9传感器信息融合的实例

2.5.4传感器信息融合的实例—机器人中的传感器信息融合传感器信息融合技术在机器人领域有着广泛的应用，从而也对传感器信息融合技术的发展起到了促进作用。

我们介绍的是一种自主移动装配机器人。

顾名思义，这种机器人是用于搞装配工作的。

1.自主移动装配机器人的组成、结构图2-40 自主移动装配机器人图2-40是自主移动装配机器人示意图。

由图可见，机器人主要由超声波传感器、视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、测距传感器、控制和信息融合计算机以及机械手等部件组成。

由此可以看出，机器人是一个典型的多传感器系统，机器人进行工作的技术核心就是传感器信息融合。

图2-40机器人的自主移动是建立在视觉传感器、测距传感器和超声波传感器信息融合的基础上；机械手装配作业是建立在视觉传感器、触觉传感器和力觉传感器信息融合的基础上。

该机器人的信息融合结构为并行结构。

2.机器人自主移动的信息融合⑴建立环境模型首先建立多传感器信息的已知三维环境模型。

模型采用分层表示：①最底层为环境的具体特征，如环境中物体的长度、宽度、高度及距离等。

环境具体特征要与传感器提供的数据一致。

②高层是抽象的用符号表示的环境特征。

⑵控制机器人移动的各传感器的作用视觉传感器采集的环境特征是最主要的信息；另外，视觉传感器的信息还用于引导测距传感器和超声波传感器对准被测物体。

测距传感器在较远距离上获得物体较精确的位置，而超声波传感器用于检测近距离物体。

以上三种传感器分别获得环境中同一对象在不同条件下的近似三维表示。

⑶传感器的数据融合将以上三种传感器的测量数据进行融合，这时每种传感器的坐标框架首先变换到共同的坐标框架中，然后采用以下几种方法得到机器人对环境的精确估计：①相对于机器人位置的相对位置定位法。

②目标运动轨迹记录法。

③参照环境静坐标的绝对位置定位法。

④用卡尔曼滤波器确定物体相对于机器人的准确位置及物体的表面形状，并完成对物体的识别。

3.机器人装配作业的信息融合机器人装配作业时，主要是对视觉传感器、触觉传感器和力觉传感器数据的融合。

装配过程表现为每一个决策所确定的几个阶段。

整个装配过程的每一个决策，由上述三个传感器的数据融合实现。

视觉传感器用于识别有规则几何形状的物体以及对物体定位。

力觉传感器检测机械手末端与物体的接触情况以及接触力的大小，从而提供接触时物体的准确位置。

触觉传感器和视觉传感器相结合，可以为无规则形状的物体定位。

另外，力觉传感器还可以提供物体传送、取放的信息。

第三章测试信号的调理被测量经传感器这个环节被转换成电信号，为了后续对信号的进一步处理或为了用被测信号驱动显示、记录和控制等器件，需对传感器输出的电信号进行调理。

信号调理涉及的内容较多，本章仅讨论几个常用的信号调理环节。

3.1 模拟信号与数字信号的转换传感器输出的是模拟信号，但是计算机处理的是数字信号，因此必须把传感器输出的模拟信号转换成数字信号才能输入到计算机中。

经计算机处理后的信号是数字信号，但在实际应用中往往还要求将计算机输出的数字信号再转换成模拟信号。

因此，模数转换或数模转换在测试系统中是必不可少的环节。

一般将模拟信号转换数字信号的转换称为模/数转换，或称为A/D(Analog to Digital)转换；将数字信号转换成模拟信号的转换称为数/模转换，或称为D/A(Digital to Analog)转换。

实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC；实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写成DAC。

3.1.1模/数转换（A/D）模拟信号转换成数字信号通常需要经过以下环节：对模拟信号的瞬时值进行抽样，得到时1.采样。

所谓采样，就是按一定的时间间隔TS间上离散的模拟信号。

⑴采样过程(a)被测信号 (b)采样开关图3-1采样过程示意图秒短采样过程如图3-1所示，图中：(a)为被测信号；(b)为采样开关。

采样开关每隔TS暂闭合一次，接通连续函数X（t）,实现一次采样。

设每次开关闭合时间为τ秒，则采样开关的输出为脉宽τ、周期为T S的脉冲序列。

该脉冲信号的幅值等于该脉冲所在时刻的相应的连续时间信号的幅值。

采样开关输出的信号为采样信号，记为)x。

则(*t)()()(*t s t x t x ⋅= （3-1）式中，)(t s 为周期为T S 、脉冲宽度为τ、幅值为1的采样脉冲序列。

)(t s 和)(*t x 的图形表示见图2-42所示。

(a)采样脉冲信号)(t s (b)采样信号)(*t x图3-2 采样脉冲和采样信号示意图因脉冲宽度τ远小于采样周期T S ，可以认为τ→0，这时采样脉冲序列可用单位脉冲序列函数)(t T δ来描述，)(t T δ可表示为：∑∞-∞=-=n S T nTt t )()(δδ （3-2）式中，)(S nT t -δ 为S nT t =处的单位脉冲，如图3-3所示。

因此，采样信号为：)()()()()()()(*S n S n S T nT t nT x nTt t x t t x t x -=-=⋅=∑∑∞-∞=∞-∞=δδδ （3-3）图3-3单位脉冲序列⑵ 采样定理采样定理指出：只有当采样频率大于被测信号最高频率的两倍时，采集的数据才可能包含被测信号的所有频率分量的信息。

