第三章-智能機(jī)器人的感知系統(tǒng)課件

第3章

智能機(jī)器人的感知系統(tǒng).第3章智能機(jī)器人的感知系統(tǒng).1

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，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。.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)23.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

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。感知行為按照復(fù)雜度分為以下幾個(gè)等級：反射式感知：信息融合感知可學(xué)習(xí)感知自主認(rèn)知。.3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

機(jī)器人感知系統(tǒng)本質(zhì)是33.1.1感知系統(tǒng)的組成

人類具有5種感覺，即視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺。機(jī)器人有類似人一樣的感覺系統(tǒng)，Asimo機(jī)器人的傳感器分布。機(jī)器人則是通過傳感器得到這些信息的，這些信息通過傳感器采集，通過不同的處理方式，可以分成視覺、力覺、觸覺、接近覺等幾個(gè)大類。.3.1.1感知系統(tǒng)的組成

.4視覺:獲取信息最直觀的方式，人類75%以上的信息都來

自于視覺。視覺一般包括三個(gè)過程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。觸覺

觸覺傳感系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)人體全部的觸覺功能。機(jī)器人觸覺的研究集中在擴(kuò)展機(jī)器人能力所必需的觸覺功能上。一般地，把檢測感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸、壓力、滑覺的傳感器，稱為機(jī)器人觸覺傳感器。.視覺:獲取信息最直觀的方式，人類75%以上的信息都來5聽覺---機(jī)器人擁有聽覺，使得機(jī)器人能夠與人進(jìn)行自然的人機(jī)對話，使得機(jī)器人能夠聽從人的指揮。達(dá)到這一目標(biāo)的決定性技術(shù)是語音技術(shù)，它包括語音識別和合成技術(shù)兩個(gè)方面。嗅覺---機(jī)器人嗅覺系統(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別算法組成，可用于檢測、分析和鑒別各種氣味。味覺傳感器---海洋資源勘探機(jī)器人、食品分析機(jī)器人、烹調(diào)機(jī)器人等需要用味覺傳感器進(jìn)行液體成分的分析.聽覺---機(jī)器人擁有聽覺，使得機(jī)器人能夠與人進(jìn)行自然的人機(jī)對63.1.2感知系統(tǒng)的分布

1．內(nèi)傳感器與外傳感器1)內(nèi)部傳感器

內(nèi)部傳感器通常用來確定機(jī)器人在其自身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置，是完成移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所必需的那些傳感器。.3.1.2感知系統(tǒng)的分布

1．內(nèi)傳感器與外傳感器.72)外傳感器

外傳感器用于機(jī)器人本身相對其周圍環(huán)境的定位，負(fù)責(zé)檢測距離、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。.2)外傳感器.82.多傳感器信息融合

多傳感器信息融合技術(shù)是通過對這些傳感器及其觀測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，以獲取被觀測對象的一致性解釋或描述。.2.多傳感器信息融合

多傳感器信息融合技術(shù)9

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：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合，傳感器具有零自由度。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，傳感器具有零自由度。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。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。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，動(dòng)靜結(jié)合的連接方式。.為獲取較好的感知效果，移動(dòng)機(jī)器人的多傳感器有著103.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)是由部屬在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無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)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)顯著地?cái)U(kuò)展了移動(dòng)機(jī)器人的感知空間，提高了移動(dòng)機(jī)器人的感知能力，為移動(dòng)機(jī)器人的智能開發(fā)、機(jī)器人間合作與協(xié)調(diào)，以及機(jī)器人應(yīng)用范圍的拓展提供了可能。

.3.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wire113.2距離/位置測量

機(jī)器人測距系統(tǒng)主要完成如下功能：實(shí)時(shí)地檢測自身所處空間的位置，用以進(jìn)行自定位；實(shí)時(shí)地檢測障礙物距離和方向，為行動(dòng)決策提供依據(jù)；檢測目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)行簡單形體的識別；用于導(dǎo)航及目標(biāo)跟蹤。.3.2距離/位置測量

