机器人传感器1

1、2机器人技术及应用3机器人技术及应用4机器人技术及应用5机器人技术及应用6机器人技术及应用7机器人技术及应用8机器人技术及应用 压 力 作 用 膜 片 形 变 （ 应 变 ） 应 变 片 电 阻 改 变 9机器人技术及应用10机器人技术及应用11机器人技术及应用12机器人技术及应用13机器人技术及应用基本量派生量位移线位移长度、厚度、振动、磨损等角位移旋转角、偏转角、角振动等速度线速度速度、振动、流量、动量等角速度转速、角振动等加速度线加速振动、冲击、质量等角加速角振动、扭矩、转动惯量等力压力重量、应力、力矩等时间频率周期、记数、统计分布等温 度热容量、气体速度、涡流等光光通量与密度、光谱分布

2、等14机器人技术及应用电容法测位移电容法测位移15机器人技术及应用电感法测厚度电感法测厚度16机器人技术及应用霍尔法计数霍尔法计数17机器人技术及应用霍尔法测转速霍尔法测转速18机器人技术及应用半导体法测压力半导体法测压力19机器人技术及应用20机器人技术及应用）（11 2210 nnxaxaxaay21机器人技术及应用22机器人技术及应用23机器人技术及应用）（21 0111101111 xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn24机器人技术及应用 4. 4. ）（31 0 dtetysYst011011bsbsbsXasasasYmmmm

3、nnnn 25机器人技术及应用 ）（41 011011 asasabsbsbsXsYsHnnnnmmmm26机器人技术及应用27机器人技术及应用 ）（则则：51 21 sHsHsHsHr 对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较为简单系统的串联与并联。较为简单系统的串联与并联。xy sH1 sH2 sHn28机器人技术及应用 ）（则则：61 21 sHsHsHsHpxy sH1 sH2 sHn29机器人技术及应用100%maxFSyL30机器人技术及应用 xyS0%100FSmyHH31机器人技术及应用100%FSmRyR 1322nyyyiFSR32机器

4、人技术及应用33机器人技术及应用2. 传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如：最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。 34机器人技术及应用1. 新型传感器的开发 鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的

5、过程。35机器人技术及应用2. 传感器的集成化和多功能化 随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的传感器；或是传感器与放大、运算、温度补偿等电路集成一体具有多种功能实现了横向和纵向的多功能。36机器人技术及应用3. 传感器的智能化 “电五官”与“电脑”的相结合，就是传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应等功能。如进一步将传感器与计算机的这些功能集成于

6、同一芯片上，就成为智能传感器。37机器人技术及应用6.2 位置传感器位置传感器v6.2.1 线位移检测传感器v6.2.2 角位移检测传感器v6.2.3 速度、加速度传感器v6.2.4 电子罗盘及陀螺仪v6.2.5 GPS全球导航系统38机器人技术及应用6.2.1 线位移检测传感器线位移检测传感器1）、光栅位移传感器2）、感应同步器3）、磁栅位移传感器39机器人技术及应用32411.标 尺 光 栅 2.指 示 光 栅3.光 电 元 件 4.光 源40机器人技术及应用（2）、工作原理ddffddBffddW/2WddW/2指示光栅标尺光栅41机器人技术及应用莫尔条纹具有如下特点：v 1.莫尔条纹的

7、位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B v 2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为v 3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。 WWB2sin242机器人技术及应用 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。 U0UW/2oUm2W3W/2WxWxUUUm2sin043机器人技术及应用 将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。44机器人技术及应用 （2）.感应同步器结构

8、45机器人技术及应用 包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距T(一般为2mm)的方齿形线圈。定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组与定尺绕组错开1/4节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间保持一定间隙（0.050.2mm）。46机器人技术及应用2.感应同步器的工作原理v 在滑尺的绕组中，施加频率为f（一般为210kHz）的交变电流时，定尺绕组感应出频率为f的感应电动势。感应电动势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。v 设正弦绕组供电电压为Us，余弦绕组供电电压为Uc，移动距离为x，节距为T，则正弦绕组

9、单独供电时，在定尺上感应电势为cos360cos2ssKUTxKUUo47机器人技术及应用 余弦绕组单独供电所产生的感应电势为 sin360sin2ccKUTxKUUosincos222csKUKUUUU48机器人技术及应用式中 ： v K定尺与滑尺之间的耦合系数；v 定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）T节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应同步器的节距为2mm。v 利用感应电压的变化可以求得位移X，从而进行位置检测。49机器人技术及应用v 3. 测量方法v 根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式和鉴幅式两种工作法。50机器人技术

