《智能機器人創(chuàng)新設(shè)計》 課件 第3章 機器人信息感知

第3章機器人信息感知智慧物流系統(tǒng)：從設(shè)計到實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容CONTENTS4多傳感信息融合3環(huán)境信息感知1信息感知與傳感器2自身信息感知3

章節(jié)目標(biāo)理解信息感知與傳感器的基本概念；了解信息感知相關(guān)的傳感器；掌握信息融合模型的基本類型與原理。4信息感知信息感知(InformationPerception)是指信息用戶對信息感覺和知覺的總稱，它是信息用戶吸收和利用信息的開端。1信息感知與傳感器常見機器人搭載的傳感器5機器人搭載的傳感器物流機器人搭載的傳感器是物流機器人能對外界進行感知判斷的裝置，這些裝置可以把位置、溫度、距離等非電量轉(zhuǎn)換成電量控制輸出的電子器件或設(shè)備。1信息感知與傳感器傳感器和計算機控制系統(tǒng)相互協(xié)作，通過程序來控制機器人的行動。其智能化程度與靈敏程度的高低，直接影響到物流機器人的靈活和智能化程度。對于機器人而言，不管是同外部環(huán)境進行信息交換，還是感知自身的運動情況，都必須通過傳感器來獲取相應(yīng)的信息。物流機器人(AGV)實體圖6內(nèi)部傳感器和外部傳感器機器人傳感器根據(jù)檢測對象的不同主要分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。①內(nèi)部傳感器指用來感知和檢測機器人本身運動狀態(tài)的傳感器。這類傳感器主要感知與機器人自身參數(shù)相關(guān)的內(nèi)部信息，如電壓、電流、溫度、速度、加速度以及位置等，還可以監(jiān)測機器人的角度等。②外部傳感器用以檢測機器人所處環(huán)境狀況，常用以測量機器人自身以外的物理信息，比如障礙物的位置遠(yuǎn)近、形狀顏色、距離和接觸受力等情況。常見傳感器主要有視聽覺傳感器、觸力覺傳感器、接近距離覺傳感器、嗅味覺傳感器和生物仿生傳感器等。1信息感知與傳感器72自身信息感知一、電量監(jiān)測傳感器鋰電池具有高存儲能量、壽命長、重量輕和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于移動便攜式電子設(shè)備。隨著電子設(shè)備的功能不斷完善，鋰電池需具備更長的單次充電時間以保障設(shè)備長時工作。隨著大容量電池的使用，如果設(shè)備能夠精確了解電池的電量，那不僅能夠有效地保護電池，防止過度放電，同時也能夠?qū)崟r地監(jiān)測電量、電壓和電流信息，預(yù)測用電故障和剩余時長。因此，電量計被大量引入智能電子設(shè)備中，電量信息的展現(xiàn)形式已由傳統(tǒng)的柱狀圖進化為更加精確的數(shù)字（%）或曲線圖。82自身信息感知電量監(jiān)測的方法1.直接電池電壓監(jiān)控方法

