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机器人常见传感器原理是怎么的?(常用的机器人内部传感器和外部传感器有哪几种)

作者:易秋      发布时间:2021-08-11      浏览量:9074
机器人常见传感器原理是怎么的?感知系统是机器人能够实现自主化的必须部分。这一章,将介绍一下移动机器人中所采用的传感器以及如何从传感器系统中采集所需要的信号。 根据传感器的作用分,一般传感器分为: 内部传感器(体内传感器)

机器人常见传感器原理是怎么的?


感知系统是机器人能够实现自主化的必须部分。这一章,将介绍一下移动机器人中所采用的传感器以及如何从传感器系统中采集所需要的信号。
根据传感器的作用分,一般传感器分为:
内部传感器(体内传感器):主要测量机器人内部系统,比如温度,电机速度,电机载荷,电池电压等。
外部传感器(外界传感器):主要测量外界环境,比如距离测量,声音,光线。
根据传感器的运行方式,可以分为:
被动式传感器:传感器本身不发出能量,比如CCD,CMOS摄像头传感器,靠捕获外界光线来获得信息。
主动式传感器:传感器会发出探测信号。比如超声波,红外,激光。但是此类传感器的反射信号会受到很多物质的影响,从而影响准确的信号获得。同时,信号还狠容易受到干扰,比如相邻两个机器人都发出超声波,这些信号就会产生干扰。
传感器一般有以下几个指标:
动态范围:是指传感器能检测的范围。比如电流传感器能够测量1mA-20A的电流,那么这个传感器的测量范围就是10log(20/0.001)=43dB. 如果传感器的输入超出了传感器的测量范围,那么传感器就不会显示正确的测量值了。比如超声波传感器对近距离的物体无法测量。
分辨率:分辨率是指传感器能测量的最小差异。比如电流传感器,它的分辨率可能是5mA,也就是说小于5mA的电流差异,它没法检测出。当然越高分辨率的传感器价格就越贵。
线性度:这是一个非常重要的指标来衡量传感器输入和输出的关系。
频率:是指传感器的采样速度。比如一个超声波传感器的采样速度为20HZ,也就是说每秒钟能扫描20次。
下面介绍一下常用的传感器:
编码器:主要用于测量电机的旋转角度和速度。任何用电机的地方,都可以用编码器来作为传感器来获得电机的输出。

光电编码器的原理
电子罗盘:可以检测机器人与地球南北极之间的角度,从而获得机器人的朝向。但是精度很低。而且任何磁性物体都会造成罗盘失灵,比如扬声器。所以要配合其它传感器,比如编码器一起使用才能获得比较好的定位效果。主要有hall-effect和flux-gate两种:
Hall-Effect 原理的电子罗盘
Flux-gate 原理的电子罗盘
陀螺仪:又分机械陀螺仪和光电陀螺仪。可以检测绝对朝向。但是目前价格过高,只在飞机上采用。目前最好的光电陀螺仪能提供100KHz的采样频率,同时提供0.0001degress/hr的分辨率。但是价格也是同样昂贵。
GPS系统:这个相比不需要太多的解释。GPS系统分为标准GPS和差分GPS系统。标准GPS系统能提供15m的误差定位,而差分GPS系统能提供高达1m内误差的定位。如果再考虑相位差信号的话,最新的GPS设备能提供精确到10cm的定位坐标。怪不得美国人现在的导弹精确度如此之高。
差分GPS系统(DGPS)
超声波传感器:超声波传感器是基于TOF原理。首先发射一组声波脉冲信号,然后一个积分器就开始计算发射时间。一个返回信号阀值接着就会被设定来接受回波信号,这个阀值会随着时间的增加而减小,因为回波会随着距离的增加而发散,从而强度变小。但是在刚发射信号的时候,返回信号的阀值会被设定的很高以防止发射波直接触发接受器,但是这样造成一个问题,就是如果检测的距离很短,在阀值没有下降之前,返回信号已经到达接收器,这时,接收器会认为这个返回信号是刚发出的信号,从而拒绝接受。超声波传感器就会有一个探测盲区,没法这样对近距离物体探测。一般超声波探测器的频率为40Hz,探测范围为12cm-5m,精度为989.1辨率为2cm。同时超声波是一个20-40度角的面探测,所以可以使用若干个超声波组成一个超声波阵列来获得180度甚至360的探测范围。 超声波还有其它几个缺点,比如交叉感应,扫描频率低,尤其是使用超声波阵列的时候,还有回波衰减,折射等问题。不过对于移动机器人来说,超声波还是目前最廉价和有效的传感器。
TOF(time of flight):TOF 原理就是 距离=速度×时间,比如声波传输速度是0.3m/ms,如果3m的距离,需要10ms才能到达。然后通过计算这个返回的时间差来确定距离。但是如果是光速的话,光速是0.3m/ns,同样3m的距离,光只要10ns就到了。这就对检测元件提出了非常高的要求。这也是激光传感器价格居高不下的原因。

