機(jī)器人感知智能 課件 第4章 機(jī)器人接近覺(jué)感知

機(jī)器人感知智能第四章機(jī)器人接近覺(jué)感知4.1機(jī)器人接近覺(jué)感知的介紹4.1.1接近覺(jué)感知的定義及功能隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的發(fā)展逐漸呈現(xiàn)智能化，這要求覆蓋在機(jī)器人表面的大面積、多功能傳感系統(tǒng)能夠完美地實(shí)現(xiàn)交互過(guò)程中各類(lèi)信息的量化。在日常生活中，接近覺(jué)感知傳感器最常見(jiàn)的使用場(chǎng)景就是各個(gè)場(chǎng)所的自動(dòng)感應(yīng)裝置。圖4.1日常生活中接近覺(jué)感知傳感器的常見(jiàn)使用場(chǎng)景常見(jiàn)的接近覺(jué)感知傳感器光電式接近覺(jué)感知傳感器光電式接近覺(jué)感知傳感器種類(lèi)多、用途廣，能檢測(cè)直徑小至1mm或距離大至幾米的目標(biāo)，有測(cè)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量點(diǎn)小、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。電容式接近覺(jué)感知傳感器電容式接近覺(jué)感知傳感器可以檢測(cè)粉末、顆粒、液體和固體形式的金屬和非金屬目標(biāo)。電感式接近覺(jué)感知傳感器電感式接近覺(jué)感知傳感器由四個(gè)主要部分組成：帶線(xiàn)圈的鐵氧體磁芯，一個(gè)振蕩器，一個(gè)施密特觸發(fā)器和一個(gè)輸出放大器。超聲波式接近覺(jué)感知傳感器超聲波接近覺(jué)感知傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，超聲波在碰到雜質(zhì)或者是處于分界面的時(shí)候能產(chǎn)生顯著的反射形成回波，當(dāng)碰到運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。4.1機(jī)器人接近覺(jué)感知的介紹4.1.2接近覺(jué)感知傳感器的發(fā)展自1916年法國(guó)朗之萬(wàn)發(fā)明了世界上第一部超聲波傳感器到現(xiàn)在，超聲波傳感器己經(jīng)完成從簡(jiǎn)單的借助回聲定位到能夠分析處理復(fù)雜信號(hào)的轉(zhuǎn)變，其測(cè)量精度和可靠性都非常的高。超聲波傳感器自身的缺陷，如：鏡面反射、有限的波束角

交叉相關(guān)聯(lián)和正弦發(fā)生器技術(shù)應(yīng)用在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，將超聲測(cè)距系統(tǒng)的分辨率進(jìn)一步的提高，將超聲波測(cè)距技術(shù)繼續(xù)向前推進(jìn)。圖4.12超聲系統(tǒng)裝置的示意圖4.1機(jī)器人接近覺(jué)感知的介紹4.1.2接近覺(jué)感知傳感器的發(fā)展在實(shí)際應(yīng)用中，電容式接近覺(jué)感知傳感器具有對(duì)光線(xiàn)、噪音、待測(cè)物的顏色、表面紋理等不敏感、檢測(cè)范圍較大等優(yōu)點(diǎn)，這使得電容式接近覺(jué)感知傳感器機(jī)器人的實(shí)際操作場(chǎng)景下具有極大的穩(wěn)定性。單一性能的傳感器不能滿(mǎn)足高性能機(jī)器人的需求，兼?zhèn)溆|覺(jué)和接近覺(jué)感知能力的電容-電感雙模式接近覺(jué)感知傳感器應(yīng)運(yùn)而生圖4.13兼具觸覺(jué)與接近覺(jué)感知的傳感器4.1機(jī)器人接近覺(jué)感知的介紹4.1.2接近覺(jué)感知傳感器的發(fā)展隨著制作工藝的提高，現(xiàn)有工藝可以滿(mǎn)足更精細(xì)的加工需求。因此，采用MEMS工藝制作加工的垂直結(jié)構(gòu)的雙模式電容電感接近式傳感器逐漸被使用。為了讓具備電容式接近傳感器的服務(wù)型機(jī)器人安全完成與人交互的任務(wù)，需要提高傳感器的柔性。柔性的器件能夠在發(fā)生碰撞時(shí)，產(chǎn)生減震緩沖，提高安全性，還能夠在曲面、被拉伸等苛刻環(huán)境中正常工作。圖4.14垂直結(jié)構(gòu)的電容圖4.15絲網(wǎng)印刷多功能傳感器4.1機(jī)器人接近覺(jué)感知的介紹4.1.3接近覺(jué)感知傳感器的現(xiàn)狀在過(guò)去的幾十年里，接近覺(jué)感知傳感器的發(fā)展并不如力覺(jué)傳感器、視覺(jué)傳感器樂(lè)觀(guān)，除了發(fā)展緩慢外，目前還存在一些有待于解決的問(wèn)題，如光電式容易受到對(duì)象物顏色、粗糙度和環(huán)境亮度的限制。我國(guó)開(kāi)展機(jī)器人接近覺(jué)感知傳感器的研究時(shí)間并不長(zhǎng)，在研究水平上與國(guó)外相比，還有一段差距。因此，我國(guó)接近覺(jué)傳感器重點(diǎn)應(yīng)放在提高現(xiàn)有傳感器的性能穩(wěn)定性、可靠性上，并將成本降低到可接受的程度。在此基礎(chǔ)上，要進(jìn)一步提高傳感器的其他性能，如探測(cè)精度等，并進(jìn)一步增加傳感器的功能。在今后的兩到三年內(nèi)，隨著人工智能機(jī)器人的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)于接近覺(jué)感知傳感器的需求將達(dá)到一個(gè)新的高度。4.1機(jī)器人接近覺(jué)感知的介紹4.2.1概述和系統(tǒng)組成接近覺(jué)感知傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)接觸，而由于所有的物質(zhì)都會(huì)在溫度的作用下將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波向外輻射能量。所以為了實(shí)現(xiàn)電磁波的無(wú)接觸測(cè)量，紅外檢測(cè)傳感器應(yīng)運(yùn)而生。紅外檢測(cè)技術(shù)借助紅外線(xiàn)對(duì)溫度的敏感性，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物無(wú)接觸檢測(cè)，成為接近覺(jué)傳感器的重要分類(lèi)，被廣泛應(yīng)用于距離測(cè)試、溫度測(cè)試、氣體檢測(cè)、生物監(jiān)測(cè)等方面。4.2紅外傳感器4.2.1概述和系統(tǒng)組成普朗克定律說(shuō)明溫度、能量和波長(zhǎng)三者之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，紅外總能量與溫度呈正相關(guān)，峰值波長(zhǎng)與溫度呈負(fù)相關(guān)。它給出輻射場(chǎng)能量密度按頻率的分布，式中T是熱力學(xué)溫度,k是玻耳茲曼常數(shù)。普朗克公式在高頻范圍hvkT的極限條件下，過(guò)渡到維恩公式4.2紅外傳感器4.2.1概述和系統(tǒng)組成在現(xiàn)代社會(huì)中，遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的檢測(cè)是發(fā)展熱點(diǎn)輻射計(jì)：主要用于檢測(cè)微波輻射和光譜測(cè)量。