到外框架兩邊的兩個雙端音叉諧振器(DETF)上。DETF上輸出信號頻率的變化就反映了輸入角速率的變化。§12.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器微型壓力傳感器五結(jié)構(gòu)組成：核心部分由4mm×4mm的感壓硅膜片和在其上面“一中一邊”制作的2個H型兩端固支的諧振梁構(gòu)成。兩諧振梁被封閉在真空腔內(nèi)，既不與被測介質(zhì)接觸，又確保振動時不受空氣阻尼的影響?！?2.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器硅梁振動信號的激勵與拾取采用電磁方式，永磁鐵的磁場和通過激勵線圈A的交變電源共同激發(fā)硅梁在基頻上振動，并由拾振線圈B感應(yīng)，送人自動增益控制放大器(AGC)，一方面輸出頻率，另一方面將交流電流信號反饋給激振線圈A，從而形成正反饋閉環(huán)自激系統(tǒng)，以維持諧振梁的連續(xù)等幅振動。當被測壓力ｐ輸入膜片空腔時，膜片產(chǎn)生變形。膜片中心處受拉力，邊緣處受壓力，使兩個諧振梁分別感應(yīng)不同的應(yīng)力作用，致使中心處諧振梁的振頻增加，邊緣處諧振梁的振頻下降，利用頻率差的方法測量壓力。§12.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器微型電場傳感器六結(jié)構(gòu)組成：傳感器由振動和感應(yīng)兩大部分組成。振動部分的核心是振動膜，由氮化硅薄膜制備，可以在圖示的垂直方向上振動。感應(yīng)電極、屏蔽電極和激振電極對由分別生長在振動膜和感應(yīng)部分上的金屬電極構(gòu)成。屏蔽電極接地，其上有孔形陣列?！?2.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器工作原理：激振電極對連接交流電壓源，通過兩個電極間的庫侖力作用引起振動膜垂直振動。調(diào)節(jié)交流電壓頻率，使振動膜在諧振點附近達到預(yù)定的振幅。此時感應(yīng)電極接受經(jīng)過屏蔽電極周期性屏蔽的電場，產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)前置放大后接外部檢測電路。優(yōu)點：彌補了一般電場傳感器體積大、能耗高的缺點?！?2.2微電子機械系統(tǒng)技術(shù)及傳感器§12.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器基本概念一12.３.１智能式傳感器的構(gòu)成和特點定義：智能式傳感器就是一種以微處理器為核心單元的，具有檢測、判斷和信息處理等功能的傳感器。形式：智能式傳感器包括傳感器智能化和智能傳感器兩種主要形式。傳感器智能化：用微處理器或微型計算機系統(tǒng)來擴展和提高傳統(tǒng)傳感器的功能，傳感器與微處理器可為兩個分立的功能單元。智能傳感器：借助于半導(dǎo)體技術(shù)將傳感器部分與信號放大調(diào)理電路、接口電路和微處理器等制作在同一塊芯片上，即形成大規(guī)模集成電路的智能傳感器。§12.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器智能傳感器二優(yōu)點：多功能、可靠性好、一體化、集成度高、體積小、適宜大批量生產(chǎn)、使用方便、性能價格比高OmronZX-T智能傳感器高精度接觸型位移傳感器OmronZX-L智能傳感器激光型位移傳感器§12.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器智能式傳感器結(jié)構(gòu)三智能式傳感器是一個典型的以微處理器為核心的計算機檢測系統(tǒng)。它一般由圖中所示的幾個部分構(gòu)成。§12.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器硬件設(shè)計一12.３.2傳感器智能化設(shè)計1、微處理器系統(tǒng)的設(shè)計硬件設(shè)計包括2、信號調(diào)理電路的設(shè)計3、A/D、D/A的設(shè)計（1）微處理器系統(tǒng)的設(shè)計微處理器系統(tǒng)是智能式傳感器的核心。微處理器的選擇主要根據(jù)以下幾點來確定：任務(wù)即智能式傳感器中的微處理器是用于數(shù)據(jù)處理還是僅僅起控制作用。字長字長較長，就能處理較寬范圍內(nèi)的算術(shù)值。處理速度如果傳感器用于動態(tài)測試，則微處理器的處理速度不能低于傳感器的動態(tài)范圍，如果是用于靜態(tài)測試，則微處理器的處理速度可降低要求。功耗在智能式傳感器設(shè)計中，功耗也是一個值得注意的問題?！?2.