《智能傳感器技術(shù)》課件

MEMS麥克風(fēng)8.1MEMS加速度計8.2MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出可感受被測量變化的穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)，配以測量電路實現(xiàn)對各種相關(guān)參數(shù)測試和轉(zhuǎn)換的一類傳感器，具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、易于集成和智能化等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療儀器、消費電子、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。MEMS陀螺儀8.3MEMS麥克風(fēng)8.1MEMS加速度計8.2MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出可感受被測量變化的穩(wěn)定微結(jié)構(gòu)，配以測量電路實現(xiàn)對各種相關(guān)參數(shù)測試和轉(zhuǎn)換的一類傳感器，具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、易于集成和智能化等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療儀器、消費電子、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。MEMS陀螺儀8.3

MEMS麥克風(fēng)是采用MEMS工藝將聲音轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件，根據(jù)工作原理可以分為電容式、壓電式等。電容式微麥克風(fēng)應(yīng)用較為廣泛，本節(jié)重點介紹電容式微麥克風(fēng)的工作原理、性能指標和應(yīng)用?；窘Y(jié)構(gòu)1

單背板電容式MEMS麥克風(fēng)主要由振膜、背板、極板間氣隙、背板腔和電極等部分組成，主要結(jié)構(gòu)是柔性振膜和剛性背板。

電容式MEMS麥克風(fēng)模型等效為靜態(tài)電容C0，變化電容值CM，背板電極、振膜電極與硅襯底間寄生電容CP1、CP2，兩極板間寄生電阻RP1組成的電路。直流偏置2直流偏置保證MEMS麥克風(fēng)振膜振動時背板和振膜上電荷量保持穩(wěn)定。

之間基本滿足線性關(guān)系

靈敏度1

麥克風(fēng)靈敏度表示在標準入射聲壓（1kHz、94dBSPL）下，MEMS麥克風(fēng)輸出端產(chǎn)生的機械和電氣響應(yīng)。

信噪比2

信噪比是指MEMS麥克風(fēng)在標準聲壓（1kHz、94dBSPL）下輸出電信號的功率與麥克風(fēng)本底噪聲引起的輸出信號功率的比值。頻率響應(yīng)3

頻率響應(yīng)是表征MEMS麥克風(fēng)靈敏度與輸入聲波頻率之間關(guān)系的指標。通常將標準聲壓下的輸出電信號作為參考電壓，歸一化為0dB。在頻譜上，與標準聲壓下輸出電信號相差3dB的頻率點分別被定義為低頻截止頻率和高頻截止頻率，兩者之間的頻率范圍稱作通頻帶?？傊C波失真4輸出信號比輸入信號多出的諧波成分被定義為總諧波失真（TotalHarmonicDistortion，THD）。失真度用百分比表示，通過在基頻以上的五次諧波內(nèi)的功率之和與基頻功率的比值來計算，如下式：

MEMS麥克風(fēng)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品、汽車行業(yè)、智能家居、專業(yè)音頻、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)應(yīng)用等多種場景。在醫(yī)療領(lǐng)域，微麥克風(fēng)能夠捕捉到人體內(nèi)部聲音信號，如心跳聲和呼吸聲，可用于心率監(jiān)測、睡眠呼吸分析等，為醫(yī)生提供重要的診斷信息。

MEMS心音采集系統(tǒng)是一個能化信號采集處理系統(tǒng)，主要是由改進聽診器頭、MEMS麥克風(fēng)傳感器、驅(qū)動模塊、控模塊、電源模塊和通信模塊等構(gòu)成。

多數(shù)聽診器具有獨立的鐘型件或膜型件。鐘型件傳導(dǎo)低頻聲音最有效，而膜型件傳導(dǎo)高頻聲音最有效，同時擁有兩種特性可以構(gòu)成復(fù)合探頭。

加速度是物體運動速度的變化率，加速度計可以測量作用在物體上的加速度力，以確定物體在空間中的位置并檢測物體運動。MEMS加速度計是一種利用MEMS技術(shù)制造的微型加速度計。本小節(jié)主要介紹MEMS加速計的工作原理和代表性MEMS加速度計。加速度計的工作原理1加速度計的工作原理可用彈簧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)表示。彈簧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)由敏感質(zhì)量塊、阻尼器以及彈簧構(gòu)成。

當對敏感質(zhì)量塊施加外部加速度時，慣性力引起敏感質(zhì)量塊位移，根據(jù)牛頓第二定律，質(zhì)量塊的振動方程為：加速度計的工作原理1

將上式在零初始條件下進行拉氏變換：

化簡得到以質(zhì)量塊位移

y作為輸出變量的傳遞函數(shù)：

系統(tǒng)的品質(zhì)因子為：加速度計的工作原理1

當輸入加速度達到穩(wěn)態(tài)時，加速度計質(zhì)量塊的位移也趨于穩(wěn)定值，即敏感質(zhì)量塊的速度與加速度都為零，故可將傳遞函數(shù)化簡為：

從上式可以看出，加速度計敏感質(zhì)量塊的位移與敏感質(zhì)量塊的質(zhì)量和彈性系數(shù)相關(guān)，質(zhì)量塊越大，彈性系數(shù)越小時，即系統(tǒng)的無阻尼諧振角頻率越小時，加速度計敏感質(zhì)量塊的位移越大，也就是加速度計的靈敏度越高。壓阻式MEMS加速度計2

壓阻式加速度計基于壓阻效應(yīng)，將多個經(jīng)過摻雜或離子注入工藝的電阻排布在梁的應(yīng)力集中區(qū)，并經(jīng)由金屬引線連接成惠斯通電橋，基本原理如圖所示：

無外部載荷作用時，敏感結(jié)構(gòu)不發(fā)生形變，壓敏電阻阻值不變，電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出。當敏感結(jié)構(gòu)受到外部載荷作用時，應(yīng)力分布發(fā)生變化導(dǎo)致電橋不平衡，從而輸出電壓信號，實現(xiàn)了力學(xué)量信號到電學(xué)量信號的轉(zhuǎn)換。電容式MEMS加速度計3

MEMS電容式加速度計的核心部件是可移動的感應(yīng)質(zhì)量塊和固定電極，它們之間存在微小的間距，基本原理如圖所示：

當被測物體存在加速度時，感應(yīng)質(zhì)量塊會受到力的作用，從而產(chǎn)生位移。這個位移量會改變感應(yīng)質(zhì)量塊與固定電極之間的距離，引起電容值的改變。通過測量電容值的變化，可以計算出物體的加速度。諧振式MEMS加速度計4

諧振式加速度計是基于諧振梁等結(jié)構(gòu)的力頻特性實現(xiàn)加速度測量的傳感器。硅微諧振式加速度計主要包括諧振器、敏感質(zhì)量塊、杠桿放大機構(gòu)和支撐機構(gòu)等部分，如圖所示：

等效慣性力作用于諧振器上，兩諧振器的諧振梁分別感應(yīng)到拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，此時兩諧振器諧振頻率點將發(fā)生偏移。對兩諧振器諧振頻率作差，所得到的頻率差信號與外界加載加速度信號成正比，從而實現(xiàn)加速度計對加速度信號的測量。標度因數(shù)1

標度因數(shù)（又稱刻度因數(shù)）是每單位加速度的變化所引起的輸出變化量。在滿量程范圍內(nèi)輸入不同的加速度，獲得對應(yīng)輸出數(shù)據(jù)，再采用最小二乘法擬合直線的斜率進行估計得到。偏值2

實驗室常溫環(huán)境中，加速度計上電預(yù)熱后，在+0g、+1g、?0g和?1g四種加速度下分別計算平均值，再按照下式計算偏值B。零偏穩(wěn)定性3

零偏穩(wěn)定性（又稱0g穩(wěn)定性、零漂）指當輸入加速度為零時，以規(guī)定時間內(nèi)輸出量的標準差表示，它表明加速度計輸出量圍繞其均值的離散程度，表征加速度計輸出的長期穩(wěn)定性。1g穩(wěn)定性4

1g穩(wěn)定性也是加速度計的穩(wěn)定性指標，是指當輸入加速度為1g時，加速度計輸出量圍繞其均值的離散程度。常溫下，使加速度計敏感軸處于垂直狀態(tài)，即在1g附近，通電并以1Hz頻率采集加速度計輸出信號，采樣包括30分鐘的預(yù)熱過程和1小時的穩(wěn)定測量過程，也可按上式計算。

MEMS加速度計具有高靈敏度、快速響應(yīng)、小型化設(shè)計和低功耗等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代科技領(lǐng)域中不可或缺的傳感器，廣泛應(yīng)用于消費電子設(shè)備的運動感應(yīng)、航空航天導(dǎo)航、工業(yè)自動化的機器狀態(tài)監(jiān)測以及醫(yī)療和游戲控制等眾多領(lǐng)域。

在汽車工業(yè)中，安全氣囊的碰撞檢測是加速度計的一個典型應(yīng)用。當汽車遭受碰撞導(dǎo)致車速急劇變化時，加速度傳感器將感知到的碰撞信號傳輸給點火控制器，控制系統(tǒng)對碰撞的程度進行識別，決定是否發(fā)出點火信號?？刂葡到y(tǒng)和加速度計是是安全氣囊系統(tǒng)的核心，加速度計的性能、控制算法很大程度上決定了發(fā)生碰撞時乘員的安全程度。某汽車安全氣囊智能控制系統(tǒng)硬件和軟件組成，如下圖所示。

