北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院智能機(jī)器人原理與應(yīng)用“智能檢測(cè)技術(shù)與模式識(shí)別”研究所北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(hào)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(shí)，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(gè)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(gè)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(gè)等級(jí)：(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(dòng)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(jué)，即視覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)。機(jī)器人有類似人一樣的感覺(jué)系統(tǒng)，Asimo機(jī)器人的傳感器分布。機(jī)器人則是通過(guò)傳感器得到這些信息的，這些信息通過(guò)傳感器采集，通過(guò)不同的處理方式，可以分成視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)等幾個(gè)大類。3.1.1

感知系統(tǒng)的組成(1)視覺(jué)：獲取信息最直觀的方式，人類75%以上的信息都來(lái)自于視覺(jué)。視覺(jué)一般包括三個(gè)過(guò)程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。(2)觸覺(jué)：觸覺(jué)傳感系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)人體全部的觸覺(jué)功能。機(jī)器人觸覺(jué)的研究集中在擴(kuò)展機(jī)器人能力所必需的觸覺(jué)功能上。一般地，把檢測(cè)感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸、壓力、滑覺(jué)的傳感器，稱為機(jī)器人觸覺(jué)傳感器。(3)聽(tīng)覺(jué)：機(jī)器人擁有聽(tīng)覺(jué)，使得機(jī)器人能夠與人進(jìn)行自然的人機(jī)對(duì)話，使得機(jī)器人能夠聽(tīng)從人的指揮。達(dá)到這一目標(biāo)的決定性技術(shù)是語(yǔ)音技術(shù)，它包括語(yǔ)音識(shí)別和合成技術(shù)兩個(gè)方面。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(jué)：機(jī)器人嗅覺(jué)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(shí)別算法組成，可用于檢測(cè)、分析和鑒別各種氣味。(5)味覺(jué)：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(jué)傳感器進(jìn)行液體成分的分析。(6)接近覺(jué)：接近覺(jué)傳感器介于觸覺(jué)傳感器和視覺(jué)傳感器之間,不僅可以測(cè)量距離和方位,而且可以融合視覺(jué)和觸覺(jué)傳感器的信息。接近覺(jué)傳感器可以輔助視覺(jué)系統(tǒng)的功能,判斷對(duì)象物體的方位和外形,同時(shí)識(shí)別其表面形狀。因此,準(zhǔn)確抓取部件,對(duì)機(jī)器人接近覺(jué)傳感器的精度要求較高。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(lái)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(yùn)動(dòng)所必需的傳感器。下表為內(nèi)傳感器按照檢測(cè)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(dòng)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(duì)其周圍環(huán)境的定位，負(fù)責(zé)檢測(cè)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(shí)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(guò)對(duì)這些傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用,把多個(gè)傳感器在時(shí)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(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(dòng)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(gè)同一類型傳感器互相配合使用的場(chǎng)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(diǎn)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(dòng)態(tài)連接：傳感器分布在同一個(gè)水平面,且至少具有一個(gè)自由度。一般用于多個(gè)同一類型傳感器互相配合的場(chǎng)合。(4)非水平動(dòng)態(tài)連接：傳感器不在同一水平面分布,且至少具有一個(gè)自由度。多種不同類型、不同特點(diǎn)的傳感器常常采用這種方式。(5)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)混合連接：多個(gè)傳感器既有靜態(tài)連接又存在動(dòng)態(tài)連接，是動(dòng)靜結(jié)合的連接方式。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)是由部屬在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)顯著地?cái)U(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(kāi)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(dòng)靈活和自治能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),將其作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),可以方便地改變無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),改善網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性能。因此,無(wú)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(shì)。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(cè)量機(jī)器人測(cè)距系統(tǒng)主要完成如下功能：(1)

實(shí)時(shí)地檢測(cè)自身所處空間的位置，進(jìn)行自定位；(2)

實(shí)時(shí)地檢測(cè)障礙物的距離和方向，為行動(dòng)決策提供依據(jù)；(3)

