移動機(jī)器人SLAM技術(shù) 課件 【ch02】移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)第二章大學(xué)生禮儀高等院校公共課系列精品教材01控制器PARTONE01控制器

目前，移動機(jī)器人中常用的控制器有單片機(jī)、嵌入式控制器、工控機(jī)等，它們的尺寸、價格和性能都有很大差異。根據(jù)移動機(jī)器人的功能和作業(yè)復(fù)雜度，選擇能滿足功能且性價比高的控制器。單片機(jī)（SingleChipMicrocomputer)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，在一塊硅片上集成中央處理器、隨機(jī)存儲器、只讀存儲器、各種結(jié)構(gòu)和中斷統(tǒng)定時器/計(jì)數(shù)器等，相當(dāng)于一個微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。01嵌入式控制器嵌入式控制器(EmbeddedController)是用于執(zhí)行指定獨(dú)立控制功能并擁有復(fù)雜方式處理數(shù)據(jù)能力的控制系統(tǒng)。它是由嵌入式微電子技術(shù)芯片（包括微處理器芯片、定時器、序列發(fā)生器或控制器等一系列微電子器件）控制的電子設(shè)備或裝置，用于控制、監(jiān)視或者輔助操作。嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可開放性好、可伸縮性強(qiáng)，具有可裁剪性好、實(shí)時性強(qiáng)、操作簡單方便、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。廣義上講，單片機(jī)屬于嵌入式系統(tǒng)的一個分支，嵌入式系統(tǒng)是一個大類，而單片機(jī)是其中一個重要的子類。單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的區(qū)別如表所示。：單片機(jī)

單片機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入／輸出設(shè)各構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)各、嵌入式操作系統(tǒng)、特定的應(yīng)用程序組成單片機(jī)是包含微控制電路和通用輸入／輸出接口器件的集成電路芯片嵌入式系統(tǒng)可用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，也可用其他可編程的電子器件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)自身為主體，是通用的電子器件嵌入式系統(tǒng)被嵌入安裝在目標(biāo)應(yīng)虍系統(tǒng)內(nèi)。嵌入式系統(tǒng)在控制關(guān)系上是主導(dǎo)的，是控制目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的邏輯處理系統(tǒng)，是一個專用系統(tǒng)01嵌入式控制器常用的嵌入式控制器有ARM(AdvancedRiscMachines)、DSP(DigitalSignalProcessor)、FPGA(FieldProgrammable

GateArray)等。以樹莓派.(Raspberry(i)控制器為例，樹莓派不同于Arduino,它更像一個小型的計(jì)算機(jī)，是一款基于ARM的微型計(jì)算機(jī)主板，連接上顯示器，就可用在移動機(jī)器人控制器上，主要實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的相互通信、外部傳感器的數(shù)據(jù)采集、其他外設(shè)連接等控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能。01工控機(jī)是一種采用總線結(jié)構(gòu)，對生產(chǎn)過程及機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行檢測與控制的工具總稱。工控機(jī)具有重要的計(jì)算機(jī)屬性和特征，如具有計(jì)算機(jī)主板、中央處理器（centralProcessingUnit,CPU)、硬盤、內(nèi)存、外設(shè)及接口.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)并有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計(jì)算能力及友好的人機(jī)界面。