陀螺儀是測量物體相對于慣性空間的角速度或角位移的裝置。MEMS陀螺儀是基于微電子機械系統(tǒng)（MEMS）加工技術(shù)制作而成的陀螺儀。本節(jié)主要介紹MEMS陀螺儀的工作原理、特性和應(yīng)用。科里奧利效應(yīng)1

MEMS陀螺儀通常沒有高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，而是采用振動結(jié)構(gòu)來測角速度，因此MEMS陀螺儀也稱為MEMS振動陀螺儀。振動陀螺儀工作原理是基于科里奧利效應(yīng)，通過一定形式的裝置產(chǎn)生并檢測科氏加速度。

一個球位于轉(zhuǎn)動的盤子上，并且從盤子轉(zhuǎn)動中心向邊緣作直線運動，它在盤子上所形成的運動軌跡是一條曲線。該軌跡的曲率與轉(zhuǎn)動速率有關(guān)。如果從盤子上面觀察，會發(fā)現(xiàn)球有明顯的加速度，即科氏加速度?？评飱W利效應(yīng)1

科氏加速度等于盤子角速度矢量

Ω

和球直線運動速度矢量

v的矢量積：

然沒有實際力作用于球上，但對于盤子上方的觀察者而言，產(chǎn)生了明顯正比于轉(zhuǎn)動角速度的力，這個力就是科氏力。其數(shù)值等于：

科氏力方向的判定采用右手定則：右手四指手指指向（非慣性系中）物體運動方向，再將四指繞向角速度矢量方向，拇指所指方向即科氏力方向。科里奧利效應(yīng)1

具體來說，振動陀螺是通過一定的激振方式，使陀螺的振動部件受到驅(qū)動而工作在第一振動模態(tài)，當與第一振動模態(tài)垂直的方向有旋轉(zhuǎn)角速度輸入時，振動部件因科氏效應(yīng)產(chǎn)生了一個垂直于第一振動模態(tài)的第二振動模態(tài)，該模態(tài)與旋轉(zhuǎn)角速度成正比。微機械陀螺的分類2刻度因子1

陀螺刻度因子是指陀螺輸出與輸入角速度的比值，該比值是根據(jù)整個輸入角度范圍內(nèi)測得的輸入/輸出數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合求出的直線斜率。刻度因子的衍生指標還包括刻度因子精確度、刻度因子線性度、刻度因子不對稱度、刻度因子重復(fù)性以及刻度因子溫度靈敏度等。靈敏度2

表征陀螺的靈敏度的指標包括閾值與分辨率。閾值表示陀螺能感應(yīng)的最小輸入角速度，分辨率表示在規(guī)定的輸入角速度下能感應(yīng)的最小角速度增量。通常分辨率與帶寬相關(guān)，比如某硅陀螺的分辨率<0.05°/s（帶寬>10Hz）。測量范圍3

陀螺的測量范圍為陀螺能感知的正、反方向輸入角速度的最大值，該最大值除以閾值即為陀螺的動態(tài)范圍，該值越大表示陀螺感應(yīng)速率的能力越強。對于同時提供模擬信號和數(shù)字信號輸出的陀螺，滿量程輸出還可以分別用電壓和數(shù)據(jù)位數(shù)來描述。如某陀螺的測量范圍為±150°/s，滿量程輸出模擬量為±4V，數(shù)字量為-32768~32767。。零偏與零偏穩(wěn)定性4

零偏是指陀螺在零輸入狀態(tài)下的輸出，可以用長時間輸出均值來等效折算輸入角速度。零輸入狀態(tài)下長時間穩(wěn)態(tài)輸出是一個平穩(wěn)的隨機過程，即穩(wěn)態(tài)輸出將圍繞均值（零偏）起伏和波動，習(xí)慣采用均方差表示。這種均方差被定義為零偏穩(wěn)定性，也稱為“偏置漂移”或“零漂”。相關(guān)指標還包括零偏重復(fù)性、零偏溫度靈敏度、零偏溫度速率靈敏度等。比如，某陀螺零偏穩(wěn)定性在25℃條件下為±1°/s。

MEMS陀螺儀具有體積小、重量輕、功耗低、成本低等優(yōu)點，已在消費電子、工業(yè)產(chǎn)品、商用航空航天、商用船舶導(dǎo)航以及武器裝備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。陀螺穩(wěn)定平臺是利用陀螺儀特性保持運動載體平臺方位穩(wěn)定的裝置（簡稱陀螺平臺、慣性平臺），可以用來測量運動載體姿態(tài)以及用于穩(wěn)定運動載體上的重要設(shè)備。

陀螺穩(wěn)定平臺可為導(dǎo)彈導(dǎo)引頭等高精度制導(dǎo)武器提供準確的慣性空間指向。圖為導(dǎo)彈光電導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)圖。

主要結(jié)構(gòu)包括：彈體、導(dǎo)航用IMU，基座框架、航向驅(qū)動電機、航向測角器、偏航框架、俯仰驅(qū)動電機、俯仰測角器、俯仰負載。

俯仰負載上固聯(lián)有光電導(dǎo)引頭載荷。為了更好地跟蹤目標，導(dǎo)引頭平臺需要良好的隔離導(dǎo)彈彈體運動的能力，因此導(dǎo)引頭需要固聯(lián)速率陀螺，直接敏感光軸的慣性角速度，構(gòu)成下圖的直接穩(wěn)定控制方案。