機(jī)器人測距系統(tǒng)主要完成如下功能：.12非接觸測定空間距離的方法大體可以按以下幾種角度進(jìn)行分類。

.非接觸測定空間距離的方法大體可以按以下幾種角度進(jìn)行分類。.133.2.1聲吶測距

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。脈沖回波法通過測量超聲波經(jīng)反射到達(dá)接收傳感器的時(shí)間和發(fā)射時(shí)間之差來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與障礙物之間的測距，也叫渡越時(shí)間法。該方法簡單實(shí)用，應(yīng)用廣泛，其原理如下所示.3.2.1聲吶測距

超聲波是頻率高于20K14

發(fā)射傳感器向空氣中發(fā)射超聲波脈沖，聲波脈沖遇到被測物體反射回來，由接收傳感器檢測回波信號。若測出第一個(gè)回波達(dá)到的時(shí)間與發(fā)射脈沖間的時(shí)間差t，即可算得傳感器與反射點(diǎn)間的距離s。

脈沖回波方法僅需要一個(gè)超聲波換能器來完成發(fā)射和接收功能，但同時(shí)收發(fā)的測量方式又導(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距系統(tǒng)不能測量小于幾個(gè)厘米的范圍。.發(fā)射傳感器向空氣中發(fā)射超聲波脈沖，聲波脈沖153.2.2紅外測距

紅外輻射俗稱紅外線，是一種不可見光，其波長范圍大致在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：(1)輻射計(jì)，用于輻射和光譜測量；(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。.3.2.2紅外測距

紅外輻射俗稱紅外線，是一種不可16基本原理

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

.基本原理.173.2.3激光掃描測距

掃描運(yùn)動(dòng)位于由物體到檢測器和由檢測器到激光發(fā)射器兩直線所確定的平面內(nèi)，檢測器聚焦在表面很小的一個(gè)區(qū)域內(nèi)。因?yàn)楣庠磁c基線之間的角度和光源與檢測器之間的基線距離已知，可根據(jù)幾何關(guān)系求.3.2.3激光掃描測距

掃描運(yùn)動(dòng)位于由物體18相位法如圖所示，波長為

的激光束被一分為二。一束（稱為參考光束）經(jīng)過距離L到達(dá)相位測量裝置，另一束經(jīng)過距離d到達(dá)反射表面。反射光束經(jīng)過的總距離為.相位法.19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)生相位移若兩個(gè)波形將再次對準(zhǔn)。因此只根據(jù)測得的相位移，無法區(qū)別反射光束與發(fā)射參考，因此只有要求光束才有唯一解，并代入上式.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203.2.4旋轉(zhuǎn)編碼器

1.絕對式編碼器絕對型編碼器能提供運(yùn)轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)的絕對位置信息，工作原理如圖所示。

圖中示意了從發(fā)光管經(jīng)過分光濾鏡等光學(xué)組件，通過編碼盤的透射光被光學(xué)敏感器件檢測到的原理。。.3.2.4旋轉(zhuǎn)編碼器

1.絕對式編碼器.212.增量式編碼器

典型的增量式編碼器由一個(gè)紅外對射式光電傳感器和一個(gè)由遮光線和空隔構(gòu)成的碼盤組成。當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，遮光線和空隔能阻攔紅外光束或讓其通過。為計(jì)算絕對位置，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。通過計(jì)算來自這個(gè)原點(diǎn)的脈沖，可以計(jì)算出絕對位置。.2.增量式編碼器

典型的增量式編碼器由一個(gè)紅外223.2.5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)。使用它們作為角位移傳感器的時(shí)候要注意兩點(diǎn)：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)的場合；由于制造工藝原因，同一型號的多個(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%。因此無法用于高精度的角位移測量。.3.2.5旋轉(zhuǎn)電位計(jì)