檢測(cè)目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)行簡(jiǎn)單形體的識(shí)別，用于導(dǎo)航及目標(biāo)跟蹤。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(cè)量非接觸測(cè)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(cè)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(cè)量方式,可以分為主動(dòng)型(向被測(cè)對(duì)象物體主動(dòng)照射超聲波或光線)和被動(dòng)型(不向?qū)ο笪矬w照射光線,僅依據(jù)發(fā)自對(duì)象物體的光線)。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(cè)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(guò)測(cè)量超聲波經(jīng)反射到達(dá)接收傳感器的時(shí)間和發(fā)射時(shí)間之差來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與障礙物之間的測(cè)距，也叫渡越時(shí)間法。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，應(yīng)用廣泛，其原理如下所示：3.2.1

聲吶測(cè)距北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(cè)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(cè)物體反射回來(lái)，由接收傳感器檢測(cè)回波信號(hào)。若測(cè)出第一個(gè)回波達(dá)到的時(shí)間與發(fā)射脈沖間的時(shí)間差為t，即可算得傳感器與反射點(diǎn)間的距離s，即：脈沖回波方法僅需要一個(gè)超聲波換能器來(lái)完成發(fā)射和接收功能，但同時(shí)收發(fā)的測(cè)量方式又導(dǎo)致了“死區(qū)”的存在。因?yàn)榫嚯x太近，傳感器無(wú)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(cè)距系統(tǒng)不能測(cè)量小于幾個(gè)厘米的范圍。3.2.1

聲吶測(cè)距北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(cè)量

紅外輻射俗稱紅外線，是一種不可見(jiàn)光，其波長(zhǎng)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(cè)距(1)

輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)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(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；(3)

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

紅外測(cè)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(gè)或者多個(gè)的組合。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(cè)量基本原理

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

紅外傳感器包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)二極管和一個(gè)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(guò)一定程度時(shí)光敏三極管就會(huì)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(cè)距北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(cè)量

掃描運(yùn)動(dòng)位于由物體到檢測(cè)器和由檢測(cè)器到激光發(fā)射器兩直線所確定的平面內(nèi)，檢測(cè)器聚焦在表面很小的一個(gè)區(qū)域內(nèi)。因?yàn)楣庠磁c基線之間的角度

β

和光源與檢測(cè)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(cè)距1）三角法北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(cè)量

如圖所示，波長(zhǎng)為

λ

的激光束被一分為二。一束（稱為參考光束）經(jīng)過(guò)距離

L

到達(dá)相位測(cè)量裝置，另一束經(jīng)過(guò)距離d到達(dá)反射表面。反射光束經(jīng)過(guò)的總距離為2）相位法3.2.3激光掃描測(cè)距北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(cè)量

若d=0，此時(shí)，d'=L，參考光束和反射光束同時(shí)到達(dá)相位測(cè)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(gè)波形將再次對(duì)準(zhǔn)。因此只根據(jù)測(cè)得的相位移無(wú)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(dòng)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(cè)量絕對(duì)型編碼器能提供運(yùn)轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)的絕對(duì)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(guò)分光濾鏡等光學(xué)組件，通過(guò)編碼盤(pán)的透射光被光學(xué)敏感器件檢測(cè)到的原理。1．絕對(duì)式編碼器北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(cè)量

典型的增量式編碼器由一個(gè)紅外對(duì)射式光電傳感器和一個(gè)由遮光線和空隔構(gòu)成的碼盤(pán)組成。當(dāng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，遮光線和空隔能阻攔紅外光束或讓其通過(guò)。為計(jì)算絕對(duì)位置，增量型編碼器通常需要集成一個(gè)獨(dú)立的通道——索引通道，它可以在每次旋轉(zhuǎn)到定義的零點(diǎn)或原點(diǎn)位置時(shí)提供一個(gè)脈沖。通過(guò)計(jì)算來(lái)自這個(gè)原點(diǎn)的脈沖可以計(jì)算出絕對(duì)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(dòng)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(cè)量3.2.5旋轉(zhuǎn)電位計(jì)

