第六章 移动机器人感知PPT课件
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第六章 感知(Perception)
6.1 移动机器人的传感器
用于移动机器人的传感器种类丰富，有些传感 器只用于测量简单的值，如电机转速；而其他传 感器则用来获取关于机器人的环境信息。
• 6.1.1传感器分类
➢根据传感器所采集内容的不同：
内部传感器：测量机器人的内部值，如电 机速度、关节的角度、电池电压等。
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互补金 属氧化物半导体”。 具有像素阵列，位于像素点的是几个晶体管。 在图像数据采集过程中，CMOS采用新的方法，每个像素旁具有专用的
信号测量和放大电路。
相对于CCD，CMOS的功耗较小，但分辨率低。
➢ 摄像头
➢视频信号分离（LM1881）
图6.13 1881视频分离电路
图6.14 1881时序图
➢CMBaidu NhomakorabeaS数字摄像头（OＶ7620）
主要技术参数 • 1/3英寸数字式CMOS图像传感器; • 有效像素: 664(水平方向)×492（垂直方向）； • 内置１0为双通道ＡD转换器，输出８位图像数据； • 5V电源供电； • 工作时功耗<120mW，待机时功耗<10mW; • 扫描方式：逐行/隔行扫描; • 信噪比: >48dB；
➢图像的采集
• 模拟摄像头输出信号特性：目前的模拟摄像头一般都是PAL制式的， 输出的信号由复合同步信号，复合消隐信号和视频信号。 PAL制式输 出的图像是25Hz，即每秒钟有25幅画面，说的专业点就是每秒25帧，
其中每一帧有625行，50Hz奇偶行扫描。
• 模拟摄像头工作原理：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像 上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度 转换成与灰度一一对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输
• 6.1.2红外传感器 ➢HS0038
图6.1 HS0038内部结构图
图6.2 HS0038典型应用电路
图 6.3 HS0038发射电路
图 6.4 HS0038接收电路
• ST188
图6.5 ST188实物图
图6.6 ST188应用电路图
• 6.1.3超声波传感器 ➢压电陶瓷超声波换能器（UCM—T40K1 ，
所有CCD芯片都属于模拟元件，但当图像数据进入计 算机时却是数字信号。如果数据是在摄像头、采集卡两部 分完成数字化的，这个摄像头就是模拟摄像头。而数字摄 像头则是在摄像头内部完成数字化的，这样可以减少图像 的噪音。与模拟摄像头相比，数字摄像头显著提高了摄像 头的信噪比、增加了摄像头的动态范围、最大化图像灰度 范围。科学研究级的绝大多数的CCD/CMOS芯片都是由 Kodak、Sony、SIT制造的。
• 6.2不确定性的表示
传感器是带有系统误差和随机误差的 非理想装置。由于随机误差不能被纠正， 代表了传感器的不确定水平。
如何由表征单个传感器的不确定性扩 展到最终的机器人系统的不确定性？－误 差传播问题。
6.2.1统计的表示
图6.16 高斯分布图
E[X]
xf(x)dx
6.2.2误差传播 • 融合单点的一系列不确定性测量，以提取
6.1.4 图像传感器（摄像头）
➢ CCD和CMOS
CCD(Charge Coupled Device)，即“电荷耦合器件”，以百万 像素为单位。电容耦合器件是今天机器人视觉系统最流行的一种技术。 它由光敏像素阵列所组成，各个像素可以被想象为光敏电容器。开始， 电容器被充电，采集图象时，光子撞击各像素，电容器释放电子，最 终根据各像素累计的电荷变化量，通过相关的处理，得到图像信息。 数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率。
图6.11 模块外形图
引脚介绍： 按图顺序依次为（左起）：VCC、 trig（控制端）、echo （接收端）、 out （空脚）、GND。OUT脚为此模 块作为防盗模块时的开关量输出脚， 测距模块不用此脚！