工控行業(yè)的產(chǎn)品和技術(shù)非常特殊，屬于中間產(chǎn)品，為其他各行業(yè)提供穩(wěn)定、可靠、嵌入式智能化的工業(yè)計(jì)算機(jī)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)01工控機(jī)工控機(jī)的主要類別有基于pc總線工業(yè)計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器（ProammableLogicController,PLC)、分布式控制系統(tǒng)(DistributedcontrolSystem'DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FieldbusControlSystem,FCS）及數(shù)控系統(tǒng)(NumericalControlSystem'NCS)02驅(qū)動器PARTONE02常用的驅(qū)動器在移動機(jī)器人系統(tǒng)中，驅(qū)動器(Actuator)是用來使移動機(jī)器人發(fā)出動作的動力機(jī)構(gòu)，它可將電能、液壓能和氣壓能轉(zhuǎn)換為動能。對于移動機(jī)器人，主要有3種不同類型的驅(qū)動系統(tǒng)：電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)和氣動驅(qū)動系統(tǒng)。3種驅(qū)動方式各有特點(diǎn)，其對比如表2·2所示。．驅(qū)三動方式、主《要《特/點(diǎn)．《不；足《之了處電機(jī)驅(qū)動可以由直流電機(jī)、伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)完成適合旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和線性關(guān)節(jié)，是小型移動機(jī)器人和精密應(yīng)用的完美選擇。具有更好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，控制調(diào)節(jié)簡單、穩(wěn)定性較好力矩小、剛度低，常常需要配合減速器使液壓驅(qū)動質(zhì)量小、尺寸小、動作平穩(wěn)、動力大、力與慣量比大、快速響應(yīng)、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動適用于大型移動機(jī)器人，提供高功率、快速響應(yīng)易漏油，液壓驅(qū)動系統(tǒng)的液體泄漏會對環(huán)境造成污染，維護(hù)困難：不確定性和非線性因素多，工作噪聲比較大氣動驅(qū)動使用可壓縮流體，通常是壓縮空氣?？梢栽谌蝿?wù)完成時釋放大量可用的、易于訪問的電源介質(zhì)相比于液壓驅(qū)動，氣動驅(qū)動的壓力，使得系統(tǒng)非常安全。與所有液體不同的是，空氣具有良好的動態(tài)性能，無黏度、低剛度（高柔度）。氣動驅(qū)動主要用于小型、簡單的移動機(jī)器人執(zhí)行“取放”亻壬務(wù)，特別適用于小于5個自由度的小型移動機(jī)器人。氣源獲得方便、成本低、動作快輸出功率小、體積大、工作噪聲較大、控制精度較差，難以實(shí)現(xiàn)伺服控制02常用的驅(qū)動器電機(jī)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動在移動機(jī)器人中最常用。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電動機(jī)產(chǎn)生的力矩和力，直接或間接地驅(qū)動移動機(jī)器人本體以獲得移動機(jī)器人的各種運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前常用的電機(jī)有直流電機(jī)、伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，它們能將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。RoboMasterS1的輪組由4個各含12個輥?zhàn)拥柠溈思{姆輪構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)全向平移及任意旋轉(zhuǎn)，配合前橋懸掛，全向移動實(shí)現(xiàn)自由走位。RoboMaster

Sl上裝配M35081無刷電機(jī)，內(nèi)置集成式FOC電調(diào)，輸出轉(zhuǎn)矩高達(dá)0．25N·m,動力強(qiáng)悍。電機(jī)控制上采用線性霍爾傳感器配合速度閉環(huán)控制算法，能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)操控。無刷電機(jī)上有過壓保護(hù)、過熱保護(hù)、緩啟動保護(hù)及短路保護(hù)等多重保護(hù)機(jī)制，以增強(qiáng)其控制的穩(wěn)定性。02常用的驅(qū)動器以打造像人或動物那樣能夠在現(xiàn)實(shí)世界中靈活移動工作的移動機(jī)器人為目標(biāo)，波士頓動力公司早在2005年就推出一款液壓驅(qū)動的四足機(jī)械移動機(jī)器人一一BigDog（大狗）。