微波輻射檢測(cè)通常用于雷達(dá)和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，而光譜測(cè)量則常用于化學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。搜索和跟蹤系統(tǒng)：主要用于跟蹤目標(biāo)并確定其位置，能夠持續(xù)跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。熱成像系統(tǒng)：主要用于獲取目標(biāo)物紅外輻射的分布圖像。這種傳感器能夠在夜間或低光照條件下檢測(cè)目標(biāo)物體表面的溫度分布。紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)：主要用于無(wú)接觸測(cè)距和實(shí)時(shí)通信。這種傳感器可以通過(guò)紅外輻射來(lái)測(cè)量距離，并能夠?qū)崿F(xiàn)短距離通信?；旌舷到y(tǒng)：這種傳感器結(jié)合了多種不同的傳感器技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜和精確的檢測(cè)任務(wù)。圖4.16紅外檢測(cè)傳感器4.2紅外傳感器4.2.2傳感器原理1.檢測(cè)基本原理紅外光作為太陽(yáng)光譜的一部分其具有光熱效應(yīng)和輻射能量，相比于其他的光譜范圍，由于大氣無(wú)法吸收固定波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)，所以物體的紅外輻射能量產(chǎn)生的損耗小。所有的物體包括冰在內(nèi)，均具有輻射能量，當(dāng)紅外光穿過(guò)介質(zhì)時(shí)光能量會(huì)產(chǎn)生衰減，其中由于金屬的固有材料損耗，使得其傳播衰減很大，在液體中也存在對(duì)紅外輻射吸收較大的情況。不同介質(zhì)對(duì)紅外輻射的吸收程度不同，而在外界環(huán)境中，大氣層也對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光產(chǎn)生不同的吸收帶。在現(xiàn)實(shí)生活中的任何物體，只要其溫度在絕對(duì)零度以上，都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射，區(qū)別在于輻射的強(qiáng)度以及輻射的方式，這與介質(zhì)和物體表面的粗糙程度有關(guān)。4.2紅外傳感器4.2.2傳感器原理2.紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器本質(zhì)上就是指將不同的光熱效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的裝置，是整個(gè)紅外測(cè)試系統(tǒng)的核心，其余為輔助電路。紅外探測(cè)器按照檢測(cè)機(jī)理可分為光電探測(cè)器和熱電探測(cè)器。光電探測(cè)器主要利用的是光電效應(yīng)和光電磁效應(yīng)熱電探測(cè)器主要利用的是熱輻射效應(yīng)，探測(cè)敏感元件將輻射轉(zhuǎn)化為熱能，表現(xiàn)為溫度升高，探測(cè)器將其轉(zhuǎn)化為可處理的信號(hào)（大部分為電信號(hào)）。4.2紅外傳感器4.2.3功能與目前研究實(shí)現(xiàn)1.溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)在生產(chǎn)生活中具有十分重要的作用，從大型設(shè)備保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)到農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)以及人類(lèi)生活的適宜程度都與溫度息息相關(guān)。國(guó)外衛(wèi)星熱紅外傳感器國(guó)內(nèi)衛(wèi)星熱紅外傳感器圖4.17

AVHRR

傳感器4.2紅外傳感器4.2.3功能與目前研究實(shí)現(xiàn)2.故障檢測(cè)紅外無(wú)損缺陷檢測(cè)是利用紅外輻射對(duì)材料的透過(guò)、反射、散射特性進(jìn)行缺陷檢測(cè)的一種方法。其機(jī)理是利用紅外輻射在材料表面與內(nèi)部缺陷之間的不同反射和透過(guò)特性來(lái)檢測(cè)缺陷的存在和位置。當(dāng)紅外輻射照射到材料表面時(shí)，會(huì)紅外輻射在材料表面和內(nèi)部缺陷之間發(fā)生反射、透射和散射。通過(guò)檢測(cè)這些反射、透射和散射的紅外輻射，可以判斷材料內(nèi)部的缺陷情況，例如裂紋、氣泡、缺陷等。圖4.18卷?yè)P(yáng)機(jī)的可見(jiàn)光圖與紅外熱像圖4.2紅外傳感器4.2.3功能與目前研究實(shí)現(xiàn)圖4.19兩種紅外無(wú)損檢測(cè)方法4.2紅外傳感器2.故障檢測(cè)有源紅外檢測(cè)法又稱(chēng)主動(dòng)紅外檢測(cè)其存在外部熱源，通過(guò)外部熱源向待測(cè)物體發(fā)射能量，待測(cè)物體中原本的熱平衡被打破，出現(xiàn)熱流的變化，而在經(jīng)過(guò)內(nèi)部缺陷時(shí)，這種熱流的變化會(huì)出現(xiàn)異常，表面溫度分布區(qū)發(fā)生變化。4.2.3功能與目前研究實(shí)現(xiàn)圖4.19兩種紅外無(wú)損檢測(cè)方法4.2紅外傳感器2.故障檢測(cè)無(wú)源紅外檢測(cè)法不附加熱源對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行能量注入，僅僅依靠物體本身中的熱流動(dòng)異常進(jìn)行檢測(cè)。紅外檢測(cè)方法最早應(yīng)用在大型儀器設(shè)備的電力行業(yè)中，近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，開(kāi)始廣泛應(yīng)用于其他行業(yè)例如建筑業(yè)、軋鋼、冶煉等等。4.2.3功能與目前研究實(shí)現(xiàn)3.氣體檢測(cè)紅外成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)危險(xiǎn)氣體的遠(yuǎn)距離非接觸探測(cè)，具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、檢測(cè)范圍大等優(yōu)點(diǎn)且成像動(dòng)態(tài)直觀(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)危險(xiǎn)氣體泄漏的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，故被廣泛應(yīng)用于氣體儲(chǔ)運(yùn)、油礦開(kāi)采、工業(yè)制造等領(lǐng)域。紅外檢測(cè)傳感器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸氣體檢測(cè)，其中一種方式是利用紅外吸收光譜技術(shù)。