智能机器人技术导论PPT完整全套教学课件

绪论1.1机器人的产生与发展1.2典型的机器人系统第1章：概论第2章：机器人系统基础第3章：机器人感知系统第4章：机器人导航技术第5章：机器人协作系统第6章：机器人智能第7章：机器人仿真与软件仿真第8章：机器人竞赛全套可编辑PPT课件1.1机器人的产生与发展机器人的产生机器人的定义机器人的发展机器人的应用1.1.1机器人的产生发展应用机器人的目的在于：

(1)提高生产效率降低人的劳动强度；

(2)机器人做人不愿意做或做不好的事；

(3)机器人做人做不了的事情1.1.2机器人的定义至今还没有机器人的统一定义，不同协会对机器人的定义有所不同。<1>美国机器人协会(RIA)曾把机器人定义为一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能机械手。

2>日本工业机器人协会(JIRA)把工业机器人定义为一种有记忆装置和末端执行器(endeffector)的装备，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器1.1.2机器人的定义

<3>国际标准化组织(ISO)把机器人定义为：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。如果不追求严格定义，可将机器人定义为一种具有拟人功能的、可编程的、自动化的机械电子装置。1.1.3机器人如何发展1921——Rossums“Robot”一词实际来源于一部歌剧，1921年捷克的剧作家KarlCapek在Rossums万能机器人剧作中，创造了机器人这个名词。1942年——机器人三大定律

美国科幻巨匠阿西莫夫在科幻小说中提出的“机器人三定律”已经成为学术界默认的研发原则：1>机器人不得伤害人，也不得见人受到伤害而袖手旁观。

<2>机器人应服从人的一切命令，但不得违反第一定律。

<3>机器人应保护自身的安全，但不得违反第一、第二定律。1948年——《控制论》1948年，诺伯特·维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制技能与人的神经，感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。1954年——Unimate1954年，德沃尔和英格伯格联手制造出了第一台工业机器人Unimate。随后成立了世界第一家机器人公司Unimation。1966年——Shakey1966年，美国斯坦福研究所人工智能中心的研制第一个真正可移动和感知的机器人——Shakey（沙基）机器人。Shakey被认为是机器人革命的开始，该项目结合了机器人学、计算机视觉和自然语言处理的研究。1970年——Wabot-11970年，日本早稻田大学建造了第一个拟人机器人Wabot-1。它可以自行导航和自由移动。1989年——Genghis1989年，麻省理工学院的研究人员制造的六足机器人Genghis（成吉思汗），它被认为是现代历史上最重要的机器人之一。1999年——AIBO1999年，AIBO（爱宝），是索尼创造的几个机器人宠物之一。AIBO也有“学习并成熟”的能力。2000年——Kismet2000年，麻省理工学院发明了一种能够识别和模拟情绪的机器人Kismet。2005年——BigDog2005年，波士顿动力狗，或称“BigDog（大狗）”，是波士顿动力公司与福斯特米勒（FosterMiller）、喷气推进实验室、哈佛大学合作创建的一款四足机器人。2015年——Brett2015年，加州大学伯克利分校的Brett机器人利用基于神经网络深度学习算法，以试错方式主动学习。例如，对于组装玩具，机器人会不停尝试，直至它清楚组装的原理。2017年——Sophia2017年10月，由汉森机器人公司（HansonRobotics）制造的机器人索菲亚（Sophia）获得沙特阿拉伯公民身份，成为第一个获得国家公民身份的机器人。机器人的应用按机器人的应用领域分类1.生产劳动型机器人汽车制造机器人建筑机器人现在生产劳动型机器人主要应用于汽车制造业、机电制造业、建筑业、加工铸造业以及其他重工业和轻工业部门。1.生产劳动型机器人

在农林畜牧业方面，机器人主要用于水果和蔬菜嫁接、收获、检验与分类，羊毛牛奶生产等。采摘机器人嫁接机器人2.服务型机器人

服务机器人的应用范围很广，主要从事医疗、餐饮，监护，清洗、保安、救援、等工作。2.服务型机器人扫地机器人送餐机器人2.服务型机器人脑外科机器人快递分拣机器人3.科研探索型机器人水下探索机器人空间探索机器人

帮助人们在恶劣或不适于人类工作的环境中执行科研探索任务。机器人系统基础2.1机械臂的结构2.2机器人的行走机构2.3机器人驱动控制机器人系统基础

2.1.1机械臂的分类与作用

机械臂机械臂主要是仿照人类手臂的运动原理来设计制造。按已有的固定程序实现特定动作的自动化操作装置。机械臂代替人类完成危险、重复、枯燥的任务机械臂分类一、机械臂分类——空间几何运动形式1.直角坐标系空间直角坐标系下一点P坐标表示空间直角坐标系也称笛卡尔坐标系，直角坐标系任意一点P的坐标（x,y,z）进行表示。空间任意位置可以沿着X,Y,Z轴来获得。直角坐标系直角坐标系型机械臂（PPP ）直角坐标系机械臂模型直角坐标系机械臂的运动空间直角坐标系型机械臂运动是X,Y,Z三轴平动。PPP的作业空间是一个长方体

直角坐标系型机械臂优点：构造相对简单，经济成本低，控制简单。缺点：机械臂的移动只能是直线，或者说是折线，运动不灵活。直角坐标系机械臂2.圆柱坐标系圆柱坐标系任意一点P的坐标用进行表示。直角坐标系与圆柱坐标系的变换关系圆柱坐标系圆柱坐标型机械臂（RPP）

RPP工作空间是一个圆柱体。圆柱坐标系机械臂模型圆柱坐标系机械臂的运动空间机械臂的运动是由一个转动和两个平动构成圆柱坐标型机械臂优点直观性更好，结构简单，机械臂所占空间小且在空间中运动辐射范围大。缺点灵活度有一定局限性。圆柱坐标系机械臂3.球形坐标系

球坐标系任意一点P的坐标用进行表示。直角坐标系与球坐标系的变换关系球形坐标系球坐标型机械臂（RRP）机器人的运动是由一个平动和两个转动构成。RRP工作空间是是一个球体。球型坐标系机械臂模型球型坐标系机械臂的运动空间球坐标型机械臂（RRP）优点：灵活性更高，可以相对自由的移动到球体空间的任意位置，动作范围大。球型坐标系机械臂二、机械臂分类——驱动方式电气驱动电机驱动常采用不同的伺服电机，虽然手臂整体构造比较简单，但仍能实现复杂的运动，并且控制精度高，反应速度也灵敏，智慧化程度很高。能耗一般较小，常用于轻载或中载场合。电气驱动液压驱动液压驱动需要装配电机和液压泵外，还需要需要搭配不同的管道，手臂结构比电机驱动更为复杂。虽然液压驱动智慧化程度低，很难实现复杂的动作，动作也比较迟缓，能耗高，但可以实现大功率，大转矩输出。常用于重载场合。液压驱动气压驱动气压驱动则需要搭载电机和气泵，也需要安装管道，结构也比较复杂。智慧化程度一般，一般实现抓取这类简单的动作，动作迅速，能耗一般，常用于轻载场合。气压驱动三、机械臂的作用1、机械臂可以改善劳动条件，避免人身事故。铸造业采矿业机械臂的作用2、可以减轻劳动强度，提高生产效率。实现生产过程中的自动化，智能化。自动插秧机机械臂的作用3、实现完成人手不能做的工作芯片制造达芬奇手术机器人2.1.2机械臂机构设计一、机械臂的组成二、机械臂设计