通過簡單地監(jiān)控電池的電壓來估算電池電量。盡管該方法精度較低且缺乏對電池的有效保護，但因為其簡單易行，目前被廣泛使用。鋰電池的放電特性曲線中電池的電量與電壓之間呈非線性關(guān)系，這種非線性導(dǎo)致了電壓直接檢測方法的不準(zhǔn)確性，電量檢測誤差>20%，從而導(dǎo)致電池電量只能分段式顯示，無法以精確的數(shù)字表示。某款鋰電池電量表92自身信息感知電量監(jiān)測的方法2.庫侖計方法在電池的正極或負(fù)極串入一個電流檢測電阻，一旦有電流經(jīng)過電池時，會在電阻的兩端產(chǎn)生電壓，通過檢測該電壓就可計算出流過電池的電流，該電流與時間做積分就是變化的電量。庫侖計測量原理圖因此，可以精確跟蹤電池的電量變化，精度>99%。盡管庫侖計在使用時需要校正初始電量值，且電流和電阻的誤差直接降低了計算精度，但是結(jié)合電池電壓和溫度的計算方法可以較好地減小鋰電池初次電量預(yù)估、電池老化、電流檢測電阻精度等因素對測量結(jié)果的影響。102自身信息感知電量監(jiān)測的方法3.電池建模方法根據(jù)鋰電池的放電曲線，建立一個數(shù)據(jù)表，每測量一個電壓值，根據(jù)該電壓去表中查出所對應(yīng)的電量。該方法有效地提高了電量的測量精度（>95%），可忽略電池電量的初始校正，但是該數(shù)據(jù)表的建立是一個復(fù)雜的過程，尤其是考慮到電池的溫度、自放電、老化等因素的影響，并且該表對不同容量和類型的電池的兼容性也不高。該表需要結(jié)合溫度和電池壽命等因素進行修正，才能得到較高的測量精度。本課程配套物流機器人即采用該方法。112自身信息感知電壓檢測原理122自身信息感知二、溫度傳感器溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器，是溫度測量儀表的核心部分。常見的溫度傳感器有熱電偶溫度傳感器、熱電阻溫度傳感器和半導(dǎo)體溫度傳感器。兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點的溫度不同時，在回路中會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）。熱電偶溫度計原理圖132自身信息感知熱電阻的測溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關(guān)的參數(shù)。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。熱電阻通常需要把電阻信號通過引線傳遞到計算機控制裝置或者其它二次儀表上，因此熱電阻溫度測量元件在使用的時候都會接入到電橋電路中。熱電偶溫度計原理圖142自身信息感知半導(dǎo)體溫度計（semiconductorthermometer）是利用半導(dǎo)體元件與溫度具有的特性關(guān)系構(gòu)成的溫度測量儀表。半導(dǎo)體溫度計簡單易用，一般按照輸出方式分為電流型或者電壓型，使用時直接將輸出管腳接到對應(yīng)的ADC轉(zhuǎn)換器件上，即可得到溫度值。半導(dǎo)體溫度測量器件既可以獨立使用，也可以集成到半導(dǎo)體器件內(nèi)部使用。本指導(dǎo)書中采用了TI的LM20半導(dǎo)體溫度傳感器。LM20溫度傳感器原理圖152自身信息感知三、速度傳感器物流機器人需要對速度進行精確測算，從而達到各種速度的精確控制及里程的精確計算。采用旋轉(zhuǎn)編碼器，常見的集成到電機上的編碼器有光學(xué)式和霍爾式兩種。光學(xué)和霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器原理162自身信息感知三、速度傳感器常見的集成到電機上的編碼器有光學(xué)式和霍爾式兩種。①光學(xué)編碼器由LED光源（通常是紅外光源）和光電探測器組成，二者分別位于編碼器碼盤兩側(cè)。碼盤由塑料或玻璃制成，上面間隔排列一系列透光和不透光的線或槽。碼盤旋轉(zhuǎn)時，LED光路被碼盤上間隔排列的線或槽阻斷，從而產(chǎn)生兩路典型的方波A和B正交脈沖，可用于確定軸的旋轉(zhuǎn)和速度。②霍爾編碼器的結(jié)構(gòu)與光學(xué)編碼器類似，它利用的是磁場。磁性編碼器使用磁性碼盤，上面帶有間隔排列的磁極，并在列霍爾效應(yīng)傳感器或磁阻傳感器上旋轉(zhuǎn)。碼盤的任何轉(zhuǎn)動都會使這些傳感器產(chǎn)生響應(yīng)，而產(chǎn)生的信號將傳輸至信號調(diào)理前端電路以確定軸的位置。相較于光學(xué)編碼器，磁性編碼器的優(yōu)勢在于更耐用、抗振和抗沖擊。172自身信息感知四、加速度和角度傳感器物流機器人為了監(jiān)測自身的運動狀態(tài)，通常直接測量機器人本身的加速度和轉(zhuǎn)向角度。①加速度傳感器內(nèi)部晶體會因加速度造成變形，而變形產(chǎn)生電壓，計算出產(chǎn)生電壓的大小和所施加的加速度大小的關(guān)系，即可將加速度信息轉(zhuǎn)換成電信號輸出。物流機器人同時使用空間直角坐標(biāo)三個軸向的加速檢測，因此需要使用三軸加速度傳感器。②機器人的轉(zhuǎn)向角度需要用陀螺儀進行測量。在陀螺儀的芯片設(shè)計上，使用微機電系統(tǒng)驅(qū)動轉(zhuǎn)動體，不停地來回做徑向運動或者震蕩。微機電系統(tǒng)陀螺儀有兩個方向的可移動電容板。徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體做徑向運動，橫向的電容板測量由于橫向科里奧利運動帶來的電容變化。由電容的變化可以計算出角速度。在立體空間中角度測量同樣具有三個軸向，因此常用三軸的陀螺儀芯片。182自身信息感知由于陀螺儀和加速度計使用的場合十分重合，因此不少廠商把二者做到一起，封裝成一個半導(dǎo)體芯片。三軸陀螺儀和三軸加速度計相加為六軸，于是也稱之為六軸姿態(tài)傳感器。MPU6050芯片192自身信息感知五、電子羅盤傳感器在沒有GPS定位導(dǎo)航的時代，人們常常使用羅盤確定方向，在機器人的運動過程中借助電子羅盤傳感器來輔助機器人判定運動的方向。電子羅盤，又稱數(shù)字羅盤，在現(xiàn)代技術(shù)條件中電子羅盤作為導(dǎo)航儀器或姿態(tài)傳感器已被廣泛應(yīng)用。目前最常用的是三維電子羅盤。本教材中的智能物流機器人中所集成的就是HMC5883L電子羅盤模塊。HMC5883L電子羅盤模塊202自身信息感知HMC5883L電子羅盤模塊該三維電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和微處理器構(gòu)成。三維磁阻傳感器用來測量地球磁場，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時進行補償；微處理器處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數(shù)據(jù)輸出等內(nèi)容。該磁力儀是采用三個互相垂直的磁阻傳感器，每個軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場強度。向前的方向稱為X方向的傳感器，檢測地磁場在X方向的矢量值；向右或Y方向的傳感器檢測地磁場在Y方向的矢量值；向下或Z方向的傳感器檢測地磁場在Z方向的矢量值。每個方向的傳感器靈敏度都已根據(jù)在該方向上地磁場的分矢量調(diào)整到最佳點，并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器產(chǎn)生的模擬輸出信號進行放大后送入微處理器進行處理。