其具體實(shí)現(xiàn)方式如下：發(fā)射紅外輻射：將發(fā)射器發(fā)出的紅外輻射照射到被測(cè)氣體中。氣體吸收紅外輻射：被測(cè)氣體中的分子會(huì)吸收部分紅外輻射，吸收量與氣體濃度成正比。接收紅外輻射：利用接收器接收被測(cè)氣體吸收后的紅外輻射。分析處理：分析接收到的紅外輻射，計(jì)算出被測(cè)氣體的濃度。4.2紅外傳感器4.2.3功能與目前研究實(shí)現(xiàn)3.氣體檢測(cè)這種無(wú)接觸氣體檢測(cè)方式具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：非接觸式測(cè)量，避免了接觸式測(cè)量可能帶來(lái)的污染和損傷等問(wèn)題。可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)氣體的濃度變化。精度高，可以檢測(cè)到非常小的氣體濃度變化。圖4.20非分光型紅外氣體傳感器檢測(cè)原理示意圖4.2紅外傳感器4.2.3功能與目前研究實(shí)現(xiàn)3.氣體檢測(cè)AdilShah等人提出一種NDIR甲烷氣體傳感器。該傳感器被應(yīng)用于向大氣中排放甲烷氣體的測(cè)試點(diǎn)。2019年，意大利的VincenzoSpagnolo和山西大學(xué)的董磊課題組開(kāi)發(fā)了一種多通道石英光聲光譜傳感器，可同時(shí)檢測(cè)近紅外和中紅外波段。光腔衰蕩光譜（CRDS）技術(shù)是一種基于光腔衰蕩現(xiàn)象的紅外傳感器技術(shù)，用于氣體檢測(cè)。圖4.21NIDR傳感器及無(wú)人機(jī)系統(tǒng)圖4.22多氣體QEPAS傳感器圖4.23基于CRDS原理的氣體傳感器的檢測(cè)原理4.2紅外傳感器4.2.3功能與目前研究實(shí)現(xiàn)4.生物監(jiān)測(cè)人體動(dòng)作識(shí)別指的是對(duì)目標(biāo)的動(dòng)作方式進(jìn)行識(shí)別。從人體散發(fā)的紅外熱輻射信號(hào)上尋找與人體運(yùn)動(dòng)和位置相關(guān)的隱含信息的方法被提出?；赑assiveInfrared（PIR）傳感器的室內(nèi)定位PIR（被動(dòng)式紅外檢測(cè)技術(shù)”或“熱釋電傳感器技術(shù)）是指通過(guò)感應(yīng)人體的紅外輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)人體檢測(cè)和控制的技術(shù)。PIR傳感器可以感應(yīng)靜態(tài)或移動(dòng)的熱源，例如人體、動(dòng)物、車(chē)輛等，通過(guò)檢測(cè)其輻射的紅外能量來(lái)判斷其是否存在。基于PIR傳感器的室內(nèi)人體動(dòng)作識(shí)別PIR傳感器除了能檢測(cè)到某區(qū)域的人體目標(biāo)，還可以發(fā)現(xiàn)人體在檢測(cè)區(qū)域中的運(yùn)動(dòng)特征信息，包括動(dòng)作頻率、幅度和姿態(tài)等多種信息。4.2紅外傳感器4.3.1概述和系統(tǒng)組成微波是一種電磁波，具有易于集聚成束、高度定向性以及直線(xiàn)傳播的特性，可用來(lái)在無(wú)阻擋的視線(xiàn)自由空間傳輸高頻信號(hào)。微波作為一種電磁波具有波粒二象性。微波相對(duì)于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波具有下列特點(diǎn)：①定向輻射的裝置容易制造；②碰到各種障礙物易于反射；③繞射能力較差；④傳輸特性良好，傳輸過(guò)程中受煙、灰塵、強(qiáng)光等的影響很?。虎萁橘|(zhì)對(duì)微波的吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成正比例、水對(duì)微波的吸收作用最強(qiáng)。4.3微波傳感器4.3.2微波特點(diǎn)微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。從電子學(xué)和物理學(xué)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，微波這段電磁頻譜具有不同于其他波段的重要特點(diǎn)：穿透性微波比其他用于輻射加熱的電磁波，如紅外線(xiàn)、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)等波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因此具有更好的穿透性。選擇性加熱物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來(lái)決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對(duì)微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。熱慣性小微波對(duì)介質(zhì)材料是瞬時(shí)加熱升溫，升溫速度快，消耗能量低。似光性微波波長(zhǎng)很短，比地球上的一般物體（如飛機(jī)，艦船，汽車(chē)建筑物等）尺寸相對(duì)要小得多，或在同一量級(jí)上。使得微波的特點(diǎn)與幾何光學(xué)相似，即所謂的似光性。4.3微波傳感器4.3.3微波傳感器原理1.微波傳感器原理與分類(lèi)微波傳感器是利用微波特性來(lái)檢測(cè)某些物理量，如物體的存在、運(yùn)動(dòng)速度、距離、濃度等信息。反射式：發(fā)生天線(xiàn)和接收天線(xiàn)位于檢測(cè)物體的同一側(cè)，反射式微波傳感器通過(guò)檢測(cè)微波信號(hào)從發(fā)出到接收到的時(shí)間間隔或者相位偏移來(lái)檢測(cè)被測(cè)物體的位置、厚度和位移等參數(shù)。遮斷式：發(fā)射天線(xiàn)和接受天線(xiàn)位于檢測(cè)物體的兩邊，間斷式微波傳感器通過(guò)接收天線(xiàn)接收到的微波信號(hào)功率的大小，判斷發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)之間是否有被測(cè)物體、被測(cè)物體的厚度和位置等參數(shù)信息。圖4.25西門(mén)子微波物位計(jì)圖4.26西門(mén)子智能雷達(dá)物位計(jì)工作原理:由微波發(fā)射器定向發(fā)出微波信號(hào)，遇到被測(cè)物體時(shí)，微波信號(hào)部分被檢測(cè)物體吸收，部分則被反射，使微波功率發(fā)生變化。4.3微波傳感器4.3.3微波傳感器原理2.微波傳感器組成與特點(diǎn)微波傳感器通常由微波振蕩器（微波發(fā)射器）、微波天線(xiàn)及微波檢測(cè)器三部分組成。微波振蕩器和微波天線(xiàn)是微波傳感器的重要組成部分。微波振蕩器是一種產(chǎn)生微波的裝置。微波檢測(cè)器：電磁波作為空間的微小電場(chǎng)變動(dòng)而傳播，所以使用電流-電壓特性呈現(xiàn)非線(xiàn)性的電子元件作為探測(cè)它的敏感探頭，敏感探頭在其工作頻率范圍內(nèi)必須有足夠快的響應(yīng)速度。作為非線(xiàn)性的電子元件，在幾兆赫茲以下的頻率通常可用半導(dǎo)體PN結(jié)，而對(duì)于頻率比較高的可使用肖特基結(jié)。