由于陀螺與負載固連，處于框架中心，MEMS陀螺儀的尺寸和重量直接決定了穩(wěn)定平臺整體的尺寸，因此采用MEMS陀螺儀能夠大幅減小穩(wěn)定平臺占用的空間。《智能傳感器技術(shù)》教材配套課件國防科技大學(xué)納米傳感器概述9.1納米生物傳感器9.2納米化學(xué)傳感器9.3納米物理傳感器9.4納米傳感器是利用納米材料和納米技術(shù)制造的傳感器，其核心結(jié)構(gòu)尺寸在1至100納米之間，具備高靈敏度、快速響應(yīng)等特性，廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。核心概念?納米材料的大比表面積提供了更多的反應(yīng)位點，使得傳感器能夠檢測到極低濃度的目標物質(zhì)，顯著提高了檢測靈敏度。納米材料的尺寸小，電子或光子傳輸路徑短，因此能夠快速響應(yīng)目標物質(zhì)的變化，實現(xiàn)即時檢測。納米傳感器體積小、重量輕，便于集成到便攜式設(shè)備中，適合現(xiàn)場快速檢測，應(yīng)用場景廣泛。1納米傳感器特性?高靈敏度快速響應(yīng)小型化與便攜性納米傳感器概述9.1納米生物傳感器9.2納米化學(xué)傳感器9.3納米物理傳感器9.4納米生物傳感器是將生物分子與納米材料結(jié)合的檢測技術(shù)，通過特異性相互作用實現(xiàn)高靈敏度檢測，可用于醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測等。概念納米生物傳感器簡介?納米生物傳感器具有高靈敏度、快速響應(yīng)、低檢測限、小型化和便攜性、成本效益等特點。特點根據(jù)所使用的生物分子和納米材料不同，可分為酶、微生物、抗體、核酸、細胞等多種類型。分類納米酶分類體系鐵基納米酶銅基納米酶金基納米酶金屬硫化物碳基納米酶納米酶材料模擬天然酶活性，如Fe3O4納米顆粒具有類過氧化物酶活性，催化TMB顯色反應(yīng)。包括金屬/金屬氧化物（鐵、銅、金）、金屬硫化物（MoS2）和碳基材料。催化特性?材料多樣性?以Cu2+修飾的中間空隙直徑約20nm的羥基空心碳納米球（Cu2+-HCNSs-COOH），擁有增強的過氧化物酶活性，能夠有效檢測過氧化氫（H2O2）并降解亞甲基藍（MB）。二硫化鉑（PtS2）納米片能夠催化過氧化氫（H2O2）氧化四甲基聯(lián)苯胺（TMB），從而生成有色液體。β-FeOOH納米棒催化效率比天然酶高30%，Cu-CuFe納米酶檢測限0.34μmol/L。鐵基納米酶金屬硫化物碳基納米酶納米微生物傳感器利用納米材料的高表面積和微生物的特異性識別能力，實現(xiàn)對微生物的高靈敏檢測。概念具有高靈敏度、高選擇性、快速響應(yīng)和良好的生物相容性等特點，可檢測水體中的致病菌、食品中的微生物污染等。特點常與微懸臂梁技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)對微生物的高靈敏、實時、無損檢測。應(yīng)用納米傳感器概述9.1納米生物傳感器9.2納米化學(xué)傳感器9.3納米物理傳感器9.4納米化學(xué)傳感器簡介?納米化學(xué)傳感器利用納米材料的特有性質(zhì)，通過電荷在分子和敏感材料之間的相互轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生與分子種類和數(shù)目相關(guān)的電學(xué)和光學(xué)信號。概念相比宏觀傳感器，具有高靈敏度、高選擇性、快速響應(yīng)和易于集成等特點，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。特點包括單納米結(jié)構(gòu)、多納米結(jié)構(gòu)、基于場效應(yīng)管的傳感器以及納米結(jié)構(gòu)薄膜傳感器等多種類型。分類納米氣敏傳感器?納米氣敏傳感器利用納米材料的特有性質(zhì)檢測氣體成分，通過氣體分子與納米材料表面的相互作用實現(xiàn)定量分析。概念包括基于金屬氧化物納米管、納米棒、納米帶、納米線等不同結(jié)構(gòu)的傳感器常見類型納米金屬離子傳感器?納米金屬離子傳感器通過金屬離子與納米材料表面相互作用引起的電學(xué)或光學(xué)性質(zhì)變化，實現(xiàn)對金屬離子的精確檢測。概念包括基于碳納米管、石墨烯、量子點等不同納米材料的傳感器。常見類型基于碳納米管的金屬離子檢測傳感器基于石墨烯的金屬離子檢測傳感器材料檢測目標優(yōu)勢碳納米管Pb2?/Hg2?高選擇性石墨烯多金屬離子大比表面積量子點Cu2?熒光淬滅靈敏度高基于量子點的金屬離子檢測傳感器納米傳感器概述9.1納米生物傳感器9.2納米化學(xué)傳感器9.3納米物理傳感器9.4納米物理傳感器簡介?納米物理傳感器利用納米材料的物理特性檢測外部環(huán)境變化，通過測量電阻、電容、光學(xué)性質(zhì)等參數(shù)的變化，響應(yīng)溫度、壓力、振動等物理量的變化。概念具有快速響應(yīng)、高靈敏度、小型化和多功能性等特點，在多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。特點包括納米壓力傳感器、納米流量傳感器和納米溫度傳感器等。分類基于氧化鋁膜的碳納米管壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖石墨烯壓力傳感器示意圖工作原理壓強范圍：0～130kPa電阻變化：低壓范圍（0～70kPa）：電阻隨壓力單調(diào)上升（持續(xù)增加）高壓范圍（>70kPa）：電阻出現(xiàn)異常非單調(diào)變化性能特點寬量程：0-20MPa高重復(fù)性：在寬壓力范圍內(nèi)保持良好重復(fù)性高熱穩(wěn)定性；長期穩(wěn)定性；克服局限：解決了傳統(tǒng)懸浮石墨烯壓力傳感器在量程和線性度方面的不足納米壓力傳感器?基于碳納米管的流量傳感器納米流量傳感器通過檢測流體流動對納米尺度材料造成的影響，將流量信號轉(zhuǎn)換為可測量的電信號。概念核心原理單壁碳納米晶體管（SWCNT）流動電勢的產(chǎn)生機制雙電層：固液界面上的電荷分布固定電荷：吸附在固體表面可動異號電荷：與固定電荷數(shù)量相等，分布在雙電層中影響因素：雙電層的結(jié)構(gòu)和電荷分布應(yīng)用優(yōu)勢納米尺度分辨率：實現(xiàn)高精度電位檢測流量傳感器：可用于檢測微流體通道中的流量變化動電現(xiàn)象研究：適用于電泳、電滲等現(xiàn)象的研究納米流量傳感器?石墨烯/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料SEM圖像微流控電容式溫度傳感器的光學(xué)圖像及其橫截面圖噴墨打印技術(shù)制備納米熱電偶溫度傳感器的示意圖納米溫度傳感器通過納米材料的物理參數(shù)隨溫度變化的特性工作，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號。概念包括電阻式、電容式、熱電偶式等不同類型的溫度傳感器。常見類型納米溫度傳感器?《智能傳感器技術(shù)》教材配套課件國防科技大學(xué)量子磁力儀：利用微觀世界中與磁場有關(guān)的現(xiàn)象來測量磁場的儀器，這些現(xiàn)象通?？捎昧孔永碚搧斫忉?。量子磁力儀分類：超導(dǎo)量子干涉磁力儀、核子旋進磁力儀、光泵原子磁力儀、新型原子磁力儀(SERF\NROM\NV)。量子：描述物理世界的最小準粒子激發(fā)單元，例如電子、光子、聲子、夸克….量子傳感概述?自旋量子傳感器10.1超導(dǎo)量子磁傳感器-SQUID10.2WR-M001-01鯤量科技原子磁力儀10.1.1自旋量子陀螺儀10.1.21957年，美國的Bell和Bloom首次研制出光泵磁力儀，目前廣泛應(yīng)用于磁異常探測中；2010年，美國的Romalis研究組研制的SERF磁強計實現(xiàn)了0.16fT/√Hz的靈敏度。原子磁力儀的發(fā)展歷程1OpticalPumpingPrecessionOpticalProbing量子磁力儀基本原理—3P2F=31）自旋極化—堿金屬能級結(jié)構(gòu)Rb原子5sF=1F=2F=1F=2F=2F=1F=052P3/252P1/252S1/25P780nm795nm磁矩與外磁場相互作用產(chǎn)生附加能量在外加磁場B的情況下，總磁矩將與外磁場相互作用，使原子產(chǎn)生附加能量：其中，稱為波爾磁子；M=-F，，，，，F(xiàn)，共有2F+1個值相鄰的子能級的能量差為磁場使得原有能級分裂成2F+1個能級，每個能級分裂的能量差是一致的。1）自旋極化—堿金屬能級結(jié)構(gòu)（賽曼效應(yīng)）玻爾茲曼分布（原子態(tài)熱平衡分布）熱平衡狀態(tài)下，處于某一個能級Ei的粒子數(shù)密度Ni，即單位體積內(nèi)的粒子數(shù)為其中T為熱平衡時的絕對溫度，Ni為處于Ei能級的原子數(shù)，gi為Ei的簡并度，k玻爾茲曼常數(shù)；

E2E1兩個能級間的粒子數(shù)密度之比為1）自旋極化—光泵極化歷史：1950年，法國物理學(xué)家凱斯特勒Kastler發(fā)現(xiàn)了光抽運技術(shù)；1966年諾貝爾物理學(xué)獎。概念：用光學(xué)方法實現(xiàn)原子分子能級粒子數(shù)的選擇性布居，其粒子數(shù)分布不同于熱平衡狀態(tài)的粒子數(shù)分布。光泵效應(yīng)意義：增加或者減少特定能級的粒子數(shù)；利用偏振泵浦光增加或者清除特定磁子能級上的分布；相干激發(fā)多個原子分子態(tài)，在這些能態(tài)上產(chǎn)生特定的相位關(guān)系。

EF’1）自旋極化—光泵極化實現(xiàn)了原子的自旋極化自旋碰撞光輻射光抽運光輻射自旋弛豫

Cs原子的左旋光泵浦過程1）自旋極化—光泵極化光極化態(tài)光泵目的：1）自旋極化—光泵極化原子磁矩在磁場中的力矩：拉莫爾頻率γ是旋磁比?！竞诵膯栴}】如何穩(wěn)定進動如何測量拉莫爾信號Larmor進動：HM2）拉莫爾進動圓偏振光Pump線偏振光檢測測量光偏振態(tài)(原理Faraday旋轉(zhuǎn))檢測和激發(fā)用同一束光測量光吸收強度①單光束探測（光吸收法）②雙光束探測（光旋轉(zhuǎn)法）簡單抑制光強噪聲3）自旋極化檢測在極化光作用下，原子被極化達到平衡后，原子不再吸收光，光強不再發(fā)生變化；此時再加上一個射頻場，掃描其頻率，使它與磁子能級發(fā)生射頻共振，基態(tài)原子將回到熱平衡態(tài)，重新打破原子的布局分布，從而可以吸收更多光。a）Mz原子磁力儀