電位計(jì)就是帶中心抽頭的可變電阻。旋轉(zhuǎn)電位計(jì)通常具有一個(gè)軸，軸旋轉(zhuǎn)的時(shí)候電位計(jì)的抽頭會(huì)在電阻絲上移動(dòng)。電位計(jì)帶有3個(gè)端子,兩個(gè)是電阻的兩端,電阻值固定;另外一個(gè)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(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度等信息。使用它們作為角位移傳感器的時(shí)候要注意兩點(diǎn)：(1)旋轉(zhuǎn)電位計(jì)都是采用電阻絲作為傳感元件。屬于接觸式測(cè)量，會(huì)有磨損，壽命有限，因此不宜用在高速頻繁旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合；(2)由于制造工藝原因，同一型號(hào)的多個(gè)旋轉(zhuǎn)電位計(jì)會(huì)有一定誤差。通常這個(gè)誤差在5%~10%。因此無(wú)法用于高精度的角位移測(cè)量。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.3觸覺(jué)測(cè)量一般認(rèn)為觸覺(jué)包括接觸覺(jué)、壓覺(jué)、滑覺(jué)、力覺(jué)四種，狹義的觸覺(jué)是指前3種感知接觸的感覺(jué)。觸覺(jué)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(diǎn)是功能單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。(2)分布式（陣列式）傳感器：分布式傳感器可以檢測(cè)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(gè)點(diǎn)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(jué)傳感器成為可能。CSA靈敏度高,具有較強(qiáng)的耐過(guò)載能力。缺點(diǎn)是有遲滯,線性差。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺(jué)測(cè)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(dòng)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(gè)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(jué)傳感器是從應(yīng)變來(lái)測(cè)量力和力矩的，所以如何設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺(jué)測(cè)量1）環(huán)式傳感器圖中所示為美國(guó)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(cè)量剪切變形的應(yīng)變片，內(nèi)側(cè)粘貼測(cè)量拉伸一壓縮變形的應(yīng)變片。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺(jué)測(cè)量2）垂直水平梁式傳感器圖中為Dr.R.Seiner公司設(shè)計(jì)的垂直水平梁式力覺(jué)傳感器。在上下法蘭之間設(shè)計(jì)了垂直梁和水平梁，在各個(gè)梁上粘貼應(yīng)變片，構(gòu)成力覺(jué)傳感器。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺(jué)測(cè)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(gè)窄長(zhǎng)的彈性梁，每個(gè)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(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺(jué)測(cè)量4）四根梁式傳感器圖為日本大和制衡株式會(huì)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(gè)柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個(gè)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(yùn)算。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人在行進(jìn)的時(shí)候可能會(huì)遇到各種地形或者各種障礙。這時(shí)即使機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置采用閉環(huán)控制，也會(huì)由于輪子打滑等原因造成機(jī)器人偏離設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且這種偏移是旋轉(zhuǎn)編碼器無(wú)法測(cè)量到的。這時(shí)就必須依靠電子羅盤(pán)或角速率陀螺儀來(lái)測(cè)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(huì)偏離。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量指南針就是一種機(jī)械式磁羅盤(pán)。早期的磁羅盤(pán)將磁針懸浮于水面或者懸置于空中來(lái)獲取航向。現(xiàn)在的機(jī)械式磁羅盤(pán)系統(tǒng)將環(huán)形磁鐵或者一對(duì)磁棒安裝于云母刻度盤(pán)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(pán)磁通門羅盤(pán)是在磁通門場(chǎng)強(qiáng)計(jì)的原理上研制出來(lái)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(diǎn)是靈敏度高、可靠性好、體積小和啟動(dòng)快。1．機(jī)械式磁羅盤(pán)2．磁通門羅盤(pán)磁羅盤(pán)是一種基于磁場(chǎng)理論的絕對(duì)方位感知傳感器。借助于磁羅盤(pán),機(jī)器人可以確定自己相應(yīng)于地磁場(chǎng)方向的偏轉(zhuǎn)角度。常用的磁羅盤(pán)包括機(jī)械式磁羅盤(pán)、磁通門羅盤(pán)、霍爾效應(yīng)羅盤(pán)、磁阻式羅盤(pán)。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)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(chǎng)

B，磁場(chǎng)方向垂直于霍爾元件所在平面時(shí)，霍爾元件中的載流子在洛侖茲力的作用下運(yùn)動(dòng)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(chǎng)，該電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)霍爾電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)載流子的作用互相抵消，載流子恢復(fù)初始的運(yùn)動(dòng)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(pán)3．霍爾效應(yīng)羅盤(pán)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量霍爾電壓可根據(jù)如公式近似計(jì)算

