傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第2版）第11章傳感器技術(shù)前沿多源信息融合技術(shù)1.2幾類新型傳感器11.111.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)11.311.4第11章傳感器技術(shù)前沿2智能傳感器11.5本章小結(jié)本章內(nèi)容引出3隨著控制理論、計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，傳感器技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的理論、新的技術(shù)和新的概念。本章將簡要介紹傳感器技術(shù)領(lǐng)域的幾種新技術(shù)和方法：多源信息融合技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能傳感器。11.1幾種新型傳感器4氣體傳感器5氣體傳感器的傳感元件多為氧化物半導(dǎo)體，有時在其中加入微量貴金屬作增敏劑，增加對氣體的活化作用。對于電子給予性的還原性氣體如氫、一氧化碳、烴等，用N型半導(dǎo)體；對接受電子性的氧化性氣體如氧，用P型半導(dǎo)體。將半導(dǎo)體以膜狀固定于絕緣基片或多孔燒結(jié)體上，做成傳感元件。氣體傳感器主要有半導(dǎo)體傳感器（電阻型和非電阻型）、絕緣體傳感器（接觸燃燒式和電容式）、電化學(xué)式（恒電位電解式、伽伐尼電池式），還有紅外吸收型、石英振蕩型、光纖型、熱傳導(dǎo)型、聲表面波型、氣體色譜法等。氣體傳感器6接觸燃燒式氣體傳感器基于強(qiáng)催化劑使氣體在其表面燃燒時產(chǎn)生熱量，使傳感器溫度上升，這種溫度變化可使貴金屬電極電導(dǎo)隨之變化的原理而設(shè)計的。接觸燃燒式氣體傳感器對與被測氣體進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量與氣體濃度的關(guān)系進(jìn)行檢測。輸出的不平衡電壓或電流和可燃性氣體的濃度成比例，氣體的濃度可通過電壓表或電流表指示。接觸燃燒式氣體傳感器廉價、精度低，但靈敏度較低，適合于檢測CH4等爆炸性氣體，不適合檢測如CO等有毒氣體。生物傳感器7生物傳感器是利用生物活性物質(zhì)選擇性來識別和測定生物化學(xué)物質(zhì)的傳感器。生物傳感器中，分子識別元件上所用的敏感物質(zhì)有酶、微生物、動植物組織、細(xì)胞器、抗原和抗體等。根據(jù)所用的敏感物質(zhì)，生物傳感器的分類如下圖所示。圖10-3生物傳感器按生物分子識別元件敏感物質(zhì)分類陀螺儀8廣義上講，凡是能測量載體相對慣性空間旋轉(zhuǎn)的裝置都可稱為陀螺儀。陀螺儀從理論上可以劃分為兩大類：以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)的陀螺儀，包括各類機(jī)械陀螺儀，如振動陀螺儀、微機(jī)械電子系統(tǒng)陀螺儀；以現(xiàn)代物理學(xué)為基礎(chǔ)的陀螺儀，包括光學(xué)陀螺儀，如激光陀螺儀和光纖陀螺儀。陀螺儀9陀螺儀由陀螺轉(zhuǎn)子、內(nèi)環(huán)、外環(huán)和基座（殼體）組成。陀螺儀有3根在空間互相垂直的軸。x軸是陀螺的自轉(zhuǎn)軸，陀螺本身是一只對稱的轉(zhuǎn)子，由電機(jī)驅(qū)動繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)。陀螺轉(zhuǎn)子軸（x軸）支承在內(nèi)環(huán)上。

y軸是內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)動軸，亦稱內(nèi)環(huán)軸。內(nèi)框帶動轉(zhuǎn)子一起可繞內(nèi)環(huán)軸相對外環(huán)自由旋轉(zhuǎn)。z軸為外環(huán)的轉(zhuǎn)動軸，它支承在殼體上，外環(huán)可繞該軸相對殼體自由旋轉(zhuǎn)。整個陀螺可以繞著受點在空間作任意方向的轉(zhuǎn)動，陀螺儀可以繞3軸自由轉(zhuǎn)動，即具有3個自由度。通常把內(nèi)、外環(huán)支承陀螺儀稱為3自由度陀螺儀，把僅用一個環(huán)支撐的陀螺儀稱為2自由度陀螺儀。（a）3自由度陀螺

（b）2自由度陀螺圖10-5陀螺儀結(jié)構(gòu)示意圖陀螺儀的穩(wěn)定性103自由度陀螺儀保持其自轉(zhuǎn)軸在慣性空間的方向不發(fā)生變化的特性，稱為陀螺的穩(wěn)定性。有兩種表現(xiàn)形式：定軸性：當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)后，若不受外力的作用，不管機(jī)座如何轉(zhuǎn)動，支承在萬向支架上的陀螺自轉(zhuǎn)軸指向慣性空間的方位不變章動：當(dāng)陀螺高速旋轉(zhuǎn)受到瞬時沖擊力矩作用后，自轉(zhuǎn)軸在原方位附近作微小的圓錐運(yùn)動，且轉(zhuǎn)子軸的方向基本保持不變（a）定軸性