一、机械臂的组成机械臂手部、腕部、臂部和立柱底盘等部件组成。机械臂组成

1.——手部

手部是装在机械臂手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。

手部的设计一般依据作业任务和操作对象的具体实际情况来选择合适的种类。

机械臂简图——手部手部设计分类2)手部分类

手部——按用途分类手爪的主要功能是抓住工件、握持工件和释放工件。作业工具是进行某种作业的专用工具。手爪操作工具——喷枪手部——按加持原理分类手部——按夹持方式——机械钳爪式外夹式钳爪内撑式钳爪手部又可分为机械钳爪式和吸附式两大类手部——按夹持方式——吸附式

磁力吸附式真空吸附式吸附式手部可分为磁力吸附式和真空吸附式两种

2.机械臂组成——腕部

腕部是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方姿势。腕部的设计一般依据作业任务的运动空间和轨迹来选取不同的类型结构。机械臂简图腕部设计分类自由度是指机械手各运动部件在三维空间坐标轴上所具有的独立运动数。腕部设计1.一般单自由度手腕的运动形式为俯仰型（用字母P表示）或回转型（我们用字母R表示）。单自由度手腕的运动轨迹是一条线。2.二自由度手腕则是俯仰型和回转型的组合。可以组合成双俯仰型和俯仰回转型，但是不能构成双回转型。二自由度手腕的运动空间是一个面。3.三自由度手腕同样是俯仰型和回转型的组合。常用的结构PPR,RRR,PRR,RPR。三自由度手腕的运动空间是一个立体空间。腕部3.机械臂组成——臂部臂部可由大臂、小臂或多臂所组成，其作用是支撑手部和腕部，并且可以通过伸缩、回转、俯仰和升降等运动改变手部的空间位置。机械臂简图臂部设计的基本要求

(1)手臂应具有足够的承载能力和刚度(2)手臂质量和转动惯量要小。(3)手臂运动要平稳，定位精度要高。(4)手臂导向性要好。4.机械臂组成——立柱立柱是支撑手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。机械臂简图5.机械臂组成——机座机座是机械手的基础部分，起到固定支持和作用，机械臂驱动系统通常安装于机座上。机座的设计方式：移动式，非移动式。

机械臂简图机座移动式机械臂非移动机械臂机械臂设计机械臂总体设计一般分为系统分析和技术设计两大步骤，从整体出发研究系统内部各组成部分之间及外部环境与系统之间的相互关系。(一)系统分析

(1)根据机械臂的使用场合，明确机械臂的目的和任务。(2)分析机械臂所在系统的工作环境，包括机械臂与已有设备的兼容性。(3)认真分析系统的工作要求，确定机机械臂的基本功能和方案。(二)技术设计1)机械臂基本参数的确定

2)机械臂运动形式的选择

3)拟订检测传感系统框图.4)确定控制系统总体方案，绘制框图。5)机械结构设计

2.2机器人行走机构2.2.1轮履式行走结构2.2.2足式行走机构机器人行走机构机器人行走机构的分类生活中的轮子万向轮全向轮Mecanum轮全向轮运动图Mecanum轮运动图轮式移动机构轮式移动机构根据车轮的多少分为1轮、2轮、3轮、4轮和多轮机构。1轮2轮3轮4轮多轮差动轮式行走机构差动运动是将两个有差异的，或是将不同的独立运动合成为一个运动。差动轮系的结构是由两个轴线平行的驱动轮，以及一个或多个从动轮构成。通过控制两个驱动轮的速度，进而控制机械底盘的移动方向和速度。差动轮式差动轮式行走机构两轮轮系1.当两驱动轮具有相同的速度时，就能使得机器人进行直线运动。2.当一个驱动轮的速度为零,另一个驱动轮速度不为零时,机器人就会绕前一驱动轮与地面的接触点作旋转运动。3.当两驱动轮速度出现其他情况时，机器人的运动将会是这两种分运动的合运动。两轮轮系三轮轮系。三轮移动机构结构有以下三种情况：三轮轮系前轮由操舵结构和驱动结构合并而成，方向控制和速度控制均由前轮进行控制。图(a)前轮为操舵轮，后两轮由差动齿轮装置驱动。方向控操舵轮进行控制，差动齿轮装置进行变速控制。图(b)前轮为万向轮，仅起支撑作用，后两轮分别由两个电机独立驱动。图(c)四轮轮系图（d）前轮为操舵轮，后轮为两个驱动轮。前轮负责控制转向，后轮负责驱动。图（d）由四个可操作动力轮构成的底盘模型图（e）轮式行走机构特点运动速度快能量消耗少机械结构简单运动控制容易但其环境适应性差，常用于平坦无阻的地面环境。履带式行走机构履带式行走机构的特征是将圆环状的履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接同地面接触，而是利用履带缓和地面的凹凸不平。

履带式移动机器人履带行走机构

常用履带通常为方形或倒梯形履带行走机构关节式履带移动机构履带的常见类型履带常见类型有同步履带和活节履带等。1.同步带/齿形带

同步带传动是依靠带与带轮啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比同步带带轮同步带特点同步带作为履带的优点：效率高，设计简单。同步带作为履带的缺点：同步带应用灵活性差。2.活节履带活节履带是将履带分解为单独的履块，通过连杆对各个履块进行连接进行传动。