b）Mx原子磁力儀磁共振磁力儀3基于光調(diào)制的原子磁力儀的思想最初于1961年由W.E.Bell與A.L.Bloom提出，因此此類原子磁力儀又稱為Bell-Bloom原子磁力儀，它不主動施加激勵磁場，而是通過對光的幅度、相位或偏振進行調(diào)制來達到等效于磁激勵的效果，是一種全光學(xué)原子磁力儀。光調(diào)制磁力儀4基于光調(diào)制的原子磁力儀的單光束探測原理簡圖當自旋交換速率遠大于原子拉莫爾進動頻率時，由自旋交換碰撞造成的非相干可以被抑制。在高堿金屬原子蒸汽濃度和低磁場條件下，即快速自旋交換狀態(tài)，所有原子組成的整體系統(tǒng)多次發(fā)生能態(tài)轉(zhuǎn)換，單個原子在碰撞前后僅進動微小角度。條件：高溫、原子密度高、強光、小磁場SERF態(tài)磁力儀5非線性旋光特性1974年，W.Gawlik等人發(fā)現(xiàn)了非線性磁光效應(yīng)。當較強的線偏振光通過堿金屬原子介質(zhì)時，線偏振光看做左右圓偏振光，非線性磁光旋轉(zhuǎn)認為兩種光在介質(zhì)中折射率不同，導(dǎo)致線偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得光旋轉(zhuǎn)信號對磁場的響應(yīng)線寬極窄，與堿金屬原子的橫向弛豫率同一量級。Features:Room-temperaturealkalivaporAnti-relaxationcoatedcellPotentialsub-fTsensitivity(100fT-routine)Broaddynamicrange(EarthField)NonlinearMagneto-OpticalRotationNMOR磁力儀6原子的電子自旋和核自旋在磁場和慣性系統(tǒng)中的運動：基于原子自旋的磁場測量機理和原子自旋的轉(zhuǎn)動測量理論可以發(fā)展出自旋量子陀螺儀等慣性儀器。這類陀螺儀的測量核心是系統(tǒng)極高的磁場測量機理，其最大特點通常有磁場參加。Pe為電子自旋，Pn為核自旋，Ω為慣性參數(shù)，B為外磁場、L為角動量，γ分別為電子和原子核的旋磁比，M為電子磁矩和原子核磁矩，λ為耦合參數(shù)。自旋量子陀螺儀原理1核磁共振陀螺儀SERF原子自旋陀螺儀的理論靈敏度SERF原子陀螺儀自旋原子陀螺儀種類2可實現(xiàn)磁場、慣性、溫度、壓力等多種物理量測量！原子密度的增強，使微型化成為可能金剛石NV3自旋量子傳感器10.1超導(dǎo)量子磁傳感器-SQUID10.2超導(dǎo)量子傳感器工作原理10.2.1超導(dǎo)量子磁力儀10.2.2極低溫度下，Hg電阻消失的現(xiàn)象荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯(OnnesHK)1908年液氦1911年發(fā)現(xiàn)1913年諾貝爾獎超導(dǎo)現(xiàn)象11962年，劍橋大學(xué)22歲的研究生約瑟夫森（JosephsonBD）寫了一篇論文，發(fā)表在《PhysicsLetters》雜志上（約瑟夫森1964年得到博士學(xué)位）“超導(dǎo)隧道可能存在的一些新的效應(yīng)（Possibleneweffectsinsuperconductivetunneling）”。他根據(jù)超導(dǎo)BCS電子對理論預(yù)言，如果超導(dǎo)體被薄層（幾個納米厚）絕緣體分隔，超（導(dǎo)）電流可以穿過薄層絕緣體（隧道勢壘）。約瑟夫森(JosephsonBD)1973年諾貝爾獎約瑟夫森2在零電壓下，有直流超流產(chǎn)生，且超流存在最大值；超流最大值對磁場非常敏感，磁場加大，電流將迅速減??；在恒定電壓下，既有直流電流產(chǎn)生，也有交流超導(dǎo)電流，其頻率為2eV/h；如果在直流電壓上再疊加一交流電壓，其頻率為v，則會出現(xiàn)一零斜率的電阻區(qū)，在這個區(qū)域內(nèi)電流有傅里葉成分，電壓V與頻率v的關(guān)系滿足2eV/h＝nν（其中n為整數(shù)）。預(yù)言如下效應(yīng)絕緣體SCSC~nm約瑟夫森結(jié)3Mercereau采用兩個對稱Josephson結(jié)用超導(dǎo)通路并聯(lián)起來的構(gòu)型，在加外磁場中總電流行為展現(xiàn)出相干效應(yīng)的現(xiàn)象。夫朗和費單縫衍射雙縫干涉現(xiàn)象超導(dǎo)量子干射（SQUID）4無測量電流(I=0)

有測量電流(I)

外磁場垂直于環(huán)路平面，由于垂直磁場的結(jié)區(qū)面積比超導(dǎo)環(huán)小得多，可省去透過結(jié)區(qū)的磁通，將超導(dǎo)環(huán)所包圍的磁通表示為：i1i2abdcI

超導(dǎo)量子干射（SQUID）4取一個回路，從a→b→c→d→a，總相位變化為:

由于a與c以及b和d之間由超導(dǎo)連接，兩個結(jié)的相位差并不獨立

超導(dǎo)量子干射（SQUID）4i1i2abdcI

超導(dǎo)量子干射（SQUID）4

SQUID是一種新型高靈敏磁力儀，它是利用約瑟夫森結(jié)（JosePhson）的量子干涉效應(yīng)(SuperconductingQUantumInterferenceDevice,SQUID)來測量外磁場的高靈敏測量裝置。類型豐富：磁通、磁場、梯度等特點極高靈敏度：fT測量范圍寬：kT頻帶寬：kHzSQUID磁力儀1實際使用時，檢測臨界電流是非常困難的，通常通過施加一個大于最大臨界電流的偏置電流，根據(jù)V-I關(guān)系，可以得到電壓-磁通關(guān)系曲線，相位正好與電流相反。δVDCSQUID工作原理2反饋電壓讀取積分電路輸出線性化響應(yīng)；增大響應(yīng)量程達到多個磁通量；可以響應(yīng)一個磁通量內(nèi)的微小變化。DCSQUID磁通調(diào)制和反饋回路3當SQUID中的通量為nΦ0，所得電壓為“整流”正弦波，當該電壓連接到參考頻率fm的鎖定檢測器時，輸出為零。DCSQUID磁通調(diào)制下的輸出電壓及反饋補償輸出電壓VLDCSQUID磁通調(diào)制和反饋回路3當通量為（n+1/4）Φ0時，鎖定的輸出為最大值。隨著一個增加從nΦ0到（n+1/4）Φ0的通量，鎖定的輸出穩(wěn)步增加；相反，我們將磁通量從nΦ0降低到（n–1/4）Φ0，鎖定的輸出則不斷減少。超導(dǎo)磁力儀，超導(dǎo)磁梯度儀、超導(dǎo)磁化率儀、核磁共振超導(dǎo)檢流計、超導(dǎo)微伏計、超導(dǎo)電位計超導(dǎo)頻率計、射頻放大器量子比特、量子計算機量子計算磁測量電測量（計量）微波測量SQUID其他應(yīng)用4《智能傳感器技術(shù)》教材配套課件國防科技大學(xué)第十一章智能傳感器信號處理技術(shù)傳感器非線性矯正11.1傳感器自校準11.2智能傳感器不僅具有敏感功能，而且集成了不同的信號處理技術(shù)，是傳感器與微處理器集成化的產(chǎn)物。智能傳感器能夠自動采集數(shù)據(jù)并自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢驗、自選量程、自尋故障、自校零、自標定、自校正等功能。傳感器量程自適應(yīng)11.3多傳感器數(shù)據(jù)融合11.4基本思想1通過不斷調(diào)整函數(shù)模型使得傳感器誤差的平方和最小設(shè)直接測量值

y與m個間接測量值

存在函數(shù)關(guān)系：估計值

為：殘余誤差方程組最小二乘法目標函數(shù)：最小二乘線性擬合2線性測量情況殘余誤差矩陣：L：測量值A(chǔ)：系數(shù)矩陣X：估計值（待求）矩陣目標函數(shù)：極值條件（一階導(dǎo)數(shù)為零）：求解：最小二乘擬合優(yōu)缺點3優(yōu)點缺點能通過優(yōu)化目標函數(shù)找到最適合的擬合直線適合線性數(shù)據(jù)擬合，計算簡單，實現(xiàn)容易對異常值或噪聲敏感不能處理自變量誤差存在的情況擬合次數(shù)（多項式的階數(shù)）過高時，可能導(dǎo)致過擬合差商1定義：關(guān)于點的K階差商，定義為：性質(zhì)：

根據(jù)差商定義n次牛頓插值多項式：基本思想2基于差分思想的多項式插值方法基本步驟優(yōu)點缺點擬合精度高可以通過遞推的方法計算多項式系數(shù)，插值點較多時，計算效率較高數(shù)據(jù)點分布不均勻或噪聲較大時，插值誤差較大多項式階數(shù)選擇不當時，容易欠擬合或過擬合基本思想1對生物群體“物競天擇，適者生存”法則的數(shù)學(xué)仿真生

物

空

間數(shù)

學(xué)

空

間生物群體優(yōu)化問題的解空間個體潛在解環(huán)境約束條件多

代

淘

汰最適應(yīng)環(huán)境的個體條件約束下的優(yōu)化問題最優(yōu)解主要步驟2基本思想1

基于概率的優(yōu)化算法，通過模擬物理退火過程，將問題求解轉(zhuǎn)化為尋找能量最小化的過程物理退火過程模擬退火過程粒子狀態(tài)每個狀態(tài)對應(yīng)一個（可行）解能量最低態(tài)最優(yōu)解溶解過程設(shè)定初溫（設(shè)定參數(shù)T值）等溫過程一個溫度下，多次采樣過程冷卻控制參數(shù)下降能量目標函數(shù)傳感器內(nèi)部自校準輸入偏置電流自動校準零點漂移自動校準輸入端短路，得到零位輸入值正常測量過程中，每次測量后均自動從采樣值中減去存入的零位輸入值增益誤差自動校準輸入型前置放大器模數(shù)轉(zhuǎn)換器微處理器系統(tǒng)標準電源輸入電壓放大電路模數(shù)轉(zhuǎn)換器主機電路利用傳感器內(nèi)部微處理器和內(nèi)附校準信號源進行校準傳感器外部自校準參照高精度的外部標準調(diào)整傳感器校準常數(shù)電壓量程自動轉(zhuǎn)換電路電流量程自動轉(zhuǎn)換電路基于模擬電路的切換方法可變增益電阻法運算放大器法多模式開關(guān)法基于數(shù)字電路的切換方法采樣放大器法自適應(yīng)濾波法自適應(yīng)采樣法各傳感器對某一目標屬性做出的決策信息數(shù)據(jù)融合按照信息處理的抽象程度，可以將多傳感器數(shù)據(jù)融合劃分為三個層次：數(shù)據(jù)層融合、特征層融合、決策層融合數(shù)據(jù)融合的層次1原始傳感信息數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)層融合特征層融合各傳感器的原始信息中提取出的一組典型特征數(shù)據(jù)融合決策層融合數(shù)據(jù)融合的功能模型2基

