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                  理論原理

                  移動機器人技術漫談(七):傳感器(2)

                  機器人上通常安裝了各種類型的傳感器,用于獲取本身的運行狀態和探測所處的環境及狀況。根據檢測對象的不同,機器人傳感器可分為內部傳感器和外部傳感器。

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                  發布于 4個月前 閱讀:475

                  • 激光傳感器

                         激光發明于20世紀,因為其在單色性、方向性和亮度方面都有出色的性能,因此被廣泛應用于各種場合。常見的激光傳感器有激光測距儀、激光位移傳感器、激光雷達、激光跟蹤器等。激光雷達能夠生成環境的2D地圖模型或3D稠密點云模型,在移動機器人室內外精準定位和自主導航上的應用十分廣泛。

                         激光傳感器主要由測量電路、激光器(分為四類:固體、液體、氣體和半導體)和光電探測器等組成。激光傳感器主要用于對距離、速度和振動等物理參數的測量上。激光傳感器的基本原理主要包括兩種:飛行時間(TOF)和三角測量法。TOF是指從發射激光到接收到反射光的總時間。三角測量法利用三角形理論和三角函數來計算物體之間的距離。

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                  圖1  激光測距方法

                         激光傳感器能夠遙感測量,測量速度和精度都令人滿意。但是,激光波長容易受溫度、大氣壓力和空氣濕度變化的影響。當上述參數發生變化時,需要進行補償才能達到更高的測量精度。

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                  圖2  激光雷達

                  • 視覺傳感器

                         視覺傳感技術近年來發展較快。目前在三維重建、人臉識別、多機聯合等領域應用已經非常成熟。視覺傳感器采集的圖像由處理器進行處理,提取出對特定任務有用的信息。

                         視覺傳感器主要包括各種相機,比如RGB相機、深度相機和多光譜相機。相機中的光敏元件通常是CCD或者CMOS,都是利用光電效應原理,將光信息轉換成電信號,繼而轉換為數字信號。不同類型的相機有不同的原理,可以提供不同的信息。RGB相機是人們日常生活中使用最多的一種相機,其原理是通過紅、綠、藍3種顏色及其組合來獲取各種可見顏色。深度相機則將距離信息加入到了二維圖像中,實現了立體成像。多光譜相機能夠獲取不同波段的圖像,包括可見光和不可見光波段,因此可以獲得一些RGB相機無法提供的信息。

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                  圖3  CCD傳感器結構

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                  圖4  各類相機

                  • 磁傳感器

                         磁傳感器是用來檢測弱磁裝置的一種傳感器,是移動機器人實現尋跡的重要部件之一,其作用是利用磁場定位引導移動機器人沿設定路線行駛。磁傳感器一般安裝在移動機器人底部,距離地面高度一般在2~4cm之間。

                         磁傳感器通常由磁場探測器、磁電轉換元件和測量電路三部分組成。磁導航傳感器具有一到多組微型磁場探測器,可探測地面行進路線上預先鋪設的磁條、磁道釘或者電纜等,從而引導移動機器人沿預設的軌跡運行。磁導航傳感器易于實現、成本低廉,主要用于工業AGV、巡檢機器人、無軌貨架等設備的導航。

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                  圖5  磁傳感器

                  • 觸覺傳感器

                         與人類通過觸覺感知一樣,移動機器人有時也可通過觸覺來對環境進行感知。因此,觸覺傳感器就成為了移動機器人智能化的必備元件之一,它使移動機器人具備了靠觸覺來感知的能力。

                         根據原理不同,觸覺傳感器主要有4種方式。壓電式、壓阻式、電容式和光學原理式。壓電觸覺傳感器是基于壓電效應原理,即在外界力的作用下,壓電材料表面因形變會產生電壓。它的頻率響應好,測量范圍大,但分辨率不是很理想。壓阻式觸覺傳感器基于壓阻效應原理,即施加外力時會產生自身電阻的變化。它測量范圍大,魯棒性好,但是遲滯效應較大。電容式觸覺傳感器利用電容的變化來測量接觸力。其空間分辨率高,功耗低,但抗干擾能力差。光學原理的觸覺傳感器靠檢測光的參數變化間接感知外界的接觸信息。優點是抗干擾能力強,具有很高的空間分辨率。

                  • 超聲波傳感器與紅外線傳感器

                         超聲波是頻率高于20kHz的一種聲波,其波長短于常見聲波,有較好的方向性。超聲波傳感器是將超聲波信號轉換成其它能量信號(通常是電信號)的傳感器,它在所有照明條件下其至是陽光直射條件下均能完美工作,能可靠探測任何顏色的物體,包括透明物體。

                         超聲波傳感器在移動機器人上的主要應用是測距和避障。利用聲波的反射原理,傳感器發射出超聲波,超聲波遇到障礙后反射回來,傳感器再接收超聲波,根據時間差可測算出距離。機器人行進中,距離障礙物還有一定距離時,超聲波傳感器檢測到相關信息,可以此作為依據控制機器人避開障礙物。

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                  圖6  超聲波傳感器(左)與紅外線傳感器(右)

                         紅外線是頻率介于微波與可見光之間的電磁波,是電磁波譜中頻率為0.3THz~400THz,對應真空中波長為760nm~1000um輻射的總稱。紅外線傳感器是利用紅外線來進行數據采集、處理的一種傳感器,具有靈敏度高等優點。

                         紅外線傳感器常用于無接觸溫度測量、氣體成分分析和無損探傷,在移動機器人中比較多的用途是測溫、避障、尋跡等。


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                  他很懶,什么都沒有留下~