活节履带活节履带特点活节履带的优点：活节履带可以任意增减履块，因此具有较好的灵活性；

活节履带的缺点：（1）各履块之间靠连杆连接，若连杆处受力不均则易发生损坏。（2）活节履带运行噪音较大履带式行走机构的特点履带式行走机构稳定性好、越野能力和地面适应能力强。但其机械结构复杂，质量大；不仅能耗大，而且运动速度慢，噪声大。2.2.2足式行走机构自然界的足式生物足式机器人越障足式行走机构对环境有很强的适应性,可以在复杂的自然环境中快速移动，翻越障碍物。足式机器人优点2.2.2足式移动结构各种足式机器人1.两足结构类人双足模型两足步行机器人具有良好的环境适应性，其运动结构也最接近人类，故也称之为“类人双足行走机器人”。类人双足运动模型2.四足结构波士顿动力BigDog3.六足结构六足机器人又叫蜘蛛机器人，它是一种仿生机器人，同时也是多足机器人的一种。步态是指机器人的运动形式，主要指六足机器人相继迈步的顺序。通过调整迈步的顺序和频率来调整身体的位姿。六足机器人常见的周期步态：二步态、三步态和六步态。六足机器人二步态二步态将机器人的六条足分为两组，每组有三条足且均为摆动相或支撑相。机器人运动过程中一组为摆动相，则另一组为支撑相，两组在摆动相和支撑相间循环切换。摆腿的顺序为153—426—153。二步态运动三步态三步态将六条腿分为两组，处于对角的两条腿为一组。在摆动的过程中，同一时间只会有一组腿处于摆动相，其他腿都处于支撑相，从而构成了四边形支撑，扩大了支撑区域。三步态运动的特点：稳定性和灵活性好，能够适应在复杂环境中快速行进。摆腿的顺序为15-26-34-15。三步态运动六步态六步态也叫做自由步态。六步态运动的特点：稳定系数最高，常用于在崎岖的山地行走。摆腿的顺4-2-6-1-5-3-4-2-6。六步态运动轮式、履带式、足式行走机构的比较1、轮式机器人更适合平坦的路面，并且能高速移动。但容易打滑，不平稳，对复杂地形无能为力。2、履带式机器人能更好的适应松软的地形。履带与地面接触面积大，运动更加平稳。缺点是无法应对对高地落差较大的地形。3、足式机器人几乎可以适应各种复杂地形，能够跨越障碍，缺点是行进速度较低，运动控制更加复杂。混合式移动机器人波士顿动力Handle在实际应用中需要根据实际情况设计混合式行走机器人机器人驱动控制2.3.1驱动电机2.3.2驱动控制2.3.1驱动电机一、驱动电机的特点及要求1）可控性高(2)精度高(3)可靠性高(4）响应迅速（5)环境适应性强二、驱动电机伺服电机伺服电机又称执行电动机，其功能是把所接收的电信号转换为电动机转轴上的角位移或角速度的变化。伺服电机的转速和转向取决于控制电压的大小和相位，并且转速随着转矩的增加而下降。伺服电机直流伺服电机的基本结构直流伺服电机的基本结构与普通直流电机并无本质的区别。也是由装有磁极的定子、可以转动的电枢（转子）和换向器组成。电机结构图直流伺服电动机的特点(1)具有较大的转矩，以克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩；(2)调速范围宽，且运行速度平稳；(3)具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化；(4)电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的影响。直流伺服电动机调速方法直流电动机的转速控制方法可以分为调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法两类。交流伺服电动机的基本结构交流伺服电动机本质上是一种两相异步电动机。定子上装有两个在空间相差90度的绕组即励磁绕组和控制绕组。交流伺服电动机的特点交流伺服电动机的优点是结构简单、成本低、无电刷和换向器；缺点是易产生自转现象、特性非线性且较软、效率较低。直流电动机电机都是由定子和转子组成,在直流电机中，为了让转子持续转动，需要不断改变电流方向。否则转子每次只能转半圈，所以直流电机需要换向器。广义的直流电机包括有刷电机和无刷电机。有刷直流电机结构原理有刷电机的定子上安装有固定的主磁极和电刷，转子上安装有电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流产生的磁场与主磁场相互作用产生电磁转矩，使电机旋转带动负载。有刷直流电机结构图有刷直流电机特点由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构更复杂，可靠性较差，易出现故障，运行维护工作量大，使用寿命短，同时也容易产生电磁干扰。无刷直流电机无刷直流电机是指无电刷和换向器的直流电机。电机中电刷与换向器被晶体管换向电路所代替。无刷直流电机原理示意图无刷直流电机特点无刷直流电动机在重量和体积上要比有刷直流电机小得多，相应的转动惯量可以减少40%-50％左右。调速范围广、使用寿命长、运行维护方便，不存在因电刷而引起的一系列问题。无刷直流电机在汽车、工业工控、机械自动化仪器以及航空航天等领域都有广泛的应用。全自动消毒机器人工业工控步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。每输入一个脉冲，步进电机就按设定的方向转动一个固定的角度。步进电机调速电机总的转角与输人脉冲数成正比，相应的转速取决于输人脉冲频率。控制脉冲个数就可控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度从而达到调速的目的。步进电机特点步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品，如数控机床、机械臂、计算机外部设备等。机械手2.3.2驱动控制一、驱动控制任务二、底层控制任务三、驱动控制策略一、驱动控制任务1.姿态稳定控制姿态稳定控制是移动机器人姿态控制的主要目标。姿态稳定控制借助内部传感器控制机器人运动重心，保障机器人运动平衡。2.路径跟踪控制路径跟踪控制是控制机器人以恒定的前向速度跟踪给定的几何路径，并不存在时间约束条件。路径跟踪忽略了对运动时间的要求而偏重对跟踪精度的要求。3.轨迹跟踪控制相对于路径跟踪控制,轨迹跟踪控制要求在跟踪给定几何路径中加入了时间约束。机器人在运动时需要及时躲避障碍物。对此要求机器人可以事先规划出一条运动轨迹,从当前位置出发,让机器人跟踪这条轨迹以躲避障碍物二、底层控制任务无论移动机器人采用何种移动机构、执行何种控制任务，其底层控制通常可以分为速度控制、位置控制以及航向角控制等几种基本模式。而运动控制的实现最终都将转化为电动机的控制问题。1.机器人速度控制机器人的速度可以转化为带负载的电机转速控制2.机器人位置控制

期望位置和感知位置之间的位置偏差通过位置控制器和一个位置前馈环节转化成速度给定信号，借助速度内环将位置控制问题转化成了电机的转速控制问题，进而实现移动机器人的位置控制。3.机器人航向角控制航向控制是路径跟踪的基础。移动机器人的位置偏差和航向偏差最终都将转化成转速偏差的控制。这就需要根据机器人当前状态来规划航向控制，航向控制借助于两轮之间的位移差来实现。三、机器人的控制策略1.PID控制PID控制器：P为比例控制、I为积分控制、D为微分控制。通过整定PID算法中的kp、ki和kd参数来确定控制算法。常规PID控制原理框图不同比例系数下的系统响应曲线积分系数Ki：主要作用于系统进入稳态阶段时会消除系统误差。提高控制的调节精度。微分系数Kd：主要作用于系统的动态响应性能，抑制偏差的变化。PID控制特点PID控制算法结构简单、易于实现,并具较强的鲁棒性。当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,应用PID控制技术最为方便。PID控制算法参数的整定就是选择PID算法中的kp、ki、kd参数，使相应的计算机控制系统输出的动态响应满足某种性能要求。PID参数整定的方法理论设计法：适用于可以建立准确的数学模型的被控对象。实验确定法：通过仿真和实际运行，观察系统对典型输人作用的响应曲线，根据各控制参数对系统的影响，反复调节实验，以确定合适的PID参数。2.4驱动电源一、电缆供电型二、电池供电型一、电缆供电型水下机器人管道机器人二、电池供电型机器人电池要求要求电池体积小、重量轻且能量密度大。易维护，抗机械震动、安全可靠。电池定义:电池是指能将化学能、内能、光能、原子能等形式的能直接转化为电能的装置。最早的电池——伏打电池意大利物理学家——伏打伏打电池原理图伏打电池实物图电池分类在化学电池中，根据能否用充电方式恢复电池存储电能的特性，可以分为一次电池(也称原电池)和二次电池(又名蓄电池或可充电电池，可以多次重复使用)两大类。

1.干电池1、干电池属于化学电源中的原电池，或者称为一次电池。2、适用范围:不仅适用于手电筒、遥控器、玩具等，而且在国防、科研医学等领域都有应用。3、干电池属于一次性使用，成本相对较高，无法实现大电流连续工作。2.铅酸蓄电池(1)组成:1、阳极板(过氧化铅.Pb02)-->活性物质2、阴极板(海绵状铅.Pb)---活性物质3、电解液(稀硫酸)---硫酸.H2SO4+水.H2O4、隔离板、电池外壳等附件铅酸蓄电池的特点优点：价格较低，可靠性高，没有忆效应并能大电流放电。缺点：质量大，使用寿命较低且维护困难。免维护蓄电池的性能特点1、自放电量小2、失水量小3、启动性能好4、使用寿命和储存寿命长5、使用方便3.镍镉电池(1)组成:1、阳极板：氢氧化镍2、阴极板：金属镉3、电解液：氢氧化钾溶液4、隔离板、电池外壳等附件镍镉电池特点优点：它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单等优势。缺点：在充放电过程中如果处理不当,会出现严重的“记忆效应”,使得电池容量和使用寿命大大缩短。4.锂电池组成:1、阳极板：锂化物2、阴极板：石墨3、电解液：有机溶剂（非水电解液）4、隔离板、电池外壳等附件锂电池特点优点：电池能量密度高，质量轻、自放电率低，充电时间短。缺点：电池价格较高，安全差，需要配备充电保护电路。5.太阳能电池太阳能电池是将太阳能转换成电能的装置，且不需要透过电解质来传递导电离子，而是通过半导体产生的PN结来获得电位。太阳能电池原理当半导体受到太阳光的照射时，大量的自由电子伴随而生，而此电子的移动又产生了电流，也就是在PN结处产生电位差。我国首辆火星车太阳能电池的特点优点：节能环保缺点：价格较高、尺寸较大，重量较重、使用环境受限制、必须搭配蓄电池使用。机器人感知系统3.1感知系统构成1阿西莫夫机器人人体五官2感知系统