使用方法： 本模块输出方式为PWM 。利用单 片机从控制口发一个10us以上的高 电平，就可以在接收口等待高电平输 出。一有输出就可以开定时器计时， 当此口变为低电平时就可以读定时器 的值，此时就为此次测距的时间,方可 算出距离 。如此周期性地测量方可移 动测距。
• 引脚介绍
图6.15 摄像头与单片机连接电路
• Yn 6——14（摄像头） 数据输出；
• VSYNC 16（摄像头） 垂直同步信号/复合信号;
• HREF 15（摄像头） 水平参考输出/垂直帧同步信号;
• DGND 17（摄像头） 信号地;
• DVDD 19（摄像头） +5V电源;
• VSYNC、HREF 分别接S12X的两个中断，S12X首先捕 捉到HREF中断，然后捕捉VSYNC中断，最后读取Yn数 据即为采集图像灰度数据。
出。
图5.12 摄像头视频信号
➢摄像头有两个重要的指标
• 分辨率：分辨率实际上就是每场行同步脉冲数，这是因为 行同步脉冲数越多，则对每场图像扫描的行数也越多。事 实上，分辨率反映的是摄像头的纵向分辨能力
• 有效像素：有效像素常写成两数相乘的形式，如 “320x240”，其中前一个数值表示单行视频信号的精细程 度，即行分辨能力；后一个数值为分辨率，因而有效像素 =行分辨能力×分辨率。
UCM—R40K1）
图 6.7 超声波换能器外形图
图6.8 超声波发射驱动电路
图6.9 接收整流电路
图6.10 比较触发电路
➢DYP-ME007 超声波测距模块
主要技术参数： 工作电压：DC5V 静态电流：小于2mA 电平输出：5V（接收到回波时），0 感应角度：不大于15度 感应距离：4cm--5m 精度：0.3cm
外部传感器：从机器人的外部环境获取信 息。如距离测量、亮度、声音等。为了提 取有意义的环境特征，机器人要解释外部 传感器的测量。
➢根据实现测量的方法的不同
被动传感器：测量进入传感器的周围环境 的能量。如温度探测器、话筒、CCD和 CMOS摄像机。
主动传感器：主动发射能量到环境，然后 测量环境的响应。由于主动传感器可以支 配与环境的交互，常常具有较好的性能。 然而也有缺点，如容易受到干扰和干扰其 他传感器。
6.1 移动机器人的传感器
用于移动机器人的传感器种类丰富，有些传感 器只用于测量简单的值，如电机转速；而其他传 感器则用来获取关于机器人的环境信息。
• 6.1.1传感器分类
➢根据传感器所采集内容的不同：
内部传感器：测量机器人的内部值，如电 机速度、关节的角度、电池电压等。
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互补金 属氧化物半导体”。 具有像素阵列，位于像素点的是几个晶体管。 在图像数据采集过程中，CMOS采用新的方法，每个像素旁具有专用的
信号测量和放大电路。
相对于CCD，CMOS的功耗较小，但分辨率低。
➢ 摄像头
➢视频信号分离（LM1881）
图6.13 1881视频分离电路
图6.14 1881时序图
➢CMBaidu NhomakorabeaS数字摄像头（OＶ7620）
主要技术参数 • 1/3英寸数字式CMOS图像传感器; • 有效像素: 664(水平方向)×492（垂直方向）； • 内置１0为双通道ＡD转换器，输出８位图像数据； • 5V电源供电； • 工作时功耗<120mW，待机时功耗<10mW; • 扫描方式：逐行/隔行扫描; • 信噪比: >48dB；
➢图像的采集
• 模拟摄像头输出信号特性：目前的模拟摄像头一般都是PAL制式的， 输出的信号由复合同步信号，复合消隐信号和视频信号。 PAL制式输 出的图像是25Hz，即每秒钟有25幅画面，说的专业点就是每秒25帧，
其中每一帧有625行，50Hz奇偶行扫描。
• 模拟摄像头工作原理：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像 上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度 转换成与灰度一一对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输