（b）章動圖10-5陀螺穩(wěn)定性示意圖陀螺儀的進(jìn)動性11當(dāng)3自由度陀螺受到外加力矩作用時，陀螺儀并不在外力矩所作用的平面內(nèi)產(chǎn)生運(yùn)動，而是在與外力矩作用平面相垂直的平面內(nèi)運(yùn)動，陀螺儀的這種特性稱為進(jìn)動性。圖10-6陀螺的進(jìn)動性進(jìn)動方向：陀螺的進(jìn)動方向與轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)方向和外力矩方向有關(guān)。其規(guī)律是：陀螺受外力矩作用時，自轉(zhuǎn)軸的角速度矢量Ω沿最短的路線向外力矩矢量M方向運(yùn)動，即進(jìn)動角速度矢量

進(jìn)動角速度的大小：陀螺進(jìn)動角速度ω的大小與轉(zhuǎn)子角動量H和外力矩M有關(guān)，其一般關(guān)系為11.2多源信息融合技術(shù)12多源信息融合技術(shù)的基本原理13多源信息融合的基本原理就像人腦綜合處理信息一樣，充分利用多傳感器資源，通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，把多傳感器在空間或時間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則來進(jìn)行組合，以獲得被測對象的一致性解釋或描述，使該傳感器系統(tǒng)所提供的信息比它的各組成部分子集單獨提供的信息更有優(yōu)越性。數(shù)據(jù)融合的目的是通過多種單個數(shù)據(jù)信息的組合出更多的信息，得到最佳協(xié)同作用的結(jié)果。多源信息融合的處理層次包括數(shù)據(jù)層（即像素層）、特征層和決策層（證據(jù)層）。多源信息融合的起源與發(fā)展14多源信息融合是在20世紀(jì)70年代提出的。主要在多種雷達(dá)同時運(yùn)用的條件下執(zhí)行同類傳感器信息融合處理。70年代末期開始引入電子戰(zhàn)、ESM（ElectronicSupportMeasures，電子支援措施）系統(tǒng)，引起人們高度重視。1991年波斯灣戰(zhàn)爭之后，信息融合技術(shù)進(jìn)入我國。20世紀(jì)90年代中期，信息融合技術(shù)在國內(nèi)已發(fā)展成為多方關(guān)注的共性關(guān)鍵技術(shù)，出現(xiàn)了許多熱門研究方向，許多學(xué)者致力于機(jī)動目標(biāo)跟蹤、分布檢測融合、多傳感器綜合跟蹤和定位、分布信息融合、目標(biāo)識別與決策信息融合、態(tài)勢評估與威脅估計等領(lǐng)域的理論及應(yīng)用研究。多源信息融合的起源與發(fā)展15隨著多傳感器信息綜合趨勢的日益增長，客觀上需要在實現(xiàn)傳感器綜合、控制綜合、數(shù)據(jù)庫綜合和知識綜合的基礎(chǔ)上，將各種信息進(jìn)行融合并進(jìn)行可視化處理，給“駕駛腦”提供一個最終的直觀三維外景圖像。2010年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）為首的先進(jìn)軍事技術(shù)研究機(jī)構(gòu)率先開展了“全源導(dǎo)航”技術(shù)研究。全源導(dǎo)航具有兼容大范圍、多樣化傳感器和敏感器的能力，能夠做到“即插即用”，更易于優(yōu)化，開放式架構(gòu)的協(xié)同、增效作用。信息融合在無人裝備中的應(yīng)用16基于多源信息融合的無人機(jī)慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航是利用慣性敏感元件測量運(yùn)動物體相對于慣性空間的線運(yùn)動和角運(yùn)動參數(shù)，在給定運(yùn)動初始條件下，由計算機(jī)推算出運(yùn)動物體的姿態(tài)、方位、速度、位置等導(dǎo)航參數(shù)，以便引導(dǎo)運(yùn)動物體完成預(yù)定的航行任務(wù)。慣性測量組合，通常由慣性測量裝置、計算機(jī)和控制顯示組件等部分組成。慣性測量裝置包括3個加速度計、一個3軸陀螺穩(wěn)定平臺（或3個陀螺儀）。3軸陀螺平臺用來測量運(yùn)動物體繞3軸的三個轉(zhuǎn)動運(yùn)動3個加速度計用來測量運(yùn)動物體沿給定軸方向的3個加速度分量。計算機(jī)依據(jù)給定的初始條件和測得的加速度信號，計算出運(yùn)動物體的速度和位置數(shù)據(jù)?？刂骑@示器中的控制部分，用來給定初始條件和其他控制指令，顯示部分用來顯示各種導(dǎo)航參數(shù)。1.基于多源信息融合的無人機(jī)慣性導(dǎo)航2.多源信息融合技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用3.多源信息融合在移動機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用信息融合在無人裝備中的應(yīng)用17慣性系統(tǒng)按其在運(yùn)動物體上的安裝方式可分為平臺式慣性測量組合和捷聯(lián)式慣性測量組合平臺式慣性測量組合括加速度計、慣性導(dǎo)航平臺、導(dǎo)航計算機(jī)和控制/顯示器等部分1.基于多源信息融合的無人機(jī)慣性導(dǎo)航2.