10、及应用(1)鉴相式工作法v 滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位相差90o的两个电压，设tmsUUsintUUmccos222UUU)sin(sincoscossintKUtKUtKUmmmTxo36051机器人技术及应用v 2.鉴幅工作法v 在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但幅值不等的两个交流电压：tmUUssinsintmUUcsincostKUUUUmsin)sin(22252机器人技术及应用（1）.磁栅式位移传感器的结构 输 出 信 号励 磁 电 源654SS3N NS SS7N N1SNN200a bx53机器人技术及应用（2）.原理： 在用软磁材料

11、制成的铁芯上绕有两个绕组，一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁尺时在拾磁线圈中感应电压为：txUUsin2sin0 54机器人技术及应用（3）.测量方式A、鉴幅测量方式 如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为/2的两组信号 两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的检测线路比较简单，但分辨率受到录磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以不常采用。 xUU2sin0155机器人技术及应用B.鉴相测量方式v将一组磁头的励磁信号移相90，则得到输出电压为v在求和电路中

12、相加，则得到磁头总输出电压为txUUcos2sin01txUUsin2cos02txUU2sin0 56机器人技术及应用v一、直流测速发电机v二、光电式速度传感器v三、差动变压器式速度传感器v四、加速度传感器6.2.3 速度、加速度传感器速度、加速度传感器57机器人技术及应用一、直流测速发电机一、直流测速发电机 测速发电机的结构有多种，但原理基本相同。图所示为永磁式测速发电机原理电路图。恒定磁通由定子产生，当转子在磁场中旋转时，电枢绕组中即产生交变的电势，经换向器和电刷转换成正比的直流电势。 MI0RLV058机器人技术及应用 光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度V通过光电池的遮挡板时，光电

13、池输出阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔t，则可测得速度为x00ett光电池挡板V速度测量0e微分电路txV/59机器人技术及应用 光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测得转速为透 镜光 源光 电 器 件带 缝 隙 圆 盘指 示 缝 隙 盘tZNn6060机器人技术及应用 差动变压器式除了可测量位移外，还可测量速度。其工

14、作原理如下图所示。差动变压器式的原边线圈同时供以直流和交流电流，即tItimsin)(0I交 流电 源直 流电 源加 法 器跟 随 器跟 随 器i( t )xd xd t减法器低通滤波器放大器U61机器人技术及应用 当差动变压器以被测速度V=dx/dt移动时，在其副边两个线圈中产生感应电势，将它们的差值通过低通滤波器滤除励磁高频角频率后，则可得到与速度v（m/s）相对应的电压输出，即 差动变压器漂移小，其主要性能为：测量范围102000mm/s（可调），输出电压10V（max），输出电流10mA（max），频带宽度500Hz。vkIUv0262机器人技术及应用v 作为加速度检测元件的加速度传感

15、器有多种形式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片式和压电式等。 63机器人技术及应用 电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。应变片m悬臂梁Z (t)0Z (t)1充以阻尼液体的壳体64机器人技术及应用 压电加速度传感器结构原理如右图所示。使用时，传感器固定在被测物体上，感受该

16、物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形。压电元件产生引 出 线3质 量 块1 壳 体压 电 晶 片m4 2 65机器人技术及应用 下下图为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该传感器采用差动式结构，有两个固定电极，两极板之间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两端经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使两固定极相对质量块产生位移，使电容C1、C2中一个增大，另一个减小，它们的差值正比于被测加速度。这种加速度传感器的精度较高，频率响应范围宽，可以测得很高的加速度值。3241C12C66机器人技术及应用 。6.2.4 电子罗盘及陀螺仪电子罗盘及陀

17、螺仪67机器人技术及应用6.2.4 电子罗盘及陀螺仪电子罗盘及陀螺仪电子磁罗盘的原理是利用磁传感器测量地磁场。地球的磁场强度为0.5-0.6 高斯，与地平面平行，永远指向磁北极，磁场大致为双极模式：在北半球，磁场指向下，赤道附近 指向水平，在南半球，磁场指向上。无论何地，地球磁场的方向的水平分量，永远指向磁北极，由此，可以用电子罗盘系统确定方向。 电子罗盘有以下几种传感器组合： 双轴磁传感器系统：由两个磁传感器垂直安装于同一平面组成，测量时必需持平，适用于手持、低精度设备。 三轴磁传感器双轴倾角传感器系统：由三个磁传感器构成X、Y、Z轴磁系统，加上双轴倾角传感器进行倾斜补偿，同时除了测量航向还

