機器人傳感器1

第六章機器人傳感器

6.1.1傳感器的定義6.1.2傳感器的組成6.1.3傳感器的分類6.1.4傳感器的數(shù)學(xué)模型6.1.5傳感器的基本特征6.1.6傳感器的發(fā)展方向6.1傳感器概述2機器人技術(shù)及應(yīng)用》》將被測非電量信號轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系電量輸出的器件或裝置叫做傳感器，也叫變換器、換能器或探測器。6.1.1傳感器的定義3機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.2傳感器的組成敏感元件輔助電路傳感元件

被測非電量

有用非電量有用電量信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路電量4機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.2傳感器的組成5機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.2傳感器的組成6機器人技術(shù)及應(yīng)用》》敏感元件：直接感受被測非電量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系的其它量的元件。傳感元件：又稱變換器。能將敏感元件感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的器件。7機器人技術(shù)及應(yīng)用》》壓力傳感器示例8機器人技術(shù)及應(yīng)用》》9機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.3傳感器的分類1．按工作機理分類：根據(jù)物理和化學(xué)等學(xué)科的原理、規(guī)律和效應(yīng)進行分類2．按被測量分類：根據(jù)輸入物理量的性質(zhì)進行分類。3．按敏感材料分類：根據(jù)制造傳感器所使用的材料進行分類?？煞譃榘雽?dǎo)體傳感器、陶瓷傳感器等。10機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.3傳感器的分類4.按能量的關(guān)系分類：根據(jù)能量觀點分類，可將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器兩大類。有源傳感器是將非電能量轉(zhuǎn)換為電能量，稱之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也稱換能器。通常配合有電壓測量電路和放大器。如:壓電式、熱電式、電磁式等。11機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.3傳感器的分類無源傳感器又稱為能量控制型傳感器。被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用。所以必須具有輔助能源(電能)。如:電阻式、電容式和電感式等。5.其他：按用途、學(xué)科、功能和輸出信號的性質(zhì)等進行分類。12機器人技術(shù)及應(yīng)用》》基本量派生量位移線位移長度、厚度、振動、磨損等角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動等速度線速度速度、振動、流量、動量等角速度轉(zhuǎn)速、角振動等加速度線加速振動、沖擊、質(zhì)量等角加速角振動、扭矩、轉(zhuǎn)動慣量等力壓力重量、應(yīng)力、力矩等時間頻率周期、記數(shù)、統(tǒng)計分布等溫度熱容量、氣體速度、渦流等光光通量與密度、光譜分布等13機器人技術(shù)及應(yīng)用》》電容法測位移14機器人技術(shù)及應(yīng)用》》電感法測厚度15機器人技術(shù)及應(yīng)用》》霍爾法計數(shù)16機器人技術(shù)及應(yīng)用》》霍爾法測轉(zhuǎn)速17機器人技術(shù)及應(yīng)用》》半導(dǎo)體法測壓力18機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.4傳感器的數(shù)學(xué)模型

從系統(tǒng)角度看，一種傳感器就是一種系統(tǒng)。而一個系統(tǒng)總可以用一個數(shù)學(xué)方程式或函數(shù)來描述。即用某種方程式或函數(shù)表征傳感器的輸出和輸入的關(guān)系和特性，從而，用這種關(guān)系指導(dǎo)對傳感器的設(shè)計、制造、校正和使用。通常從傳感器的靜態(tài)輸入-輸出關(guān)系和動態(tài)輸入-輸出關(guān)系兩方面建立數(shù)學(xué)模型。19機器人技術(shù)及應(yīng)用》》1.靜態(tài)模型靜態(tài)模型是指在輸入信號不隨時間變化的情況下，描述傳感器的輸出與輸入量的一種函數(shù)關(guān)系。如果不考慮蠕動效應(yīng)和遲滯特性，傳感器的靜態(tài)模型一般可用多項式來表示：20機器人技術(shù)及應(yīng)用》》2.動態(tài)模型

動態(tài)模型是指傳感器在準動態(tài)信號或動態(tài)信號作用下，描述其輸出和輸入信號的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。動態(tài)模型通常采用微分方程和傳遞函數(shù)描述。21機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

3.微分方程

大多數(shù)傳感器都屬模擬系統(tǒng)之列。描述模擬系統(tǒng)的一般方法是采用微分方程。在實際的模型建立過程中，一般采用線性常系數(shù)微分方程來描述輸出量y和輸入量x的關(guān)系。22機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