多源信息融合技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用3.多源信息融合在移動機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用圖10-7平臺式慣性測量組合的原理示意圖信息融合在無人裝備中的應(yīng)用18捷聯(lián)式慣性測量組合由三大部分組成慣性測量元件部分，包括陀螺儀和加速度計計算機(jī)：給出平臺的控制指令和完成導(dǎo)航參數(shù)的計算顯示器：用來顯示導(dǎo)航參數(shù)1.基于多源信息融合的無人機(jī)慣性導(dǎo)航2.多源信息融合技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用3.多源信息融合在移動機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用圖10-8捷聯(lián)式慣性測量組合的原理示意圖信息融合在無人裝備中的應(yīng)用19多傳感器信息融合裝配系統(tǒng)由末端執(zhí)行器、CCD視覺傳感器、超聲波傳感器、柔性腕力傳感器及相應(yīng)的信號處理單元等構(gòu)成。CCD視覺傳感器安裝在末端執(zhí)行器上，構(gòu)成手眼視覺；超聲波傳感器的接收和發(fā)送探頭也固定在機(jī)器人末端執(zhí)行器上，由CCD視覺傳感器獲取待識別和抓取物體的二維圖像，并引導(dǎo)超聲波傳感器獲取深度信息；柔性腕力傳感器安裝于機(jī)器人的腕部。1.基于多源信息融合的無人機(jī)慣性導(dǎo)航2.多源信息融合技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用3.多源信息融合在移動機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用圖10-9多傳感器信息融合裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息融合在無人裝備中的應(yīng)用20機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計是為了讓機(jī)器人完成不同的任務(wù)，因此任務(wù)規(guī)劃模塊和導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計有密切的聯(lián)系。機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)軟件分為感知模塊、環(huán)境建模模塊、定位模塊與規(guī)劃模塊四個部分。1.基于多源信息融合的無人機(jī)慣性導(dǎo)航2.多源信息融合技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用3.多源信息融合在移動機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用圖10-10移動機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)11.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)21WSN的概念與體系結(jié)構(gòu)22WSN是由大量的密集部署在監(jiān)控區(qū)域的智能傳感器節(jié)點構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，經(jīng)歷了智能傳感器、無線智能傳感器、WSN三個階段：智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節(jié)點不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有濾波和信息處理能力無線智能傳感器在智能傳感器的基礎(chǔ)上增加了無線通信能力，大大延長了傳感器的感知觸角，降低了傳感器的工程實施成本W(wǎng)SN則將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到無線智能傳感器中，使得傳感器不再是單個的感知單元，而是能夠交換信息、協(xié)調(diào)控制的有機(jī)結(jié)合體，實現(xiàn)物與物的互聯(lián)WSN的概念與體系結(jié)構(gòu)23WSN的系統(tǒng)是由大量功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點、接收發(fā)送器(Sink)、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點等部分組成的一個多跳的無線網(wǎng)絡(luò)，如圖10-11。WSN的體系結(jié)構(gòu)由通信協(xié)議、WNS管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)3部分組成，如圖10-12。

圖10-11WSN的組成