TOF 原理
激光传感器:原理就是一个旋转得反射镜,将激光光束或者超声波按一定间隔反射出去,然后根据旋转得角度和时间差来得到不同角度得距离值。是用很典型得TOF原理。
不过对于激光传感器而言,有3种检测方式:
1)使用脉冲激光,按一定间隔发射激光,然后计算返回时间。这种方法和超声波一样,但是激光速度太快,所以对检测元件要求太高,一般LaserScanner不用这种方式。
2)使用不同频率得激光,按照一点顺序,发射不同频率得激光,通过检测返回光束得频率来得到距离。
3)相位差。多数激光传感器用得是这种方法。通过检测发射激光和反射激光得相位差来得到距离。
红外传感器:是利用三角测量法。
三角测量法(Triangulation-based):就是把发射器和接受器按照一定距离安装,然后与被探测的点形成一个三角形的三个顶点,由于发射器和接收器的距离已知,发射角度已知,反射角度也可以被检测到。因此检测点到发射器的距离就可以求出。假设发射角度是90度的情况,
D=f(L/x)
L=发射器和接收器的距离
x=接受波的偏移距离
f()是函数。
由此可见,D是由1/x决定的,所以用这个测量法可以测得距离非常近的物体,目前最精确可以到1um的分辨率。但是由于D同时也是L的函数,要增加测量距离就必须增大L值。所以不能探测远距离物体。
但是如果将红外传感器和超声波传感器同时应用于机器人,就能提供全范围的探测范围了,超声波传感器的盲区正好可以由红外传感器来弥补。
多普勒效应传感器:主要用于探测移动物体的速度。目前战斗机上用的雷达就是基于这个原理的。主要用于躲避快速移动障埃物。
多普勒原理(Doppler):假设发射器以频率ft发射波,接收器以频率fr接受波,发射器和接收器之间的相对速度为v。
如果发射器在移动,则
fr=ft/(1+v/c)
如果接收器在移动,则
fr=ft(1+v/c)
通过计算多普勒频移来得到相对速度v。
f=ft-fr=2*ft*v*cosA/c
f=多普勒频移
A=发射波和运动角度差
静止状态
物体趋近
物体远离
目前还没有适合小型移动机器人的相关传感器出现。
视觉传感器:摄像头都是属于视觉传感器,目前200元一个的网络摄像头也都可以用作机器人的视觉传感器。


常用的机器人内部传感器和外部传感器有哪几种



不晓得其他扫地机,但是碰巧前段时间关注过淘宝一个送GOPRO相机的活动,知道了一款小i智能扫地机器人,有探测灰尘、防撞、防摔系统,还能感应虚拟墙,这些应该都是传感器吧。


常见的机器人内部传感器有哪些


看什么领域的机器人,普2113通的内部传感器一般就是平衡的,也就是陀螺仪5261,外部有声音,光线,红外线,超4102声波等。
机器人是由计算机控制的复杂机器,它1653具有类似人的肢体及感官功能;动作程序灵活回;有一定程度的智能;在工作时可以不依赖人的操纵。答