其通式如下：an,an-1…a0和bm,bm-1…b0

為傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。除b0

0外，一般取b1,b2…bm為零.23機器人技術(shù)及應(yīng)用》》如果y(t)在t≤0時，y(t)

=0，則y(t)的拉氏變換可定義為4.傳遞函數(shù)

式中s=σ+jω，σ>0。

對微分方程兩邊取拉氏變換，則得24機器人技術(shù)及應(yīng)用》》定義輸出y(t)的拉氏變換Y(S)和輸入x(t)的拉氏變換X(S)的比為該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(S)，則

對y(t)進行拉氏變換的初始條件是t≤0時，y(t)=0。對于傳感器被激勵之前所有的儲能元件如質(zhì)量塊、彈性元件、電氣元件等均符合上述的初始條件。25機器人技術(shù)及應(yīng)用》》對于多環(huán)節(jié)串、并聯(lián)組成的傳感器，若各環(huán)節(jié)阻抗匹配適當(dāng)，可忽略相互間的影響，傳感器的等效傳遞函數(shù)可按代數(shù)方式求得。顯然H(s)與輸入量x(t)無關(guān)，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。因而H(s)可以簡單而恰當(dāng)?shù)孛枋鰝鞲衅鬏敵雠c輸入的關(guān)系。26機器人技術(shù)及應(yīng)用》》若傳感器由r個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成

對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其看作是一些較為簡單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)。27機器人技術(shù)及應(yīng)用》》若傳感器由p個環(huán)節(jié)并聯(lián)而成28機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.5傳感器的基本特征1.傳感器的靜特性傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。(1).線性度傳感器的線性度是指傳感器實際輸出—輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即29機器人技術(shù)及應(yīng)用》》(2).靈敏度傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定標準條件下，輸出量的變化量與輸入量的變化量之比，即(3).遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨?，輸出——輸入特性曲線不重合的程度稱為遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分數(shù)表示

30機器人技術(shù)及應(yīng)用》》(4).重復(fù)性

傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測量時，所得輸出——輸入曲線的不一致程度，稱重復(fù)性。重復(fù)性誤差用滿量程輸出的百分數(shù)表示，即近似計算31機器人技術(shù)及應(yīng)用》》（5）.分辨力傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為閾值。（6）.零漂傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。32機器人技術(shù)及應(yīng)用》》2.傳感器的動態(tài)特性傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應(yīng)特性。傳感器動態(tài)特性的性能指標可以通過時域、頻域以及試驗分析的方法確定，其動態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。

33機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.1.6傳感器的發(fā)展方向1.新型傳感器的開發(fā)鑒于傳感器的工作機理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進一步發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、采用新原理、開發(fā)新材料、采用新工藝，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑?？傊?，傳感器正經(jīng)歷著從以結(jié)構(gòu)型為主轉(zhuǎn)向以物性型為主的過程。34機器人技術(shù)及應(yīng)用》》2.傳感器的集成化和多功能化隨著微電子學(xué)、微細加工技術(shù)和集成化工藝等方面的發(fā)展，出現(xiàn)了多種集成化傳感器。這類傳感器，或是同一功能的多個敏感元件排列成線性、面型的陣列型傳感器；或是多種不同功能的敏感元件集成一體，成為可同時進行多種參數(shù)測量的傳感器；或是傳感器與放大、運算、溫度補償?shù)入娐芳梢惑w具有多種功能——實現(xiàn)了橫向和縱向的多功能。35機器人技術(shù)及應(yīng)用》》3.傳感器的智能化“電五官”與“電腦”的相結(jié)合，就是傳感器的智能化。智能化傳感器不僅具有信號檢測、轉(zhuǎn)換功能，同時還具有記憶、存儲、解析、統(tǒng)計處理及自診斷、自校準、自適應(yīng)等功能。如進一步將傳感器與計算機的這些功能集成于同一芯片上，就成為智能傳感器。36機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2位置傳感器6.2.1線位移檢測傳感器6.2.2角位移檢測傳感器6.2.3速度、加速度傳感器6.2.4電子羅盤及陀螺儀6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)37機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.1線位移檢測傳感器1）、光柵位移傳感器2）、感應(yīng)同步器3）、磁柵位移傳感器38機器人技術(shù)及應(yīng)用》》1）.光柵位移傳感器（1）、光柵的構(gòu)造：39機器人技術(shù)及應(yīng)用》》1）.光柵位移傳感器（2）、工作原理把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖所示。

