常用传感器原理

关于常用传感器原理第1页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三

感知系统是机器人能够实现自主化的必须部分。下面将介绍一下移动机器人中所采用的传感器以及如何从传感器系统中采集所需要的信号。第2页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三根据传感器的作用分，一般传感器分为：内部传感器（体内传感器）：主要测量机器人内部系统，比如温度，电机速度，电机载荷，电池电压等。外部传感器（外界传感器）：主要测量外界环境，比如距离测量，声音，光线。第3页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三根据传感器的运行方式，可以分为：被动式传感器：传感器本身不发出能量，比如CCD，CMOS摄像头传感器，靠捕获外界光线来获得信息。主动式传感器：传感器会发出探测信号。比如超声波，红外，激光。但是此类传感器的反射信号会受到很多物质的影响，从而影响准确的信号获得。同时，信号还狠容易受到干扰，比如相邻两个机器人都发出超声波，这些信号就会产生干扰。第4页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三传感器一般有以下几个指标：动态范围分辨率线性度频率第5页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三

动态范围：是指传感器能检测的范围。比如电流传感器能够测量1mA－20A的电流，那么这个传感器的测量范围就是10log（20/0.001)=43dB.如果传感器的输入超出了传感器的测量范围，那么传感器就不会显示正确的测量值了。比如超声波传感器对近距离的物体无法测量。第6页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三分辨率：分辨率是指传感器能测量的最小差异。比如电流传感器，它的分辨率可能是5mA，也就是说小于5mA的电流差异，它没法检测出。当然越高分辨率的传感器价格就越贵。线性度：这是一个非常重要的指标来衡量传感器输入和输出的关系。频率：是指传感器的采样速度。比如一个超声波传感器的采样速度为20HZ，也就是说每秒钟能扫描20次。第7页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三常用传感器编码器：主要用于测量电机的旋转角度和速度。任何用电机的地方，都可以用编码器来作为传感器来获得电机的输出。第8页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三绝对型编码器第9页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三增量型编码器第10页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三

电子罗盘：可以检测机器人与地球南北极之间的角度，从而获得机器人的朝向。但是精度很低。而且任何磁性物体都会造成罗盘失灵，比如扬声器。所以要配合其它传感器，比如编码器一起使用才能获得比较好的定位效果。主要有hall-effect和flux-gate两种：第11页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三陀螺仪：又分机械陀螺仪和光电陀螺仪。可以检测绝对朝向。但是目前价格过高，只在飞机上采用。目前最好的光电陀螺仪能提供100KHz的采样频率，同时提供0.0001degress/hr的分辨率。但是价格也是同样昂贵。第12页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三GPS系统：这个相比不需要太多的解释。GPS系统分为标准GPS和差分GPS系统。标准GPS系统能提供15m的误差定位，而差分GPS系统能提供高达1m内误差的定位。如果再考虑相位差信号的话，最新的GPS设备能提供精确到10cm的定位坐标。

第13页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三超声波传感器：超声波传感器是基于TOF原理。首先发射一组声波脉冲信号，然后一个积分器就开始计算发射时间。

TOF原理就是距离＝速度×时间，比如声波传输速度是0.3m/ms,如果3m的距离，需要10ms才能到达。然后通过计算这个返回的时间差来确定距离。但是如果是光速的话，光速是0.3m/ns，同样3m的距离，光只要10ns就到了。这就对检测元件提出了非常高的要求。这也是激光传感器价格居高不下的原因。第14页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三

一般超声波探测器的频率为40Hz，探测范围为12c‘m－5m，精度为98%-99.1%,分辨率为2cm。同时超声波是一个20－40度角的面探测，所以可以使用若干个超声波组成一个超声波阵列来获得180度甚至360的探测范围。超声波还有其它几个缺点，比如交叉感应，扫描频率低，尤其是使用超声波阵列的时候，还有回波衰减，折射等问题。不过对于移动机器人来说，超声波还是目前最廉价和有效的传感器。第15页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三测距声纳第16页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三

激光传感器：原理就是一个旋转得反射镜，将激光光束或者超声波按一定间隔反射出去，然后根据旋转得角度和时间差来得到不同角度得距离值。有3种检测方式：

1）使用脉冲激光，按一定间隔发射激光，然后计算返回时间。这种方法和超声波一样，但是激光速度太快，所以对检测元件要求太高，一般LaserScanner不用这种方式。

2）使用不同频率得激光，按照一点顺序，发射不同频率得激光，通过检测返回光束得频率来得到距离。

3）相位差。多数激光传感器用得是这种方法。通过检测发射激光和反射激光得相位差来得到距离。第17页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三

多普勒效应传感器：主要用于探测移动物体的速度。目前战斗机上用的雷达就是基于这个原理的。主要用于躲避快速移动障埃物。第18页，共21页，2022年，5月20日，23点49分，星期三

多普勒原理（Doppler)：假设发射器以频率ft发射波，接收器以频率fr接受波，发射器和接收器之间的相对速度为v。如果发射器在移动，则

fr=ft/(1+v/c)

如果接收器在移动，则

fr=ft(1+v/c)

通过计算多普勒频移来得到相对速度v。

f=ft-fr=2*ft*v*cosA/