移动机器人传感器
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- 机器人内部参数包括: 电池能量, 轮子位置, 关节角度 - 环境及其中物质对象的信息
主动/被动
- 有能量作用于感知对象, 例如, 雷达, 声纳等 - 被动接受被观察对象的能量, 例如, 照相机
接触/非接触 视觉/非视觉
- 基于视觉传感, 图象处理, 视频系统
博创科技移动机器人实例
传感器与感知
- 基本功能
充当物化的惯性参考坐标系, 用以量測姿态与方向
- 基本类型
机械陀螺仪
光学陀螺仪
传感器与感知
旋进诠释
关键概念
- 陀螺力矩：转子对支承轴的作用力矩
Ω
- 旋进速度：进动的角速度
- 角动量: H I
试着想想对 应的传感器
传感器与感知
人所不及的传感能力
可视光谱外的视觉感知能力
红外摄像, 夜间能见
主动视觉
雷达或激光测距
20 Hz – 20 kHz 范围外的声响感知能力
超声测距
超级嗅觉/味觉感知:
化学分析，射线: a, b, g-射线, 中子, 等
传感器与感知
传感器分类
内部状态感知 (本体感受) v.s. 外部状态感知 (刺激感受)
电位计
PC
P
导向传感器
(机器人在惯性参考 坐标系的姿态传感器)
罗盘 陀螺仪
EC
P
PC
P
传感器与感知
一般分类
（典型功能）
信标
（机器人在惯性参考 坐标系中得定位）
传感器
（系统）
GPS 有源光学或RF信标 有源超声/反射信标
本体(PC) 刺激(EC)
EC EC EC
主动(A) 被动(P)
A A A
主动测距
传感器与感知
轮/马达传感器
光学编码器
- 光源：发光二级管 - 感光：光电三极管 - 光通：输出高电平 - 光闭：输出低电平 - 记数：增量/绝对
发光器
光栅
光感器 解码线路
A 领先 B
如何判 断转向
传感器与感知
观察由高 到低的变
化
前沿由 低到高 的变化
双倍记数 提高四倍
分辨率
实现案例
传感器与感知
传感器与感知
传感器特性/规格(续)
- 线性度：相同的输入产生同样的输出 - 量程：最小与最大输出之差 - 动态范围：最小与最大输出之比（或分贝量纲） - 响应时间：达到总输出的特定百分比时间 - 频率响应：带宽反映系统响应频率的范围 - 可靠性：正常运行次数/总运行次数 - 精度：反映实际值与理想值接近的程度 - 重复精度：反映精度的稳定性
- 法拉弟定律：感应的电压=磁通量变化/时间变化
- 感知依据：磁通量的变化由感应电压信号描述
基本类型 - 机械罗盘
- 磁通门(Flux Gate)罗盘 - 霍尔效应(Hall Effect)罗盘 - 磁阻罗盘 - 磁致弹性罗盘
传感器与感知
霍尔效应罗盘
霍尔效应
Ｂ
－－－ － － －
I
+
+
+
+
+
+
w
d
VH
环境特定物质属性的 电子/机械/化学设备 感知在移动机器人系统中的地位
定位
建 模
感知
位置地图
环 境
认知
规 划
控制
传感器与感知
感知功能特征
人类/生物感知器官
- 视觉: 眼 (光信息感知, 光) - 听觉: 耳 (声响信息感知, 声音) - 触觉: 皮肤 (物理信息感知, 热) - 嗅觉: 鼻 (气味信息感知, 化学) - 味觉: 舌 (液味信息感知, 化学)
传感器与感知
绝对编码器工作原理
- 通光与不通光组合编码 - 编码位数由道数决定 - 分辨率：360o/2n - 每步仅有一位发生变化
格雷码
Байду номын сангаас
Binary
000 001 010 011 100 101 110 111
Gray Code
000 001 011 010 110 111 101 100
传感器与感知
+++
++ +
l
VH＝ KH I B
通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上 将产生 电动势的现象.
提供一维磁通和方向的测量.