18、可以测量系统的俯仰角和横滚角。适合于需要方向和姿态显示的精度要求较高的设备。 68机器人技术及应用1 三轴磁阻传感器测量平面地磁场，双轴倾角三轴磁阻传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。补偿。2 高速高精度高速高精度A/D转换。转换。3 内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向 角的温度漂移。角的温度漂移。4 内置微处理器计算传感器与磁北夹角。内置微处理器计算传感器与磁北夹角。5 具有简单有效的用户标校指令。具有简单有效的用户标校指令。6 具有指向零点修正功能。具有指向零点修正功能。7 外壳结构防水，无磁外壳结构防水，无磁. 6.2.4 电子罗盘及陀螺仪电子罗

19、盘及陀螺仪电子罗盘的特点：电子罗盘的特点：69机器人技术及应用6.2.4 电子罗盘及陀螺仪电子罗盘及陀螺仪 移动机器人在行进的时候可能会遇到各种地形或移动机器人在行进的时候可能会遇到各种地形或者各种障碍。这时即使机器人的驱动装置采用闭环者各种障碍。这时即使机器人的驱动装置采用闭环控制，也会由于轮子打滑等原因造成机器人偏离设控制，也会由于轮子打滑等原因造成机器人偏离设定的运动轨迹，并且这种偏移是旋转编码器无法测定的运动轨迹，并且这种偏移是旋转编码器无法测量到的。这时就必须依靠电子罗盘或者角速率陀螺量到的。这时就必须依靠电子罗盘或者角速率陀螺仪来测量这些偏移，并作必要的修正，以保证机器仪来测量这些

20、偏移，并作必要的修正，以保证机器人行走的方向不至偏离。人行走的方向不至偏离。 另外一方面，商用的电子罗盘传感器精度通常为另外一方面，商用的电子罗盘传感器精度通常为0.5度或者更差。而如果机器人运动距离较长，度或者更差。而如果机器人运动距离较长，0.5度的航向偏差可能导致机器人运动的线位移偏离值度的航向偏差可能导致机器人运动的线位移偏离值不可接受。不可接受。 70机器人技术及应用6.2.4 电子罗盘及陀螺仪电子罗盘及陀螺仪 ADXRS150速率陀螺 ADXL203内部结构 注意：由于人体容易累积高达4000V的静电，虽然ADXRS150ABG本身具有静电保护，但仍有可能被高能量的静电击穿而不被察

21、觉。因此，在使用时应遵守恰当的防静电准则，以避免不必要的损失。1)通常应用：车辆底盘滚转传感，惯性测量单元IMU，平台稳定，无人机控制，弹道测量等2)规格数据：在环境温度 25C,工作电压 5 V, 角速率 = 0/s, 带宽 = 80 Hz (Cout = 0.01 F),角速率0/S , 1g, 下测量。 71机器人技术及应用6.2.5 GPS全球导航系统全球导航系统GPS是美国军方研制的卫星导航系统，即“Global Positioning System”全球定位系统的简称。24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，任意时刻在地面上的任意一点都可以同时观

22、测到4颗以上的卫星。72机器人技术及应用 6.2.5 GPS全球导航系统全球导航系统 由卫星的位置精确可知，在由卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成颗卫星，就可以组成3个方个方程式，解出观测点的位置程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个个未知数，未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第和钟差，因而需要引入第4颗颗卫星，形成卫星，形成4个方程式进行求

23、解，从而得到观测个方程式进行求解，从而得到观测点的坐标和高度。点的坐标和高度。 而实际上，接收机往往可以锁住而实际上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。一组用作定位，从而提高精度。73机器人技术及应用6.2.5 GPS全球导航系统全球导航系统 由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有10米。为提高定位精度，普遍采用差分