μH——比例常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)B——磁場(chǎng)強(qiáng)度；I——電流強(qiáng)度。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量磁阻式羅盤(pán)是利用磁阻元件制作而成的羅盤(pán)。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(chǎng)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(cè)得。3.5.1

磁羅盤(pán)4．磁阻式羅盤(pán)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量電子羅盤(pán)(數(shù)字羅盤(pán)、電子指南針、數(shù)字指南針)是測(cè)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(gè)磁傳感器垂直安裝于同一平面組成，測(cè)量時(shí)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(gè)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(shí)除了測(cè)量航向還可以測(cè)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(gè)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(shí)除了測(cè)量航向，還可以測(cè)量系統(tǒng)的俯仰角和橫滾角。3.5.1

磁羅盤(pán)4．電子羅盤(pán)系統(tǒng)實(shí)例

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

商用的電子羅盤(pán)傳感器精度通常為0.5°或者更差。如果機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)距離較長(zhǎng),0.5°的航向偏差可能導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(guò)積分運(yùn)算可以在一定程度上彌補(bǔ)電子羅盤(pán)的誤差。角速度陀螺儀就是能夠檢測(cè)重力方向或姿態(tài)角變化(角速度)的傳感器,根據(jù)檢測(cè)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(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量

繞一個(gè)支點(diǎn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)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(huì)在不停自轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞著另一個(gè)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(cè)隨物體轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的角速度它可以用于移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài)，以及轉(zhuǎn)軸不固定的轉(zhuǎn)動(dòng)物體的角速度檢測(cè)。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(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量

(1)振動(dòng)陀螺儀：振動(dòng)陀螺儀是指給振動(dòng)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(lái)檢測(cè)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(cè)方法，又可以將其分為振動(dòng)型、光纖型、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)量。在圖3.24所示的環(huán)狀光通路中，來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光束分離器被分成兩束，在同一個(gè)環(huán)狀光路中，一束向左轉(zhuǎn)動(dòng)，另一束向右轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行傳播。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)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(kāi)平衡位置。通過(guò)檢測(cè)振子是否偏離了平衡點(diǎn),或者檢測(cè)由偏離角函數(shù)(通常是正弦函數(shù))給出的信號(hào),就可以求出輸入傾斜角度。該裝置的缺點(diǎn)是,如果允許振子自由擺動(dòng),由于容器的空間有限,因此不能進(jìn)行與傾斜角度對(duì)應(yīng)的檢測(cè)。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(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量

為抑制振動(dòng)，有時(shí)在機(jī)器人的各個(gè)構(gòu)件上安裝加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)加速度，并把它反饋到構(gòu)件底部的驅(qū)動(dòng)器上。有時(shí)把加速度傳感器安裝在機(jī)器人的手爪部位，將測(cè)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(jì)

對(duì)于不存在對(duì)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(chǎng)，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(shí)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(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量

“姿態(tài)/航向測(cè)量單元”簡(jiǎn)稱AHRS，是一種集成了多軸加速度計(jì)、多軸陀螺儀以及電子磁羅盤(pán)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(guò)捷聯(lián)航姿解算，可以以50-200Hz的速率輸出實(shí)時(shí)測(cè)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(shí)時(shí)地知道自己的姿態(tài)和航向，也可以獲得實(shí)時(shí)的角速率、加速度等信息，這對(duì)于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、時(shí)空認(rèn)知有很大的意義。3.5.4姿態(tài)/航向測(cè)量單元北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.6視覺(jué)測(cè)量

視覺(jué)測(cè)量在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用也很廣泛。如圖所示，視覺(jué)傳感器它可以分為被動(dòng)傳感器（用攝像機(jī)等對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行攝影，獲得圖像信號(hào)）和主動(dòng)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(hào)，測(cè)量距離）兩大類。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.6視覺(jué)測(cè)量3.6.1被動(dòng)視覺(jué)測(cè)量1.單眼視覺(jué)

一種方法是測(cè)量視野內(nèi)各點(diǎn)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(dòng)攝像機(jī)，拍攝到對(duì)象物體的多個(gè)圖像，求出各個(gè)點(diǎn)的移動(dòng)量再設(shè)法復(fù)原形狀。2.立體視覺(jué)

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

光切斷法把雙眼立體視覺(jué)中的一個(gè)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(jué)相同的三角測(cè)量原理就可以計(jì)算和測(cè)量出視野內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的距離。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.6視覺(jué)測(cè)量2.空間編碼測(cè)距