在实际中，为了较好地还原信号波形，采样频率一般是被测信号最高频率的5至10倍。

采样频率过低时，由采样数据所还原的信号频率，与原始信号可能不同，这种信号畸变叫做混叠。

为了避免混叠现象发生，通常在信号采样之前，让被测信号通过一个低通滤波器，将信号中过高的频率成分滤掉。

这种滤波器称为抗混叠滤波器。

采用抗混叠滤波器将信号中过高的频率成分滤掉，是因为：信号中过高的频率成分并不包含信号的有用信息；另外，信号频率过高势必造成采样频率过高，过高的采样频率会导致计算机内存相对不足，以及硬盘存储数据量变大。

⑶ 采样—保持① 采样—保持的概念采样就是把一个时间连续的信号，变换成时间离散的信号。

然后由A/D 转换器把时间离散的模拟信号的幅值数字化。

但是进行A/D 转换需要一定的时间，这样就需要在A/D 转换的同时，将未进行转换的采样信号暂时存储起来，采样—保持电路就是完成采样和对采样信号进行暂时存储任务的器件。

② 采样—保持电路的工作原理(a)采样—保持电路原理图 (b)输入-输出电压波形图3-4 采样—保持电路工作原理图图3-4(a)是采样—保持电路的原理图。

图中，A1是输入放大器，A2是输出放大器，且要求121=⋅u u A A （为放大系数和21u u A A ）；由于121=⋅u u A A ，所以10u u =。

C H 是保持电容。

在0t 时刻，开关S 闭合，电容C H 被迅速充电，在10~t t 时间间隔内是采样阶段（见图b ）。

在1t 时刻S 断开。

若A 2的输入阻抗为无穷大，这样就可以认为电容C H 没有放电回路，其两端电压保持不变，并由它维持0u 不变。

这一阶段即为保持阶段，如图3-4(b)中1t 到2t 的平坦段。

2t 时刻开关S 又闭合，2t 到3t 时间间隔为采样阶段，3t 开关S 又断开，3t 到4t 为保持阶段，这样采样—保持一直循环下去，直到采样结束。

2. 量化⑴ 量化的概念将时间离散的采样信号以某个最小数量单位的整数倍来度量，就变为数字信号，这个过程称为量化，所取的最小数量单位称为量化单位。

显然，数字信号最低有效位的1，所代表的数量大小就等于量化单位。

图3-5是量化的示意图，图中T 为量化单位，则采样信号的幅值分别被量化为T 、2T 、3T 、4T 、┄，即以T 的整数倍表示。

图3-5 采样信号的量化图3-5采样信号的幅值称为量化电平。

从以上讨论我们可以看出，采样是对模拟信号在时间轴上的离散化，而量化则是把采样点的幅值离散化，并用最小数量单位的整数倍来表示。

3. 编码将量化的结果用代码表示出来，称为编码。

这些代码就是A/D 转换的输出结果。

既然采样信号的幅值是连续的，那么它就不一定能被量化单位整除，因而量化过程不可避免地会引入误差，这种误差称为量化误差。

将采样信号划分为不同的量化等级时，通常有图3-6(a)和(b)所示的两种方法，但是它们的量化误差相差较大。

(a) (b)图3-6 划分量化电平的两种方法⑴ 图3-6 (a)的方法图3-6 (a)中，是将0 – 1V(伏)的采样信号转换成3位二进制代码。

其方法是取量化单位V T 81=，并规定：凡数值在V 81~0之间的采样信号都当作T ⋅0对待，用二进制数000表示；凡数值在V 82~81之间的采样信号，都当做T ⋅1对待，用二进制数001表示；┄；等等。

不难看出，这种量化方法带来的最大量化误差可达一个量化单位T ，即V 81。

⑵ 图3-6 (b)的方法为了减小量化误差，通常采用图3-6 (b)的方法。

在图3-6 (b)的方法中，取电平的量化单位为V T 152=,并将输出代码000对应的采样信号范围规定为,210,151~0T V ~即这样可以将最大量化误差减小到T 21，即V 151。

这个道理不难理解，因为图(b)将每个输出的二进制代码所表示的电压值，规定为二进制代码所对应的采样信号范围的中间值，所以最大量化误差不会超过T 21。

⑶常用的编码形式在数据采集中，被采集的模拟信号是有极性的，因此编码也分为单极性编码和双极性编码。

在应用时可根据采集信号的极性来选择编码形式。

所谓极性，就是指采集信号的值有正，有负。

若采集信号的值全为正值或全为负值，称为单极性信号；若有正，有负为双极性信号。

常用的单极性编码有二进制编码和二—十进制（BCD ）编码；常用的双极性编码有：符号—数值码，偏移二进制码、2的二进制补码等。

虽然在实际应用中，编码的方式很多，但其基本原理是图3-6介绍的方法。

所以在实际应用中的编码方式，就不一一介绍了，有兴趣的同学可以自己查看有关书籍。

4.A/D 转换器⑴A/D 转换器的一般原理采样信号的量化和编码由A/D 转换器完成，A/D 转换器将时间离散的采样信号进行量化，并转换成相应的二进制编码信号。

需要注意的是：采样信号的幅值要与A/D 转换器的输入量范围相匹配。

A/D 转换常使用的二进制分数码输出信号，可表示成以下形式：n n i ni i a a a a D 22222211+++==-=∑（3-4）式中，n 为位数；i a 为系数，表示0或1两个数码；第一位(最高位MSB)的权值是1/2，第二位的权值是1/4，┄，第n 位（最低位LSB ）的权值是1/2n 。

图3-7所示为：A / D 转换器将一个输入电压信号转换成二进制编码信号输出。

图3-7 二进制A/D 转换图3-7中，U 是输入的电压信号，D 是输出的二进制编码信号。

由图可以看出，每输入一个电压信号，就有对应的二进制编码信号输出；此编码是二进制分数码。