它拋開傳統(tǒng)的輪式或履帶式移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)，參考哺乳動物的身軀些肢結(jié)構(gòu)，機(jī)械式地組裝四肢關(guān)節(jié)，通用性強(qiáng)，以便適應(yīng)更多的地形地貌。液壓驅(qū)動相比于液壓驅(qū)動，氣動驅(qū)動更加適合于小型移動機(jī)器人。長期以來，移動機(jī)器人界都想開發(fā)出通體由軟體材料構(gòu)成的移動機(jī)器人，但柔性電池和電路板的開發(fā)是一大難點(diǎn)。哈佛大學(xué)的研宄人員另辟蹊徑，研制出世界上第一個完全軟體且自我驅(qū)動的移動機(jī)器人一一“小章魚”氣動驅(qū)動除了上述3種常用的驅(qū)動方式以外，還有一些特殊的驅(qū)動方式，如光化學(xué)反應(yīng)材料、化學(xué)反應(yīng)材料、形狀記憶合金等智能材料的驅(qū)動。智能材料會對外界給予的刺激做出反應(yīng)，這些刺激包括光、力、電場、磁場、溫度等。通常，這些反應(yīng)的規(guī)模都很小，因此，這種類型的驅(qū)動器主要用在體積小、微型的移動機(jī)器人上。02常用的驅(qū)動器直流電機(jī)直流電機(jī)是移動機(jī)器人的核心硬件，需要活動的地方就需要直流電機(jī)驅(qū)動，比如輪子的運(yùn)動、手臂的運(yùn)動、頭部的運(yùn)動、手指的運(yùn)動等。直流電機(jī)又稱直流電動機(jī)(DirectCurrentMotor),是一種以直流電驅(qū)動運(yùn)行的電動機(jī)，能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，廣泛應(yīng)用在工業(yè)風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)和泵、機(jī)床、家用電器、電動工具、磁盤驅(qū)動器等。根據(jù)是否配置有常用的電刷換向器，可以將直流電機(jī)分為有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī)。02常用的驅(qū)動器有刷直流電機(jī)有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2．3所示。直流電機(jī)運(yùn)行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。直流電機(jī)運(yùn)行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由電機(jī)軸、電樞鐵心、電樞線圈、換向器等組成。有刷直流電機(jī)通過機(jī)械式電刷改變電機(jī)線圈中的電流，電刷接觸電流變換器，將電流導(dǎo)入線圈。它的成本低、結(jié)構(gòu)比較簡單、啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬，而且容易實(shí)現(xiàn)控制，換碳刷時維護(hù)方便。但有刷直流電機(jī)會產(chǎn)生電磁干擾，使用壽命有限，對使用環(huán)境有一定要求，因此通常用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。刷機(jī)供電機(jī)軸02常用的驅(qū)動器相對于有刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)是一種較新的電機(jī)技術(shù)。現(xiàn)代的無刷直流電機(jī)實(shí)際上也是一種永磁式同步電機(jī)。圖所示為常用的一種三相無刷直流電機(jī)，其中轉(zhuǎn)子由永磁鐵組成，定子上存在著多相繞組。無刷直流電機(jī)02常用的驅(qū)動器和有刷直流電機(jī)一樣，無刷直流電機(jī)的工作原理也是改變電機(jī)內(nèi)部繞組的極性，線圈通電時產(chǎn)生的磁場對殼體外部的永磁體施加推力或拉力。在無刷直流電機(jī)上轉(zhuǎn)動的不是電機(jī)軸，而是外殼。由于與繞組相連的中心軸是靜止的，因此可以直接將電源輸送到繞組上，從而也就不需要電刷了。沒有了電刷，無刷直流電機(jī)的磨損速度要比有刷直流電機(jī)慢得多，運(yùn)行時的噪聲也要小得多，速度也要快得多。刷直流電機(jī)通過外殼旋轉(zhuǎn)，它和內(nèi)部固定繞組之間的唯一物理連接是滾珠軸承，這種機(jī)構(gòu)意味著無刷直流電機(jī)的磨損相對有刷直流電機(jī)緩慢很多。02常用的驅(qū)動器與其他類型的直流電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)的運(yùn)行效率非常高，這意味著在相同的輸出功率下，與有刷直流電機(jī)相比其功耗更低。無刷直流電機(jī)的體積小、質(zhì)量小、出力大、響應(yīng)快、速度高、慣量小、力矩穩(wěn)定、轉(zhuǎn)動平滑，在多旋翼飛機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。