空間編碼測(cè)距儀要在光切斷法中獲得整個(gè)畫(huà)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(fèi)時(shí)間。要解決這個(gè)問(wèn)題,可以將其改進(jìn)為多個(gè)狹縫光線同時(shí)投光,不過(guò)此時(shí)需要對(duì)圖像中的多個(gè)狹縫圖像加以識(shí)別。這可以使用給各個(gè)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(lái)識(shí)別多個(gè)狹縫的方法。3.6.2主動(dòng)視覺(jué)測(cè)量北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.6視覺(jué)測(cè)量3.莫爾條紋法

莫爾條紋法（Moirefringe)就是投射多個(gè)狹縫形成的條紋，然后在另一個(gè)位置上透過(guò)同樣形狀的條紋進(jìn)行觀察，通過(guò)對(duì)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(cè)距法

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

視覺(jué)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(gè)單一的相機(jī)內(nèi)，獨(dú)立地完成預(yù)先設(shè)定的圖像處理和分析任務(wù)。視覺(jué)傳感器通常是一個(gè)攝像機(jī)，有的還包括云臺(tái)等輔助設(shè)施。1.兩自由度攝像云臺(tái)

自主移動(dòng)機(jī)器人采用攝像機(jī)作為視覺(jué)傳感器。但是普通的攝像機(jī)無(wú)法同時(shí)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(tái)，利用云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)、俯仰來(lái)獲得更大的視角范圍；但是這種方式也有響應(yīng)速度慢、無(wú)法實(shí)時(shí)做到360度全方位監(jiān)視等問(wèn)題，并且機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)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(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.6視覺(jué)測(cè)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(méi)有什么區(qū)別，但是配備了一個(gè)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(guò)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(jué)傳感器北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(lái),溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下3個(gè)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(hào)處理器、存儲(chǔ)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(dú)工作,自行構(gòu)成一個(gè)溫控儀。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(tīng)覺(jué)傳感器1.語(yǔ)音傳感器

語(yǔ)音屬于20Hz-20kHz的疏密波。語(yǔ)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(yǔ)言”執(zhí)行命令，進(jìn)行操作。在應(yīng)用語(yǔ)音感覺(jué)之前必須經(jīng)過(guò)語(yǔ)音合成和語(yǔ)音識(shí)別。

機(jī)器人上最常用的語(yǔ)音傳感器就是麥克風(fēng)。常見(jiàn)的麥克風(fēng)包括動(dòng)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(cè)。除特殊情況外，聲音傳感器均采用超聲波頻域（從可聽(tīng)頻率的上限到300kHz，個(gè)別的可達(dá)數(shù)兆赫茲。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(jué)傳感器的顏色傳感器：彩色攝像機(jī)采集顏色，并通過(guò)高速數(shù)字信號(hào)處理器的運(yùn)算可以獲得顏色信息。

(2)基于普通光電開(kāi)關(guān)的顏色傳感器：反射式光電開(kāi)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(kāi)關(guān)的光敏元件處加裝一個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)顏色的檢測(cè)。顏色傳感器分為視覺(jué)傳感器與反射式光電開(kāi)關(guān)兩類。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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(jué)是一種模擬生物嗅覺(jué)工作原理的新穎仿生檢測(cè)技術(shù)，機(jī)器嗅覺(jué)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?jì)算機(jī)模式識(shí)別算法組成，可用于檢測(cè)、分析和鑒別各種氣味。

按照檢測(cè)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(dòng)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(jué)傳感器目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多種味覺(jué)傳感器，用于液體成分的分析和味覺(jué)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(cè)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(cè)漏電流）；（3）電導(dǎo)率傳感器（檢測(cè)液體的電導(dǎo)率）；（4）pH傳感器（檢測(cè)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(dòng)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(jiàn)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(jià)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(cè)量是基于到達(dá)時(shí)間（TOA）測(cè)距原理。從已知位置上的衛(wèi)星發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)到達(dá)地面用戶接收機(jī)所需的時(shí)間間隔乘以信號(hào)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(gè)發(fā)射機(jī)的信號(hào)，便可以輕易測(cè)算出接收機(jī)的位置。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)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)