传感器与感知
霍尔效应(续)
0o 北
西
东
90o
270o
南 180o
磁方向图
传感器与感知
霍尔效应罗盘的工作原理
S
特点
- 低成本
mA
R
- 分辨率有限制
E
- 内部不稳定
N
- 响应速度慢
移动机器人传感器配置实例
Voyager IIA (旅行家)
传感器与感知
传感器分类回顾
一般分类
（典型功能）
传感器
（系统）
本体(PC) 刺激(EC)
主动(A) 被动(P)
触觉传感器 接触开关，缓冲器
EC
P
（接触或接近检测； 光栅栏，接近传感器
EC
A
安全切换）
轮/马达传感器
光学编码器
PC
A
(速度/位置传感器)
第十五讲提要
主要内容
移动机器人传感与感知
参考第四章内容
出版社：西安交通大学出版社 ISBN：9787560521619 出版时间：2006-9-1 版次：1 印次： 页数：327 字数：266000 纸张：胶版纸
传感器与感知
基本概念回顾
感知任务: 获取(感知)自身状态或环境的信息 传 感 器: 用于定量感知自身状态或
传感器与感知
导航传感器
典型的传感器
- 罗 盘：外部刺激的 全局的 绝对的
- 陀螺仪：本体感受的 局部的 相对的
功能与特征
- 确定机器人的方位和倾角 - 位置和速度的推算和估计
传感器与感知
罗盘(Compass)
基本原理
- 地磁定向：从南向北，提供了定向的可能
0 –北 90 – 东 180 – 南 270 – 西
超声传感器
EC
A
(反射、传播时间和 激光/光学三角测量
EC
A
几何三角测量)
运动/速度传感
多普勒雷达
EC
P
(机器人在惯性参考 坐标系的速度传感器)
陀螺仪
PC
P
视觉传感器 CCD/CMOS摄像机
EC
P
(视觉测距、场景分 析，目标识别跟踪)
传感器与感知
传感器特性/规格
- 成本：与可靠性/精度/重要性均衡 - 尺寸：与应用场合和设计要求适应 - 重量：增加无效功耗/应在允许范围 - 输出：数字/模拟（编码器/电位计） - 接口：与设备的连接相配套 - 分辨率：满量程/2n（n为设备比特数） - 灵敏度：输出响应变化/输入响应变化 - 多模态误差：系统误差/随机误差 - 准确度：1-相对误差
电位差计
传感器与感知
磁通门罗盘
- 磁通门结构：
驱动线圈: 一次绕阻 方向相反
耦合线圈: 二次绕阻 感应磁通
- 工作原理：
无外部磁通变化, 则 磁通门感应电压为0 否则, 输出驱动频率 第二谐波, 波幅与外 部磁通成正比
传感器与感知
陀螺(Gyroscopes )
- 基本机理
条件: 高速自旋转的均衡刚体(陀螺) 定轴性: 保持旋转轴指向不变 (自由陀螺仪) 旋进: 外力矩作用产生旋进现象，偏转与力矩方向一致
主动/被动
- 有能量作用于感知对象, 例如, 雷达, 声纳等 - 被动接受被观察对象的能量, 例如, 照相机
接触/非接触 视觉/非视觉
- 基于视觉传感, 图象处理, 视频系统
博创科技移动机器人实例
传感器与感知
- 基本功能
充当物化的惯性参考坐标系, 用以量測姿态与方向
- 基本类型
机械陀螺仪
光学陀螺仪
传感器与感知
旋进诠释
关键概念
- 陀螺力矩：转子对支承轴的作用力矩
Ω
- 旋进速度：进动的角速度
- 角动量: H I
试着想想对 应的传感器
传感器与感知
人所不及的传感能力
可视光谱外的视觉感知能力
红外摄像, 夜间能见
主动视觉
雷达或激光测距
20 Hz – 20 kHz 范围外的声响感知能力
超声测距
超级嗅觉/味觉感知:
化学分析，射线: a, b, g-射线, 中子, 等
传感器与感知
传感器分类
内部状态感知 (本体感受) v.s. 外部状态感知 (刺激感受)
电位计
PC
P
导向传感器
(机器人在惯性参考 坐标系的姿态传感器)
罗盘 陀螺仪
EC
P
PC
P
传感器与感知
一般分类
（典型功能）
信标
（机器人在惯性参考 坐标系中得定位）
传感器
（系统）
GPS 有源光学或RF信标 有源超声/反射信标
本体(PC) 刺激(EC)
EC EC EC
主动(A) 被动(P)
A A A
主动测距
传感器与感知
轮/马达传感器
光学编码器
- 光源：发光二级管 - 感光：光电三极管 - 光通：输出高电平 - 光闭：输出低电平 - 记数：增量/绝对
发光器
光栅
光感器 解码线路
A 领先 B
如何判 断转向
传感器与感知
观察由高 到低的变
化
前沿由 低到高 的变化
双倍记数 提高四倍
分辨率
实现案例
传感器与感知
传感器与感知
传感器特性/规格(续)