感知系统将机器人各种内部状态信息和外部环境信息，转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据或信息。3感知系统的构建机器人感知系统的构建包括：系统需求分析、环境建模、传感器的选择。4传感器采集的信息可分为以下5类。51.视觉视觉是获取信息最直观的方式，是机器人感知系统最重要的组成部分之一。视觉信号处理一般包括三个过程：图像获取、图像处理和图像理解。视觉传感器2.触觉一般地，把检测感知或外部直接接触而产生的接触、压力、滑觉的传感器，称为机器人触觉传感器。接近觉传感器可视为广义的触觉传感器。机器人在移动或操作过程中获得自身与目标（障碍）物的接近程度。3.听觉机器人拥有听觉，可以实现人机交互。人机交互的决定性技术是语音技术，它包括两个方面：语音识别和语音合成技术。机器人听觉4.嗅觉机器人嗅觉系统通常由交叉敏感的化学传感器阵列和模式识别算法组成，可用于检测、分析和鉴别各种气味。吹气式酒精检测仪5.味觉传感器机器人的味觉是由数个具有交叉灵敏度的味觉传感器组合成传感器阵列,并结合模式识别技术构成味觉识别系统。可用来检测和分析各种液体成分。糖度检测仪内传感器来监测自身情况，外传感器来监测外部环境。1)内部传感器内部传感器通常用来确定机器人在其自身坐标系内的姿态位置。常用来检测机器人的速度、倾斜程度、温度等。2)外传感器外传感器用于机器人的定位或检测作业环境。外传感器负责检测距离、接近程度及接触程度之类的变量，便于机器人的运动处理和环境中物体的识别。按照机器人作业的内容，外传感器通常安装在机器人的头部、肩部、腕部、臀部、腿部、足部等。多传感器数据融合技术多传感器数据融合技术是通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用，把多个传感器在时间和空间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合，以获取被观测对象的一致性解释或描述。无线传感器网络无线传感器网络是由部属在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个自组织的网络系统。无线传感器网络的功能：1、无线传感器网络显著地扩展了移动机器人的感知空间，提高了移动机器人的感知能力。2、无线传感器网络和机器人技术相结合可以有效地改善和提高系统的整体性能。机器人感知系统3.2距离感知距离感知送餐机器人机器人测距目的实时地检测自身所处空间的位置，用以进行自定位；实时地检测障碍物距离和方向，为行动决策提供依据；检测目标姿态或进行简单形体的识别，用于导航及目标跟踪。1.声呐测距声呐测距的媒介：超声波声呐测距的传感器：超声波传感器声呐测距的方法：脉冲回波法（渡越时间法）声呐传感器声呐测距的原理声呐测距的原理：通过测量超声波经反射到达接收传感器的时间和发射时间之差来实现机器人与障碍物之间的测距。脉冲回波法公式发射传感器向空气中发射超声波脉冲，声波脉冲遇到被测物体反射回来，由接收传感器检测回波信号。若测出第一个回波达到的时间与发射脉冲间的时间差，即可算得传感器与反射点间的距离s。距离测算公式为。其中c为材料中的声速。t为声波的往返传播时间。声呐测距的特点测距声呐信息处理简单、速度快和价格低,被广泛用作移动机器人的距离测量。采用声呐测距可以实现避障、定位、环境建模和导航等功能。2.红外测距

红外测距的媒介：红外光红外测距的传感器：红外线传感器红外测距的方法：反射光强法红外线传感器红外测距原理

红外传感器由一个可以发射红外光的固态二极管和一个接收器反射光的固态光敏三极管。当光强超过一定程度时光敏三极管就会导通，反之截止。红外测距原理（反射光强法）：根据反射光的强弱判断物体的距离，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。红外测距原理红外测距的特点优点：便宜，易制，安全，缺点：精度低，测量范围小，方向性差。红外测距仪3.激光扫描测距基本原理：激光测距仪向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光扫描测距的两种方法：三角法、相位法激光测距传感器三角扫描法三角扫描法的原理图如下图所示其中光源与基线之间的角度β和光源与检测器之间的基线距离B已知,可根据几何关系求得测量距离D。三角法相位扫描法相位扫描法原理如图（a）所示,波长为λ的激光束被一分为二。一束为参考光束经过距离L到达相位测量装置,另一束经过距离d到达反射表面。反射光束经过的总距离为:如图(b)图所示,若d=0,此时,d‘=L,参考光束和反射光束同时到达相位测量装置。若d增大,反射光束与参考光束间将产生相位移。（1）（2）若θ=2kπ,k=0,2,...两个波形将再次对准。因此只根据测得的相位移,无法区别反射光束与发射参考光束。因此只有要求,才有唯一解。把d'=L+2d代人式(3),可得:激光扫描测距传感器安装在可移动的物体上,每隔一定时间,扫描器在前方扫描一定的角度,并且每隔一定的角度采集得到障碍物的距离。这样便可以得到机器人周围的物理和空间环境。（3）

激光扫描测距的特点激光扫描测距精度高，方向性好，且操作简单，测距速度快。但如果发射器表面有水或者有灰尘，光线会发生其他反射，产生假信号，导致测量不准。激光扫描测距仪3.3位姿感知3.3.1旋转位移测量3.3.2姿态航向测量3.3.1旋转位移测量

电位器电位器主要是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出。电位器结构：电位器式位移传感器由一个线绕电阻(图2示电阻体)和者一个滑动触点（滑动片）组成电位器原理：其中滑动触点通过机械装置由被检测量控制。当被检测的位置量发生变化时，滑动触点跟着发生位移，从而改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻值和输出电压值。再根据输出电压值的变化，可以检测出机器人各关节的位置和位移量。图2电位器原理图图1电位器实物图直线型电位器电位器式位移传感器由一个线绕电阻(或薄膜电阻)和者一个滑动触点组成。其中滑动触点通过机械装置受被检测量的控制。当被检测的位置量发生变化时,滑动触点也发生位移,从而改变了滑动触点与电位器各端之间的电阻S值和输出电压值,根据这种输出电压值的变化,可以检测出机器人各关节的位置和位移量

直线型电位器主要用于检测直线位移，其电阻器采用直线型螺线管或直线型碳膜电阻，滑动触点沿着电阻的轴线方向做直线运动。直线型电位器的工作范围和分辨率受电阻器长度的限制。线绕电阻和电阻丝本身的不均匀性会造成直线电位器的输入和输出关系呈非线性。直线型电位器实物图直线型电位器原理图旋转型电位器电阻元件呈圆弧状,滑动触点在电阻元件上做圆周运动。旋转型电位器有单圈电位器和多圈电位器两种。旋转型电位器原理图旋转型电位器实物图电位器的特点优点：构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定；缺点：要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。光电编码器光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器的特点：体积小，精度高，分辨度高，且无接触无磨损。光电编码器不仅可检测角度位移，还可以在机械转换装置帮助下检测直线位移。光电编码器实物图光电编码器光电编码器是由光源、光码盘和光敏元件组成。光电编码器结构图光电编码器圆形码盘上沿径向有若干个同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成。相邻码道的扇形区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数。在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道则有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据光照情况，决定转换的电平信号，从而形成二进制数。光电编码器原理图绝对型光电编码器绝对型光电编码器是由光源、光码盘和光敏元件组成。绝对编码器是直接输出数字量的传感器，它能提供运转角度范围内的绝对位置信息。绝对型光电编码器原理图绝对型光电编码器——码盘绝对型光电编码器特点绝对型光电编码器特点：可以直接读出角度坐标的绝对值，没有累积误差；分辨率是由二进制的位数来决定的，码道越多，分辨率就越高。电源切除后位置信息不会丢失。相对型光电编码器相对型光电编码器是由单路或两路光源、光码盘和光敏元件组成。相对编码器通过计算脉冲个数来得到输入轴所转过的相对角度。相对型光电编码器的特点相对型光电编码器的特点相对型光电编码器的码盘加工相对容易,成本比较低。相对型编码器没有“记忆”功能,故掉电后需要再次完成校准。分辨率高3.3位姿感知3.3.2航向姿态测量姿态航向测量的必要性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量到的。这时就必须依靠电子罗盘或者角速度陀螺仪来测量这些偏移，并作必要的修正，以保证机器人行走的方向不至偏离。航向姿态测量磁罗盘定义：磁罗盘是一种基于磁场理论的绝对方位感知传感器。作用：借助于磁罗盘，机器人可以确定出自己相应于地磁场方向的偏转角度。机械式磁罗盘早期的磁罗盘将磁针悬浮于水面或者悬置于空中来获取航向。现在的机械式磁罗盘系统将环形磁铁或者一对磁棒安装于云母刻度盘上，并将其悬浮于装有水与酒精或者甘油混合液的密闭容器中。特点：结构简单，但易受外界干扰指南针磁通门罗盘磁通门罗盘：利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场。

