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49分，星期三

感知系統(tǒng)是機器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主化的必須部分。下面將介紹一下移動機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。第2頁，共21頁，2022年，5月20日，23點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）：主要測量機器人內(nèi)部系統(tǒng)，比如溫度，電機速度，電機載荷，電池電壓等。外部傳感器（外界傳感器）：主要測量外界環(huán)境，比如距離測量，聲音，光線。第3頁，共21頁，2022年，5月20日，23點49分，星期三根據(jù)傳感器的運行方式，可以分為：被動式傳感器：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。主動式傳感器：傳感器會發(fā)出探測信號。比如超聲波，紅外，激光。但是此類傳感器的反射信號會受到很多物質(zhì)的影響，從而影響準確的信號獲得。同時，信號還狠容易受到干擾，比如相鄰兩個機器人都發(fā)出超聲波，這些信號就會產(chǎn)生干擾。第4頁，共21頁，2022年，5月20日，23點49分，星期三傳感器一般有以下幾個指標：動態(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49分，星期三

動態(tài)范圍：是指傳感器能檢測的范圍。比如電流傳感器能夠測量1mA－20A的電流，那么這個傳感器的測量范圍就是10log（20/0.001)=43dB.如果傳感器的輸入超出了傳感器的測量范圍，那么傳感器就不會顯示正確的測量值了。比如超聲波傳感器對近距離的物體無法測量。第6頁，共21頁，2022年，5月20日，23點49分，星期三分辨率：分辨率是指傳感器能測量的最小差異。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，它沒法檢測出。當然越高分辨率的傳感器價格就越貴。線性度：這是一個非常重要的指標來衡量傳感器輸入和輸出的關(guān)系。頻率：是指傳感器的采樣速度。比如一個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49分，星期三常用傳感器編碼器：主要用于測量電機的旋轉(zhuǎn)角度和速度。任何用電機的地方，都可以用編碼器來作為傳感器來獲得電機的輸出。第8頁，共21頁，2022年，5月20日，23點49分，星期三絕對型編碼器第9頁，共21頁，2022年，5月20日，23點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49分，星期三

電子羅盤：可以檢測機器人與地球南北極之間的角度，從而獲得機器人的朝向。但是精度很低。而且任何磁性物體都會造成羅盤失靈，比如揚聲器。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49分，星期三陀螺儀：又分機械陀螺儀和光電陀螺儀。可以檢測絕對朝向。但是目前價格過高，只在飛機上采用。目前最好的光電陀螺儀能提供100KHz的采樣頻率，同時提供0.0001degress/hr的分辨率。但是價格也是同樣昂貴。第12頁，共21頁，2022年，5月20日，23點49分，星期三GPS系統(tǒng)：這個相比不需要太多的解釋。GPS系統(tǒng)分為標準GPS和差分GPS系統(tǒng)。標準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1m內(nèi)誤差的定位。如果再考慮相位差信號的話，最新的GPS設(shè)備能提供精確到10cm的定位坐標。

第13頁，共21頁，2022年，5月20日，23點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，然后一個積分器就開始計算發(fā)射時間。

TOF原理就是距離＝速度×時間，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。然后通過計算這個返回的時間差來確定距離。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。這就對檢測元件提出了非常高的要求。這也是激光傳感器價格居高不下的原因。第14頁，共21頁，2022年，5月20日，23點49分，星期三

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

激光傳感器：原理就是一個旋轉(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)得角度和時間差來得到不同角度得距離值。有3種檢測方式：

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

2）使用不同頻率得激光，按照一點順序，發(fā)射不同頻率得激光，通過檢測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49分，星期三

多普勒效應(yīng)傳感器：主要用于探測移動物體的速度。目前戰(zhàn)斗機上用的雷達就是基于這個原理的。主要用于躲避快速移動障埃物。第18頁，共21頁，2022年，5月20日，23點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速度為v。如果發(fā)射器在移動，則

fr=ft/(1+v/c)

如果接收器在移動，則

fr=ft(1+v/c)

通過計算多普勒頻移來得到相對速度v。

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