磁場測量范圍為±2Gauss，通過采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，磁力儀能夠分辨出小于1mGauss的磁場變化量，便可通過該高分辨力來準(zhǔn)確測量出200-300mGauss的X和Y方向的磁場強度。213環(huán)境信息感知一、紅外光電傳感器常見的物流機器人按照導(dǎo)引線在倉庫中進行穿梭，實現(xiàn)方法有磁導(dǎo)引線、黑色導(dǎo)引線、二維碼標(biāo)識等。本課程實訓(xùn)地圖用到的就是黑色導(dǎo)引線，識別黑色導(dǎo)引線的常用方式就是利用紅外光反射，利用黑色導(dǎo)引線和背景的顏色差異對光線的反射率不同從而檢測到黑色導(dǎo)引線。ST188就是一款單光束自反射式的光電傳感器。ST188紅外光電傳感器223環(huán)境信息感知ST188紅外光電傳感器上有兩個LED，分別是紅外發(fā)射LED與接收紅外信號的光敏三極管。工作時，紅外發(fā)射LED發(fā)射出紅外光，光敏三極管平時是接收不到發(fā)射的紅外光的，只有當(dāng)傳感器前面一定距離范圍內(nèi)，有物體遮擋時，這時發(fā)射的紅外光會在物體表面反射，從而被光敏三極管接收到，這樣實現(xiàn)對一定距離范圍內(nèi)的顏色差異的檢測。ST188紅外光電傳感器233環(huán)境信息感知二、TOF測距傳感器物流機器人在運行過程中需要時刻檢測前方是否具有障礙物。TOF技術(shù)由于其諸多優(yōu)良的特性在很多方面已經(jīng)替代紅外測距、超聲波等檢測障礙物的傳感器。TOF是飛行時間（TimeofFlight）技術(shù)的縮寫，即傳感器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過計算光線發(fā)射和反射時間差或相位差去計算被測物體的距離。TOF傳感器測量基本原理243環(huán)境信息感知三、RFID射頻讀卡器在貨物搬運過程中，有多臺機器人同時運行，系統(tǒng)需要精確地知道每臺機器人在倉庫區(qū)域內(nèi)的絕對位置，因此會在倉庫區(qū)地面貼RFID卡片。射頻識別（RFID）是RadioFrequencyIdentification的縮寫，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，利用無線射頻方式對記錄媒體（電子卡片或射頻卡）進行讀寫，從而達到識別目標(biāo)和數(shù)據(jù)交換的目的，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g(shù)之一。倉庫庫位RFID標(biāo)簽25RFID工作原理RFID原理：卡片進入閱讀器后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（PassiveTag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者由卡片主動發(fā)送某一頻率的信號（ActiveTag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽），閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。3環(huán)境信息感知26RFID工作原理倉庫區(qū)地面貼RFID卡片，閱讀器安裝在物流機器人上，機器人經(jīng)過卡片所在位置便相當(dāng)于卡片進入射頻識別閱讀器，閱讀器就可以獲取卡片儲存的位置信息，即獲得機器人在倉庫內(nèi)的絕對位置，并傳輸數(shù)據(jù)給控制電腦的應(yīng)用系統(tǒng)。3環(huán)境信息感知27信息融合信息融合的定義一種多層次、多方面的處理過程，這個過程是對多源數(shù)據(jù)進行檢測、結(jié)合、相關(guān)、估計和組合以達到精確的狀態(tài)估計和身份估計，以及完整及時的態(tài)勢評估和威脅估計。近年來信息融合技術(shù)在基本理論和實現(xiàn)方法上得到極大的完善，顯示出自身極大的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在：容錯性好、系統(tǒng)精度高、信息處理速度快、互補性強、信息獲取成本低等方面。4多傳感信息融合28數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵問題是模型設(shè)計和融合算法數(shù)據(jù)融合模型主要包括功能模型、結(jié)構(gòu)模型和數(shù)學(xué)模型①功能模型從融合過程出發(fā)，描述數(shù)據(jù)融合包括哪些主要功能和數(shù)據(jù)庫，以及進行數(shù)據(jù)融合時系統(tǒng)各組成部分之間的相互作用過程；②結(jié)構(gòu)模型從數(shù)據(jù)融合的組成出發(fā)，說明數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的軟、硬件組成，相關(guān)數(shù)據(jù)流、系統(tǒng)與外部環(huán)境的人機界面；③數(shù)學(xué)模型是數(shù)據(jù)融合的算法和綜合邏輯，算法主要包括分布檢測、空間融合、屬性融合、態(tài)勢評估和威脅估計算法等，下面從3個方面對數(shù)據(jù)融合模型分別進行介紹。4多傳感信息融合29一、信息融合的功能模型目前已有很多學(xué)者從不同角度提出了信息融合系統(tǒng)的一般功能模型，最有權(quán)威性的是DFS（美國三軍政府組織-實驗室理事聯(lián)席會（JDL）下面的C3I技術(shù)委員會（TPC3）數(shù)據(jù)融合專家組）提出的功能模型。該模型把數(shù)據(jù)融合分為三級。第一級是單源或多源處理，主要是數(shù)字處理、跟蹤相關(guān)和關(guān)聯(lián)；第二級是評估目標(biāo)估計的集合，及它們彼此和背景的關(guān)系來評估整個情況；第三級用一個系統(tǒng)的先驗?zāi)繕?biāo)集合來檢驗評估的情況。4多傳感信息融合304多傳感信息融合信息融合3級模型31二、信息融合的結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)融合的結(jié)構(gòu)模型有多種不同的分類方法，其中有兩種常見的方法。①第一種分類標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)在送入融合處理中心之前已經(jīng)處理的程度來進行分類，在這種分類標(biāo)準(zhǔn)下，融合結(jié)構(gòu)被分為傳感器級數(shù)據(jù)融合、中央級數(shù)據(jù)融合及混合式融合。②還可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理過程的分辨率來對融合結(jié)構(gòu)進行分類，在這種情況下，融合結(jié)構(gòu)分為像素級融合、特征級融合和決策級融合。4多傳感信息融合32三、多傳感器信息融合模型該方法實現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型信息融合涉及到多方面的理論和技術(shù)，如信號處理、估計理論、不確定性理論、模式識別、最優(yōu)化技術(shù)、模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。目前，這些方法大致分為兩類：隨機類方法和人工智能方法。4多傳感信息融合1.隨機類方法這類方法研究的對象是隨機的，隨機類方法包括很多，這里介紹3種方法。①