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器（2）信號調(diào)理電路的設(shè)計信號調(diào)理電路的作用：一方面是將微弱的低電平信號放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器所要求的信號電平，另一方面是抑制干擾、降低噪聲，保證信號檢測的精度。信號調(diào)理電路主要包括低通濾波器和性能指標較好的電壓放大器。濾波器的分類：有源和無源。無源濾波器的特點：結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但是體積大、精度低、調(diào)整困難。有源濾波器的特點：體積小、重量輕、輸入阻抗高而輸出阻抗低的優(yōu)點，但需提供正負電源，成本較高?！?2.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器（3）A/D、D/A的設(shè)計A/D的作用：將傳感器輸出的模擬電壓信號成比例地轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)字信號再傳遞給微處理器。選擇A/D應(yīng)考慮的性能指標：①分辨率；②轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換頻率；③穩(wěn)定性和抗干擾能力。D/A的作用：當需要傳感器的輸出起控制作用時，數(shù)模轉(zhuǎn)換器又將微處理器處理后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量信號。選擇D/A應(yīng)考慮的性能指標：①分辨率；②轉(zhuǎn)換時間；③精度?！?2.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器§12.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器軟件設(shè)計與數(shù)據(jù)處理方法二1、算術(shù)和邏輯運算2、檢索與分類軟件設(shè)計主要完成3、非線性特征的校正4、誤差的自動校準及自診斷5、數(shù)字濾波在此主要針對后3種功能的介紹

非線性特征的校正非線性特征校正可以采用校正函數(shù)法、曲線擬合法、分段線性化與線性插值法進行校正。校正函數(shù)假設(shè)傳感器的輸出為y，輸入為x，y=f(x)存在非線性，現(xiàn)計算下列函數(shù)使R與x之間保持線性關(guān)系，則函數(shù)g(y)便是校正函數(shù)§12.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器曲線擬合發(fā)校正曲線擬合的理論表明：某些自變量x與因變量y之間的單值非線性關(guān)系，可以用自變量x的高次多項式來逼近其中a0，a1，a2，…，an

是待求的擬合系數(shù)，可以利用最小二乘法得到求解擬合系數(shù)的方程組

非線性特征的校正§12.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器分段線性化與線性插值對于一個已知函數(shù)，y=f(x)的曲線，可按一定的要求將它分成若干小段，每個分段曲線用其端點連成的直線段來代替，這樣就可在分段范圍內(nèi)用直線方程來代替曲線，從而簡化計算。在任一個分段如(xi,xi+1)中，對于xi+1>x>xi的一切點，它們的值可利用下面的直線方程計算

非線性特征的校正§12.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器

誤差的自動校準及自診斷誤差的自動校準自動校準的基本思想是儀器在開機后或每隔一段時間自動測量基準參數(shù)，如數(shù)字電壓表中的基準電壓或地電位等，然后計算誤差模型，獲得并存儲誤差因子。在正式測量時，根據(jù)測量結(jié)果和誤差因子，計算校準方程，從而消除誤差。自診斷程序步驟一種是設(shè)立獨立的“自檢”功能，在操作人員按下“自檢”按鍵時，系統(tǒng)將照事先設(shè)計的程序，完成一個循環(huán)的自檢，并從顯示器上觀察自檢結(jié)果是否正確；另一種可以在每次測量之前插入一段自檢程序，若程序不能往下執(zhí)行而停在自檢階段，則說明系統(tǒng)有故障?！?2.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器