電位計(jì)就是帶中心抽頭233.3觸覺測量

一般認(rèn)為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺、力覺四種，狹義的觸覺按字面上來看是指前三種感知接觸的感覺。觸覺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)簡單。2）分布式（陣列式）傳感器分布式傳感器可以檢測分布在面狀物體上的力或位移。.3.3觸覺測量

一般認(rèn)為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺、力覺四種243.4壓覺測量

通常我們將機(jī)器人的力傳感器分為三類：

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。

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。

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。

力覺傳感器是從應(yīng)變來測量力和力矩的，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。.3.4壓覺測量

通常我們將機(jī)器人的力傳感器分為三類：.251）環(huán)式

圖中所示為美國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)粘貼測量剪切變形的應(yīng)變片，內(nèi)側(cè)粘貼測量拉伸一壓縮變形的應(yīng)變片。.1）環(huán)式圖中所示為美國Draper研究所提出262)垂直水平梁式

圖中為Dr.R.Seiner公司設(shè)計(jì)的垂直水平梁式力覺傳感器。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)成力覺傳感器。.2)垂直水平梁式圖中為Dr.R.Se273）圓筒式

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。.3）圓筒式圖為SRI（StanfordRes284)四根梁式

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。.4)四根梁式圖為日本大和制衡株式會(huì)社林純一研制293.5姿態(tài)測量

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)編碼器無法測量到的。這時(shí)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(jī)器人行走的方向不至偏離。.3.5姿態(tài)測量

移動(dòng)機(jī)器人在行進(jìn)的時(shí)候可能會(huì)303.5.1磁羅盤1．機(jī)械式磁羅盤

指南針就是一種機(jī)械式磁羅盤。早期的磁羅盤將磁針懸浮于水面或者懸置于空中來獲取航向。現(xiàn)在的機(jī)械式磁羅盤系統(tǒng)將環(huán)形磁鐵或者一對磁棒安裝于云母刻度盤上，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1．機(jī)械式磁羅盤.312．磁通門羅盤

磁通門羅盤是在磁通門場強(qiáng)計(jì)的原理上研制出來的，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。.2．磁通門羅盤.323.霍爾效應(yīng)羅盤

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B，磁場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，該電場稱為霍爾電場。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)霍爾電場和磁場對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.霍爾效應(yīng)羅盤

當(dāng)在矩形霍爾元件中通以如圖33霍爾電壓可根據(jù)如公式近似計(jì)算——比例常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)B——磁場強(qiáng)度；I——電流強(qiáng)度。.霍爾電壓可根據(jù)如公式近似計(jì)算.344．磁阻式羅盤

磁阻式羅盤是利用磁阻元件制作而成的羅盤。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得。.4．磁阻式羅盤磁阻式羅盤是利用磁阻元件制作而成的羅盤355.電子羅盤系統(tǒng)實(shí)例電子羅盤有以下幾種傳感器組合：

(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)除了測量航向還可以測量系統(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)除了測量航向，還可以測量系統(tǒng)的俯仰角和橫滾角。.5.電子羅盤系統(tǒng)實(shí)例電子羅盤有以下幾種傳感器組合：.363.5.2角速度陀螺儀

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。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

繞一個(gè)支點(diǎn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)371)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)象來檢測轉(zhuǎn)速的傳感器。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)測量。在圖3.24所示的環(huán)狀光通路中，來自光源的光經(jīng)過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。.1)振動(dòng)陀螺儀.383.5.3加速度計(jì)

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)為抑制振動(dòng)，有時(shí)在機(jī)器人39壓電加速度傳感器

對于不存在對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，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.壓電加速度傳感器對于不存在對稱中心的異極晶體403.5.4姿態(tài)/航向測量單元

“姿態(tài)/航向測量單元”簡稱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)，通過捷聯(lián)航姿解算，可以以50-200Hz的速率輸出實(shí)時(shí)測量的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)/航向測量單元