直流電機(jī)需要在其工作電壓范圍內(nèi)的電源，工作電壓一般為使直流電機(jī)達(dá)到最佳效率的推薦電壓范圍。較低的電壓通常能轉(zhuǎn)動直流電機(jī)，但會提供較低的輸出功率。較高的電壓雖然能增加輸出功率，但會損害直流電機(jī)的使用壽命。02常用的驅(qū)動器伺服電機(jī)伺服電機(jī)用于驅(qū)動移動機(jī)器人的關(guān)節(jié)，要有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高啟動轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍，特別是移動機(jī)器人的末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電機(jī)，尤其在要求快速響應(yīng)時，伺服電機(jī)必須具有較高的可靠性，并且有較強(qiáng)的短時過載能力。伺服電機(jī)是移動機(jī)器人中常見的一種電機(jī)，可以直接或間接地驅(qū)動移動機(jī)器人本體獲得移動機(jī)器人的各種運(yùn)動，也是自動控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種執(zhí)行元件。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出能夠跟隨輸入量（或給定值）的任意變化而變化。伺服電機(jī)由直流電機(jī)、變速箱、位置傳感器和控制電路組成，通過自帶的位置傳感器對電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的角度（位置）進(jìn)行反饋構(gòu)成閉環(huán)控制，從而確保輸入和輸出一致。02常用的驅(qū)動器直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速高、扭矩小，通過變速箱可以將速度降低到所需的程度，同時增大扭矩。在工業(yè)型伺服電機(jī)中，位置傳感器通常是高精度編碼器，而在較小的伺服電機(jī)中，位置傳感器通常是一個簡易的電位器。首先這些設(shè)備捕獲的實(shí)際位置被反饋到誤差檢測器，在那里將其與目標(biāo)位置進(jìn)行比較。然后控制器根據(jù)誤差校正伺服電機(jī)的實(shí)際位置以匹配目標(biāo)位置。位置傳感器的精度，如編碼器的線數(shù)，在很大程度上決定了伺服電機(jī)的精度。02常用的驅(qū)動器按使用電源性質(zhì)的不同，伺服電機(jī)分為直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。其中，交流伺服電機(jī)無電刷和換向器，對維護(hù)和保養(yǎng)的要求低、工作可靠，定子繞組散熱方便。同時，交流伺服電機(jī)的慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性，適合高速、大力矩的工作狀態(tài)。舵機(jī)(SteeringGear)是移動機(jī)器人中最常用的伺服電機(jī)系統(tǒng)，主要用于轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)舵的驅(qū)動與控制。按照舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度分為180。舵機(jī)和360。舵機(jī)。180。舵機(jī)只能在、180。運(yùn)動，超過這個范圍，輕則齒輪打壞，重則燒壞舵機(jī)電路或舵機(jī)中的電機(jī)。舵機(jī)轉(zhuǎn)動的方式和普通的直流電機(jī)類似，可以連續(xù)轉(zhuǎn)動。按照舵機(jī)的信號處理方式分為模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)。由于舵機(jī)的價格低廉、結(jié)構(gòu)緊湊，因此能夠滿足很多低端需求，移動機(jī)器人常采用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的驅(qū)動。02常用的驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)在移動機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，最常見的是車輪，步進(jìn)電機(jī)能夠非常方便地實(shí)現(xiàn)加速、減速、前進(jìn)和后退。作為一種開環(huán)控制電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)因其旋轉(zhuǎn)以固定角度一步一步進(jìn)行，所以稱為步進(jìn)電機(jī)。它把電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移或線位移，在規(guī)定范圍內(nèi)，它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角由脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)決定，而不受負(fù)載影響。