數(shù)字濾波數(shù)字濾波的定義所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算程序降低干擾在有用信號中的比重。與模擬濾波比，數(shù)字濾波的優(yōu)點通過改變程序，就可方便靈活地調(diào)整參數(shù)可以對極低頻率的信號(如0.01Hz)實現(xiàn)濾波不要增加硬件設(shè)備，各通道可選用同一數(shù)字濾波程序。§12.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器§12.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器智能式應(yīng)力傳感器的硬件結(jié)構(gòu)一12.３.3傳感器智能化實例每一路應(yīng)力傳感器由4個應(yīng)變片構(gòu)成的全橋電路和前級放大器組成，用于測量應(yīng)力的大小。溫度傳感器用于測量環(huán)境的溫度，對應(yīng)力傳感器進行溫度誤差修正。采用8031單片機作為數(shù)據(jù)處理和控制單元。多路開關(guān)根據(jù)單片機發(fā)出的命令輪流選通各個傳感器通道，程控放大器則在單片機的命令下分別選擇不同的放大倍數(shù)對各路信號進行放大。§12.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器智能式應(yīng)力傳感器的軟件結(jié)構(gòu)二智能式應(yīng)力傳感器軟件采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法，軟件結(jié)構(gòu)包括主程序模塊、信號處理模塊、信號采集模塊、故障診斷模塊、鍵盤輸入及顯示模塊、輸出及打印模塊和通訊模塊§12.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器軟件結(jié)構(gòu)中各模塊的功能三主程序模塊主要完成自檢、初始化、通道選擇、以及各個功能模塊調(diào)用功能。信號采集模塊主要完成各路信號的放大、A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取的功能。數(shù)據(jù)處理模塊主要完成數(shù)據(jù)濾波、非線性補償、信號處理、誤差修正等功能。故障診斷模塊的任務(wù)是對各個應(yīng)力傳感器的信號進行分析。鍵盤輸入及顯示模塊的任務(wù)一是查詢是否有鍵按下，二是顯示各路傳感器的數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。輸出及打印模塊主要是控制模擬量輸出以及控制打印機完成打印任務(wù)。通訊模塊主要控制RS232串行通訊口和上位微機的通訊?！?2.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器智能傳感器的定義一12.３.4智能傳感器智能傳感器英文名稱為IntelligentSensor或SmartSensor。智能傳感器是“電五官”與“微電腦”的有機結(jié)合，對外界信息具有檢測、邏輯判斷、自行診斷、數(shù)據(jù)處理和自適應(yīng)能力的集成一體化多功能傳感器。像圖中這種帶有AS接口通信的感應(yīng)式位置傳感器，可減少系統(tǒng)中的傳感器數(shù)量。內(nèi)部診斷功能使傳感器能提供故障的預(yù)指示?！?2.３傳感器智能化技術(shù)與智能式傳感器對未來智能傳感器的展望二以硅為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路技術(shù)正在加速發(fā)展并日臻成熟，三維集成電路已成為現(xiàn)實。在不久的將來，具有上述智能的傳感器系統(tǒng)將全部集成在同一芯片上，構(gòu)成一個由微傳感器、微處理器和微執(zhí)行器集成一體化的閉環(huán)工作微系統(tǒng)。目前日本已開發(fā)出三維多功能的單片智能傳感器。它已將平面集成發(fā)展為三維集成，實現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)，如圖所示。另外，未來的智能傳感器將向生物體傳感器系統(tǒng)方向發(fā)展?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)機器人傳感器的功能一12.4.1機器人傳感器的功能、分類和特點機器人傳感器是一類具有特定用途的仿生傳感器，它的作用是使機器人可像人一樣具有理解環(huán)境，掌握外界情況，并作出決策以適應(yīng)外界環(huán)境變化而進行工作的能力?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)人的感覺分類二人的感覺外部感覺內(nèi)部感覺視覺皮膚感覺本體感覺臟腑感覺聽覺嗅覺味覺力感覺位置感覺振動感覺運動感覺痛壓覺化學(xué)感覺溫度感覺滲透壓感覺壓力感覺§12.4機器人傳感及臨場感技術(shù)機器人傳感器滑覺單點視覺加速度位置非視覺觸覺接近覺平衡力速度溫度機器人傳感器的分類三內(nèi)部傳感器外部傳感器線陣視覺平面視覺立體視覺視覺壓覺力覺聽覺傾斜角§12.4機器人傳感及臨場感技術(shù)智能機械手四這是一個典型的智能型機械手，安裝了多種機器人傳感器。