圖10-12WSN的通信體系結(jié)構(gòu)WSN的組網(wǎng)模式24是否有基礎(chǔ)設(shè)施支持，是否有移動終端參與，匯報頻度與延遲等應(yīng)用需求直接決定了組網(wǎng)模式。扁平組網(wǎng)模式：所有節(jié)點的角色相同，通過相互協(xié)作完成數(shù)據(jù)的交流和匯聚。基于分簇的層次型組網(wǎng)模式：節(jié)點分為普通傳感節(jié)點和用于數(shù)據(jù)匯聚的簇頭節(jié)點，傳感節(jié)點將數(shù)據(jù)先發(fā)送到簇頭節(jié)點，然后由簇頭節(jié)點匯聚到后臺。網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)模式：

Mesh模式在傳感器節(jié)點形成的網(wǎng)絡(luò)上增加一層固定無線網(wǎng)絡(luò)，用來收集傳感節(jié)點數(shù)據(jù)，另一方面實現(xiàn)節(jié)點之間的信息通信，以及網(wǎng)內(nèi)融合處理。移動匯聚模式：使用移動終端收集目標(biāo)區(qū)域的傳感數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到后端服務(wù)器。移動匯聚可以提高網(wǎng)絡(luò)的容量，但數(shù)據(jù)的傳遞延遲與移動匯聚節(jié)點的軌跡相關(guān)。WSN的關(guān)鍵支撐技術(shù)25WSN網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)時間同步技術(shù)是完成實時信息采集的基本要求，也是提高定位精度的關(guān)鍵手段。常用方法是通過時間同步協(xié)議完成節(jié)點間的對時，通過濾波技術(shù)抑制時鐘噪聲和漂移。1.WSN的時間同步技術(shù)4.WSN的安全技術(shù)2.自定位和目標(biāo)定位技術(shù)5.精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)3.分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合6.能量管理WSN的關(guān)鍵支撐技術(shù)26基于WSN的自定位和目標(biāo)定位技術(shù)定位跟蹤技術(shù)包括節(jié)點自定位和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)定位跟蹤。節(jié)點自定位：確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點自身位置，這是隨機(jī)部署組網(wǎng)的基本要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更多采用混合定位方法：手動部署少量的錨節(jié)點（攜帶GPS模塊），其他節(jié)點根據(jù)拓?fù)浜途嚯x關(guān)系進(jìn)行間接位置估計。1.WSN的時間同步技術(shù)4.WSN的安全技術(shù)2.自定位和目標(biāo)定位技術(shù)5.精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)3.分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合6.能量管理WSN的關(guān)鍵支撐技術(shù)27分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合分布式數(shù)據(jù)管理是通過部署或者指定一些節(jié)點為代理節(jié)點，代理節(jié)點根據(jù)監(jiān)測任務(wù)收集興趣數(shù)據(jù)。監(jiān)測任務(wù)通過分布式數(shù)據(jù)庫的查詢語言下達(dá)給目標(biāo)區(qū)域的節(jié)點。信息融合技術(shù)是指節(jié)點根據(jù)類型、采集時間、地點、重要程度等信息標(biāo)度，通過聚類技術(shù)將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地的融合和壓縮，一方面排除信息冗余，減小網(wǎng)絡(luò)通信開銷，節(jié)省能量；另一方面可以通過貝葉斯推理技術(shù)實現(xiàn)本地的智能決策。1.WSN的時間同步技術(shù)4.WSN的安全技術(shù)2.自定位和目標(biāo)定位技術(shù)5.精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)3.分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合