• 6.1.2红外传感器 ➢HS0038
图6.1 HS0038内部结构图
图6.2 HS0038典型应用电路
图 6.3 HS0038发射电路
图 6.4 HS0038接收电路
• ST188
图6.5 ST188实物图
图6.6 ST188应用电路图
• 6.1.3超声波传感器 ➢压电陶瓷超声波换能器（UCM—T40K1 ，
所有CCD芯片都属于模拟元件，但当图像数据进入计 算机时却是数字信号。如果数据是在摄像头、采集卡两部 分完成数字化的，这个摄像头就是模拟摄像头。而数字摄 像头则是在摄像头内部完成数字化的，这样可以减少图像 的噪音。与模拟摄像头相比，数字摄像头显著提高了摄像 头的信噪比、增加了摄像头的动态范围、最大化图像灰度 范围。科学研究级的绝大多数的CCD/CMOS芯片都是由 Kodak、Sony、SIT制造的。
• 6.2不确定性的表示
传感器是带有系统误差和随机误差的 非理想装置。由于随机误差不能被纠正， 代表了传感器的不确定水平。
如何由表征单个传感器的不确定性扩 展到最终的机器人系统的不确定性？－误 差传播问题。
6.2.1统计的表示
图6.16 高斯分布图
E[X]
xf(x)dx
6.2.2误差传播 • 融合单点的一系列不确定性测量，以提取
6.1.4 图像传感器（摄像头）
➢ CCD和CMOS
CCD(Charge Coupled Device)，即“电荷耦合器件”，以百万 像素为单位。电容耦合器件是今天机器人视觉系统最流行的一种技术。 它由光敏像素阵列所组成，各个像素可以被想象为光敏电容器。开始， 电容器被充电，采集图象时，光子撞击各像素，电容器释放电子，最 终根据各像素累计的电荷变化量，通过相关的处理，得到图像信息。 数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率。
图6.11 模块外形图
引脚介绍： 按图顺序依次为（左起）：VCC、 trig（控制端）、echo （接收端）、 out （空脚）、GND。OUT脚为此模 块作为防盗模块时的开关量输出脚， 测距模块不用此脚！
使用方法： 本模块输出方式为PWM 。利用单 片机从控制口发一个10us以上的高 电平，就可以在接收口等待高电平输 出。一有输出就可以开定时器计时， 当此口变为低电平时就可以读定时器 的值，此时就为此次测距的时间,方可 算出距离 。如此周期性地测量方可移 动测距。
• 引脚介绍
图6.15 摄像头与单片机连接电路
• Yn 6——14（摄像头） 数据输出；
• VSYNC 16（摄像头） 垂直同步信号/复合信号;
• HREF 15（摄像头） 水平参考输出/垂直帧同步信号;
• DGND 17（摄像头） 信号地;
• DVDD 19（摄像头） +5V电源;
• VSYNC、HREF 分别接S12X的两个中断，S12X首先捕 捉到HREF中断，然后捕捉VSYNC中断，最后读取Yn数 据即为采集图像灰度数据。
出。
图5.12 摄像头视频信号
➢摄像头有两个重要的指标
• 分辨率：分辨率实际上就是每场行同步脉冲数，这是因为 行同步脉冲数越多，则对每场图像扫描的行数也越多。事 实上，分辨率反映的是摄像头的纵向分辨能力
• 有效像素：有效像素常写成两数相乘的形式，如 “320x240”，其中前一个数值表示单行视频信号的精细程 度，即行分辨能力；后一个数值为分辨率，因而有效像素 =行分辨能力×分辨率。
UCM—R40K1）
图 6.7 超声波换能器外形图
图6.8 超声波发射驱动电路
图6.9 接收整流电路
图6.10 比较触发电路
➢DYP-ME007 超声波测距模块
主要技术参数： 工作电压：DC5V 静态电流：小于2mA 电平输出：5V（接收到回波时），0 感应角度：不大于15度 感应距离：4cm--5m 精度：0.3cm
外部传感器：从机器人的外部环境获取信 息。如距离测量、亮度、声音等。为了提 取有意义的环境特征，机器人要解释外部 传感器的测量。
➢根据实现测量的方法的不同
被动传感器：测量进入传感器的周围环境 的能量。如温度探测器、话筒、CCD和 CMOS摄像机。
主动传感器：主动发射能量到环境，然后 测量环境的响应。由于主动传感器可以支 配与环境的交互，常常具有较好的性能。 然而也有缺点，如容易受到干扰和干扰其 他传感器。