礎(chǔ)數(shù)據(jù)融合主要過程主要功能：特征提取分類識別參數(shù)估計決策數(shù)據(jù)融合步驟：低層處理，包括數(shù)據(jù)層和特征層融合高層處理，即決策層融合數(shù)據(jù)融合的形式3串聯(lián)融合：每個傳感器在接收前一級傳感器信息基礎(chǔ)上，先實現(xiàn)信息的本地融合，再將融合結(jié)果傳給下一級傳感器，以此類推直到最后一級傳感器輸出最終融合結(jié)果。并聯(lián)融合：各傳感器直接將輸出信息傳給數(shù)據(jù)融合中心，由其對各輸入信息處理后輸出最終結(jié)果混合融合：串并聯(lián)融合方式的結(jié)合，包括總體串聯(lián)、局部并聯(lián)，或總體并聯(lián)、局部串聯(lián)數(shù)據(jù)融合算法1關(guān)系到整個數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的效率，融合結(jié)果的準確性、可靠性常用方法：隨機類方法人工智能類方法加權(quán)平均法貝葉斯概率推理法卡爾曼濾波法等模糊邏輯推理法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法智能融合法等主要區(qū)別：隨機類方法主要基于概率論和隨機過程的理論人工智能類方法通常是基于機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合人工智能類方法—①模糊邏輯推理法2基于模糊集理論對多傳感器系統(tǒng)中的不確定性信息進行描述和處理模糊集理論基本思想：把普通集合中的絕對隸屬關(guān)系靈活化，使元素對集合的隸屬度從原來的只能取值0或1，擴展到可以取[0，1]區(qū)間的任何數(shù)值。將輸入數(shù)據(jù)根據(jù)隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槟：`屬度的過程根據(jù)模糊規(guī)則和隸屬度得到模糊結(jié)論的方法人工智能類方法—②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法2根據(jù)當前系統(tǒng)所接收到的樣本的相似性，確定網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，進行大規(guī)模并行、分散處理信息三個根據(jù)：根據(jù)多傳感器系統(tǒng)特點和要求選擇合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型根據(jù)數(shù)據(jù)融合的要求建立合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入與輸出的映射關(guān)系根據(jù)已有的傳感器信息和系統(tǒng)決策進行指導(dǎo)性學(xué)習(xí)、權(quán)值分配、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練人工智能類方法—②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法2基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合過程外界環(huán)境傳感器與預(yù)處理器1傳感器與預(yù)處理器2傳感器與預(yù)處理器N……數(shù)據(jù)處理過程1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理過程2輸出人工智能類方法—③智能融合法2通過智能方法對數(shù)據(jù)間關(guān)系的抽象數(shù)據(jù)如符號進行處理和推理以專家系統(tǒng)為例：知識庫和數(shù)據(jù)庫推理機解釋機制知識獲取人機交互界面模擬專家決策能力的智能程序?qū)＜业闹R和經(jīng)驗存入知識庫，類似專家規(guī)則利用專家規(guī)則對數(shù)據(jù)進行邏輯推理，從而做出判斷、決策問題：專家系統(tǒng)的性能發(fā)揮和處理結(jié)果影響主要受什么影響？《智能傳感器技術(shù)》教材配套課件國防科技大學(xué)911歷史事件尋找拉登藏身之處應(yīng)用需求引發(fā)研究熱潮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述12.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)12.2無線傳感器同步與定位12.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用12.4現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)正是這三大技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的過程概念

——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的、具有無線通信與計算能力的小型、低成本傳感器節(jié)點，通過自組織的方式構(gòu)成的，能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。技術(shù)

——傳感器技術(shù)（實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境和檢測對象的信息）嵌入式計算技術(shù)（處理信息）現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)（傳輸信息）分布式信息處理技術(shù)（分布、協(xié)同處理）等——真正實現(xiàn)“無處不在的感知”理念三要素——無線傳感器、感知對象和監(jiān)測者無線傳感器能夠獲取監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（例如，溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物）感知對象在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)需要感知的具體信息載體監(jiān)測者不僅包括觀測者，還包括監(jiān)測信息處理中心的軟硬件等系統(tǒng)目前，常見的無線網(wǎng)絡(luò)包括移動通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、藍牙網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)等，與這些網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：傳感器節(jié)點體積小，電源能量有限，傳感器節(jié)點各部分集成度很高。節(jié)能是設(shè)計的重要考慮目標之一。計算和存儲能力有限。價格低，功耗小，處理能力弱，存儲容量小。通信半徑小，帶寬低。通信覆蓋范圍只有幾十米，“多跳”傳輸，降低功耗；傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過節(jié)點處理，流量小，帶寬低，1~100kbit/s。節(jié)點多和自組織。布撒有大量節(jié)點，利用節(jié)點之間高度連接性來保證系統(tǒng)的容錯性和抗毀性。；分布式算法，協(xié)調(diào)配合，自動組織網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強。三要素一旦有變化，路徑隨之變化，可重構(gòu)和自調(diào)整。以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。核心是感知數(shù)據(jù)，以感知數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)為中心。特點?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述12.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)12.2無線傳感器同步與定位12.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用12.4簡單地位平等健壯性好平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1結(jié)點組織、路由建立、控制與維護開銷大分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3開放式系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)參考模型（OpenSystemInterconnect，OSI）是國際標準化組織（InternationalOrganizationforStandardization,ISO）組織在1985年研究的網(wǎng)絡(luò)互連模型，OSI定義了網(wǎng)絡(luò)互連的七層框架（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層）傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議OSI參考模型1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、應(yīng)用支撐平臺以及網(wǎng)絡(luò)管理平臺三部分組成傳輸層應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層層物理層應(yīng)用支撐平臺網(wǎng)絡(luò)管理接口時間同步定位聲、光、電、磁MAC路由傳輸控制拓撲控制服務(wù)質(zhì)量安全\移動\能量\網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管理平臺網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議WSN的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議2分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議類似于傳統(tǒng)Internet中的TCP/IP體系，它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。物理層：負責(zé)信號的調(diào)制和數(shù)據(jù)的收發(fā)，所采用的傳輸介質(zhì)有無線電、紅外線和光波等。數(shù)據(jù)鏈路層：負責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、介質(zhì)訪問和差錯控制。其中，介質(zhì)訪問協(xié)議（MAC協(xié)議）保證可靠的點對點和點對多點通信，差錯控制則保證源節(jié)點發(fā)出的信息可以完整無誤地到達目標節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)層：負責(zé)路由發(fā)現(xiàn)和維護。通常，大多數(shù)節(jié)點無法直接和網(wǎng)關(guān)通信，需要中間節(jié)點通過多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點。傳輸層：負責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，主要通過匯聚節(jié)點采集傳感器節(jié)點中的數(shù)據(jù)信息，并使用衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)絡(luò)、Internet或者其他的鏈路與外部網(wǎng)絡(luò)通信。應(yīng)用層：負責(zé)使用通信和組網(wǎng)技術(shù)向應(yīng)用系統(tǒng)提供服務(wù)。該層對上層屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)細節(jié)，使用戶可以方便地對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行操作。1-分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)管理平臺主要進行對傳感器節(jié)點自身的管理以及用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，包括拓撲控制、服務(wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動管理和網(wǎng)絡(luò)管理等。拓撲控制。為了節(jié)約能源，傳感器節(jié)點會在某些時刻進入休眠狀態(tài)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化，因而需要通過拓撲控制技術(shù)管理各節(jié)點狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，使網(wǎng)絡(luò)保持暢通，數(shù)據(jù)能夠有效傳輸。拓撲控制利用鏈路層、路由層完成拓撲生成，反過來又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化MAC協(xié)議和路由協(xié)議，降低能耗。服務(wù)質(zhì)量（QoS）管理。在各協(xié)議層設(shè)計隊列管理、優(yōu)先級機制或者帶預(yù)留等機制，并對特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)進行特別處理。它是網(wǎng)絡(luò)與用戶之間以及網(wǎng)絡(luò)上互相通信的用戶之間關(guān)于信息傳輸與共享的質(zhì)量約定。為滿足用戶的要求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠為用戶提供足夠的資源。能量管理。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，電源能量是各個節(jié)點最寶貴的資源。為了使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時間盡可能地長，需要合理、有效地控制節(jié)點對能量的使用。每個協(xié)議層中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)進行能量分配決策。2-網(wǎng)絡(luò)管理平臺網(wǎng)絡(luò)管理平臺主要進行對傳感器節(jié)點自身的管理以及用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，包括拓撲控制、服務(wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動管理和網(wǎng)絡(luò)管理等。安全管理。由于節(jié)點隨機部署、網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)性以及無線信道的不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的安全機制無法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用，因此需要設(shè)計新型的網(wǎng)絡(luò)安全機制，這需要采用擴頻通信、接入認證、鑒權(quán)、數(shù)字水印和數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。移動管理。用來檢測和控制節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，還可以使傳感器節(jié)點跟蹤其鄰居節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)管理。是對網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備及傳輸系統(tǒng)進行有效監(jiān)視、控制、診斷和測試所采用的技術(shù)和方法，它要求各層協(xié)議嵌入各類信息接口，并定時收集協(xié)議運行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個協(xié)議組件的運行。2-網(wǎng)絡(luò)管理平臺應(yīng)用支撐平臺建立在分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和管理平臺的基礎(chǔ)之上。它包括一系列基于檢測任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來為終端用戶提供具體的應(yīng)用支持。時間同步。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和應(yīng)用要求各節(jié)點間的時鐘必須保持同步，這樣多個傳感器節(jié)點才能相互配合工作。此外，節(jié)點的休眠和喚醒也需要時鐘同步。節(jié)點定位。確定每個傳感器節(jié)點的相對位置或絕對位置。節(jié)點定位在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、緊急救援等環(huán)境中尤為重要。應(yīng)用服務(wù)接口。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用是多種多樣的，針對不同的應(yīng)用環(huán)境，有各種應(yīng)用層的協(xié)議，如任務(wù)安排和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議、節(jié)點查詢和數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)管理接口。主要是傳感器管理協(xié)議，用來將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層。3-應(yīng)用支撐平臺無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述12.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)12.2無線傳感器同步與定位12.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用12.4傳感器節(jié)點都有自己的內(nèi)部時鐘，由于不同節(jié)點的晶體振蕩頻率存在偏差，節(jié)點時間會出現(xiàn)偏差，因此節(jié)點之間必須頻繁進行本地時鐘的信息交互，以保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在時間認識上的一致性。時間同步作為上層協(xié)同機制的主要支撐技術(shù)，在時間敏感型應(yīng)用中尤為重要。傳感器節(jié)點不僅需要時間的信息，還需要空間的信息，即節(jié)點需要認識自身位置，也就是定位技術(shù)。對于目標、事件的位置信息，傳感器網(wǎng)絡(luò)利用目標定位技術(shù)來確定其相應(yīng)的位置信息。本節(jié)主要介紹時鐘同步和節(jié)點定位兩種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步是指各個獨立的節(jié)點通過不斷與其他節(jié)點交換本地時鐘信息，最終達到并且保持全局時間協(xié)調(diào)一致的過程，即以本地通信確保全局同步在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的本地時鐘依靠對自身晶振中斷計數(shù)實現(xiàn)，晶振的頻率誤差因初始計時時刻不同，使得節(jié)點之間的本地時鐘不同步。節(jié)點時鐘通常用晶體振蕩器脈沖來度量，任意一節(jié)點在物理時刻的本地時鐘讀數(shù)可表示為式中，fi(τ)是節(jié)點i晶振的實際頻率，f0為節(jié)點晶振的標準頻率，t0代表開始計時的物理時刻，ci(t0)代表節(jié)點i在t0時刻的時鐘讀數(shù)，t是真實時間變量。ci(t0)是構(gòu)造的本地時鐘，間隔c(t)-c(t0)被用來作為度量時間的依據(jù)。由于節(jié)點晶振頻率短時間內(nèi)相對穩(wěn)定，因此節(jié)點時鐘又可表示為