磁通门罗盘的结构：检测头、信号处理电路优点：灵敏度高、可靠性好、体积小、启动快。磁通门罗盘霍尔效应当在空间中施加垂直于霍尔元件的磁场时，霍尔元件中的载流子在洛仑兹力的作用下会霍尔元件左右两端积聚电荷，产生一个电场，该电场称为霍尔电场。当电荷聚集到一定程度后，会产生霍尔电压。霍尔效应原理图霍尔效应罗盘霍尔电压与磁场强度成正比，并跟随磁场强度做线性变化，基于这种原理设计出了能够检测载体方位角度的霍尔效应罗盘。霍尔效应罗盘特点：测量精度高、线性度好，但易受温度影响。霍尔效应罗盘磁阻式罗盘磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。磁阻式罗盘就是利用磁阻元件制作成的罗盘。特点：精度高、范围广且能耗低。电子罗盘电子罗盘是测量航向角比较经济的一种电子仪器。电子罗盘有以下几种传感器系统:（1）双轴磁传感器系统；（2）三轴磁传感器双轴倾角传感器系统；（3）三轴磁传感器三轴倾角传感器系统。电子罗盘引入陀螺仪的必要性但商用的电子罗盘传感器精度通常为0.5度，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过大。为了解决这类误差，需要借助陀螺仪来提供极高精度的角速率信息，通过积分运算可以在一定程度上弥补电子罗盘的误差。陀螺陀螺：将绕一个支点高速转动的刚体陀螺的回转效应：在一定的初始条件和一定的外力矩的作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转。陀螺自行车轮陀螺仪陀螺仪是一种用来感测与维持方向的装置。可以检测随物体转动而产生的角速度它可以用于移动机器人的姿态检测，以及转轴不固定的转动物体的角速度检测。陀螺式仪的种类：角速度陀螺仪，速率陀螺仪、方位陀螺仪陀螺仪图A角速度陀螺仪角速度陀螺仪由一个框架和转子构成，其传感器的输出的电压信号与输入角速度成比例关系。它可用于敏感转角、角速度、角加速度等信息检测；角速度陀螺仪可以将的角速度值在时间上进行积分后得到角度值。从而达到检测重力方向或姿态角变化的目的。角速度陀螺仪的结构3.4力觉感知事例一机械手运送货物事例二机械手拧螺丝机器人作业机器人作业的本质实际上是一个借助不同类型的传感器与周围环境交互的过程。机器人的作业过程的分类1、非接触式作业2、接触式作业非接触式作业喷涂作业识别作业接触式作业抛光作业装配作业搬运作业应变式力觉传感器应变式力传感器的一端固定，另一端为自由的弹性敏感装置，当有力作用在其上时，敏感装置受力发生蠕变。在不加力的状态下，电桥上的四个电阻是同样的电阻值R。假若应变片被拉伸，应变片的电阻增加△R。此时电桥平衡的条件被破坏，使输出电压或电流产生跃变，其跃变值直接反映受力大小。应变片力觉传感器结构图测量电路力觉传感器的结构常见的结构设计：环式、圆筒式、四根梁式、垂直水平梁式。图（a）环式（b）圆筒式力觉传感器的结构图（d）垂直水平梁式、（c）四根梁式力觉传感器的分类根据机器人力觉传感器安装的位置不同分为以下几类：腕力传感器、手指力觉传感器、关节力传感器和握力传感器等。腕力传感器手指力觉传感器3.5视觉感知3.5.1视觉图像3.5.2视觉系统视觉图像一、图像获取图像获取主要依靠不同功能的视觉传感器来完成。不同的视觉传感器二、图像处理1.图像预处理由于外界干扰和摄像机本身物理条件的影响，图像难免会出现噪点、成像不均匀等问题。为取得图像中的特征信息，必须进行有效的图像预处理。图像预处理的方法：图像平滑、图像灰度修正。图像预处理图像平滑图像平滑可以消除图像中的噪声。根据噪点不同的特性，可以采用基于空间域的均值滤波和中值滤波来减少噪声，或者采用基于频率域的低通滤波滤除噪声。图像灰度修正灰度：把白色与黑色之间的区域按对数关系分为的若干个等级。若灰度级越多则图像层次越清楚逼真。灰度等级灰度图：用灰度表示的图像称作灰度图。图像灰度修正：根据检测的特定要求对原始图像的灰度进行某种调整，使得图像在逼真度和可辨识度两个方面得到改善。原图灰度处理灰度图2.图像分割图像分割：把图像分成各具特征的区域并能从中提取出指定目标的技术。3.特征提取特征提取：提取目标的特征参数。一般是对目标的边界、区域、纹理、频率等方面进行分析提取。特征提取的方法图像特征提取的基本方法：图像区域分割、边缘检测。方法一：图像边缘检测，将目标图像的不连续部分提取出来，形成边缘图像，再采用闭合边缘计算区域。图像边缘检测方法二：图像区域分割，把图像中相同特征的区域提取出来，将该部分的轮廓定义为图像边界。图像区域分割4.图像识别图像识别技术：利用计算机对图像进行分析和理解，从而对各种不同模式下的目标和图像进行识别。三、图像理解图像理解：理解需要从图像中获取那些信息，以及理解图像中所含的信息。视觉图像的应用人脸识别系统卫星遥感图随着时代的不断进步和科学技术的不断发展，计算机图像识别和理解技术已经在我国的各行各业得到了广泛的应用。3.5.2视觉系统视觉系统视觉系统：利用机械电子装置代替人眼来作各种测量和判断。涉及学科：光学、机械设计、电子信息、计算机科学等。涉及领域：图像处理、模式识别、人工智能、光机电一体化等。视觉系统的组成视觉系统组成部分：光源、镜头、相机、图像采集卡、图像处理。视觉系统的组成1.光源光源类别：设备光、环境光。设备光：人造光源，常用的设备光源有白帜灯、日光灯、水银灯和钠光灯。环境光：除人造光源以外的自然光。设备光源2.镜头镜头：视觉系统图像采集的重要组件，可以观察被测物体的距离和范围。镜头按焦距范围分类：微距镜头、广角镜头、标准镜头、长焦镜头、变焦镜头等。镜头选择的依据：物距、拍摄范围、光圈、焦距等。镜头3.相机相机：相机能通过感光元件将光信号转换为电信号，从而实现光信号与数字信号的转换，得到原始图像。相机按照芯片类型分类：CCD（电荷耦合器件）摄影机CMOS（互补金属氧化物半导体）摄影机CCD摄像机CMOS摄像机4.图像采集卡图像采集：图像采集部分和图像处理部分的接口。图像采集的功能：将图像信号采集到计算机中，并以数据文件的形式保存在硬盘上。图像采集卡5.图像处理图像处理：分析处理图像，获得有用的信息。视觉系统的特点视觉系统的特点：1、视觉感知是非接触式感知，它对于观测者和被测对象都不会产生任何损伤，从而提高了作业系统的安全性和可靠性。2、视觉传感器具有较宽的光谱响应范围，可以扩展了人眼的视觉范围。3、机器视觉可以代替人类长时间的进行监测、分析和处理任务，提高工作效率，减轻劳动强度。大熊猫看护视觉系统非接触式：不影响大熊猫生活昼夜可看护：减轻工作量视觉系统的应用机器视觉系统在工业、农业、国防、交通、医疗、金融甚至体育、娱乐等行业都有广泛的应用，涉及我们的生活和生产的方方面面。军事领域无人机工业领域机器视觉分拣产品民用领域人脸识别天眼系统3.6听觉感知一、语音采集二、语音识别听觉感知技术人机交互听觉感知系统解决机器人如何理解声音解决机器人如何听到声音一、语音采集——拾音器拾音器：采集现场环境的声音。拾音器的构成：麦克风、放大器。拾音器机器人听觉麦克风是一种声电转换器，其主要功能是将收集声音信号经声电元件转换后上产生相应的模拟音频电信号。麦克风原理图一、语音采集——采样采样：在时域上等间隔地抽取模拟语音信号，将其转化为数字音频的过程。离散信号连续信号采样前采样后语音的构成和基本参数语音的构成：语音中最小的基本单位是音素，音素又分为元音和辅音。音素是区别一个单词和另一个单词的基础。由音素可以构成不同的音节，而音节又构成不同的词和短语。语音的基本参数：声强，响度，音高、基音周期等。猜一猜语音波形二、语音识别——预处理分帧加窗分帧加窗就是对整个音频进行帧处理。分帧：将音频分割成多个片段。一帧信号的长度通常设在20~50ms之间。加窗：使成帧后的信号变得连续，并且每一帧都会表现出周期函数的特性。