圖4.27常用的微波天線(xiàn)4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見(jiàn)應(yīng)用1.微波測(cè)距利用接收天線(xiàn)接收被測(cè)物反射回來(lái)的微波信號(hào)，檢測(cè)其電磁參數(shù)，再由測(cè)量電路處理，就實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè)。將微波發(fā)射器和微波接收器架設(shè)在相距為d的位置，當(dāng)發(fā)射器發(fā)出移動(dòng)功率的微波信號(hào)，該微波信號(hào)到接收器將有一部分功率損耗，微波接收天線(xiàn)接收到的微波功率大小即可換算出待測(cè)面和微波發(fā)射器的距離h，從而實(shí)現(xiàn)了微波測(cè)距。圖4.28微波測(cè)距原理4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見(jiàn)應(yīng)用1.微波測(cè)距雷達(dá)是微波最早的應(yīng)用之一。多普勒和干涉測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)通常，多普勒雷達(dá)發(fā)出頻率為f_t的單音無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。當(dāng)擊中一個(gè)物體時(shí)，根據(jù)物體移動(dòng)時(shí)的多普勒效應(yīng)，相關(guān)的返回信號(hào)頻率從發(fā)射頻率偏移。調(diào)頻連續(xù)波系統(tǒng)FMCW雷達(dá)能夠確定系統(tǒng)與目標(biāo)之間的絕對(duì)距離。發(fā)射信號(hào)的各種調(diào)制是可能的，發(fā)射頻率能夠作為正弦波、鋸齒波、三角波或方波向上和向下倒轉(zhuǎn)。圖4.29用于位移監(jiān)測(cè)的干涉測(cè)量操作圖4.30FMCW操作用于距離檢測(cè)4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見(jiàn)應(yīng)用1.微波測(cè)距德國(guó)羅伯特-博世公司于2013年推出中程雷達(dá)，自2016年以來(lái)，該公司已向市場(chǎng)交付了超過(guò)1000萬(wàn)部毫米波雷達(dá)。德國(guó)大陸集團(tuán)是全球最大的汽車(chē)零部件供應(yīng)商之一。大陸集團(tuán)的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品涵蓋24GHz和77GHz，以77GHz產(chǎn)品為主。森斯泰克是國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)從事毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)智能傳感器產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售的高新技術(shù)企業(yè)。圖4.31博世遠(yuǎn)程雷達(dá)傳感器：LRR4圖4.32德國(guó)大陸ARS411長(zhǎng)距離毫米波雷達(dá)圖4.33STA79-2近程雷達(dá)4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見(jiàn)應(yīng)用1.微波測(cè)距德國(guó)ADC公司依據(jù)脈沖測(cè)距法制造出ASR1100毫米波雷達(dá)，NISSAN，F(xiàn)ord和Mercedes-Benz等汽車(chē)品牌公司積極研制了汽車(chē)主動(dòng)避撞系統(tǒng)VCAS(VehicleCollisionAvoidanceSystem)和自適應(yīng)巡航系統(tǒng)ACC(AdaptiveCruiseControl)。圖4.34使用微波雷達(dá)對(duì)人行天橋及其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行成像4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見(jiàn)應(yīng)用2.微波液位計(jì)液位是各種工業(yè)過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)。液位測(cè)量方法很多，如：差壓式、浮力式、磁翻轉(zhuǎn)式、磁致伸縮式、射頻電容式、超聲波式等。微波液位計(jì)可分為天線(xiàn)式微波液位計(jì)和導(dǎo)波式微波液位計(jì)。通過(guò)天線(xiàn)來(lái)發(fā)射微波并接收回波，為非接觸式測(cè)量，也稱(chēng)自由空間雷達(dá)(FreeSpaceRadar)，是微波液位計(jì)的主要形式。圖4.35雷達(dá)液位計(jì)4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見(jiàn)應(yīng)用3.微波探測(cè)儀微波探測(cè)儀會(huì)持續(xù)發(fā)射微波，并接收反射回的微波信號(hào)，根據(jù)時(shí)間差就可以求出物體的運(yùn)動(dòng)速度與位移。當(dāng)探測(cè)區(qū)內(nèi)的目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，原發(fā)射信號(hào)與反射的信號(hào)之間會(huì)有頻率差異，即觸發(fā)報(bào)警，通常稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。圖4.36微波探測(cè)儀4.3微波傳感器4.3.4微波傳感器的常見(jiàn)應(yīng)用4.微波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，現(xiàn)在微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在大多數(shù)復(fù)合材料和非金屬內(nèi)部的缺陷檢測(cè)和和各種非電量測(cè)量等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。微波無(wú)損檢測(cè)主要有穿透法、反射法、干涉法、散射法、全息法以及CT法等。穿透法：將發(fā)射和接收天線(xiàn)分別放在試件的兩邊，通過(guò)檢測(cè)接收的微波波束相位或幅值的變化，可得到被檢測(cè)量的情況。反射法：發(fā)射法是指利用被檢試件表面和內(nèi)部所反射的微波對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)的方法。散射法：散射法是通過(guò)測(cè)試回波強(qiáng)度變化來(lái)確定散射特性。微波全息技術(shù)：微波干涉法與光導(dǎo)全息照相技術(shù)結(jié)合可以形成微波全息技術(shù)。圖4.37微波檢測(cè)缺陷示意圖4.3微波傳感器4.4.1概述和系統(tǒng)組成1.