6.能量管理WSN的關(guān)鍵支撐技術(shù)28WSN的安全技術(shù)安全通信和認(rèn)證技術(shù)在軍事和金融等敏感信息傳遞應(yīng)用中有直接需求。受WSN資源限制，直接應(yīng)用安全通信、完整性認(rèn)證、數(shù)據(jù)新鮮性、廣播認(rèn)證等現(xiàn)有算法存在實現(xiàn)的困難。研究人員一方面探討在不同組網(wǎng)形式、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計中可能遭到的各種攻擊形式；另一方面設(shè)計安全強(qiáng)度可控的簡化算法和精巧協(xié)議，滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實需求。1.WSN的時間同步技術(shù)4.WSN的安全技術(shù)2.自定位和目標(biāo)定位技術(shù)5.精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)3.分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合6.能量管理WSN的關(guān)鍵支撐技術(shù)29精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)作為深度嵌入的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，WSN網(wǎng)絡(luò)對操作系統(tǒng)也有特別的要求，既要能夠完成基本體系結(jié)構(gòu)支持的各項功能，又不能過于復(fù)雜。從目前發(fā)展?fàn)顩r來看，TinyOS是最成功的WSN專用操作系統(tǒng)。隨著芯片低功耗設(shè)計技術(shù)和能量工程技術(shù)水平的提高，更復(fù)雜的嵌入式操作系統(tǒng)，如Vxworks、Uclinux和Ucos等，也可能被WSN網(wǎng)絡(luò)所采用。1.WSN的時間同步技術(shù)4.WSN的安全技術(shù)2.自定位和目標(biāo)定位技術(shù)5.精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)3.分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合6.能量管理WSN的關(guān)鍵支撐技術(shù)30能量管理能量管理包括能量的獲取和存儲兩方面。能量獲?。簩⒆匀画h(huán)境的能量轉(zhuǎn)換成節(jié)點可以利用的電能，如太陽能，振動能量、地?zé)?、風(fēng)能等。能量存儲：高容量電池技術(shù)是延長節(jié)點壽命，全面提高節(jié)點能力的關(guān)鍵性技術(shù)。納米電池技術(shù)是目前最有希望的技術(shù)之一。1.WSN的時間同步技術(shù)4.WSN的安全技術(shù)2.自定位和目標(biāo)定位技術(shù)5.精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)3.分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合6.能量管理WSN在移動機(jī)器人通信中的應(yīng)用31在移動機(jī)器人上應(yīng)用WSN，可以解決多機(jī)器人協(xié)調(diào)與通信的問題?？紤]到機(jī)器人自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力強(qiáng)，所處地點不確定的特點，基于WSN的通信是實現(xiàn)自主機(jī)器人之間相互通信或者機(jī)器人與主控計算機(jī)之間通信的理想方式。通過通信系統(tǒng)，機(jī)器人可以傳遞外部或內(nèi)部信息，完成諸如傳感信息處理、路徑規(guī)劃等數(shù)據(jù)運(yùn)算，同時還可以實現(xiàn)多個機(jī)器人之間的信息交互。WSN在移動機(jī)器人通信中的應(yīng)用32系統(tǒng)結(jié)構(gòu)每個機(jī)器人作為一個獨立的部分時，為單個節(jié)點的執(zhí)行系統(tǒng)，自身內(nèi)部進(jìn)行信息分析處理和控制，此部分由處理器、存儲器構(gòu)成，算法在內(nèi)部集成。當(dāng)多個自動機(jī)器人形成一個系統(tǒng)，各機(jī)器人之間可以協(xié)調(diào)通信時，在每個機(jī)器人上加入一個傳感器模塊，利用WSN將節(jié)點聯(lián)系起來，形成一個局域WSN。主機(jī)器人通過WSN獲取從機(jī)器人狀態(tài)信息，向從機(jī)器人下達(dá)指令，可以監(jiān)控和靈活遙操作控制從移動機(jī)器人；從機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)向主機(jī)器人發(fā)送狀態(tài)信息，接收執(zhí)行主機(jī)器人的指令并反饋自身的信息給主機(jī)器人。圖10-13系統(tǒng)結(jié)構(gòu)WSN在移動機(jī)器人通信中的應(yīng)用33系統(tǒng)結(jié)構(gòu)每個機(jī)器人作為一個獨立的部分時，為單個節(jié)點的執(zhí)行系統(tǒng)，自身內(nèi)部進(jìn)行信息分析處理和控制，此部分由處理器、存儲器構(gòu)成，算法在內(nèi)部集成。當(dāng)多個自動機(jī)器人形成一個系統(tǒng)，各機(jī)器人之間可以協(xié)調(diào)通信時，在每個機(jī)器人上加入一個傳感器模塊，利用WSN將節(jié)點聯(lián)系起來，形成一個局域WSN。