分帧端点检测端点检测：通过准确地判断输入语音段的起点和终点，以此减少数据量和运算时间。从而得到真正的语音数据。端点检测的作用：可以减少计算量和缩短语音的处理时间排除无声段和噪声干扰提高语音识别的正确率端点检测二、语音识别——特征提取特征提取：基于语音的构成和基本参数提取出反映语音特征的声学参数，除去相对无用的信息。语音识别系统特征参数的选取要求特征参数的选取要求:1、能有效代表语音特征，具有良好的区分性;2、特征参数之间有良好的独立性;3、特征参数易于计算。特征参数的分类二、语音识别——模型训练、模式匹配模型训练：按照一定的准则，从大量已知模式中获取表征信息，提高模型精度。模式匹配：按照一定的相似性度量法则，使未知模式与模型库中的某一个模型获得最佳匹配。

语音识别系统3.7嗅觉和味觉感知生物嗅觉觅食回避天敌寻偶危险警告药物鉴别扫雷机器人嗅觉系统1)气体传感器阵列气体传感器阵列具有广谱响应特性和较大的交叉灵敏度。工作时气敏元件对接触的气体能产生响应。2)信号预处理单元信号预处理单元可以对传感器产生的响应进行预处理，补偿气味信号漂移，并完成气体特征提取。3)模式识别单元模式识别单元将信号预处理单元发出的信号做进一步的处理，完成对气体信号定性和定量的识别。模式识别单元由数据处理分析器、智能解释器和知识库组成。 嗅觉系统气体传感器气体传感器按照检测原理的不同，主要分为以下几类：（1）金属氧化物半导体式传感器；（2）催化燃烧式传感器；（3）定电位电解式气体传感器；（4）隔膜迦伐尼电池式氧气传感器；（5）红外式传感器；（6）PID光离子化气体传感器PID光离子化气体传感器金属氧化物半导体式传感器嗅觉机器人机器人的嗅觉感知过程可分为：气体源搜索气体源定位气体源识别气体源搜索由于外界因素的影响，我们需要通过传感器初步判断气味源，并通过算法对气味源进行识别。气体源的定位一旦机器人发现可疑的气候，机器人便会对气体进行定位。机器人会循着烟羽的方向，在某个区域内做盘旋运动。这样便可以初步断定气味源的位置空间。气体源的识别当完成气体源的定位以后，就可以通过视觉系统和嗅觉系统相互协作，迅速的完成气味源的识别。机器人嗅觉的应用机器人嗅觉技术在环境监测，违禁物品检测，救灾抢险和各类设备维护都有重要的应用。一氧化碳监测味觉传感器人的味觉反应机理：当口腔含有食物时，舌头表面的味蕾受体与食物中某些物质发生反应，引起电位差改变，刺激神经组织而产生味觉。机器人味觉系统味觉系统主要由味觉传感器阵列、信号预处理单元、模式识别单元三部分组成。味觉传感器阵列对样品作出响应并输出信号，信号经数据处理和模式识别后，得到反映样品味觉特征的结果。味觉传感器目前已经开发了很多种味觉传感器，用于液体成分的分析和味觉的调理。味觉传感器阵列通常使用了下列元件：（1）离子电极传感器；（2）离子感应型传感器；（3）电导率传感器；（4）pH传感器；（5）生物传感器。生物传感器电导率传感器味觉模式识别法味觉模式识别法有以下几种：主元识别模糊识别神经网络识别混沌识别机器人味觉的应用味觉感知的应用：液体监测、液体分析。味觉分析仪3.8多传感器数据融合1、多传感器数据融合——目的、原理数据融合的目的：利用多个传感器共同联合的操作优势，提高传感器系统的有效性。数据融合的基本原理：充分利用多传感器资源，将多个传感器在空间和时间上的冗余、互补信息依据某种算法进行融合，获得对被测对象一致性解释或描述。再由辅助系统进行环境判定、从而形成更高层次的综合决策。2、数据融合的层次多传感器数据融合技术可以对不同类型的数据和信息在不同层次上进行融合。数据融合层次的划分主要有两种方法：1、将数据融合划分为低层（数据级融合）、中层（特征级融合）和高层（决策级融合）。2、将数据融合划分为信号级、证据级和动态级。低层——数据级融合低层的数据融合是对传感器的原始数据进行预处理。低层数据融合的特点：融合过程会要尽可能多地保持原有信息，融合过程有较高的纠错能力；低层融合有较大的储存空间和较强的通信能力。中层——特征级融合特征级融合是利用从各个传感器原始数据中提取的特征信息，进行综合分析和处理的中间层次过程。特征级融合分类：1、目标状态信息融合2、目标特性融合。高层——决策级融合决策级融合是直接针对具体的决策目标，利用特征级融合所得到的特征信息进行决策融合，从而给出直观的决策结果。决策级融合优点：1、具有一定的容错性，当一个或几个传感器失效时仍能根据已有信息给出最终的决策。2、实时性好3、数据融合过程数据融合过程主要包括多传感器(信号获取)、数据预处理、数据融合中心(特征提取、数据融合计算)和结果输出等环节。数据融合过程4、数据融合的关键技术数据融合的关键技术主要是数据转换、数据相关、态势数据库和融合计算等，其中融合计算是多传感器数据融合系统的核心技术。数据融合计算的作用：①对多传感器的观测结果进行验证、分析、补充、取舍、修改和状态跟踪估计。②对新发现的不相关观测结果进行分析和综合。③生成综合态势，并实时地根据多传感器观测结果，对综合态势进行修改。5、数据融合算法6、多传感器数据融合的作用