40機器人技術(shù)及應(yīng)用》》1）.光柵位移傳感器莫爾條紋具有如下特點：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。光柵每移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距B

2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。

41機器人技術(shù)及應(yīng)用》》1）.光柵位移傳感器

通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號，如圖所示。

其電壓為：42機器人技術(shù)及應(yīng)用》》1）.光柵位移傳感器將此電壓信號放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再經(jīng)辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測量分辨率等于柵距。43機器人技術(shù)及應(yīng)用》》2）、感應(yīng)同步器（2）.感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距τ（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)滑尺定尺44機器人技術(shù)及應(yīng)用》》2）、感應(yīng)同步器包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節(jié)距T(一般為2mm)的方齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩個勵磁繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位相同時，余弦繞組與定尺繞組錯開1/4節(jié)距?；吆投ǔ呦鄬ζ叫邪惭b，其間保持一定間隙（0.05~0.2mm）。45機器人技術(shù)及應(yīng)用》》2）、感應(yīng)同步器2.感應(yīng)同步器的工作原理在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為2~10kHz）的交變電流時，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小與滑尺和定尺的相對位置有關(guān)。設(shè)正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為Uc，移動距離為x，節(jié)距為T，則正弦繞組單獨供電時，在定尺上感應(yīng)電勢為46機器人技術(shù)及應(yīng)用》》2）、感應(yīng)同步器余弦繞組單獨供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為

由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，可進行線性疊加，所以定尺上總的感應(yīng)電勢為47機器人技術(shù)及應(yīng)用》》2）、感應(yīng)同步器式中：K——定尺與滑尺之間的耦合系數(shù)；

——定尺與滑尺相對位移的角度表示量（電角度）T——節(jié)距，表示直線感應(yīng)同步器的周期，標準式直線感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm。利用感應(yīng)電壓的變化可以求得位移X，從而進行位置檢測。48機器人技術(shù)及應(yīng)用》》3.測量方法根據(jù)對滑尺繞組供電方式的不同，以及對輸出電壓檢測方式的不同，感應(yīng)同步器的測量方式有鑒相式和鑒幅式兩種工作法。2）、感應(yīng)同步器49機器人技術(shù)及應(yīng)用》》(1)鑒相式工作法滑尺的兩個勵磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個電壓，設(shè)從上式可以看出，只要測得相角，就可以知道滑尺的相對位移x：

2）、感應(yīng)同步器50機器人技術(shù)及應(yīng)用》》2.鑒幅工作法在滑尺的兩個勵磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個交流電壓：由上式知，感應(yīng)電勢的幅值隨著滑尺的移動作正弦變化。因此，可以通過測量感應(yīng)電動勢的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對位移。2）、感應(yīng)同步器51機器人技術(shù)及應(yīng)用》》3）、磁柵位移傳感器（1）.磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)

52機器人技術(shù)及應(yīng)用》》（2）.原理：在用軟磁材料制成的鐵芯上繞有兩個繞組，一個為勵磁繞組，另一個為拾磁繞組，將高頻勵磁電流通入勵磁繞組時，當(dāng)磁頭靠近磁尺時在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為：U0——輸出電壓系數(shù)；

——磁尺上磁化信號的節(jié)距；

χ——磁頭相對磁尺的位移；

ω——勵磁電壓的角頻率。

在實際應(yīng)用中，需要采用雙磁頭結(jié)構(gòu)來辨別移動的方向3）、磁柵位移傳感器53機器人技術(shù)及應(yīng)用》》（3）.測量方式A、鑒幅測量方式如前所述，磁頭有兩組信號輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為π/2的兩組信號兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節(jié)距發(fā)出一個正（余）弦信號，經(jīng)信號處理后可進行位置檢測。這種方法的檢測線路比較簡單，但分辨率受到錄磁節(jié)距λ的限制，若要提高分辨率就必須采用較復(fù)雜的信頻電路，所以不常采用。

3）、磁柵位移傳感器54機器人技術(shù)及應(yīng)用》》B.鑒相測量方式將一組磁頭的勵磁信號移相90°，則得到輸出電壓為在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為則合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對位置χ變化而變。讀出輸出信號的相位，就可確定磁頭的位置。