- 线性度：相同的输入产生同样的输出 - 量程：最小与最大输出之差 - 动态范围：最小与最大输出之比（或分贝量纲） - 响应时间：达到总输出的特定百分比时间 - 频率响应：带宽反映系统响应频率的范围 - 可靠性：正常运行次数/总运行次数 - 精度：反映实际值与理想值接近的程度 - 重复精度：反映精度的稳定性
- 法拉弟定律：感应的电压=磁通量变化/时间变化
- 感知依据：磁通量的变化由感应电压信号描述
基本类型 - 机械罗盘
- 磁通门(Flux Gate)罗盘 - 霍尔效应(Hall Effect)罗盘 - 磁阻罗盘 - 磁致弹性罗盘
传感器与感知
霍尔效应罗盘
霍尔效应
Ｂ
－－－ － － －
I
+
+
+
+
+
+
w
d
VH
环境特定物质属性的 电子/机械/化学设备 感知在移动机器人系统中的地位
定位
建 模
感知
位置地图
环 境
认知
规 划
控制
传感器与感知
感知功能特征
人类/生物感知器官
- 视觉: 眼 (光信息感知, 光) - 听觉: 耳 (声响信息感知, 声音) - 触觉: 皮肤 (物理信息感知, 热) - 嗅觉: 鼻 (气味信息感知, 化学) - 味觉: 舌 (液味信息感知, 化学)
传感器与感知
绝对编码器工作原理
- 通光与不通光组合编码 - 编码位数由道数决定 - 分辨率：360o/2n - 每步仅有一位发生变化
格雷码
Байду номын сангаас
Binary
000 001 010 011 100 101 110 111
Gray Code
000 001 011 010 110 111 101 100
传感器与感知
+++
++ +
l
VH＝ KH I B
通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上 将产生 电动势的现象.
提供一维磁通和方向的测量.
传感器与感知
霍尔效应(续)
0o 北
西
东
90o
270o
南 180o
磁方向图
传感器与感知
霍尔效应罗盘的工作原理
S
特点
- 低成本
mA
R
- 分辨率有限制
E
- 内部不稳定
N
- 响应速度慢
移动机器人传感器配置实例
Voyager IIA (旅行家)
传感器与感知
传感器分类回顾
一般分类
（典型功能）
传感器
（系统）
本体(PC) 刺激(EC)
主动(A) 被动(P)
触觉传感器 接触开关，缓冲器
EC
P
（接触或接近检测； 光栅栏，接近传感器
EC
A
安全切换）
轮/马达传感器
光学编码器
PC
A
(速度/位置传感器)
第十五讲提要
主要内容
移动机器人传感与感知
参考第四章内容
出版社：西安交通大学出版社 ISBN：9787560521619 出版时间：2006-9-1 版次：1 印次： 页数：327 字数：266000 纸张：胶版纸
传感器与感知
基本概念回顾
感知任务: 获取(感知)自身状态或环境的信息 传 感 器: 用于定量感知自身状态或
传感器与感知
导航传感器
典型的传感器
- 罗 盘：外部刺激的 全局的 绝对的
- 陀螺仪：本体感受的 局部的 相对的
功能与特征
- 确定机器人的方位和倾角 - 位置和速度的推算和估计
传感器与感知
罗盘(Compass)
基本原理
- 地磁定向：从南向北，提供了定向的可能
0 –北 90 – 东 180 – 南 270 – 西
超声传感器
EC
A
(反射、传播时间和 激光/光学三角测量
EC
A
几何三角测量)
运动/速度传感
多普勒雷达
EC
P
(机器人在惯性参考 坐标系的速度传感器)
陀螺仪
PC
P
视觉传感器 CCD/CMOS摄像机
EC
P
(视觉测距、场景分 析，目标识别跟踪)
传感器与感知
传感器特性/规格
- 成本：与可靠性/精度/重要性均衡 - 尺寸：与应用场合和设计要求适应 - 重量：增加无效功耗/应在允许范围 - 输出：数字/模拟（编码器/电位计） - 接口：与设备的连接相配套 - 分辨率：满量程/2n（n为设备比特数） - 灵敏度：输出响应变化/输入响应变化 - 多模态误差：系统误差/随机误差 - 准确度：1-相对误差
电位差计
传感器与感知
磁通门罗盘
- 磁通门结构：
驱动线圈: 一次绕阻 方向相反
耦合线圈: 二次绕阻 感应磁通
- 工作原理：
无外部磁通变化, 则 磁通门感应电压为0 否则, 输出驱动频率 第二谐波, 波幅与外 部磁通成正比
传感器与感知
陀螺(Gyroscopes )
- 基本机理
条件: 高速自旋转的均衡刚体(陀螺) 定轴性: 保持旋转轴指向不变 (自由陀螺仪) 旋进: 外力矩作用产生旋进现象，偏转与力矩方向一致