主機(jī)器人通過WSN獲取從機(jī)器人狀態(tài)信息，向從機(jī)器人下達(dá)指令，可以監(jiān)控和靈活遙操作控制從移動機(jī)器人；從機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)向主機(jī)器人發(fā)送狀態(tài)信息，接收執(zhí)行主機(jī)器人的指令并反饋自身的信息給主機(jī)器人。圖10-13系統(tǒng)結(jié)構(gòu)34WSN的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計直接決定了整個機(jī)器人傳感器網(wǎng)絡(luò)的效能和穩(wěn)定性。如下圖所示，傳感器節(jié)點由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊四個基本模塊組成。圖10-14傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成11.4智能傳感器35智能傳感器的定義36智能傳感器，就是帶微處理器、兼有信息檢測和信息處理功能的傳感器。智能傳感器的最大特點就是將傳感器檢測信息的功能與微處理器的信息處理功能有機(jī)地融合在一起。智能化傳感器是傳感器技術(shù)未來發(fā)展的主要方向。在今后的發(fā)展中，智能化傳感器無疑將會進(jìn)一步擴(kuò)展到化學(xué)、電磁、光學(xué)和核物理等研究領(lǐng)域。智能傳感器的構(gòu)成37智能傳感器是由傳感器和微處理器相結(jié)合而構(gòu)成的，一般由以下幾個部分組成：①一個或多個敏感器件；②微處理器或微控制器；③非易失性可擦寫存儲器；④雙向數(shù)據(jù)通信的接口；⑤模擬量輸入輸出接口（可選，如A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換）；⑥高效的電源模塊。圖10-16典型的智能傳感器結(jié)構(gòu)組成智能傳感器的關(guān)鍵技術(shù)38間接傳感（軟測量）間接傳感是指利用些容易測得的過程參數(shù)或物理參數(shù)，通過尋找這些過程參數(shù)或物理參數(shù)與難以直接檢測的目標(biāo)被測變量的關(guān)系，建立傳感數(shù)學(xué)模型，采用各種計算方法，用軟件實現(xiàn)待測變量的測量。智能傳感器間接傳感核心在于建立傳感模型。模型可以通過有關(guān)的物理、化學(xué)、生物學(xué)方面的原理方程建立（機(jī)理建模），也可以用模型辨識的方法建立（數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模），還可以是機(jī)理建模與數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模方法的混合。間接傳感模型性能的好壞受輔助變量的選擇、傳感數(shù)據(jù)變換、傳感數(shù)據(jù)的預(yù)處理、主輔變量之間的時序匹配等多種因素制約。1.間接傳感（軟測量）2.線性化校正3.自診斷4.自校準(zhǔn)與自適應(yīng)量程智能傳感器的關(guān)鍵技術(shù)39線性化校正理想傳感器的輸人物理量與轉(zhuǎn)換信號呈線性關(guān)系，線性度越高則傳感器的精度越高。智能傳感器能實現(xiàn)傳感器輸入輸出的線性化。突出優(yōu)點在于不受限于前端傳感器、調(diào)理電路至A/D轉(zhuǎn)換的輸人輸出特性的非線性程度，僅要求輸入x-輸出u特性重復(fù)性好。目前非線性自動校正方法主要有查表法、曲線擬合法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法三種。1.間接傳感（軟測量）2.線性化校正3.自診斷4.自校準(zhǔn)與自適應(yīng)量程圖10-17智能傳感器線性化矯正原理框圖智能傳感器的關(guān)鍵技術(shù)40自診斷智能傳感器自診斷技術(shù)俗稱“自檢”，要求對智能傳感器自身各部分包括軟件資源和硬件資源進(jìn)行檢測，以驗證傳感器能否正常工作，并提示相關(guān)信息。自診斷程序應(yīng)判斷傳感器是否有故障，并實現(xiàn)故障定位、判別故障類型，以便后續(xù)操作中采取相應(yīng)的對策。對傳感器進(jìn)行故障診斷主要以傳感器的輸出為基礎(chǔ)，一般有硬件冗余診斷法、基于數(shù)學(xué)模型的診斷法、基于信號處理的診斷法和基于人工智能的故障診斷法等。1.間接傳感（軟測量）2.線性化校正3.自診斷4.自校準(zhǔn)與自適應(yīng)量程智能傳感器的關(guān)鍵技術(shù)41自校準(zhǔn)與自適應(yīng)量程自校準(zhǔn)在一定程度上相當(dāng)于每次測量前的重新定標(biāo)，以消除傳感器的系統(tǒng)漂移。自校準(zhǔn)可以采用硬件自校準(zhǔn)、軟件自校準(zhǔn)和軟硬件結(jié)合的方法。校零：根據(jù)輸入信號的零點標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行零點校準(zhǔn)。標(biāo)定：根據(jù)輸入信號的標(biāo)準(zhǔn)值和校零信號進(jìn)行標(biāo)定。測量：對輸入信號進(jìn)行