當(dāng)接收到一個脈沖信號時，步進(jìn)電機(jī)會按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的度，稱為步進(jìn)角。步進(jìn)角取決于步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)類型的不同有各種各樣的角度。以步進(jìn)角等于巧。的步進(jìn)電機(jī)為例，每輸入一個脈沖，便旋轉(zhuǎn)15。，最終旋轉(zhuǎn)角度與脈沖數(shù)成正比?？梢酝ㄟ^控制脈沖數(shù)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時，可以通過控制脈沖頻率控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度。若輸入脈沖的周期長，則電機(jī)轉(zhuǎn)得慢；．相反，若輸入脈沖的周期短，則電機(jī)轉(zhuǎn)得快，從而達(dá)到調(diào)速的目的。此外，步進(jìn)電機(jī)只有周期性誤差，而無累積誤差。它必須使用專門的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器才能工作，不能直接接到交流或直流電源上。03傳感器PARTONE03傳感器員其分類1.用傳感器采集信息是移動機(jī)器人智能化的第一步。2.如何采取適當(dāng)?shù)姆椒▽⒍鄠€傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制移動機(jī)器人進(jìn)行自主導(dǎo)航和智能作業(yè)則是提高移動機(jī)器人智能化程度的重要體現(xiàn)。傳感器及其感知處理系統(tǒng)是構(gòu)成移動機(jī)器人智能的重要部分，它為移動機(jī)器人自主導(dǎo)航和智能作業(yè)提供決策依據(jù)。移動機(jī)器人的感知處理系統(tǒng)通常由多種傳感器組成，用于感知移動機(jī)器人的自身狀態(tài)和外部環(huán)境，通過此信息決策控制移動機(jī)器人完成特定或多項(xiàng)任務(wù)。要使移動機(jī)器人擁有智能、對環(huán)境變化做出反應(yīng)，移動機(jī)器人須具有感知環(huán)境的能力。03傳感器及其分類1.從模仿人開始。通過考察人的勞動發(fā)現(xiàn)，人類是通過5種熟知的感官（視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺）接收外界信息的。這些信息通過神經(jīng)傳遞給大腦，大腦對這些分散的信息進(jìn)行加工、綜合后發(fā)出行為指令，調(diào)動肌體（如手、足等）執(zhí)行某些動作。2.移動機(jī)器人代替人類勞動，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)今的計(jì)算機(jī)與大腦相當(dāng)，移動機(jī)器人的機(jī)構(gòu)本體（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）與肌體相當(dāng)，移動機(jī)器人的各種外部傳感器與五官相當(dāng)。也就是說，計(jì)算機(jī)是人類大腦或智力的外延，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是人類肌體的外延，傳感器是人類五官的外延。移動機(jī)器人要獲得環(huán)境的信息，同人類一樣需要通過感覺器官得到信息。03傳感器及其分類傳感器處于連接外界環(huán)境與移動機(jī)器人的接口位置，是移動機(jī)器人獲取信息的窗口。自主導(dǎo)航的移動機(jī)器人需要一些固定式機(jī)器人不需要的特殊傳感器。從安全方面考慮，非常有必要為移動機(jī)器人配備多個傳感器，例如，使移動機(jī)器人避免碰撞或利用傳感器反饋的信息進(jìn)行導(dǎo)航、定位及尋找目標(biāo)等多種不同的傳感器，即接觸式觸覺傳感器、接近覺傳感器、局部及整體位置傳感器、水平傳感器、視覺傳感器等。人類具有5種感覺，即視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺，而移動機(jī)器人是通過傳感器得到這些感覺信息的。03傳感器及其分類移動機(jī)器人需要的最重要、也是最困難的傳感器之一是定位傳感器。局部和整體位置信息往往是都需要的，這種信息的準(zhǔn)確度對確定移動機(jī)器人的控制策略是很重要的，因?yàn)橐苿訖C(jī)器人作業(yè)的成功率和準(zhǔn)確度與其定位的成功率和準(zhǔn)確度直接相關(guān)。在室外環(huán)境，移動機(jī)器人可利用GPS或一些組合慣導(dǎo)進(jìn)行定位。在室內(nèi)，移動機(jī)器人可利用內(nèi)部編碼器、陀螺儀或慣性測量單元等傳感器通過航位推算法進(jìn)行定位。這些傳感器對短距離的定位可提供準(zhǔn)確信息，而由于輪子打滑及其他因素，對長距離的定位可能造成大的累積誤差。