對于理想的時鐘，有

。一般情況下，晶振頻率的波動幅度并非任意的，而是局限在一定的范圍之內(nèi)式中，ρ為絕對頻率差上界，由制造廠商標定，一般ρ多為（1~100）×10-6，即一秒鐘內(nèi)會偏移1~100μs。時間同步機制的基本原理1在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要有以下3個原因?qū)е聜鞲衅鞴?jié)點時間的差異：節(jié)點開始計時的初始時間不同。每個節(jié)點的石英晶體可能以不同的頻率跳動，引起時鐘值的逐漸偏高，這個誤差稱為偏差誤差。隨著時間的推移，時鐘老化或隨著周圍環(huán)境（如溫度）的變化而導(dǎo)致時鐘頻率發(fā)生變化，這個誤差稱為漂移誤差。時鐘A時鐘BcA(t)cB(t)cA(t)－cB(t)偏移假定c(t)是一個理想的時鐘。如果在t時刻有c(t)=ci(t)，則稱時鐘ci(t)在t時刻是準確的；如果則稱時鐘ci(t)在t時刻是精確的；而如果ci(t)=ck(t)，則稱時鐘ci(t)在t時刻與時鐘ck(t)是同步的。時間同步機制的基本原理1本地時鐘通常由一個計數(shù)器組成，用來記錄晶體振蕩器產(chǎn)生脈沖的個數(shù)。在本地時鐘的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)造出邏輯時鐘，目的是通過對本地時鐘進行一定的換算以達成同步。節(jié)點的邏輯時鐘是任一節(jié)點i在物理時刻t的邏輯時鐘讀數(shù)，可以表示為LCi(t)=lai×Ci(t)+lbi。其中，ci(t0)為當前本地時鐘讀數(shù)，lai、lbi分別為頻率修正系數(shù)和初始偏移修正系數(shù)。采用邏輯時鐘的目的是對本地任意兩個節(jié)點i和j實現(xiàn)同步，構(gòu)造邏輯時鐘有以下兩種途徑：一種途徑是根據(jù)本地時鐘與物理時鐘等全局時間基準的關(guān)系進行變換?？傻茫?/p>

將lai、lbi設(shè)為對應(yīng)的系數(shù)，即可將邏輯時鐘調(diào)整到物理時間基準上。另一種途徑是根據(jù)兩個節(jié)點本地時鐘的關(guān)系進行對應(yīng)換算。任意兩個節(jié)點i和j的本地時鐘之間的關(guān)系可表示為式中，aij=aj/ai，bij=bj-(aj/ai)bi。將lai、lbi設(shè)為對應(yīng)aij、bij構(gòu)造出的一個邏輯時鐘的對應(yīng)系數(shù)，即可與節(jié)點的本地時鐘達成同步。以上兩種方法都估計了頻率修正系數(shù)和初始偏移修正系數(shù)，精度較高；對應(yīng)低精度類的應(yīng)用，還可以簡單地根據(jù)當前的本地時鐘和物理時鐘的差值或本地時鐘之間的差值進行修正。時間同步機制的基本原理11）傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步（TPSN）協(xié)議傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步（Timing-syncProtocolforSensorNetworks,TPSN）協(xié)議是較典型的實用時間同步算法。TPSN算法是由加州大學(xué)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)實驗室SaurabhGaneiwal等于2003年提出的，算法采用發(fā)送者-接收者之間進行成對同步的工作方式，并將其擴展到全網(wǎng)域的時間同步。算法的實現(xiàn)分兩個階段：層次發(fā)現(xiàn)階段和同步階段優(yōu)點：可擴展，且同步精度不會隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大而急劇降低；全網(wǎng)同步計算量小。缺點：當節(jié)點達到同步時，需要在本地修改物理時鐘，能量不能有效利用，不適用于快速移動節(jié)點，不支持多跳通信。典型時間同步協(xié)議22）參考廣播同步（RBS）協(xié)議

RBS同步協(xié)議是典型的接收者-接收者同步模式。其最大的特點是發(fā)送節(jié)點廣播不包含時間戳的同步包，在廣播范圍內(nèi)接收節(jié)點同步包，并記錄收到包的時間。而接收節(jié)點通過比較各自記錄的收報時間（需要進行多次的通信)達到時間同步，消除了發(fā)送時間和接收時間的不確定性帶來的同步偏差。在實際中傳播時間是忽略的（考慮到電磁波傳播速度等同于光速），所以同步誤差主要是由接收時間的不確定性引起的。優(yōu)點：同步數(shù)據(jù)傳輸過程中最大的不確定性可以從關(guān)鍵路徑中消除，精度更高；也可以很好地處理奇異點及同步包的丟失。缺點：不能用于點到點的網(wǎng)絡(luò)，因為協(xié)議需要廣播信道；高能量消耗典型時間同步協(xié)議2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于事件的監(jiān)測，而事件發(fā)生的位置對于監(jiān)測信息至關(guān)重要，因此，需要利用定位技術(shù)來確定相應(yīng)的位置信息。節(jié)點定位技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一，其目的是通過網(wǎng)絡(luò)中已知位置信息的節(jié)點計算出其他未知節(jié)點的位置坐標。需要考慮兩個主要因素，即定位機制的物理特性和定位算法。1）基于接收信號強度指示基于接收信號強度指示（ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI）的定位方法是通過測量發(fā)送功率和接收功率，計算傳播損耗。利用理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，將傳播損耗轉(zhuǎn)化為發(fā)送器與接收器的距離。無線信號的發(fā)射功率和接收功率之間的關(guān)系如下式所示，其中PR是無線信號的接收功率，PT是無線信號的發(fā)射功率，r是收發(fā)單元之間的距離，n是傳播因子，傳播因子的數(shù)值大小取決于無線信號傳播的環(huán)境。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的發(fā)射功率是已知的，將發(fā)送功率代入這里A可被看作信號傳輸1m時接收信號的功率?？杀豢醋鹘邮招盘枏姸群蜔o線信號傳輸距離之間的理論公式無線信號接收強度指示與信號傳播距離之間的關(guān)系基于測距方法定位12）基于到達時間/到達時間差基于到達時間(TimeofArrival，TOA）/到達時間差（TimeDifferenceofArrival，TDOA)的定位方法是通過測量傳輸時間來估算兩節(jié)點之間距離，適用于多種信號，如射頻、聲學(xué)、紅外信號等。ToA測距原理框圖基于測距方法定位12）基于到達時間/到達時間差TDOA定位是一種利用時間差進行定位的方法。通過測量信號到達監(jiān)測站的時間，可以確定信號源的距離。利用信號源到各個監(jiān)測站的距離（以監(jiān)測站為中心，距離為半徑作圓），就能確定信號的位置。TDOA技術(shù)對節(jié)點硬件要求高，它對成本和功耗的要求對傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)，但其測距誤差小，也具有較高的精度。基于測距方法定位1TOA方法已知信號的傳播速度，通過測量傳輸時間來估算兩節(jié)點之間的距離，精度較好；但由于無線信號的傳輸速度快，時間測量上的很小誤差就會導(dǎo)致很大的誤差值，所以要求無線節(jié)點有較強的計算能力。TOA算法的定位精度高，但要求節(jié)點間保持精確的時間同步，對無線節(jié)點的硬件和功耗提出了較高的要求。3）基于到達角基于到達角（AngleofArrival,AOA）的定位方法通過配備特殊天線來估測其他節(jié)點發(fā)射的無線信號的到達角度。AOA測量原理框圖基于測距方法定位1這種方法通過某些硬件設(shè)備感知發(fā)射節(jié)點信號的到達方向，計算接收節(jié)點和錨節(jié)點之間的相對方位或角度，再利用三角測量法或其他方式計算出未知節(jié)點的位置。它的硬件要求較高，一般需要在每個節(jié)點上安裝昂貴的天線陣列。AOA定位不但可以確定無線節(jié)點的位置坐標，還能夠確定節(jié)點的方位信息，但它易受外界環(huán)境的影響，且需要額外硬件，因此它的硬件尺寸和功耗指標并不適用于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)，在某些應(yīng)用領(lǐng)域可以發(fā)揮作用。1）質(zhì)心算法在計算幾何學(xué)里多邊形的幾何中心稱為質(zhì)心，多邊形頂點坐標的平均值就是質(zhì)心節(jié)點的坐標。假設(shè)多邊形定點位置的坐標向量表示為