3）、磁柵位移傳感器55機器人技術(shù)及應(yīng)用》》一、直流測速發(fā)電機二、光電式速度傳感器三、差動變壓器式速度傳感器四、加速度傳感器6.2.3速度、加速度傳感器56機器人技術(shù)及應(yīng)用》》一、直流測速發(fā)電機測速發(fā)電機的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。圖所示為永磁式測速發(fā)電機原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成正比的直流電勢。

直流測速發(fā)電機在機電控制系統(tǒng)中，主要用作測速和校正元件。在使用中，為了提高檢測靈敏度，盡可能把它直接連接到電機軸上。有的電機本身就已安裝了測速發(fā)電機。57機器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、光電式速度傳感器

光電脈沖測速原理如下圖所示。物體以速度V通過光電池的遮擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，經(jīng)微分電路形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔△t，則可測得速度為58機器人技術(shù)及應(yīng)用》》二、光電式速度傳感器

光電式轉(zhuǎn)速傳感器是由裝在被測軸（或與被測軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤組成，如下圖所示。光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上，當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測量時間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，則可測得轉(zhuǎn)速為59機器人技術(shù)及應(yīng)用》》三、差動變壓器式速度傳感器

差動變壓器式除了可測量位移外，還可測量速度。其工作原理如下圖所示。差動變壓器式的原邊線圈同時供以直流和交流電流，即60機器人技術(shù)及應(yīng)用》》三、差動變壓器式速度傳感器

當(dāng)差動變壓器以被測速度V=dx/dt移動時，在其副邊兩個線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，將它們的差值通過低通濾波器濾除勵磁高頻角頻率后，則可得到與速度v（m/s）相對應(yīng)的電壓輸出，即

差動變壓器漂移小，其主要性能為：測量范圍10~2000mm/s（可調(diào)），輸出電壓±10V（max），輸出電流±10mA（max），頻帶寬度≥500Hz。61機器人技術(shù)及應(yīng)用》》四、加速度傳感器

作為加速度檢測元件的加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理大多是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng)，進一步轉(zhuǎn)化成電量，來間接度量被測加速度。最常用的有應(yīng)變片式和壓電式等。

62機器人技術(shù)及應(yīng)用》》四、加速度傳感器

電阻應(yīng)變式加速度計結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。它由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形便可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計算出被測加速度。殼體內(nèi)灌滿的粘性液體作為阻尼之用。這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。63機器人技術(shù)及應(yīng)用》》四、加速度傳感器

壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。使用時，傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。壓電加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機構(gòu)的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、應(yīng)用較為廣泛。64機器人技術(shù)及應(yīng)用》》四、加速度傳感器下圖為一種空氣阻尼的電容式加速度傳感器。該傳感器采用差動式結(jié)構(gòu)，有兩個固定電極，兩極板之間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩端經(jīng)過磨平拋光后作為可動極板。當(dāng)傳感器測量垂直方向的振動時，由于質(zhì)量塊的慣性作用，使兩固定極相對質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，使電容C1、C2中一個增大，另一個減小，它們的差值正比于被測加速度。這種加速度傳感器的精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，可以測得很高的加速度值。65機器人技術(shù)及應(yīng)用》》電子羅盤，也叫數(shù)字羅盤，是利用地磁場來定北極的一種方法。古代稱為羅經(jīng)，電子羅盤現(xiàn)代利用先進加工工藝生產(chǎn)的磁阻傳感器為羅盤的數(shù)字化提供了有力的幫助?，F(xiàn)在一般有用磁阻傳感器和磁通門加工而成的電子羅盤。6.2.4電子羅盤及陀螺儀66機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.4電子羅盤及陀螺儀電子磁羅盤的原理是利用磁傳感器測量地磁場。地球的磁場強度為0.5-0.6高斯，與地平面平行，永遠指向磁北極，磁場大致為雙極模式：在北半球，磁場指向下，赤道附近指向水平，在南半球，磁場指向上。無論何地，地球磁場的方向的水平分量，永遠指向磁北極，由此，可以用電子羅盤系統(tǒng)確定方向。電子羅盤有以下幾種傳感器組合：雙軸磁傳感器系統(tǒng)：由兩個磁傳感器垂直安裝于同一平面組成，測量時必需持平，適用于手持、低精度設(shè)備。三軸磁傳感器雙軸傾角傳感器系統(tǒng)：由三個磁傳感器構(gòu)成X、Y、Z軸磁系統(tǒng)，加上雙軸傾角傳感器進行傾斜補償，同時除了測量航向還可以測量系統(tǒng)的俯仰角和橫滾角。適合于需要方向和姿態(tài)顯示的精度要求較高的設(shè)備。67機器人技術(shù)及應(yīng)用》》1．三軸磁阻傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償。2．高速高精度A/D轉(zhuǎn)換。3．內(nèi)置溫度補償，最大限度減少傾斜角和指向角的溫度漂移。4．內(nèi)置微處理器計算傳感器與磁北夾角。5．具有簡單有效的用戶標校指令。6．具有指向零點修正功能。7．外殼結(jié)構(gòu)防水，無磁.