03傳感器及其分類移動機(jī)器人傳感器一般可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。1.內(nèi)部傳感器用來確定移動機(jī)器人在其自身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置，如用來測量位移、速度、加速度和應(yīng)力的通用型傳感器。2.外部傳感器則用于移動機(jī)器人本身相對其周圍環(huán)境的定位。外部傳感器負(fù)責(zé)檢測諸如距離、接近程度和接觸程度之類的變量，便于引導(dǎo)移動機(jī)器人及識別和處理物體，從而以柔性的方式與環(huán)境互相作用。03傳感器及其分類盡管距離傳感器和接近覺傳感器在提高移機(jī)性能方面具有重大作用，但視覺被認(rèn)為是移動機(jī)器人重要的感覺能力。視覺傳感器使移動機(jī)器人能獲取外部環(huán)境更豐富、更有用的信息，可為更高層次的移動機(jī)器人控制提供更好的適應(yīng)能力，從而提高移動機(jī)器人的智能。使用傳感器進(jìn)行感知的技術(shù)，使移動機(jī)器人在應(yīng)對環(huán)境時具有較高的智能，這是移動機(jī)器人領(lǐng)域中一項(xiàng)活躍的研究和開發(fā)課題。03內(nèi)部傳感器對移動機(jī)器人來說，內(nèi)部傳感器是用于測量移動機(jī)器人自身狀態(tài)的功能元件，并將測得的信息作為反饋信息送至控制器，形成閉環(huán)控制。內(nèi)部傳感器主要檢測移動機(jī)器人的行程、速度、傾斜角等。常用的移動機(jī)器人的內(nèi)部傳感器包括編碼器、陀螺儀及慣性測量單元等。03內(nèi)部傳感器編碼器(Encoder)是將信號或數(shù)據(jù)編制、轉(zhuǎn)換為可用于通信、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。根據(jù)位置感知原理的差異，編碼器可分為磁性編碼器和光學(xué)編碼器。磁性編碼器在設(shè)計(jì)上使用霍爾效應(yīng)傳感器(HallEffectSensor)技術(shù)，能夠在條件惡劣的環(huán)境條件中輸出可靠的數(shù)位信息回饋，具有密封穩(wěn)固、操作溫度廣泛、抗擊性高、抗震及抗污染的優(yōu)勢。1.編碼器03內(nèi)部傳感器由于其采用非接觸式的設(shè)計(jì)，可以確保編碼器長久穩(wěn)定地運(yùn)行。光學(xué)編碼器一般指光電編碼器，其使用光學(xué)辨識編碼器的位置，在解析度或精度上都優(yōu)于磁性編碼器。因此，在移動機(jī)器人編碼器的選擇上，要根據(jù)所重視的效能判斷是選擇較高精度的光學(xué)編碼器，還是選擇能夠在極端環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的磁性編碼器。1.編碼器03內(nèi)部傳感器在移動機(jī)器人的驅(qū)動輪上安裝編碼器，通過編碼器的脈沖計(jì)數(shù)和移動機(jī)器人的運(yùn)動模型來計(jì)算移動機(jī)器人行程的裝置，稱為里程計(jì)(Odometry)。里程計(jì)是移動機(jī)器人進(jìn)行相對定位的有效傳感器，可以說是許多移動機(jī)器人平臺的標(biāo)配。其主要工作原理是檢測安裝在移動機(jī)器人的輪子上的光電編碼器相對輪子在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的弧度，從而推算出移動機(jī)器人的相對運(yùn)動。由于移動機(jī)器人在二維地面上運(yùn)動，所以其位姿可以通過二維坐標(biāo)和方向角來描述，里程計(jì)運(yùn)動模型如圖。03內(nèi)部傳感器我們使用三元組艿刃來表示移動機(jī)器人的位姿，刃表示移動機(jī)器人在二維平面內(nèi)運(yùn)動時在世界坐標(biāo)系下的位置點(diǎn)，o表示移動機(jī)器人正前方與水平軸的夾角。移動機(jī)器人的位姿與環(huán)境中對象的位置構(gòu)成了SLAM所要估計(jì)的狀木、0里程計(jì)運(yùn)動模型可以分為直線型與圓弧型，考慮到移動機(jī)器人在進(jìn)行自主探索時，常常伴隨著轉(zhuǎn)動，所以針對里程計(jì)運(yùn)動模型，決定采用圓弧型，其表現(xiàn)形式如圖2．5所示。下面給出基于圓弧型的里程計(jì)運(yùn)動模型的具體形式03內(nèi)部傳感器03內(nèi)部傳感器改寫為03內(nèi)部傳感器里程計(jì)運(yùn)動模型可以表示為03內(nèi)部傳感器早期的輪式移動機(jī)器人一般采用編碼器獲得移動機(jī)器人的航向與里程信息。但是，依靠編碼器進(jìn)行航跡推測的誤差很大，尤其是用編碼器信息計(jì)算移機(jī)的航向。近年來，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，新型慣性儀表光纖陀螺儀(FiberOpticGyroscope'FOG)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動機(jī)器人導(dǎo)航控制系統(tǒng)中移動機(jī)器人航向角的測量。