多传感器数据融合的主要作用：(1)提高信息的准确性和全面性(2)降低信息的不确定性(3)提高系统的可靠性(4)增加系统的实时性4.1导航系统基础导航的三个问题:(1)WhereamI?——定位(2)WhereamIgoing?——确定目的地。(3)HowdoIgetthere?——路径规划。.地图导航导航系统学习1、地图构建：用一定的算法对所获信息进行处理并建立环境模型。2、自主定位：通过一定的检测手段获取移动机器人在空间中的位置、方向以及所处环境的信息。3、路径规划：寻找一条最优或近似最优的无碰路径，实现机器人无障碍且快速的到达目的地。4、其他相关技术：基于无线电传感器网络的机器人感知与定位技术。导航“导航”一词最初应用在航海领域，而机器人的导航是指移动机器人通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动。航海机器人自主导航导航系统机器人的导航系统则是将把感知、规划、决策和行动等模块有机地结合起来构成一个自主式智能系统。现代的移动机器人的导航方式现代的移动机器人的导航方式很多，常用的有惯性导航、电磁导航、视觉导航和卫星导航等。惯性导航惯性导航：利用惯性测量元件测量出载体相对惯性空间的角运动和线运动参数。然后解出载体速度、位置及姿态和航向。从而推知机器人当前的位置和下一步目的地，实现机器人的自主导航。惯性导航惯性导航的特点优点：(1)能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低.(2)数据更新率高、稳定性好。(3)不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量，故隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响;(4)可全天侯全球、全时间地工作于空中地球表面乃至水下。导弹飞机潜艇惯性导航的特点缺点：(1)系统的导航误差将随时间而累积，精度也随时间的增长而降低。(2)不能单独长时间工作，须定期校准。电磁导航电磁导航：机器人的行驶路径上埋设金属线，并在金属线加载导引频率，通过对导引频率的识别来实现机器人的导引。电磁导航电磁导航的特点优点：（1）引线隐蔽，不易污染和破损。（2）导航原理简单而可靠，便于控制和通讯。（3）对声光无干扰，制造成本较低。缺点：路径难以更改扩展，难以实现对复杂路径的电磁导航。视觉导航视觉导航：视觉导航是利用机器人上装配的摄像机，对周围环境进行拍摄，形成局部图像。然后，通过图像处理技术进行特征识别、距离估计等操作，进而完成机器人定位和导航规划任务。视觉导航视觉导航的特点优点：适用范围广，主要应用于无人机、交通运输、农业生产等领域；缺点：受光线条件限制较大，无法在黑暗环境中正常工作。图像信息的处理量巨大，实时性较差。无人机卫星导航卫星导航：可以为陆地、海洋、空中和空间的目标提供导航定位服务，且不受气象条件和航行距离的限制，导航精度比较高，所以被广泛的运用于现代生产生活之中。北斗导航系统卫星导航原理卫星导航系统由导航卫星、地面台站和用户设备三个部分组成。卫星导航系统是以距离作为基本的观测量，通过多个空间卫星同时进行伪距离测量，计算出用户接收机的位置。卫星导航系统4.2地图构建地图构建机器人的地图：机器人所处的环境的模型，地图构建：利用一定的算法对所获信息进行处理并建立环境模型的过程称为地图构建。地图构建的目的：用于绝对坐标系下的位姿估计。激光雷达单目摄像头RGB-D摄像头地图表示方法的分类不同方法具有各自的特点和适用范围，其中特征图和网格图应用较为普遍。拓扑图公交路线图拓扑图法拓扑图法：拓补图法将环境信息抽象为一张点线连接图，由位置节点和连接线组成。其中事物位置用节点表示，通道用连接线表示。拓扑地图拓扑图的特点：拓扑图法抽象度高，其忽略了环境中具体的几何特征信息，而重在表示节点间的连接关系。适用场景：适用环境空间大且环境情况简单的场景。特征图法特征图法：利用环境特征构造地图。在结构化环境中，常见的特征有直线段、角、边等。这些特征可用它们的颜色、长度、宽度、位置等参数进行表示。特征地图特征图法的特点：特征法定位准确，模型易于由计算机描述和表示。参数化特征适用于路径规划和轨迹控制，特征法需要特征提取等预处理过程，对传感器噪声比较敏感，只适于高度结构化环境。网络图法网格图法：把机器人的工作空间划分成网状结构，网格中的每一单元格代表环境的一部分。用网格表示的环境地图，环境空间的分辩率与网格尺寸的大小有关，增加分辨率将要增加运算的时间和空间复杂度。网格法的特点：易于创建和维护，并且尽量的保留了环境中的各种信息。可以方便地进行自定位和路径规划。当网格单元较多时，网格法的计算量和所需的存储空间迅速增长，使机器人的实时定位和处理变得很困难。直接表征法直接表征法：通过记录来自不同位置及方向的传感器信息，经过处理后得到环境信息。并利用这些数据信息作为在该位置处的环境特征描述。直接表征法的特点：地图更加直观，环境信息也更加丰富。直接表征法数据存贮量大，传感器信息也易受环境噪声的干扰。特征数据的提取与匹配比较困难。4.3.1自主定位（1）定位定位是用来确定机器人在其作业环境中所处的空间位置。机器人可以利用先验的环境地图信息、传感器的观测值以及当前的位姿状态等输入信息，经过一定的处理变换，获得当前所处的空间位置。 机器人定位定位分类按照机器人定位时所使用的参照点不同，将定位划分为相对定位和绝对定位。相对定位：机器人在是已知自身初始位置的条件下，通过测量机器人相对于初始位置的距离和方向来确定当前位置。绝对定位：要求机器人在未知初始位置的情况下确定自己的位置。定位分类按照在定位过程中使用到的定位仪器来源的不同，可分为基于机器人自身仪器的定位和基于机器人外部仪器的定位。基于机载传感器的定位：光电码盘，陀螺仪，加速度计、激光雷达和视觉相机等。基于外部信标的定位：卫星定位和环境信标等。基于光电码盘的里程计法基于光电码盘的里程计法是在移动机器人的车轮上安装光电编码器，然后利用光电编码器在采样周期内脉冲的变化量，计算出车轮相对于地面移动的距离和方向角的变化量。从而推算出移动机器人位姿的相对原始位姿的变化。长距离运动会累积误差。光电码盘基于惯性传感器的定位方法基于惯性传感器的定位方法通常采用陀螺仪来测量机器人的角速度，用加速度计来测量机器人的加速度。通过对测量结果进行一次或二次积分，即可得到机器人偏移的角度和位移，进而得出机器人当前的位置和姿态。用惯性导航定位法进行定位不需要外部环境信息，但是由于常量误差经积分运算会造成误差累积，因此，该方法也不适用于长时间的精确定位。陀螺仪加速度计基于激光雷达扫描的定位方法采用激光雷达扫描的自主定位。在前面章节介绍激光测距时，我们提到了激光雷达可以采用三角法对环境进行扫描，得到丰富的环境信息。我们将激光扫描仪所测得的环境信息与机器人中预存的地图进行匹配，进而实现机器人的自我定位。激光雷达扫描图激光扫描匹配激光扫描匹配分为三类:（1）基于点的扫描匹配；（2）基于特征的扫描匹配；（3）基于数学特性的扫描匹配。基于点的扫描匹配是直接对扫描获取的原始数据点进行操作。常用的算法：迭代最近点算法（ICP）基于特征的扫描匹配是利用数据中的部分关键元素信息进行匹配，常用的数据特征信息有中的点、线、面等几何元素信息或者它们的组合。多目相机RGB-D相机视觉里程计视觉里程计：可以获得深度信息的相机。视觉里程计是一个通过分析和处理相关图像序列来确定机器人的位置和姿态。视觉里程计可以运用于非结构化的环境或非常规的任务或平台。视觉里程计4.3.2自主定位（2）1.卫星定位法2.环境信标定位法1.卫星定位GPS系统的组成部分GPS系统的组成部分空间部分GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，每个轨道面有4颗卫星，轨道倾角为55度。地面部分GPS地面控制部分是由一个主控站，五个全球监测站和三个注入站共同组成。监测站将所取得的卫星观测数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站利用从各监测站收集到的跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到三个注入站中。当每颗卫星经过注入站上空时，注入站便把这些导航数据和主控站的指令注入到卫星中。用户部分当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就进行定位解算，计算出用户所在地理位置的经度、纬度和高度等信息，并在显示器上显示。GPS卫星系统的基本原理GPS卫星系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道用户接收机的具体位置。卫星的位置：根据星载时钟所记录的时间，在卫星的星历中查出。用户到卫星的距离S：S=ctc:光速；t:卫星信号传播到用户位置所需的时间。GPS卫星系统的基本原理当GPS卫星正常工作时，会不断地发射用0和1组成的导航电文。当用户接收到导航电文时，会提取出卫星的时间，并将其与自己的时钟做对比，便可解算出卫星与用户间的距离。利用导航电文中所含的星历数据，推算出卫星发射电文时所处位置。GPS卫星系统的计算公式未知数：X、Y、Z、δ接收机的三维坐标：（X、Y、Z、）卫星与接收机之间的时间差：δ卫星与用户之间的距离：ρ光速：C2.环境信标定位环境信标：位置已知环境信标定位法：机器人通过各种传感器接收或观测环境中信标，利用已知信标的位置推算出自身的位置的一种定位方法。环境信标定位环境信标定位的方法常用的方法有：三边定位法和三角定位法。三边定位法：依据机器人与信标之间的距离，利用数学几何知识来解算出移动机器人位置。三角定位法：依据机器人与信标之间的夹角，利用数学几何知识来解算出移动机器人位置。三边定位法三角定位法三边定位法A的坐标为(X1，Y1)B的坐标为(X2，Y2)C的坐标为(X3，Y3)D的坐标为(x，y)，且D为三圆的交点。方程组1三边定位法式子一方程组2由此可以得出机器人的位置坐标4.4路径规划路径规划路径规划的目的：使机器人从所处的环境中搜索到一条能量消耗低、行走路线短，并且能安全无碰撞地快速到达目的地的路径。路径规划的类型一、基于地图的全局路径规划基于地图的全局路径规划是根据先验环境模型，找出从起始点到目标点的符合一定性能的可行路径或最优路径。全局路径规划的主要方法：可视图法、栅格图法、拓扑法、神经网络法等。1.全局路径规划——可视图法可视图可视图法可视图是将机器人运动的起点、终点以及运动空间中障碍物的顶点用直线组合相连形成的图像。可视图法的特点：可视图法可以搜索出一条耗时最短并且无障碍通行的最优路径。可视图灵活性较差，不适用于动态路径规划。2.全局路径规划——栅格图法栅格法是将机器人的工作环境用大小相等的方块进行分割，并用地图矩阵表示环境。栅格图法栅格图法在描述环境信息时，用黑色栅格表示障碍物所在区域，在地图矩阵中标为1，而白色栅格表示可自由通行的无障碍区域，在地图矩阵中标为0。栅格图地图矩阵栅格图法栅格大小表示的环境信息信息存储量所受的干扰信号路径规划速度小栅格清晰大多慢且实时性低大栅格模糊小少快且实时性高二、基于传感器的局部路径规划基于传感器的局部路径规划主要依赖于传感器获得障碍物的尺寸、形状和位置等信息。局部路径规划方法主要方法：人工势场法、模糊逻辑法、遗传算法等。1.局部路径规划——人工势场法人工势场法是一种基于虚拟力的方法。人工势场法把智能机器人在环境中的运动，视为一种在抽象的人造受力场中的运动。目标点对智能机器人产生“引力”，而障碍物对智能机器人产生“斥力”，最后通过求合力来控制智能机器人的运动。人工势场法人工势场法的特点人工势场法的优点：势场法规划出来的路径一般是比较平滑并且安全的；而且势场法结构简单、易于实现。人工势场法的缺点：势场法存在的大量的计算和局部最优点问题。2.局部路径规划——模糊逻辑法模糊逻辑路径规划的基本思想：各个物体的运动状态用模糊集合的概念来表达，每个物体的隶属函数包含该物体当前位置、速度大小和速度方向的信息。然后通过模糊综合评价对各个方向进行综合考察，得到路径规划的结果。三、混合型路径规划混合型路径规划是将全局规划的“粗"路径作为局部规划的目标，从而引导机器人最终找到目标点。全局规划：栅格法局部规划：人工势场法结合机器人导航机器人自主定位