具有七自由度，發(fā)射X射線對復(fù)雜零件進行檢測，可滿足航空、航天、汽車、軍工、核工業(yè)等領(lǐng)域多品種、大批量、大尺寸筒形、錐形、板材及復(fù)雜零件或重要裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測的需要?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)機器人傳感器的特點五具有和人的五官對應(yīng)的功能，因此，種類眾多，高度集成化和綜合化。各種傳感器之間聯(lián)系密切，信息融合技術(shù)是多種傳感器之間協(xié)同工作的基礎(chǔ)。傳感器和信息處理之間聯(lián)系密切，實際上傳感器包括信息獲取和處理兩部分。傳感器不僅要求體積小、易于安裝，而且對敏感材料的柔性和功能有特定的要求?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)力覺傳感器的作用一12.4.2機器人力覺傳感器通過檢測接觸力控制裝配、研磨、拋光等接觸性作業(yè)的質(zhì)量為裝配提供信息，產(chǎn)生后續(xù)的修正補償運動，以保證裝配質(zhì)量和速度防止碰撞和卡死，以保證安全§12.4機器人傳感及臨場感技術(shù)腕力傳感器是一個兩端分別與機器人腕部和手爪相連接的力覺傳感器。當機械手夾住工件進行操作時，通過腕力傳感器可以輸出六維(三維力和三維力矩)分量反饋給機器人控制系統(tǒng)，以控制或調(diào)節(jié)機械手的運動，完成所要求的作業(yè)。定義機器人六維腕力傳感器二機器人六維腕力傳感器六維腕力傳感器的敏感元件大都為整體輪輻式十字梁結(jié)構(gòu)的彈性體，如圖所示，十字交叉梁可分為4個正方棱柱形，主梁1、2、3、4，浮動梁5、6、7、8。彈性體結(jié)構(gòu)在進行彈性體結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析時，認為各分力的作用線都通過輪轂的中心點，并認為彈性體的輪轂和輪輻為理想剛體，對于浮動梁而言，當作用力作用其表面的垂直方向上時，浮動梁在該方向上的變形量很大，故可看作為柔性環(huán)節(jié)；當作用力作用于其表面的水平或平行方向上時，浮動梁在該方向上變形量很小，故可看作為理想的剛體。機器人六維腕力傳感器設(shè)作用在腕力傳感器上沿x、y、z軸的力Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz，其中Fx、Fy和Mz的受力分析情況相似，它們都是引起貼在主梁左右或上下側(cè)面的應(yīng)變片變形，而Mx、My和Fz的受力分析情況也相似，它們都是引起貼在主工作原理主梁前、后側(cè)面的應(yīng)變片變形。因此，我們以Fx和Mx為例來分析受力情況。在圖中當沿x軸有Fx力作用時，主梁1、3產(chǎn)生拉壓變形，而主梁2、4產(chǎn)生彎曲變形，由于浮動梁5、7此時為柔性環(huán)節(jié)，主梁2、4可看成是懸臂梁，這樣Fx就可由貼在主梁2、4的左右側(cè)面的應(yīng)變片組成的電橋測得。同理Fy和Mz也可類似測得。機器人六維腕力傳感器在圖中有Mx作用時，浮動梁6、8受到平行于表面方向的作用力，故可看作為理想的剛體；而主梁1、3產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，主梁2、4產(chǎn)生彎曲變形。主梁1、3的扭轉(zhuǎn)變形量遠小于主梁2、4產(chǎn)生的彎曲變形量，故可以忽略，但此時浮動梁5、7的彎曲變形與主梁2、4的彎曲變形差不多，主梁2、4已不能看成是懸臂梁，即Mx不能直接測得，需要經(jīng)過解耦才能得到。機器人六維腕力傳感器組橋電路每個彈性體主梁上貼有8個應(yīng)變片，四個主梁上共有32個應(yīng)變片，這32個應(yīng)變片一般可組成6個電橋，每個電橋?qū)?yīng)一個輸出分量，如圖所示，其中E為橋路供電電壓，R1’~R12’為平衡橋路的微調(diào)電阻。當傳感器受到Fx、Fy、Fz和力矩Mx、My、Mz的作用后，應(yīng)變片的零位阻值R0將發(fā)生變化，6個電橋?qū)a(chǎn)生分別對應(yīng)于上述6個力／力矩的6個電壓信號輸出。§12.4機器人傳感及臨場感技術(shù)觸覺傳感器的含義一12.4.3機器人廣義觸覺傳感器從廣義上說，機器人觸覺包括接觸覺、壓覺、力覺、滑動覺、接近覺、冷熱覺等與接觸有關(guān)的感覺。從狹義上說，機器人的觸覺是指接觸覺和壓覺，即垂直于機器人夾持器或執(zhí)行器(如手爪等)和對象物接觸面上的力感覺?