則這個多邊形的質(zhì)心坐標例如

如果四邊形ABCD的頂點坐標分別為(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)，則它的質(zhì)心坐標為基于非測距方法定位22）DV-Hop算法DV-Hop（DistanceVector-Hop）定位算法由于對信標節(jié)點比例要求較少，定位精度較高。主要思想是引人最短路徑算法到信標節(jié)點的選擇過程中，從而在未知節(jié)點的位置估計過程中可以有效利用多跳信標節(jié)點的位置信息，這種方法可以大大減少實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)定位所需信標節(jié)點的比例（密度），從而大大降低網(wǎng)絡(luò)的布置成本。已知錨點L1與L2、L3之間的距離和跳數(shù)，L2計算得到校正值（即平均每跳距離）為（40m+75m）/（2+5）=16.42m，假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的待定位節(jié)點A從L2獲得校正值，則它與3個錨點之間的距離分別是L1=3×16.42m，L2=2×16.42m，L3=3×16.42m，然后使用多邊測量法確定節(jié)點A的位置。DV-Hop算法確定節(jié)點A的位置基于非測距方法定位2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述12.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)12.2無線傳感器同步與定位12.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用12.4信息探測目標搜尋、跟蹤定位目標毀傷效果評估微型傳感器命中的坦克遠程火炮指揮所槍聲定位反恐系統(tǒng)美軍“沙地直線”項目

無線鏈路傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點森林火災(zāi)監(jiān)測大鴨島上海鷗的生活習(xí)性監(jiān)測浙江溫州的奶牛牧場沈陽玫瑰園右圖，礦井人員定位和監(jiān)控通信，通過在井下坑道一定的距離內(nèi)布置瓦斯等氣體檢測傳感器節(jié)點，可以預(yù)先對井下可能的危險進行檢測。左圖，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對電力系統(tǒng)的高壓和超高壓母線、高壓開關(guān)接點（以及人員無法接近的其他危險、惡劣環(huán)境）的溫度等進行實時檢測?？偨Y(jié)1.概述時鐘同步節(jié)點定位定義：大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的、具有無線通信與計算能力的小型、低成本傳感器節(jié)點，通過自組織的方式構(gòu)成的，能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。三要素：

無線傳感器、感知對象和監(jiān)測者12典型時間同步協(xié)議TPSNRBS基于測距方法定位RSSITOA/TDOAAOA基于非測距方法定位質(zhì)心算法DV-Hop算法2.體系結(jié)構(gòu)3.同步與定位《智能傳感器技術(shù)》教材配套課件國防科技大學(xué)“先行者”——中國首臺能行走的類人機器人7.2機器人傳感器158機器人類人機器人?機器人仿生機器人?160機器人智能科學(xué)學(xué)院吳學(xué)忠團隊的“微納仿生機器人”?161機器人工業(yè)機器人?1621機器人群俠傳163凌波微步乾坤大挪移六脈神劍飛龍在天飛天攬月太極拳鐵布衫……打通任督二脈修煉火眼金睛機器人傳感器機器人群俠傳機器人的武功秘籍?用于機器人對周圍環(huán)境、目標物的狀態(tài)特征獲取信息，使機器人和環(huán)境發(fā)生交互作用，從而使機器人對環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。用于感知機器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制自己按照一定的位置、速度、加速度和軌跡進行工作。動力學(xué)參數(shù)力、力矩、慣性等

運動學(xué)參數(shù)位移、速度、加速度等164——打通任督二脈——修煉火眼金睛機器人傳感器概述內(nèi)部傳感器?外部傳感器?機器人位置與速度感知13.1機器人姿態(tài)感知13.2機器人力/力矩感知13.3機器人的位置與速度感知是其實現(xiàn)精確運動控制和特定功能的關(guān)鍵。機器人位置檢測傳感器包括編碼式位移傳感器、電位器式位移傳感器、旋轉(zhuǎn)電位器等。紅外對射式紅外反射式紅外漫反射式光電開關(guān)位置檢測?霍爾開關(guān)電路結(jié)構(gòu)霍爾開關(guān)用于機械臂限位霍爾傳感器位置檢測?穩(wěn)壓角位移型直線型電位器位置檢測?光電編碼器增量式絕對式編碼器位置檢測?直流測速發(fā)電機交流測速發(fā)電機磁電傳感器測速?編碼器速度測量通常基于脈沖周期或頻率測量的方式，具體的方法包括：M法測速、T法測速、M/T法測速等。編碼器測速?M法測速的精度與速度大小有關(guān)，當速度低時測量誤差較大。編碼器測速—M法測速?T法測速適于測量低速，可以捕獲到更多的高頻脈沖數(shù)，從而獲得較為準確的轉(zhuǎn)速測量。編碼器測速—T法測速?在不同的速度范圍內(nèi)提供較為均衡的測量精度，通過在低速時側(cè)重于測量周期（T法），在高速時側(cè)重于測量頻率（M法），從而實現(xiàn)全速度范圍內(nèi)的準確測量。編碼器測速—M/T法測速?機器人位置與速度感知13.1機器人姿態(tài)感知13.2機器人力/力矩感知13.3機器人的姿態(tài)可以通過多種方式表示，例如使用歐拉角（俯仰角、偏航角、翻滾角）或四元數(shù)來表示其在三維空間中的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)橫滾角

