常用傳感器原理

關(guān)于常用傳感器原理第1頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三

感知系統(tǒng)是機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主化的必須部分。下面將介紹一下移動(dòng)機(jī)器人中所采用的傳感器以及如何從傳感器系統(tǒng)中采集所需要的信號(hào)。第2頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三根據(jù)傳感器的作用分，一般傳感器分為：內(nèi)部傳感器（體內(nèi)傳感器）：主要測(cè)量機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)，比如溫度，電機(jī)速度，電機(jī)載荷，電池電壓等。外部傳感器（外界傳感器）：主要測(cè)量外界環(huán)境，比如距離測(cè)量，聲音，光線。第3頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三根據(jù)傳感器的運(yùn)行方式，可以分為：被動(dòng)式傳感器：傳感器本身不發(fā)出能量，比如CCD，CMOS攝像頭傳感器，靠捕獲外界光線來獲得信息。主動(dòng)式傳感器：傳感器會(huì)發(fā)出探測(cè)信號(hào)。比如超聲波，紅外，激光。但是此類傳感器的反射信號(hào)會(huì)受到很多物質(zhì)的影響，從而影響準(zhǔn)確的信號(hào)獲得。同時(shí)，信號(hào)還狠容易受到干擾，比如相鄰兩個(gè)機(jī)器人都發(fā)出超聲波，這些信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生干擾。第4頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三傳感器一般有以下幾個(gè)指標(biāo)：動(dòng)態(tài)范圍分辨率線性度頻率第5頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三

動(dòng)態(tài)范圍：是指?jìng)鞲衅髂軝z測(cè)的范圍。比如電流傳感器能夠測(cè)量1mA－20A的電流，那么這個(gè)傳感器的測(cè)量范圍就是10log（20/0.001)=43dB.如果傳感器的輸入超出了傳感器的測(cè)量范圍，那么傳感器就不會(huì)顯示正確的測(cè)量值了。比如超聲波傳感器對(duì)近距離的物體無法測(cè)量。第6頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三分辨率：分辨率是指?jìng)鞲衅髂軠y(cè)量的最小差異。比如電流傳感器，它的分辨率可能是5mA，也就是說小于5mA的電流差異，它沒法檢測(cè)出。當(dāng)然越高分辨率的傳感器價(jià)格就越貴。線性度：這是一個(gè)非常重要的指標(biāo)來衡量傳感器輸入和輸出的關(guān)系。頻率：是指?jìng)鞲衅鞯牟蓸铀俣?。比如一個(gè)超聲波傳感器的采樣速度為20HZ，也就是說每秒鐘能掃描20次。第7頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三常用傳感器編碼器：主要用于測(cè)量電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度。任何用電機(jī)的地方，都可以用編碼器來作為傳感器來獲得電機(jī)的輸出。第8頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三絕對(duì)型編碼器第9頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三增量型編碼器第10頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三

電子羅盤：可以檢測(cè)機(jī)器人與地球南北極之間的角度，從而獲得機(jī)器人的朝向。但是精度很低。而且任何磁性物體都會(huì)造成羅盤失靈，比如揚(yáng)聲器。所以要配合其它傳感器，比如編碼器一起使用才能獲得比較好的定位效果。主要有hall-effect和flux-gate兩種：第11頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三陀螺儀：又分機(jī)械陀螺儀和光電陀螺儀?？梢詸z測(cè)絕對(duì)朝向。但是目前價(jià)格過高，只在飛機(jī)上采用。目前最好的光電陀螺儀能提供100KHz的采樣頻率，同時(shí)提供0.0001degress/hr的分辨率。但是價(jià)格也是同樣昂貴。第12頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三GPS系統(tǒng)：這個(gè)相比不需要太多的解釋。GPS系統(tǒng)分為標(biāo)準(zhǔn)GPS和差分GPS系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)GPS系統(tǒng)能提供15m的誤差定位，而差分GPS系統(tǒng)能提供高達(dá)1m內(nèi)誤差的定位。如果再考慮相位差信號(hào)的話，最新的GPS設(shè)備能提供精確到10cm的定位坐標(biāo)。

第13頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三超聲波傳感器：超聲波傳感器是基于TOF原理。首先發(fā)射一組聲波脈沖信號(hào)，然后一個(gè)積分器就開始計(jì)算發(fā)射時(shí)間。

TOF原理就是距離＝速度×?xí)r間，比如聲波傳輸速度是0.3m/ms,如果3m的距離，需要10ms才能到達(dá)。然后通過計(jì)算這個(gè)返回的時(shí)間差來確定距離。但是如果是光速的話，光速是0.3m/ns，同樣3m的距離，光只要10ns就到了。這就對(duì)檢測(cè)元件提出了非常高的要求。這也是激光傳感器價(jià)格居高不下的原因。第14頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三

一般超聲波探測(cè)器的頻率為40Hz，探測(cè)范圍為12c‘m－5m，精度為98%-99.1%,分辨率為2cm。同時(shí)超聲波是一個(gè)20－40度角的面探測(cè)，所以可以使用若干個(gè)超聲波組成一個(gè)超聲波陣列來獲得180度甚至360的探測(cè)范圍。超聲波還有其它幾個(gè)缺點(diǎn)，比如交叉感應(yīng)，掃描頻率低，尤其是使用超聲波陣列的時(shí)候，還有回波衰減，折射等問題。不過對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來說，超聲波還是目前最廉價(jià)和有效的傳感器。第15頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三測(cè)距聲納第16頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三

激光傳感器：原理就是一個(gè)旋轉(zhuǎn)得反射鏡，將激光光束或者超聲波按一定間隔反射出去，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)得角度和時(shí)間差來得到不同角度得距離值。有3種檢測(cè)方式：

1）使用脈沖激光，按一定間隔發(fā)射激光，然后計(jì)算返回時(shí)間。這種方法和超聲波一樣，但是激光速度太快，所以對(duì)檢測(cè)元件要求太高，一般LaserScanner不用這種方式。

2）使用不同頻率得激光，按照一點(diǎn)順序，發(fā)射不同頻率得激光，通過檢測(cè)返回光束得頻率來得到距離。

3）相位差。多數(shù)激光傳感器用得是這種方法。通過檢測(cè)發(fā)射激光和反射激光得相位差來得到距離。第17頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三

多普勒效應(yīng)傳感器：主要用于探測(cè)移動(dòng)物體的速度。目前戰(zhàn)斗機(jī)上用的雷達(dá)就是基于這個(gè)原理的。主要用于躲避快速移動(dòng)障埃物。第18頁，共21頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)49分，星期三

多普勒原理（Doppler)：假設(shè)發(fā)射器以頻率ft發(fā)射波，接收器以頻率fr接受波，發(fā)射器和接收器之間的相對(duì)速度為v。如果發(fā)射器在移動(dòng)，則

fr=ft/(1+v/c)

如果接收器在移動(dòng)，則

fr=ft(1+v/c)

通過計(jì)算多普勒頻移來得到相對(duì)速度v。

f=ft-fr=2*ft*v*cosA/