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)觸覺傳感器的功能二檢測功能對機械手與操作對象的接觸狀態(tài)進行檢測。識別功能在檢測的基礎(chǔ)上，對操作對象的形狀、大小、剛度等特性進行特征提取，從而對操作對象進行分類和目標識別?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)觸覺傳感器的分類三1、點式觸覺傳感器從功能上分2、陣列式觸覺傳感器3、觸覺圖像傳感器§12.4機器人傳感及臨場感技術(shù)1、二值型觸覺傳感器從輸出信號的量化水平上2、灰度型觸覺傳感器§12.4機器人傳感及臨場感技術(shù)機器人接觸覺傳感器四1、觸覺表面組成2、轉(zhuǎn)換介質(zhì)3、控制和借口電路§12.4機器人傳感及臨場感技術(shù)觸覺表面觸覺表面由多個敏感單元按一定的方式排列配置而成，與對象物直接接觸。轉(zhuǎn)換介質(zhì)轉(zhuǎn)換介質(zhì)由敏感材料或機構(gòu)組成，它將觸覺表面?zhèn)鬟f來的力或位置偏移轉(zhuǎn)換為可檢測的電信號?？刂坪徒杩陔娐房刂坪徒涌陔娐钒匆欢ǖ姆绞胶痛涡蚴占D(zhuǎn)換介質(zhì)輸出的電信號，并將它們傳送給處理裝置進行解釋?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)硅電容式觸覺傳感器的敏感層硅電容式觸覺傳感器采用由半導(dǎo)體電容敏感單元組成的陣列型結(jié)構(gòu)，如圖所示。在局部蝕刻的硅薄膜上有電容單元的一塊金屬化極板，二氧化硅用來將硅薄膜上的金屬電容極板與硅薄膜絕緣，與之對應(yīng)的玻璃襯底上有另一塊金屬化極板。硅膜片隨作用力而向下彎曲變形，從而導(dǎo)致電容容量的改變?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)硅電容式觸覺傳感器的讀出系統(tǒng)計數(shù)器分別發(fā)出行和列的地址信號，并送至譯碼器和多路轉(zhuǎn)換器。這些地址與從A／D轉(zhuǎn)換來的壓力數(shù)據(jù)同時送給微處理器。行地址選中一行，在讀操作后，來自選中行的各單元信號同時經(jīng)對應(yīng)的列檢測放大器放大。放大器輸出信號以并行方式送給多路轉(zhuǎn)換器?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)機器人滑覺傳感器五滑覺傳感器是指通過檢測手爪和對象物之間產(chǎn)生滑移時的相對變位來檢測作用于同手爪平行方向的力，從而獲得滑動信息的傳感器。圖中是滾球式滑覺傳感器。小球可在任意方向旋轉(zhuǎn)，小球的表面是導(dǎo)體和絕緣體配置成的網(wǎng)眼。當對象物滑動時，帶動小球滾動，則在兩個接點之間輸出連續(xù)的脈沖電壓信號。該滑覺傳感器獲取的信號通過記數(shù)電路和D／A變換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，可加在握持力控制系統(tǒng)的目標信號上，增加握持力達到消除滑動的目的?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)機器人接近覺傳感器六感知正在接近、即將接觸的物體，以便作出降速、回避、跟蹤等反應(yīng)。接近覺傳感器的作用接近覺傳感器的分類接近覺傳感器分為接觸式和非接觸式兩類。圖中為非接觸式傳感器，它利用渦流原理檢測軸運行的狀態(tài)，有極好的分辨能力和穩(wěn)定的性能。能測量小到1微米，大到2毫米的運動距離?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)常用的接觸式接近覺傳感器為觸須傳感器，如圖所示觸須傳感揣的原理巧妙、簡單。當金屬觸須同對象物接觸時，觸須發(fā)生彎曲，其穿過銅板小孔的部分由于彎曲而同小孔邊緣接觸，從而接通電路，輸出低電平信號。常用形狀記憶合金制成觸須，這種合金承受大的彎曲后不產(chǎn)生永久性變形，可以有效地保證觸須傳感器的長期正常工作?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)臨場感的概念一12.4.4機器人臨場感技術(shù)所謂臨場感就是指一方面通過各種傳感器(如數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣、頭盔顯示器等)將操作者身體、四肢、頭部和眼球等的位置和運動信息實時檢測并作為控制指令送到遠地機器人控制器中，另一方面通過各種機器人傳感器將機器人和環(huán)境的交互信息(包括視覺、聽覺、觸覺等信息)實時地檢測并以自然和真實的方式直接反饋給操作者的感覺器官，使操作者產(chǎn)生身臨其境的感受，從而實現(xiàn)對機器人帶感覺的控制?