“姿態(tài)/航向測量單元413.6視覺測量

視覺測量在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用也很廣泛。如圖所示，視覺傳感器它可以分為被動(dòng)傳感器（用攝像機(jī)等對目標(biāo)物體進(jìn)行攝影，獲得圖像信號）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，測量距離）兩大類。.3.6視覺測量

視覺測量在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用也423.6.1被動(dòng)視覺測量

1.單眼視覺

一種方法是測量視野內(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

雙眼立體視覺是被動(dòng)視覺傳感器中最常用的方式。，已知兩個(gè)攝像機(jī)的相對關(guān)系，基于三角測量原理可計(jì)算出的三維位置.3.6.1被動(dòng)視覺測量

1.單眼視覺.433.6.2主動(dòng)視覺測量1.光切斷法

光切斷法把雙眼立體視覺中的一個(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，按照與立體視覺相同的三角測量原理就可以計(jì)算和測量出視野內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的距離。.3.6.2主動(dòng)視覺測量1.光切斷法.442.空間編碼測距空間編碼測距儀在光切斷法中要想獲得整個(gè)畫面的距離分布信息，必須取得多幅狹縫圖像，這樣做相當(dāng)花費(fèi)時(shí)間。要解決這個(gè)問題，可以將其改進(jìn)為多個(gè)狹縫光線同時(shí)投光，不過此時(shí)需要對圖像中的多個(gè)狹縫圖像加以識別。這可以通過給各個(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識別多個(gè)狹縫的方法。.2.空間編碼測距空間編碼測距儀在光切斷法中要453.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)位置上透過同樣形狀的條紋進(jìn)行觀察，通過對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.激光測距法

激光測距法是一種投射激光等高定向性光線，然后通過接收返回光線，測量距離的方式。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)制光線通過測量接收光線的相位偏差來推算距離的方法等。.3.莫爾條紋法.463.6.3視覺傳感器

視覺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)。視覺傳感器通常是一個(gè)攝像機(jī)，有的還包括云臺等輔助設(shè)施。.3.6.3視覺傳感器視覺傳感器將圖像傳感器、數(shù)471.兩自由度攝像云臺

自主移動(dòng)機(jī)器人采用攝像機(jī)作為視覺傳感器。但是普通的攝像機(jī)無法同時(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，利用云臺的旋轉(zhuǎn)、俯仰來獲得更大的視角范圍；但是這種方式也有響應(yīng)速度慢、無法實(shí)時(shí)做到360度全方位監(jiān)視等問題，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。.1.兩自由度攝像云臺.482.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。.2.全景攝像機(jī).493.7其他傳感器1、語音傳感器

語音屬于20Hz-20kHz的疏密波。語音傳感器是機(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“語言”執(zhí)行命令，進(jìn)行操作。在應(yīng)用語音感覺之前必須經(jīng)過語音合成和語音識別。機(jī)器人上最常用的語音傳感器就是麥克風(fēng)。常見的麥克風(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)。.3.7其他傳感器1、語音傳感器.502.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。除特殊情況外，聲音傳感器均采用超聲波頻域（從可聽頻率的上限到300kHz，個(gè)別的可達(dá)數(shù)兆赫茲。.2.聲音傳感器.513.7.3顏色傳感器顏色傳感器分為視覺傳感器與反射式光電開關(guān)兩類。(1)基于視覺傳感器的顏色傳感器。彩色攝像機(jī)采集顏色，并通過高速數(shù)字信號處理器的運(yùn)算可以獲得顏色信息。(2)基于普通光電開關(guān)的顏色傳感器。反射式光電開關(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)對顏色的檢測。.3.7.3顏色傳感器顏色傳感器分為視覺傳感器與反射式光電開523.7.4氣體傳感器

機(jī)器嗅覺是一種模擬生物嗅覺工作原理的新穎仿生檢測技術(shù)，機(jī)器嗅覺系統(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)模式識別算法組成，可用于檢測、分析和鑒別各種氣味。

按照檢測原理的不同，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。.3.7.4氣體傳感器機(jī)器嗅覺是一