路径规划沿着规划好的路径达到目的地机器人从A到B的导航4.5无线传感器网络

节点定位技术无线传感器网络无线传感器网络（WSN）：由部署在监测区域中大量的廉价微型传感器节点组成的，并以无线通信的方式形成一种多跳的自组织网络系统。无线传感器网络➢信标节点:已知自身位置信息的节点，可为其他节点提供参考坐标。➢未知节点:信标节点以外的节点统称为未知节点。➢邻居节点:一个节点通信距离范围内的所有节点的集合。无线传感器网络节点定位无线传感器网络节点定位是依靠网络中少量的位置已知的信标节点，通过邻居节点间有限的通信和某种定位的机制，来确定网络中所有未知节点的位置以及目标节点的位置。节点定位节点定位在实际应用中包含两种含义:节点自定位：确定节点自身在系统中的位置。目标定位：确定目标节点在系统中的位置。目标定位侧重于传感网在目标跟踪方面的应用，是对监控目标的位置估计。节点自定位目标定位无线传感器网络节点定位算法的特点耗能低可靠性好自组织性可扩展性具有分布式处理能力节点的定位技术可以分为两大类：一类是基于测距的定位技术，另一类是无需测距的定位技术。基于测距的定位技术基于测距的定位技术：主要是利用信标节点的位置，通过测量和估计信标节点与目标节点的距离。利用两者之间的几何关系进行节点定位。基于测距的定位技术方法常用的方法有：三边定位法和三角定位法。三边定位法三角定位法三边定位法A的坐标为(X1，Y1)B的坐标为(X2，Y2)C的坐标为(X3，Y3)D的坐标为(x，y)，且D为三圆的交点。方程组1三边定位法式子一方程组2测距方法<1>根据接收信号的强度来测算距离（RSSI）。<2>根据信号传播时间来测算距离（TOA）。<3>根据两种信号的时间差来测算距离（TDOA）。接收信号的强度来测算距离（RSSI）基于RSSI定位算法是通过测量发送功率与接收功率，将传播损耗转化为发送器与接收器之间的距离，然后采用已有算法计算节点的具体位置。该方法易于实现，无需在节点上安装辅助的定位设备。

根据信号传播时间来测算距离（TOA）基于TOA定位算法是在已知信号速度的情况下，通过测量信号传播的时间，来计算节点间的距离，然后采用已有算法计算节点的具体位置。该算法定位精度高，但需要节点间保持准确的时间的同步，对传感器节点的硬件性能要求较高。根据两种信号的时间差来测算距离（TDOA）基于TDOA的定位算法是让发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及这两种信号的传播速度，来计算两个节点之间的距离，再通过已有的基本定位算法，计算出节点的具体位置。基于TDOA测距原理图5.1机器人通信系统通信通信是利用电子信息技术建立一个信道，通过信道将信息源的信息传输至目的点。通信系统的基本模型信源：把待传输的消息转换成原始电信号。发送设备（变换器）：将信源发出的信息变换成适合在信道中传输的信号，使原始信号适应信道传输要求。信道：传递信息的通道或传递信号的设施。按传输介质的不同，可分为有线信道和无线信道。信源发送设备信道接收设备受信者噪声源通信系统模型