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)臨場感系統(tǒng)的組成二臨場感機器人系統(tǒng)一般由操作者、頭盔顯示器及數(shù)據(jù)手套和外骨架裝置(主機器人)、計算機、從機器人和環(huán)境組成。視覺臨場感和力覺臨場感是臨場感技術(shù)的主要形式。觸覺臨場感可以看作是廣義力覺臨場感的一種特殊方式?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)視覺臨場感技術(shù)三日本機器人專家Tachi研制開發(fā)了視覺臨場感系統(tǒng)。頭盔顯示器上連接著角度傳感器，用于測量操作者頭部的左右轉(zhuǎn)動，遠地轉(zhuǎn)盤上安裝兩個MOS電視攝像機作為機器人視覺傳感器，轉(zhuǎn)盤根據(jù)角度傳感器的信號而跟隨人頭部做轉(zhuǎn)動?！?2.4機器人傳感及臨場感技術(shù)電視攝像機物鏡的焦距和會聚角根據(jù)觀測物的位置而自動調(diào)節(jié)。攝像機的視頻信號顯示在頭盔顯示器的雙CRT顯示屏上。同時，雙顯示屏目鏡的焦距和會聚角隨電視攝像機而變。這樣人的兩眼視野有很大部分重疊，這不但補償了單眼視覺的部分盲區(qū)，擴大了平面視野，而且增加了深度感，產(chǎn)生了立體視覺。§12.4機器人傳感及臨場感技術(shù)力覺臨場感技術(shù)四人手跟蹤器是實現(xiàn)力覺臨場感的主要方式。目前典型的人手跟蹤器有：Immersion公司的數(shù)據(jù)手套(DataGlove)、Exos公司的靈巧主手(DexterousHandMaster，DHM)。人手跟蹤器§12.4機器人傳感及臨場感技術(shù)DataGlove用光纖傳感器測量手指的彎曲。手指的彎曲引起光纖的彎曲，光能量發(fā)生損失，光電探測器接收到的光強變小。由于光纖傳感器輸出的非線性誤差隨著手指關(guān)節(jié)角度的增大而增加。數(shù)據(jù)手套DHM使用了復(fù)雜的外骨架結(jié)構(gòu)，使用時將其固定在手指各關(guān)節(jié)之間(如圖)。軟帶和襯墊把聯(lián)桿機構(gòu)固定在指關(guān)節(jié)的中點，每個關(guān)節(jié)上的聯(lián)桿機構(gòu)裝有小巧的磁霍爾傳感器檢測手關(guān)節(jié)的運動。靈巧主手§12.4機器人傳感及臨場感技術(shù)如圖它由主機械手、從機械手、計算機控制和通訊環(huán)節(jié)組成。主從機械手具有相同的機械結(jié)構(gòu)，由機械臂和外骨架式的手套機構(gòu)組成。東南大學(xué)研制的7自由度力覺臨場感機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)§12.4機器人傳感及臨場感技術(shù)在操作過程中，主機械手的外骨架式手套機構(gòu)穿戴在操作者的手部，操作者的前臂帶動主機械手運動，主機械手上的位置傳感器檢測主機械手各個關(guān)節(jié)的角位置，并通過計算機通訊環(huán)節(jié)傳遞到從機械手處，然后通過一定的控制算法保證從機械手完全跟蹤主機械手的運動，也就是從機械手跟隨人手和手臂的運動。當從機械手手爪抓取目標時，從機械手手爪上安裝的觸覺和力覺傳感器分別檢測手爪與目標物接觸的部位和接觸力的大小，手臂上六維腕力傳感器則檢測出手腕處受到的各個分力及力矩的大小，并通過計算機通訊環(huán)節(jié)反饋到主機械手處。然后通過一定的控制算法控制觸覺再現(xiàn)裝置對人手部產(chǎn)生觸覺作用，控制直流力矩電機對人手部和手臂關(guān)節(jié)產(chǎn)生力的作用，這樣人手就能身臨其境地感受到遠地從機械手與環(huán)境的相互作用情況，產(chǎn)生力覺臨場感的效果。東南大學(xué)研制的7自由度力覺臨場感機器人系統(tǒng)工作原理§12.5多傳感器信息融合技術(shù)多傳感器信息融合的基本概念一12.5.1多傳感器信息融合的基本概念和原理多傳感器信息融合(1nformationFusion)有時亦稱為數(shù)據(jù)融合(DataFusion)，是指通過多類同構(gòu)或異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)進行綜合(集成或融合)，從而獲得比單一傳感器更多的信息，形成比單一信源更可靠、更完全的融合信息?！?2.5多傳感器信息融合技術(shù)信息融合同信息集成的區(qū)別二信息集成是指把來自各種各類傳感器的信息進行綜合統(tǒng)一，它強調(diào)的是系統(tǒng)中的不同數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與流動的總體結(jié)構(gòu)，而信息融合則強調(diào)的是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移與合并中的具體方法與步驟，強調(diào)的是執(zhí)行結(jié)果的信息優(yōu)化，目的是得到高品質(zhì)的有用信息，最后得到有利于決策的、對被感知對象更加精確的描述。