概述激光技術(shù)的研究可以追溯到20世紀(jì)初，經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，激光傳感技術(shù)進(jìn)展飛速，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合，形成新的交叉學(xué)科，如光電子學(xué)、信息光學(xué)、激光光譜學(xué)、非線(xiàn)性光學(xué)、超快激光學(xué)、量子光學(xué)、光纖光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、激光醫(yī)學(xué)、激光生物學(xué)、激光化學(xué)等。激光與普通光源相比具有以下特性：①相干性好；②方向性強(qiáng)；③單色性好。4.4激光傳感器4.4.1概述和系統(tǒng)組成2.系統(tǒng)組成激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，具有接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。（1）激光器作為產(chǎn)生激光的裝置，是激光傳感器的核心部件，最基本的組成是泵浦源、諧振腔和激光工作介質(zhì)。（2）激光檢測(cè)器是利用激光掃描檢測(cè)原理而研制的設(shè)備，它主要由光學(xué)機(jī)械掃描器和掃描光學(xué)系統(tǒng)組成的激光掃描發(fā)射器，由接收光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換電子學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成的激光掃描接收器，以單片機(jī)為核心的實(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成的控制器以及半導(dǎo)體激光電源組成。（3）測(cè)量電路：一般來(lái)說(shuō)，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)化元件組成。但轉(zhuǎn)化元件輸出的電量常常難以直接進(jìn)行顯示，記錄，處理和控制。這時(shí)就需要將其進(jìn)一步變化成可直接利用的電信號(hào)，而傳感器中完成這一功能的部分稱(chēng)為測(cè)量電路。圖4.38激光器主要部件示意圖4.4激光傳感器4.4.2傳感器原理1.激光基本原理當(dāng)原子處于激發(fā)態(tài)E2時(shí)，如果有能量光子射來(lái)，在入射光子的影響下，原子會(huì)發(fā)出一個(gè)同樣的光子而躍遷到低能級(jí)E1上去，這種輻射叫做受激輻射。其中，入射光子需要滿(mǎn)足以下條件：受激輻射過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)相同狀態(tài)（頻率、相位、振動(dòng)方向及傳播方向均相同）的光子數(shù)目的幾何級(jí)數(shù)遞增，引起光放大。為解決受激輻射與受激吸收間的矛盾，保證受激輻射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，需要利用光學(xué)諧振腔來(lái)實(shí)現(xiàn)光的自激振蕩，即激光振蕩。圖4.39光學(xué)諧振腔示意圖4.4激光傳感器4.4.2傳感器原理2.傳感器工作原理

激光傳感器工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。圖4.40激光測(cè)距傳感器示意圖4.4激光傳感器4.4.3相關(guān)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀1.激光測(cè)距激光測(cè)距技術(shù)是激光應(yīng)用領(lǐng)域中最早和最成熟的技術(shù)之一，激光自誕生以來(lái)，由于它具有普通光源無(wú)法比擬的優(yōu)良的方向性、高亮度等優(yōu)點(diǎn)，很快就被用于目標(biāo)距離的探測(cè)。同時(shí)，因激光具有非接觸、測(cè)量精度高、作用距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事、民用和工業(yè)等眾多領(lǐng)域。圖4.41激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡4.4激光傳感器4.4.3相關(guān)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀1.激光測(cè)距脈沖式激光測(cè)距技術(shù)脈沖激光測(cè)距通過(guò)激光脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)距。因?yàn)榧す饷}沖時(shí)間短，所以能夠選擇瞬時(shí)功率特別高的激光器發(fā)射能量集中的脈沖激光，所以脈沖激光測(cè)距具有良好的方向性和較強(qiáng)的抗干擾能力。圖4.42脈沖式激光測(cè)距原理圖4.4激光傳感器4.4.3相關(guān)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀1.激光測(cè)距相位式激光測(cè)距技術(shù)相位激光測(cè)距同樣是目前比較常用的一種激光測(cè)距技術(shù)，原理是利用一定的調(diào)制頻率對(duì)激光進(jìn)行光強(qiáng)正弦調(diào)制，并測(cè)量調(diào)制光束在測(cè)量端和被測(cè)端之間往返一次產(chǎn)生的相位差，再根據(jù)激光的調(diào)制波長(zhǎng)換算出這一相位差所代表的距離。圖4.43相位激光測(cè)距原理圖4.4激光傳感器4.4.3相關(guān)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀1.激光測(cè)距隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光傳感器逐漸普及向工業(yè)和民用領(lǐng)域，國(guó)外的代表性企業(yè)有：美國(guó)Bushnell公司在1996年成功研制的400型LD激光測(cè)距機(jī)，測(cè)量距離可達(dá)400m，后續(xù)又研發(fā)了BUSHNELLPinSeeker1500型激光測(cè)距儀。美國(guó)圖雅得Trueyard是世界領(lǐng)先的測(cè)量系統(tǒng)與設(shè)備的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和銷(xiāo)售商。激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)品是圖雅得集團(tuán)10大重要產(chǎn)品之一，圖雅得激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡在業(yè)界以高品質(zhì)、高精度、易操作而著稱(chēng)，特別是SP600H測(cè)高測(cè)角測(cè)距三合一測(cè)距望遠(yuǎn)鏡。國(guó)內(nèi)的科研院所和高校在激光測(cè)距領(lǐng)域取得了重大的研究成果，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)也在激光測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破，并且產(chǎn)出多款性能優(yōu)秀的便攜式、小型化測(cè)距產(chǎn)品。深達(dá)威公司推出的手持激光測(cè)距儀SW-600A，其測(cè)量范圍在3m~600m，更換高倍光學(xué)鏡頭后，其量程最大可達(dá)1500m，該類(lèi)激光測(cè)距儀通常被用于電力檢修、建筑測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域。4.4激光傳感器4.4.3相關(guān)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀2.激光測(cè)振