俯仰角偏航角歐拉角?四元數(shù)是一種能表示三維物體轉(zhuǎn)動的四維超復(fù)數(shù)。四元數(shù)到歐拉角的轉(zhuǎn)換四元數(shù)?互補濾波器陀螺儀輸出角速度進行積分得到姿態(tài)，但會產(chǎn)生誤差累計陀螺儀角速度預(yù)積分加速度計線加速度修正磁力計修正用加速度計在水平面對重力進行比對和補償，用來修正陀螺儀的誤差，但是無法處理豎直軸上的旋轉(zhuǎn)測量出水平面內(nèi)的地磁方向用來修正陀螺儀的水平誤差機器人位置與速度感知13.1機器人姿態(tài)感知13.2機器人力/力矩感知13.3應(yīng)變式力/力矩測量傳感器通常由彈性敏感元件和貼在其上的應(yīng)變片組成。懸臂梁式應(yīng)變片測力應(yīng)變式六維力/力矩傳感器電容式力/力矩測量方式是將機械量的改變轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的電容量的改變。整體設(shè)計圖分層結(jié)構(gòu)圖測量層的結(jié)構(gòu)平面示意圖Fx、Mz的測量向力和力矩測量壓電式力/力矩測量傳感器利用壓電材料的特性，將機械力或力矩轉(zhuǎn)換為電信號進行測量。xy單元晶組的結(jié)構(gòu)yx單元晶組三向力測量單元《智能傳感器技術(shù)》教材配套課件國防科技大學(xué)機器人可見光視覺感知14.1機器人紅外視覺感知14.2機器人激光雷達視覺感知14.3機器人視覺感知是指機器人通過CCD、紅外、激光等傳感器采集和解析圖像或環(huán)境數(shù)據(jù)從而達到智能識別和理解的技術(shù)，它使機器人能夠具有圖像捕捉、物體識別、目標追蹤、動作理解等功能?？梢姽庖曈X感知用于工業(yè)機器人小孔成像與等效透鏡成像模型二維平面成像?天問一號火星車“祝融號”立體視覺成像?圖像預(yù)處理灰度化幾何變換圖像增強圖像分割特征提取邊緣檢測角點檢測紋理特征提取顏色特征提取圖像理解圖像識別圖像語義分析機器人可見光視覺感知14.1機器人紅外視覺感知14.2機器人激光雷達視覺感知14.3機器人紅外視覺感知就是一種通過紅外傳感器來檢測和分析環(huán)境中的熱輻射或紅外光的技術(shù)。這種技術(shù)不依賴可見光，可在完全黑暗的環(huán)境中工作，廣泛應(yīng)用于機器人夜間導(dǎo)航、物體識別、環(huán)境監(jiān)測等。機器人紅外視覺感知主要包括兩大類：主動式紅外視覺感知被動式紅外視覺感知。主動式紅外視覺采用可控的紅外光源來激發(fā)物體，然后通過捕捉反射回來的紅外光進行檢測和分析。被動式紅外視覺是一種利用紅外熱輻射進行物體檢測的技術(shù)，具有非接觸性、非侵入性和非破壞性的特點，無需照明光源，可在雨雪、大霧等不良天氣條件下晝夜持續(xù)工作典型的紅外熱成像機器視覺系統(tǒng)工作原理機器人可見光視覺感知14.1機器人紅外視覺感知14.2機器人激光雷達視覺感知14.3激光雷達系統(tǒng)通過發(fā)射激光脈沖并接收反射回來的光束，來測量物體與傳感器之間的距離，從而實現(xiàn)對周圍環(huán)境的三維感知。激光雷達視覺感知系統(tǒng)利用其掃描功能可以實現(xiàn)三維圖像構(gòu)建。按照掃描方式，激光雷達系統(tǒng)可以分為三種，即機械掃描式、半固態(tài)式及全固態(tài)式。通過激光發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生單波束或者少量波束發(fā)射，通過掃描機構(gòu)的一維掃描，實現(xiàn)對探測區(qū)域三維成像測量。掃描范圍大幀頻難以提升難以實現(xiàn)遠距離成像體積重量較大，可靠性相對差發(fā)射器和接收器固定不動，只通過少量運動部件實現(xiàn)激光束的掃描MEMS偏振鏡MEMS半固態(tài)激光雷達成像示意圖MEMS半固態(tài)激光雷達?轉(zhuǎn)鏡掃描原理轉(zhuǎn)鏡類激光雷達結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)鏡式激光雷達?全固態(tài)激光雷達通常采用如Flash技術(shù)或光學(xué)相控陣（OpticalPhasedArray,OPA）來實現(xiàn)光束的電子控制掃描，從而克服了傳統(tǒng)機械式激光雷達的局限性，如體積龐大、耐久性問題以及成本較高等。Flash激光雷達OPA激光雷達Flash激光雷達?通過控制相控陣雷達平面陣列各個陣元的相位，利用相位差讓不同的位置的波源產(chǎn)生干涉，從而指向特定的方向，往復(fù)控制便得以實現(xiàn)掃描效果OPA激光雷達?《智能傳感器技術(shù)》教材配套課件國防科技大學(xué)機器人語音識別15.1機器人聲音定位15.2聲音定位在機器人中的應(yīng)用15.3語音識別是人工智能機器人領(lǐng)域中的一個重要分支，它使機器人能夠智能理解和處理人類的語音指令，實現(xiàn)人機交互，廣泛應(yīng)用于智能客服、智能家居、智能車載等多個領(lǐng)域早期階段隱馬爾可夫模型興起階段深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用階段貝爾實驗室的Audrey系統(tǒng)IBM發(fā)明了ShoeBox系統(tǒng)卡耐基梅隆大學(xué)的Reddy系統(tǒng)小詞匯量、孤立詞的語音識別大詞匯量、連續(xù)語音識別動態(tài)規(guī)劃思想統(tǒng)計方法GMM-HMM框架DBN-HMMDNN-HMM高識別率、魯棒性、效率語音識別系統(tǒng)組成語音信號是一種非平穩(wěn)的一維復(fù)雜時變信號，在進行語音識別的時候，不能直接將原始語音信號當作輸入，而需要先對語音信號采取一系列預(yù)處理操作。濾波預(yù)加重分幀加窗語音信號預(yù)處理?語音信號預(yù)處理—濾波?補償在錄音和傳輸過程中高頻聲音的自然衰減，減少噪聲的影響，并改善語音特征的穩(wěn)定性語音信號預(yù)處理—預(yù)加重?語音信號分幀的目的在于將連續(xù)的語音信號切割成短時間內(nèi)的小段，即幀，以便對每一幀進行獨立的分析和處理語音信號預(yù)處理—分幀?聲學(xué)特征提取是從預(yù)處理后的語音信號中提取代表語音特性的參數(shù)，這些參數(shù)能夠捕捉到語音信號的重要信息，如音調(diào)、音色等，以便于后續(xù)的語音處理和識別任務(wù)MFCC特征提取流程聲學(xué)特征提取?馬爾可夫模型聲學(xué)模型?GMM-HMM聲學(xué)模型聲學(xué)模型?DNN-HMM聲學(xué)模型聲學(xué)模型?語言模型的核心目的是評估一個給定的詞序列在自然語言中出現(xiàn)的可能性，即預(yù)測句子中下一個詞的概率語言模型N-gram困惑度(Perplexity，PPL)PPL越小表示在給定歷史上出現(xiàn)下一個預(yù)測詞的概率越高，該模型的效果越好語音模型?家庭助理機器人交互式教學(xué)和娛樂醫(yī)療輔助機器人語音識別15.1機器人聲音定位15.2聲音定位在機器人中的應(yīng)用15.3送餐機器人如何實現(xiàn)定位基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位是指用麥克風(fēng)拾取聲音信號，通過對麥克風(fēng)陣列的各路輸出信號進行分析和處理，得到一個或者多個聲源的位置信息。目前基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位方法主要有三種：基于最大輸出功率的可控波束成形的定位方法基于高分辨譜估計的定位方法基于到達時延差估計的定位方法(TimeDifferenceofArrival，TDOA)基于最大輸出功率的可控波束成形的定位方法?到達時間差（TDOA）定位技術(shù)?第i個麥克風(fēng)與聲源的距離為第一、二個麥克風(fēng)與y軸的夾角為：聲源的坐標為到達時間差（TDOA）定位技術(shù)——近場模型?機器人語音識別15.1機器人聲音定位15.2聲音定位在機器人中的應(yīng)用15.3具有聲源識別能力的掃地機器人消防滅火偵查機器人《智能傳感器技術(shù)》教材配套課件國防科技大學(xué)機器人觸覺感知16.1機器人接近覺感知16.2觸覺傳感器的發(fā)展打破傳統(tǒng)機器人獲取環(huán)境信息的壁壘，通過與外界直接進行接觸的新型交互方式，使機器人在信息獲取、數(shù)據(jù)融合以及智能決策等方面獲得快速發(fā)展。現(xiàn)有的觸覺傳感器按照其原理可分為：壓電式電容式壓阻式霍爾式光電式……壓電式觸覺感知是利用壓電效應(yīng)檢測和響應(yīng)外部的物理接觸和壓力變化，使機器人具備類似于人類的觸覺能力。新型有機壓電材料PVDF壓電觸覺傳感器結(jié)構(gòu)示意圖銅2×2傳感器陣列結(jié)構(gòu)指尖壓電觸覺傳感器機器手電容式觸覺傳感器主要由兩個電極與二者中間的介電層組成，兩電極之間的距離、正對面積和介電材料的介電常數(shù)變化均會導(dǎo)致電容值的變化，據(jù)此可以獲得觸覺智能感知信息。電容式觸覺感知單元基本結(jié)構(gòu)?球曲面極板的電容式觸覺感知單元電容式觸覺感知單元基本結(jié)構(gòu)?雙電層電容式觸覺感知單元電容式觸覺感知單元基本結(jié)構(gòu)?電極層離子纖維陽離子陰離子電容式三維力觸覺智能感知陣列?單一表面微結(jié)構(gòu)復(fù)合微結(jié)構(gòu)三維多孔結(jié)構(gòu)壓阻型觸覺傳感器基于壓敏材料的壓阻效應(yīng)制作而成。壓阻效應(yīng)即壓敏材料在壓力作用下發(fā)生變形，其材料內(nèi)部的導(dǎo)電性能發(fā)生變化，從而使其整體電阻改變。霍爾式觸覺感知通常指的是一種利用霍爾效應(yīng)來檢測物體接觸和壓力變化的技術(shù)。機器人觸覺感知16.1機器人接近覺感知16.2接近覺傳感器是一種能夠在不接觸目標物體的情況下，感知物體接近或距離的傳感器。光電式接近感知的原理主要是采用光電式傳感器檢測物體與傳感器之間的距離。三角測距原理光電式方位傳感器無人搬運車超聲波接近感知，通常指的是利用超聲波傳感器進行物體的存在檢測和距離測量的技術(shù)。超聲波傳感器測距的基本工作原理是通過發(fā)射超聲波脈沖并接收其反射波來測量物體與傳感器之間的距離。超聲波接近傳感器超聲波發(fā)射器超聲波接收器電容式接近感知是利用電容變化原理來檢測物體的接近程度。當物體接近時，該物體相對于傳感器電極的相對介電常數(shù)發(fā)生變化，或是等效地改變了電極間的有效距離，這種變化會導(dǎo)致電容值發(fā)生變化。同面雙電極電容接近傳感器觸覺與接近覺可切換的電容式傳感器單元《智能傳感器技術(shù)》教材配套課件國防科技大學(xué)機器人嗅覺感知17.1機器人味覺感知17.2機器人嗅覺和味覺感知通過半導(dǎo)體、壓電、光電、納米等傳感器來檢測和分析氣體或液體中化學(xué)成分，賦予了機器人嗅覺和味覺能力。機器人嗅覺感知技術(shù)賦予機器人氣味識別和分類的能力。由于嗅覺感知系統(tǒng)起源于人類嗅覺，因此，嗅覺感知系統(tǒng)也常常被稱為電子鼻。生物嗅覺與電子鼻系統(tǒng)對比圖常用于構(gòu)建電子鼻的氣體傳感器陣列類型有：金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器導(dǎo)電聚合物氣體傳感器聲表面波氣體傳感器電化學(xué)氣體傳感器光學(xué)氣體傳感器氣體與金屬氧化物半導(dǎo)體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致傳感器的電導(dǎo)率發(fā)生變化，通過測量電導(dǎo)率