經(jīng)過融合后的傳感器信息具有以下特征：信息冗余性，信息互補性，信息實時性，信息獲取的低成本性?！?2.5多傳感器信息融合技術(shù)多傳感器信息融合的基本原理三其基本原理就是像人腦綜合處理信息一樣，充分利用多個傳感器資源，通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多個傳感器在空間或時間上的冗余或互補信息以及某種準則來進行組合，以獲得被測對象的一致性解釋和描述?！?2.5多傳感器信息融合技術(shù)多傳感器信息融合的空間結(jié)構(gòu)一12.5.2多傳感器信息融合的結(jié)構(gòu)模型1、集中式從信息融合處理方式分2、分布式3、混合式§12.5多傳感器信息融合技術(shù)集中式指各傳感器獲取的信息未經(jīng)任何處理，直接傳送到信息融合中心，進行組合和推理，完成最終融合處理。信息處理損失較小定義：優(yōu)點：缺點：對通信網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高§12.5多傳感器信息融合技術(shù)分布式指在各傳感器處完成一定量的計算和處理任務(wù)之后，將壓縮后的傳感器數(shù)據(jù)傳送到融合中心，在融合中心將接收到的多維信息進行組合和推理，最終完成融合。適合于遠距離配置的多傳感器系統(tǒng)，不需要過大的通信帶寬定義：優(yōu)點：缺點：有一定的信息損失§12.5多傳感器信息融合技術(shù)混合式兼有集中式和分市式的特點，既有經(jīng)處理后的傳感器數(shù)據(jù)送到融合中心，也有未經(jīng)處理的傳感器數(shù)據(jù)送到融合中心。能夠根據(jù)不同情況靈活設(shè)計多傳感器的信息融合處理系統(tǒng)定義：優(yōu)點：缺點：系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性較差§12.5多傳感器信息融合技術(shù)多傳感器信息融合的層次結(jié)構(gòu)二1、數(shù)據(jù)層按抽象程度分2、特征層3、決策層§12.5多傳感器信息融合技術(shù)數(shù)據(jù)層首先將全部傳感器的觀測數(shù)據(jù)融合，然后從融合的數(shù)據(jù)中提取特征向量，并進行判斷識別。具有最好的精度，可以給人更加直觀、全面的認識定義：優(yōu)點：缺點：數(shù)據(jù)處理量大，實時性差§12.5多傳感器信息融合技術(shù)特征層每種傳感器提供從觀測數(shù)據(jù)中提取的有代表性的特征，這些特征融合成單一的特征向量，然后運用模式識別的方法進行處理。有利于實時處理，可以保持目標的重要特征定義：優(yōu)點：缺點：融合精度比數(shù)據(jù)層差§12.5多傳感器信息融合技術(shù)決策層在每個傳感器對目標做出識別后，將多個傳感器的識別結(jié)果進行融合，最終得到整體一致的決策具有好的容錯性和實時性，可以應(yīng)用于異質(zhì)傳感器，而且在一個或多個傳感器失效時也能正常工作定義：優(yōu)點：缺點：預(yù)處理代價高§12.5多傳感器信息融合技術(shù)多傳感器信息融合的基本過程一12.5.3多傳感器信息融合的一般方法1、相關(guān)處理基本過程分為2、估計處理3、識別§12.5多傳感器信息融合技術(shù)相關(guān)處理含義：相關(guān)處理要求對多信息的相關(guān)性進行定量分析，按照一定的判斷原則，將信息分成不同的集合，每個集合中的信息源都與同一源(目標或事件)關(guān)聯(lián)。最近鄰法則最大似然法統(tǒng)計關(guān)聯(lián)法聚類分析法處理方法：§12.5多傳感器信息融合技術(shù)估計處理含義：估計處理是通過對各種已知信息的綜合處理來實現(xiàn)對待測參數(shù)及目標狀態(tài)的估計最小二乘法最大似然法卡爾曼濾波法處理方法：§12.5多傳感器信息融合技術(shù)識別技術(shù)1、物理模型識別技術(shù)2、參數(shù)分類識別技術(shù)識別技術(shù)包括3、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)4、專家系統(tǒng)§12.5多傳感器信息融合技術(shù)常用的多傳感器信息融合算法二加權(quán)平均法將多個傳感器提供的冗余信息進行加權(quán)平均后作為融合值。該方法能實時處理動態(tài)的原始傳感器讀數(shù)，但調(diào)整和設(shè)定權(quán)系數(shù)的工作量很大，并帶有一定的主觀性。