激光多普勒測(cè)振儀是利用激光多普勒效應(yīng)對(duì)物體振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的一種測(cè)量?jī)x器，與傳統(tǒng)的加速度計(jì)等傳感器相比具有可以遠(yuǎn)距離測(cè)量，非侵入性，空間分辨率高，測(cè)量時(shí)間短，響應(yīng)頻帶寬，速度分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。其物理原理在于從運(yùn)動(dòng)物體反射回來(lái)的反射光會(huì)帶有運(yùn)動(dòng)著的物體本身的振動(dòng)特性，即多普勒頻移。激光多普勒測(cè)振原理就是基于測(cè)量從物體表面微小區(qū)域反射回的相干激光光波的多普勒頻率，進(jìn)而可以確定該測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度，公式為：4.4激光傳感器4.4.3相關(guān)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀2.激光測(cè)振基于上述光學(xué)基本理論，激光多普勒測(cè)振儀的典型光路如圖所示。激光多普勒測(cè)振儀自研發(fā)后逐漸成為傳統(tǒng)接觸式振動(dòng)傳感器的有效替代品，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。圖4.49激光多普勒測(cè)振儀測(cè)振光路圖4.4激光傳感器4.4.3相關(guān)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀2.激光測(cè)振在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用：農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)是種植者、經(jīng)銷(xiāo)商和消費(fèi)者都十分重視的一個(gè)問(wèn)題。而在水果的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和銷(xiāo)售過(guò)程中，根據(jù)質(zhì)量對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)是很重要的。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已有許多研究人員采用激光多普勒測(cè)振儀檢測(cè)水果的品質(zhì)。圖4.50基于激光多普勒測(cè)振儀的硬度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖4.4激光傳感器4.4.3相關(guān)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀2.激光測(cè)振在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用：結(jié)構(gòu)健康和施工安全是土木工程中的重要問(wèn)題，與人民的安全密切相關(guān)，更換基礎(chǔ)設(shè)施或部分結(jié)構(gòu)是昂貴的，因此工程師們開(kāi)發(fā)了各種監(jiān)測(cè)技術(shù)，以確保這些結(jié)構(gòu)的安全和結(jié)構(gòu)完整性，并減少事故造成的經(jīng)濟(jì)和生命損失。圖4.51測(cè)量系統(tǒng)4.4激光傳感器4.4.3相關(guān)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀3.激光雷達(dá)激光雷達(dá)（Lidar）是傳統(tǒng)雷達(dá)與激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。以微波雷達(dá)原理為基礎(chǔ)，將激光束作為新的探測(cè)信號(hào)，充分發(fā)揮了激光亮度高，具有良好的方向性、單色性和相干性的特點(diǎn)，使激光雷達(dá)具備了頻率快、峰值功率高、波長(zhǎng)范圍廣、體積小等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。4.4激光傳感器圖4.52激光雷達(dá)分類(lèi)4.4.3相關(guān)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀3.激光雷達(dá)自動(dòng)駕駛方面的應(yīng)用：車(chē)輛自動(dòng)駕駛技術(shù)融合了人工智能系統(tǒng)、傳感器、汽車(chē)電子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)，是目前汽車(chē)技術(shù)革命中最為熱點(diǎn)的研究問(wèn)題，處于科技最前沿。從低端汽車(chē)到高端汽車(chē)，都配備了激光雷達(dá)，多家企業(yè)為自動(dòng)駕駛車(chē)輛開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的激光雷達(dá)系統(tǒng)。大氣檢測(cè)方面的應(yīng)用：激光雷達(dá)作為一種先進(jìn)的大氣和氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器，已經(jīng)在大氣探測(cè)和氣象監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用于大氣溫度、濕度、風(fēng)速、能見(jiàn)度、云層高度、城市上空污染物濃度等測(cè)量。4.4激光傳感器4.5.1智能化1.集成化隨著微電子工藝和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成式微型智能傳感器成為世界范圍內(nèi)熱點(diǎn)的研究課題，具有巨大的潛在價(jià)值和廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，接近覺(jué)傳感器也不例外。利用集成技術(shù)，可以在一個(gè)傳感器上，使用多種原理實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的感知，大大增強(qiáng)接近覺(jué)傳感器的精度和可靠性，并且集成化傳感器具有高信噪比、高性能和信號(hào)統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)。圖4.53TMD2636評(píng)估套件4.5機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.5.1智能化2.微功耗和無(wú)源化隨著低功耗超大規(guī)模集成電路（VLSI）設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)利用先進(jìn)電源管理技術(shù)可將微型傳感器及低功耗數(shù)字信號(hào)處理器的功耗控制到極低。微功耗使得收集周?chē)h(huán)境能量為微型傳感器及其他電子器件供電（即自供能技術(shù)）成為可能。圖4.54MT3101接近覺(jué)傳感器4.5機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.5.2網(wǎng)絡(luò)化1.人機(jī)交互