机器人传感器的机器人主要的传感器


20世纪50年代后期出现,发展十分迅速,是机器人中最重要的传感器之一。
机器视觉从20世纪60年代开始首先处理积木世界,后来发展到处理室外的现实世界。20世纪70年代以后,实用性的视觉系统出现了。
视觉一般包括三个过程:图像获取、图像处理和图像理解。相对而言,图像理解技术还很落后。 机器人力传感器就安装部位来讲,可以分为关节力传感器、腕力传感器和指力传感器。
国际上对腕力传感器的研究是从20世纪70年代开始的,主要研究单位有美国的DRAPER实验室、SRI研究所、IBM公司和日本的日立公司、东京大学等单位。 作为视觉的补充,触觉能感知目标物体的表面性能和物理特性:柔软性、硬度、弹性、粗糙度和导热性等。
触觉研究从20世纪80年代初开始,到20世纪90年代初已取得了大量的成果。 (1) 特定人的语音识别系统
特定人语音识别方法是将事先指定的人的声音中的每一个字音的特征矩阵存储起来,形成一个标准模板(或叫模板),然后再进行匹配。它首先要记忆一个或几个语音特征,而且被指定人讲话的内容也必须是事先规定好的有限的几句话。特定人语音识别系统可以识别讲话的人是否是事先指定的人,讲的是哪一句话。
(2) 非特定人的语音识别系统
非特定人的语音识别系统大致可以分为语言识别系统,单词识别系统,及数字音(0~9)识别系统。非特定人的语音识别方法则需要对一组有代表性的人的语音进行训练,找出同一词音的共性,这种训练往往是开放式的,能对系统进行不断的修正。在系统工作时,将接收到的声音信号用同样的办法求出它们的特征矩阵,再与标准模式相比较。看它与哪个模板相同或相近,从而识别该信号的含义。

根据检测对象的不同可分为内部传感器和外部传感器。
a.内部传感器:用来检测机器人本身状态(如手臂间角度)的传感器。多为检测位置和角度的传感器。
b.外部传感器:用来检测机器人所处环境(如是什么物体,离物体的距离有多远等)及状况(如抓取的物体是否滑落)的传感器。具体有物体识别传感器、物体探伤传感器、接近觉传感器、距离传感器、力觉传感器,听觉传感器等。
具体有: 检测内容:是否有光,亮度多少
应用目的:判断有无对象,并得到定量结果
传感器件:光敏管、光电断续器 检测内容:对象的色彩及浓度
应用目的:利用颜色识别对象的场合
传感器件:彩色摄像机、滤波器、彩色ccd 检测内容:物体的位置、角度、距离
应用目的:物体空间位置、判断物体移动
传感器件:光敏阵列、ccd等 检测内容:物体的外形
应用目的:提取物体轮廓及固有特征,识别物体
传感器件:光敏阵列、ccd等 检测内容:与对象是否接触,接触的位置
应用目的:确定对象位置,识别对象形态,控制速度,安全保障,异常停止,寻径
传感器件:光电传感器、微动开关、薄膜特点、压敏高分子材料 检测内容:对物体的压力、握力、压力分布
应用目的:控制握力,识别握持物,测量物体弹性
传感器件:压电元件、导电橡胶、压敏高分子材料 检测内容:机器人有关部件(如手指)所受外力及转矩
应用目的:控制手腕移动,伺服控制,正解完成作业
传感器件:应变片、导电橡胶 检测内容:对象物是否接近,接近距离,对象面的倾斜
应用目的:控制位置,寻径,安全保障,异常停止
传感器件:光传感器、气压传感器、超声波传感器、电涡流传感器、霍尔传感器 检测内容:垂直握持面方向物体的位移,重力引起的变形
应用目的:修正握力,防止打滑,判断物体重量及表面状态
传感器件:球形接点式、光电旋转传感器、角编码器、振动检测器