6.2.4電子羅盤及陀螺儀電子羅盤的特點：68機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.4電子羅盤及陀螺儀移動機器人在行進的時候可能會遇到各種地形或者各種障礙。這時即使機器人的驅(qū)動裝置采用閉環(huán)控制，也會由于輪子打滑等原因造成機器人偏離設(shè)定的運動軌跡，并且這種偏移是旋轉(zhuǎn)編碼器無法測量到的。這時就必須依靠電子羅盤或者角速率陀螺儀來測量這些偏移，并作必要的修正，以保證機器人行走的方向不至偏離。另外一方面，商用的電子羅盤傳感器精度通常為0.5度或者更差。而如果機器人運動距離較長，0.5度的航向偏差可能導(dǎo)致機器人運動的線位移偏離值不可接受。69機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.4電子羅盤及陀螺儀

ADXRS150速率陀螺ADXL203內(nèi)部結(jié)構(gòu)

注意：由于人體容易累積高達4000V的靜電，雖然ADXRS150ABG本身具有靜電保護，但仍有可能被高能量的靜電擊穿而不被察覺。因此，在使用時應(yīng)遵守恰當(dāng)?shù)姆漓o電準則，以避免不必要的損失。1)通常應(yīng)用：車輛底盤滾轉(zhuǎn)傳感，慣性測量單元IMU，平臺穩(wěn)定，無人機控制，彈道測量等2)規(guī)格數(shù)據(jù)：在環(huán)境溫度25°C,工作電壓5V,角速率=0°/s,帶寬=80Hz(Cout=0.01μF),角速率0°/S,±1g,下測量。70機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)GPS是美國軍方研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即“GlobalPositioningSystem”全球定位系統(tǒng)的簡稱。

24顆GPS衛(wèi)星在離地面1萬2千公里的高空上，以12小時的周期環(huán)繞地球運行，任意時刻在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。71機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)由衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置(X,Y,Z)。考慮到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的坐標和高度。而實際上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。72機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)

由于衛(wèi)星運行軌道、衛(wèi)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護政策，使得民用GPS的定位精度只有10米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技術(shù)，建立基準站(差分臺)進行GPS觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數(shù)，并對外發(fā)布。接收機收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。通常情況下，利用差分GPS可將定位精度提高到米級。但是使用差分GPS需要自行建立基準站，費用較高，通常需要數(shù)萬至十多萬人民幣。73機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)DGPS的原理如下圖所示。

74機器人技術(shù)及應(yīng)用》》6.2.5GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)GPS衛(wèi)星的信號強度非常弱。因此GPS接收機需要非常小心地處理天線、饋線等環(huán)節(jié)，在使用中，太低的天線偏置電壓會降低天線的增益，另外同軸電纜、連接器、電路板走線會衰減信號，要保證信號在通過天線、同軸電纜、連接器、電路板，到達RF_IN時有20dB以上的增益；為此，在設(shè)計GPS天線和饋線部分時要仔細閱讀GPS模塊提供的數(shù)據(jù)手冊和應(yīng)用指南，尤其是PCB（印刷電路版）上的從RF接頭到模塊RF_IN引腳的一段PCB走線，應(yīng)按微帶線設(shè)計（Microstrip），有阻抗匹配的要求。75機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3尋跡傳感器尋跡傳感器意義尋跡傳感器原理尋跡傳感器設(shè)計要求尋跡傳感器性能優(yōu)化其他尋跡傳感器及原理76機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.1尋跡傳感器意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人的傳感器越來越多，但尋跡傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。圖6.3.177機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.1尋跡傳感器意義常用尋跡傳感器：圖6.3.1光電尋跡傳感器電磁尋跡傳感器CCD尋跡傳感器cba78機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理一、基于反射光強度圖6.3.2其基本原理是采用光電傳感器，根據(jù)條帶和地面反射信號不同來檢測機器人所在的位置。79機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理二、電阻分壓圖6.3.3光電接收管阻值負相關(guān)與光強。在無光照情況下，反向電阻為∞；有光照時，反向電阻隨光照強度增加而減小，阻值可達幾ｋΩ或１ｋΩ以下。