人機(jī)交互是一門(mén)研究系統(tǒng)與用戶(hù)之間的交互關(guān)系的學(xué)問(wèn)，指通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對(duì)話(huà)的技術(shù)。系統(tǒng)可以是各種各樣的機(jī)器，也可以是計(jì)算機(jī)化的系統(tǒng)和軟件。

人機(jī)交互界面通常是指用戶(hù)可見(jiàn)的部分，用戶(hù)通過(guò)人機(jī)交互界面與系統(tǒng)交流，并進(jìn)行操作。小如收音機(jī)的播放按鍵，大到飛機(jī)上的儀表板，或發(fā)電廠(chǎng)的控制室。4.5機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.5.2網(wǎng)絡(luò)化2.主動(dòng)感知（認(rèn)知機(jī)器人）

人機(jī)交互的未來(lái)是向人機(jī)共存、共生或者共融發(fā)展，隨著人工智能和硬件處理速度的進(jìn)一步發(fā)展，在今后的信息交互過(guò)程中，人類(lèi)的反應(yīng)速度可能不能夠滿(mǎn)足機(jī)器的處理要求，成為人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展的瓶頸。在此背景下，認(rèn)知機(jī)器人概念被提出，該機(jī)器人的特征之一是主動(dòng)感知，是一種通過(guò)有目的的行動(dòng)（即探索）實(shí)現(xiàn)感知的方式，目前許多機(jī)器人學(xué)研究都對(duì)主動(dòng)感知原理進(jìn)行了研究，機(jī)器學(xué)習(xí)在主動(dòng)感知任務(wù)中是必不可少的，同樣是當(dāng)今的一個(gè)研究熱門(mén)，例如物體姿態(tài)估計(jì)或場(chǎng)景識(shí)別，這些任務(wù)都是基于接近感知完成的。4.5機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.1醫(yī)療健康1.護(hù)理機(jī)器人護(hù)理機(jī)器人屬于一種特殊類(lèi)型的合作機(jī)器人，直接為接受者提供護(hù)理。因此，需要更全面的策略來(lái)確保機(jī)器人的安全性和合規(guī)性。來(lái)自中國(guó)的JialeLiang和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人觸覺(jué)皮膚與最先進(jìn)的機(jī)器人皮膚相比，建議的皮膚更便宜、更柔軟。圖4.55皮膚貼片的橫截面圖和物理圖4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的實(shí)際應(yīng)用4.6.1醫(yī)療健康1.護(hù)理機(jī)器人該皮膚的厚度為13mm，每個(gè)展開(kāi)的皮膚貼片為160mm×160mm的矩形。整個(gè)皮膚由四塊總重量為860克的貼片組成。皮膚的所有部分都由柔性材料制成，使皮膚能夠適應(yīng)不同的曲面。圖4.56護(hù)理機(jī)器人手臂上安裝了敏感皮膚原理圖4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.1醫(yī)療健康1.護(hù)理機(jī)器人在接觸和轉(zhuǎn)移階段，敏感皮膚的觸覺(jué)信息可用于檢測(cè)患者與機(jī)械臂之間的相對(duì)位置和接觸力，防止患者滑脫和機(jī)械臂故障。將敏感皮膚包裹在護(hù)理機(jī)器人的前臂上，將患者重心的理想位置設(shè)置在前臂中部。圖4.57接觸階段可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.1醫(yī)療健康1.護(hù)理機(jī)器人護(hù)理機(jī)器人的圓柱形手臂上安裝這種皮膚。每個(gè)接近覺(jué)傳感器陣列上有16個(gè)距離傳感器模塊，每個(gè)模塊的激光路徑是一個(gè)錐角為25的圓錐體。這意味著空間分辨率將隨著距離的增加而增加。相反，由于連接到曲面，傳感器的激光路徑從平行變?yōu)閺较颍⑶矣捎谳S向陣列之間的間隔，不可檢測(cè)區(qū)域隨著距離的增加而增加。圖4.58皮膚配備了接近傳感器陣列和觸覺(jué)傳感器矩陣，安裝在護(hù)理機(jī)器人的前臂上4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.1醫(yī)療健康2.人體健康監(jiān)測(cè)的接近覺(jué)技術(shù)監(jiān)測(cè)人體的生命體征對(duì)醫(yī)療保健和醫(yī)學(xué)診斷非常重要，因?yàn)樗鼈儼P(guān)于動(dòng)脈閉塞、心律失常、動(dòng)脈粥樣硬化、自主神經(jīng)系統(tǒng)病理、壓力水平和阻塞性睡眠呼吸暫停的寶貴信息。近年來(lái)，隨著大多數(shù)健身跟蹤器和智能手表提供基于光電容積脈搏波（PPG）的心率監(jiān)測(cè)（HRM）功能，用于醫(yī)療應(yīng)用的可穿戴光學(xué)傳感器獲得了發(fā)展勢(shì)頭。與傳統(tǒng)的心率監(jiān)護(hù)儀相比，光學(xué)系統(tǒng)是一體式解決方案，可以輕松集成。4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.1醫(yī)療健康2.人體健康監(jiān)測(cè)的接近覺(jué)技術(shù)SAW濾波器接近覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)：振蕩器的諧振頻率根據(jù)與胸壁的距離而變化。振蕩器的輸出被送入SAW濾波器的輸入端。如果振蕩器的輸出頻率在SAW濾波器的邊緣范圍內(nèi)，則通過(guò)SAW濾波器的信號(hào)幅度也會(huì)因呼吸和心跳而改變。圖4.59SAW濾波器的傳感系統(tǒng)框圖4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.1醫(yī)療健康2.人體健康監(jiān)測(cè)的接近覺(jué)技術(shù)鎖相環(huán)接近覺(jué)感知系統(tǒng)：將鎖相環(huán)（PLL）合成器組合在一起，以防止振蕩頻率偏離范圍，并改善信號(hào)質(zhì)量。與使用SAW濾波器的系統(tǒng)不同，傳感器振蕩器設(shè)計(jì)為電壓可控。當(dāng)傳感器振蕩器的頻率由呼吸和心跳頻率調(diào)制時(shí)，PLL電路應(yīng)用環(huán)路控制電壓，使振蕩器的頻率與參考頻率匹配，可以對(duì)其分析，以找到呼吸和心跳信。4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)圖4.61PLL接近覺(jué)感知系統(tǒng)