2.陀螺儀03內(nèi)部傳感器相比于傳統(tǒng)機(jī)電陀螺儀，光纖陀螺儀的體積小、質(zhì)量小、功耗低、壽命長，同時其可靠性高、動態(tài)范圍大、啟動快速，這使其得到大力研宄和發(fā)展。1.作為移動機(jī)器人航跡推測的主要器件之一，光纖陀螺儀性能的好壞直接影響到移動定位的精度。光纖陀螺儀的主要性能指標(biāo)有零偏、標(biāo)度因素、零漂和隨機(jī)游走系數(shù)。2.其中零偏是輸入角速度為零（即陀螺靜止）時光纖陀螺儀的輸出量，用規(guī)定時間內(nèi)輸出量的平均值對應(yīng)的等效輸入角速度表示，在理想情況下為自轉(zhuǎn)角速度的分量。3.標(biāo)度因素是光纖陀螺儀的輸出量與輸入角速度的比值，在坐標(biāo)軸上可以用某一特定的直線斜率表示，它是反映光纖陀螺儀靈敏度的指標(biāo)，其穩(wěn)定性和精確性是光纖陀螺儀的一項(xiàng)重要指標(biāo)，綜合反映了光纖陀螺儀的測試和擬合精度。4.零漂又稱零偏穩(wěn)定性，它的大小值標(biāo)志著觀測值圍繞零偏的離散程度；隨機(jī)游走系數(shù)是由白噪聲產(chǎn)生的隨時間累積的輸出誤差系數(shù)，它反映了光纖陀螺儀輸出隨機(jī)噪聲的強(qiáng)度。03內(nèi)部傳感器作為機(jī)器人的一個重要分支，移動機(jī)器人強(qiáng)調(diào)“移動"的特性，是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和本身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物環(huán)境中面向目標(biāo)自主運(yùn)動，從而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。相對于固定式的機(jī)器人（如機(jī)械手臂），移動機(jī)器人由于可以自主移動的特性，應(yīng)用場景更廣泛，潛在的功能更強(qiáng)大。自主式的移動機(jī)器人系統(tǒng)具有高度的自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力，適合在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作的機(jī)器人。03內(nèi)部傳感器慣性測量單元是一種電子裝置，它使用一個或多個加速度計(jì)、陀螺儀的組合測量物體的加速度和角速度。加速度計(jì)檢測物體在獨(dú)立三軸載體坐標(biāo)系的加速度信號，陀螺儀通過檢測載體相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號，從而測量物體在三維空間中的加速度和角速度，并以此計(jì)算出物體的姿態(tài)。3.慣性測量單元03內(nèi)部傳感器典型的慣性測量單元的配置包括三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，有些還包括三軸磁力計(jì)，以此可檢測到物體的俯仰角、橫滾角和偏航角，慣性測量單元的工作原理如圖。通常，采用原始的慣性測量單元測量計(jì)算姿態(tài)、角速度、線速度和相對于全局參考坐標(biāo)系位置的系統(tǒng)，稱為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(InertialNavigationsystem,(S),簡稱慣導(dǎo)。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，慣性測量單元匯報(bào)的數(shù)據(jù)被輸入處理器，處理器通過算法計(jì)算出姿態(tài)、速度和位置。俯仰角03外部傳感器外部傳感器是移動機(jī)器人與周圍交互工作的信息通道，主要有定位、視覺、接近覺、距離傳感器等，用于獲得有關(guān)移動機(jī)器人自身、作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息。利用外部傳感器使得移動機(jī)器人對環(huán)境具有自適應(yīng)和自校正能力。目前，在移動機(jī)器人中，常用的外部傳感器包括GPS、聲吶、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)及視覺傳感器等。外部傳感器03外部傳感器全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GlobalNavigationsatellitesystem,GNSS）是能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時間等觀測量和用戶鐘差，為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。目前全球己建成的GNSS有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)、歐盟的GALILEO和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。