貝葉斯推理方法：把每個傳感器看作是一個貝葉斯估計器，用于將每一個目標(biāo)各自的關(guān)聯(lián)概率分布綜合成一個聯(lián)合后驗分布函數(shù)，然后隨觀測值的到來，不斷更新假設(shè)的該聯(lián)合分布似然函數(shù)，并通過該似然函數(shù)的極大或極小進行信息的最后融合。331.隨機類方法①貝葉斯推理方法：雖然貝葉斯推理法解決了傳統(tǒng)推理方法的某些缺點，但是定義先驗似然函數(shù)比較困難，要求對立的假設(shè)彼此不相容，無法分配總的不確定性，因此，貝葉斯推理法具有很大的局限性。4多傳感信息融合②

Dempster-Shafer

的依據(jù)理論是一種廣義的貝葉斯推理方法，它是通過集合表示命題，把對命題的不確定性描述轉(zhuǎn)化為對集合的不確定性描述，利用概率分配函數(shù)、信任函數(shù)、似然函數(shù)來描述客觀證據(jù)對命題的支持程度，用它們之間的推理與運算來進行目標(biāo)識別。341.隨機類方法②DS證據(jù)理論可以不需要先驗概率和條件概率密度，并且能將“不知道”和“不確定”區(qū)分開來，但是它存在潛在的指數(shù)復(fù)雜度問題和要求證據(jù)是獨立的問題。4多傳感信息融合③

卡爾曼濾波融合算法：它利用測量模型的統(tǒng)計特性，遞推確定在統(tǒng)計意義下最優(yōu)的融合數(shù)據(jù)估計，適合于線性系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤，并且一般適用于平穩(wěn)的隨機過程，它要求系統(tǒng)具有線性的動力學(xué)模型，且系統(tǒng)噪聲和傳感器噪聲是高斯分布白噪