24、GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。通常情况下，利用差分GPS可将定位精度提高到米级。但是使用差分GPS需要自行建立基准站，费用较高，通常需要数万至十多万人民币。 74机器人技术及应用6.2.5 GPS全球导航系统全球导航系统DGPS的原理如下图所示。的原理如下图所示。 75机器人技术及应用6.2.5 GPS全球导航系统全球导航系统 GPS卫星的信号强度非常弱。因此GPS接收机需要非常小心地处理天线、馈线等环节，

25、在使用中，太低的天线偏置电压会降低天线的增益，另外同轴电缆、连接器、电路板走线会衰减信号，要保证信号在通过天线、同轴电缆、连接器、电路板，到达RF_IN时有20dB以上的增益；为此，在设计GPS天线和馈线部分时要仔细阅读GPS模块提供的数据手册和应用指南，尤其是PCB（印刷电路版）上的从RF接头到模块RF_IN引脚的一段PCB走线，应按微带线设计（Micro strip），有阻抗匹配的要求。76机器人技术及应用 6.3 6.3 寻迹传感器寻迹传感器 寻迹传感器意义 寻迹传感器原理 寻迹传感器设计要求 寻迹传感器性能优化 其他寻迹传感器及原理77机器人技术及应用 6.3.1 6.3.1 寻迹传感

26、器意义寻迹传感器意义 随着科学技术的发展，机器人的传感器越来越多，但寻迹传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。78机器人技术及应用 6.3.1 6.3.1 寻迹传感器意义寻迹传感器意义常用寻迹传感器：79机器人技术及应用 6.3.2 6.3.2 寻迹传感器原理寻迹传感器原理一、基于反射光强度 其基本原理是采用光电传感器，根据条带和地面反射信号不同来检测机器人所在的位置。80机器人技术及应用 6.3.2 6.3.2 寻迹传感器原理寻迹传感器原理二、电阻分压光电接收管阻值负相关与光强。在无光照情况下，反向电阻为；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达几或以下。81机器人技术及应用 6.3.

27、2 6.3.2 寻迹传感器原理寻迹传感器原理三、常用电路a）当无反射光照射或光照较弱时，电阻为，此时三极管工作在放大区，输出电压很小；而当在反射光照射使电阻下降到几时，三极管工作在截止区，输出电压接近于。82机器人技术及应用 6.3.2 6.3.2 寻迹传感器原理寻迹传感器原理三、常用电路b）一种使用光电三极管的简单光电传感器电路，它采用带运算放大器的放大电路，稳定性、线性度及增益误差等均比晶体管放大电路好。83机器人技术及应用 6.3.2 6.3.2 寻迹传感器原理寻迹传感器原理三、常用电路c）一种采用电压比较器的光电传感器电路。通过调节可变电阻阻值，来改变参考电压值，以最终适应环境光强。8

28、4机器人技术及应用 6.3.2 6.3.2 寻迹传感器原理寻迹传感器原理四、常用电路分析a）检测深色条带85机器人技术及应用 6.3.2 6.3.2 寻迹传感器原理寻迹传感器原理四、常用电路分析b）检测浅色地面86机器人技术及应用 6.3.2 6.3.2 寻迹传感器原理寻迹传感器原理四、常用电路分析c）复杂路面87机器人技术及应用 6.3.2 6.3.2 寻迹传感器原理寻迹传感器原理四、常用电路分析c）复杂路面解决方法88机器人技术及应用 6.3.4 6.3.4 寻迹传感器设计要求寻迹传感器设计要求抗干扰性：比赛场地可能存在各种形式的强光干扰、电磁干扰、颜色干扰，必须有较好的抗干扰能力。可调性

29、：比赛场地上机器人的运行环境可能有别于当初调试的环境，即使同是赛，可能出发位置、灯光光照角度、日光光照情况均会变化，必须留有调节各种参数的环节，使得传感器工作在最佳状态。89机器人技术及应用 6.3.4 6.3.4 寻迹传感器设计要求寻迹传感器设计要求稳定性和快速性：一旦传感器移动到引导条带边缘，传感器应当及时、快速、稳定地触发，不允许有状态的抖动，否则会引起机器人的摇晃。成本低廉：对于机器人，价格是其推广的一个重要因素。故应选择性能满足要求的价格便宜的传感器，并适当在传感器上二次开发，以最大性能的发挥其作用。90机器人技术及应用 6.3.4 6.3.4 寻迹传感器性能优化寻迹传感器性能优化一、提高发射管功率：91机器人技术及应用 6.3.4 6.3.4