80機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理三、常用電路圖6.3.4a）當(dāng)無反射光照射或光照較弱時，電阻為∞，此時三極管工作在放大區(qū)，輸出電壓很??；而當(dāng)在反射光照射使電阻下降到幾ｋΩ時，三極管工作在截止區(qū)，輸出電壓接近于５Ｖ。81機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理三、常用電路圖6.3.5b）一種使用光電三極管的簡單光電傳感器電路，它采用帶運算放大器的放大電路，穩(wěn)定性、線性度及增益誤差等均比晶體管放大電路好。82機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理三、常用電路圖6.3.6c）一種采用電壓比較器的光電傳感器電路。通過調(diào)節(jié)可變電阻阻值，來改變參考電壓值，以最終適應(yīng)環(huán)境光強。83機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理四、常用電路分析圖6.3.7a）檢測深色條帶電路中VCC為+5V，Rb可變阻值為0.5Rb。當(dāng)發(fā)射LED照射在深色條帶上時，大部分光線被吸收，光敏二極管阻值為1MΩ,電壓比較器模擬輸入端分得電壓約為+5V，比較器參考電壓為+2.5V,此時，電壓比較器的輸入電壓>電壓比較器的參考電壓，故電壓比較器輸出低電平信號0.84機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理四、常用電路分析圖6.3.7b）檢測淺色地面電路中VCC為+5V，Rb可變阻值為0.5Rb。當(dāng)發(fā)射LED照射在淺色地面上時，大部分光線被反射，光敏二極管阻值大幅度降低，約為為1KΩ,電壓比較器模擬輸入端分得電壓為+5V*（1K/11K）約為0.45V，比較器參考電壓為+2.5V,此時，電壓比較器的輸入電壓<電壓比較器的參考電壓，故電壓比較器輸出高電平信號1.85機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理四、常用電路分析圖6.3.7c）復(fù)雜路面電路中VCC為+5V，Rb可變阻值為0.5Rb。當(dāng)發(fā)射LED照射在淺色地面上時，由于地面不平整，造成只有一部分有效反射，光敏二極管阻值略微降低，約為為15KΩ,電壓比較器模擬輸入端分得電壓為+5V*（15K/25K）約為3V，比較器參考電壓為+2.5V,此時，電壓比較器的輸入電壓>電壓比較器的參考電壓，故電壓比較器輸出低電平信號0。與檢測條帶信號相同，無法區(qū)分。86機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.2尋跡傳感器原理四、常用電路分析圖6.3.7c）復(fù)雜路面解決方法為解決此類問題，可調(diào)節(jié)Rb分壓阻值為0.7Rb。則此時電壓比較器參考電壓為3.5V，大于比較器輸入端3V，故電壓比較器輸出高電平信號1。87機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.4尋跡傳感器設(shè)計要求抗干擾性：比賽場地可能存在各種形式的強光干擾、電磁干擾、顏色干擾，必須有較好的抗干擾能力?？烧{(diào)性：比賽場地上機器人的運行環(huán)境可能有別于當(dāng)初調(diào)試的環(huán)境，即使同是賽，可能出發(fā)位置、燈光光照角度、日光光照情況均會變化，必須留有調(diào)節(jié)各種參數(shù)的環(huán)節(jié)，使得傳感器工作在最佳狀態(tài)。88機器人技術(shù)及應(yīng)用》》

§6.3.4尋跡傳感器設(shè)計要求穩(wěn)定性和快速性：一旦傳感器移動到引導(dǎo)條帶邊緣，傳感器應(yīng)當(dāng)及時、快速、穩(wěn)定地觸發(fā)，不允許有狀態(tài)的抖動，否則會引起機器人的搖晃。成本低廉：對于機器人，價格是其推廣的一個重要因素。