以下對目前最常用的GPS做詳細(xì)介紹。1.GPS03外部傳感器全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國國防部研制和維護(hù)的中距離圓形軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由美國政府于四70年開始研制，并于1994年全面建成。使用者只需擁有GPS接收機(jī)即可使用該服務(wù)，無須另外付費(fèi)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98％）提供準(zhǔn)確的定位、測速和高精度的標(biāo)準(zhǔn)時間。GPS可滿足位于全球地面任何一處或近地空間的軍事用戶連續(xù)且精確地確定三維位置、三維運(yùn)動和時間的需求。03外部傳感器在移動機(jī)器人的應(yīng)用研究中，聲吶(Sonar)由于其價格便宜、操作簡單、任何光照條件下都可以使用等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為移動機(jī)器人上的標(biāo)推配置。聲吶是一種距離傳感器，可以獲得某個方向上障礙物與移動機(jī)器人間的距離。2.聲吶03外部傳感器聲音導(dǎo)航與測距（soundNavigationandRanging)是一種利用聲波在空氣和水下的傳播特性，通過電聲轉(zhuǎn)換和信息處理，完成目標(biāo)探測和通信任務(wù)的電子設(shè)備。由于其一般采用超聲波，因此也稱為超聲測距傳感器。聲吶在發(fā)送信息與接收信息時，探測到的障礙物與移動機(jī)器人之間的距離是通過飛行時間(TimeOfFlight,TOF)方法獲得的。03外部傳感器工作原理是：由換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號發(fā)射一列聲波（一般為超聲波），聲波遇到障礙物反射后被換能器接收，換能器將其變成電信號并可顯示在顯示器上。聲吶的工作原理圖如圖。03外部傳感器激光雷達(dá)是移動機(jī)器人常用的外部傳感器之一它發(fā)射一圈的激光束之后就能掃描完。以移動機(jī)器人為圓心的周圍環(huán)境信息，相比于相機(jī)它具有快速識別物體位置信息、探測距離更遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。所以針對大場景環(huán)境，一般采用激光雷達(dá)作為移動機(jī)器人的外部傳感器。3.激光雷達(dá)03外部傳感器激光雷達(dá)主要分為單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)。單線激光雷達(dá)，顧名思義，即只發(fā)射和接收一道激光，放置于空間中可以理解為激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一圈只能得到激光雷達(dá)所在平面的物體到激光雷達(dá)的距離。多線激光雷達(dá)則每次發(fā)射和接收多道激光，在空間中掃描一圈可以得到立體空間中很多物體到激光雷達(dá)的距離。03外部傳感器激光雷達(dá)的測距原理主要可以分為兩類：一是三角測距，二是TOF測距。三角測距的激光雷達(dá)由一個激光發(fā)射裝置和相機(jī)組成，激光發(fā)射裝置將激光發(fā)射出去，遇到障礙物后便將激光反射回來，當(dāng)安裝在另一頭的相機(jī)接收到反射的激光后就能夠計(jì)算出該物體的距離信息。C03外部傳感器解上述方程組可以得到式中，d就是A點(diǎn)到移動機(jī)器人的距離03外部傳感器TOF是通過記錄激光在空中的飛行時間來測距的。圖為TOF測距原理示意圖，激光發(fā)射器發(fā)射一束激光到空間障礙物，計(jì)時器記錄下此時的發(fā)射時刻，接收器接收到反射回來的激光的同時，計(jì)時器記錄下此時的接收時刻，兩數(shù)之差就是激光的飛行時間，由于光速是固定的（約3×108s），所以，用時間乘以光速再除以2就能算出物體的距離信息,即s=vt/2。三角測距的測量精度與基線長度成正比，而與物體距離的大小成反比，所以它一般適用于室內(nèi)近距離的測量環(huán)境，而對于室外遠(yuǎn)距離物體的測量精度比較低。TOF測距和三角測距正好相反，因?yàn)樗臏y量結(jié)果是光速與時間相乘得到的，距離越近時激光的飛行時間越短，對這個時間的捕捉就越困難，這便造成了近距離測量的誤差，所以它常用于室外測距。03外部傳感器視覺傳感器是指通過對攝像機(jī)拍攝到的圖像進(jìn)行圖像處理，計(jì)算目標(biāo)物體的特征量（如面積、重心、長度、位置等），并輸出數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果的傳感器。視覺傳感器使用攝像機(jī)捕捉的圖像確定目標(biāo)的存在、方向和精度。不同于圖像檢測系統(tǒng)，它的攝像機(jī)、燈光和控制器都包含在“個單元中，單元的構(gòu)造和操作簡單。它的主要功能是獲取足夠的機(jī)器