4.6.2工業(yè)生產(chǎn)1.工業(yè)機(jī)器人安全控制——分布式接近覺(jué)傳感器工業(yè)機(jī)械手通常與人類(lèi)工人物理隔離，并安裝在不允許人類(lèi)進(jìn)入的專(zhuān)用區(qū)域。此外，由于移動(dòng)機(jī)器人對(duì)人類(lèi)具有固有的危險(xiǎn)性，因此，每當(dāng)工人進(jìn)入機(jī)器人區(qū)域時(shí)，適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出預(yù)防性停車(chē)或顯著減速的指令?；趥鞲衅鞯臋C(jī)器人主動(dòng)控制是解決安全問(wèn)題最有前途的方法之一。其概念是使用能夠感知機(jī)器人環(huán)境變化的傳感器（外部感知傳感器，如視覺(jué)、力和接近覺(jué)傳感器）提供的信息，并相應(yīng)地動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)器人行為。4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.2工業(yè)生產(chǎn)1.工業(yè)機(jī)器人安全控制——分布式接近覺(jué)傳感器將分布式接近覺(jué)傳感器原型部署在機(jī)器人上。它使用20個(gè)關(guān)閉的紅外發(fā)光二極管（LED）傳感器（SharpGP2Y0A02YK型）作為傳感器點(diǎn)。其工作原理基于三角測(cè)量，因此輸出電壓與傳感器和障礙物之間的距離成反比。圖4.63ABBIRB140機(jī)器人4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.2工業(yè)生產(chǎn)1.工業(yè)機(jī)器人安全控制——分布式接近覺(jué)傳感器連接到ABBIRC5控制器的外部PC還通過(guò)適當(dāng)?shù)哪M驅(qū)動(dòng)器與采集板連接，模擬驅(qū)動(dòng)器以250Hz的頻率采樣信號(hào)。通過(guò)這種方式，采集的信號(hào)可以被外部控制用作輸入。實(shí)驗(yàn)確定了傳感器電壓輸出與障礙物距離之間的非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)，適用于20–80cm范圍內(nèi)的每個(gè)傳感器點(diǎn)。圖4.64實(shí)驗(yàn)硬件和軟件設(shè)置圖4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.2工業(yè)生產(chǎn)1.工業(yè)機(jī)器人安全控制——分布式接近覺(jué)傳感器通過(guò)之前描述優(yōu)化程序，20個(gè)傳感器點(diǎn)沿機(jī)器人表面分布。首先，考慮了IRB140的網(wǎng)格模型。在機(jī)器人的網(wǎng)格表面上選擇了一些在尺寸和可達(dá)性方面適合放置點(diǎn)的候選區(qū)域，并確定了每個(gè)區(qū)域上的最大允許點(diǎn)位置，總共有254個(gè)可能的點(diǎn)位置。圖4.65ABBIRB140和工人假人的三維模型4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.2工業(yè)生產(chǎn)1.工業(yè)機(jī)器人安全控制——分布式接近覺(jué)傳感器檢測(cè)概率和代價(jià)函數(shù)的值被報(bào)告為構(gòu)成分布式傳感器的點(diǎn)的數(shù)量的函數(shù)，從最小的一個(gè)點(diǎn)到最大的254個(gè)點(diǎn)。點(diǎn)的數(shù)量存在一個(gè)閾值，超過(guò)該閾值分布式傳感器檢測(cè)假人的能力不會(huì)顯著增加。圖4.66通過(guò)蒙特卡羅模擬計(jì)算的成本函數(shù)和檢測(cè)概率值，與構(gòu)成分布式接近覺(jué)傳感器的點(diǎn)的數(shù)量有關(guān)4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.2工業(yè)生產(chǎn)1.工業(yè)機(jī)器人安全控制——分布式接近覺(jué)傳感器在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人固定了一個(gè)方向參考值，主要任務(wù)是將刀尖的位置和方向（根據(jù)歐拉角φ、θ和ψ定義）保持在參考值上。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)與第一個(gè)類(lèi)似，一個(gè)人在機(jī)器人周?chē)苿?dòng)時(shí)攜帶一塊卡片作為障礙物。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，主要任務(wù)是指定工具尖端的位置和方向，這些位置和方向隨時(shí)間變化，遵循笛卡兒空間中的線(xiàn)性路徑。最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及從工業(yè)角度來(lái)看的人力資源信息領(lǐng)域的一項(xiàng)更重要的任務(wù)。ABBIRB140任務(wù)包括使用特定工具從桌子上的支架上取下螺釘，將螺釘移動(dòng)到另一張桌子上，然后讓其落入盒子中。4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.2工業(yè)生產(chǎn)1.工業(yè)機(jī)器人安全控制——分布式接近覺(jué)傳感器圖4.67第一次實(shí)驗(yàn)的快照（固定參考）圖4.68從第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中拍攝的快照?qǐng)D4.69從第三個(gè)實(shí)驗(yàn)中拍攝的快照4.6機(jī)器人接近覺(jué)感知的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)4.6.2工業(yè)生產(chǎn)2.工業(yè)機(jī)器人安全控制——電容接近檢測(cè)一些最先進(jìn)的傳感工作原理包括紅外輻射（IR）、電感和電容。每種技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，與用于測(cè)量的物理效應(yīng)有關(guān)。高性能紅外近距離傳感器，盡管它具有360度全方位傳感能力，但由于紅外傳感器依賴(lài)反射進(jìn)行測(cè)量，它在光吸收和反射表面方面存在問(wèn)題。電感式傳感器在檢測(cè)應(yīng)用中很有用，因?yàn)樗鼈兲峁┝烁呔鹊臏y(cè)量。而電容式傳感器，它提供了一種廉價(jià)、可靠和靈活的方法，可以原型化和實(shí)現(xiàn)用于人機(jī)交互的傳感器系