聚類分析法根據(jù)事先給定的相似標準，對觀測值分類，用于真假目標分類、目標屬性判別等?！?2.5多傳感器信息融合技術(shù)貝葉斯估計法融合時必須確保測量數(shù)據(jù)代表同一實體(即需要進行一致性檢驗)，其信息不確定性描述為概率分市，需要給出各個傳感器對目標類別的先驗概率，具有一定的局限性。多貝葉斯估計法將環(huán)境表示為不確定幾何物體的集合，對系統(tǒng)的每個傳感器做一種貝葉斯估計，將每個單獨物體的關(guān)聯(lián)概率分市組合成一個聯(lián)合后驗概率分市函數(shù)，通過隊列的一致性觀察來描述環(huán)境?！?2.5多傳感器信息融合技術(shù)卡爾曼濾波法用于實時融合動態(tài)的底層冗余傳感器數(shù)據(jù)，用模型的統(tǒng)計特性遞推決定統(tǒng)計意義下最優(yōu)的融合數(shù)據(jù)計。它的遞歸本質(zhì)保證了在遞歸過程中不需要大量的存儲空間，可以實時處理；它適合用于數(shù)值穩(wěn)定的線性系統(tǒng)，若不符合此條件，則采用擴展卡爾曼濾波器。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理是近年來用于多傳感器融合的計算智能新方法?！?2.5多傳感器信息融合技術(shù)統(tǒng)計決策理論將信息的不確定性表示為可加噪聲，先對多傳感器數(shù)據(jù)進行魯棒假設(shè)測試，以驗證其一致性；再利用一組魯棒最小最大決策規(guī)則對通過測試的數(shù)據(jù)進行融合。Shafer—Dempster證據(jù)推理是貝葉斯方法的推廣，用置信區(qū)間描述傳感器信息，滿足比貝葉斯概率理論更弱的條件，是一種在不確定條件下進行推理的強有力的方法，適用于決策層融合?！?2.5多傳感器信息融合技術(shù)專家系統(tǒng)模擬專家的經(jīng)驗知識、決策及推理過程，采用知識庫技術(shù)，產(chǎn)生一系列規(guī)則，從而完成目標的識別分類、勢態(tài)評估等。帶有置信因子的產(chǎn)生式規(guī)則用符號表達傳感器信息和目標屬性之間的關(guān)系，將不確定性描述為置信因子。此方法的缺點是當系統(tǒng)條件發(fā)生變化時(如引入新的傳感器)，需要修改規(guī)則。§12.5多傳感器信息融合技術(shù)斯坦福大學(xué)研制的移動裝備機器人一12.5.4多傳感器信息融合實例該機器人能實現(xiàn)多傳感器信息的集成與融合。在未知或動態(tài)環(huán)境中的自主移動建立在視覺(雙攝像頭)、激光測距和超聲波傳感器融合的基礎(chǔ)上；而機械手裝配作業(yè)的過程則建立在視覺、觸覺和力覺傳感器信息融合的基礎(chǔ)上。該機器人采用信息融合結(jié)構(gòu)為集中式結(jié)構(gòu)。§12.5多傳感器信息融合技術(shù)該移動機器人的多傳感器信息融合二視覺傳感器提取的環(huán)境特征是最主要的信息。激光測距傳感器在較遠距離上獲得物體較精確的位置，而超聲波傳感器用于檢測近距離物體。當將三者在不同時刻測量的距離數(shù)據(jù)融合時，每個傳感器的坐標框架首先變換到共同的坐標框架中，然后采用參照機器人本身的相對位置定位法、目標運動軌跡記錄法和參照環(huán)境靜坐標的絕對位置定位法得到機器人位置的精確估計?！?2.9傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)12.9.1概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork)是由隨機分布的集成微型電源、敏感元件、嵌入式處理器、存貯器、通信部件和軟件的一簇同類或異類傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。每個傳感器節(jié)點都可以對周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集、簡單計算以及與其他節(jié)點及外界進行通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基站§12.9傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點二無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有AdHoc網(wǎng)絡(luò)的移動性、斷接性、電源能力局限等共同特征以外，還具有以下幾個方面鮮明的特點：通信能力有限電源能量有限計算能力有限高強壯性和容錯性系統(tǒng)實時性要求強網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性§12.9傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)評價無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的標準三能源有效性