机器人传感器设计

具有行走功能的吸尘机器人1、 概述吸尘机器人可自行找到垃圾、边自动行走边打扫房间。通过吸尘部位安装的传感器来检测垃圾，发现垃圾后会自动放慢行走速度、加大吸力。此吸尘机器人使用多个传感器，通过这些传感器的组合，可以躲避障碍物、控制姿势以及感知周围环境。在躲避障碍物方面，综合利用了超声波传感器、红外传感器、感压传感器进行测距，通过超声波传感器探测与障碍物之间的距离，具有提前改变方向的停止功能。对于超声波无法探测的障碍物，则由红外传感器与感压传感器进行补充。内置有回转传感器，用来控制行走姿势以保持既定的行进方向，使用陀螺传感器控制行走方向，行走速度为30cm/秒。此外，该机器人体内还安装有防止从台阶等高处滚下、感知暖炉等热源的传感器、检测自身所受外力大小确定的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器。为使机器人不受地毯花纹影响，在机器人的底部前方安装了掌握方向用的被称作“ruddersensor（方向舵传感器）”的传感器。这种传感器由角度传感器与脚轮组成，可以感知脚轮的方向变化。通过综合分析方向舵传感器的输入信号以及从陀螺传感器得到的行走方向信号，来实现脚轮方向的控制。这样一来，就可以使吸尘器机器人沿直线行进。2、 吸尘机器人的多传感器系统机器人智能技术中最为重要的相关领域是机器人的多感觉系统和多传感信息的集成与融合，统称为智能系统的硬件和软件部分。视觉、听觉、力觉、触觉等外部传感器和机器人各关节的内部传感器信息融合使用，可使机器人完成实时图像传输、语音识别、景物辨别、定位、自动避障、目标物探测等重要功能，下面就来介绍吸尘机器人的传感器。2.1超声波传感器采用超声波传感器作为外部环境的探测手段，同时增加了碰撞传感器、红外传感器、感压传感器来弥补超声波传感器存在探测盲区的缺陷。

2.1.1超声波传感器原理及性能指标超声波传感器是非接触式的物位传感器，应有领域十分广泛。其工作原理是发送（超声）压力波包，并测量该波包发射和回到接收器所占用的时间。L—CX'y （1）其中，L为目标距超声波传感器的距离；c为超声波波速（为了简化说明，本文以下讨论的测量距离时不考虑波速受温度的影响）；t为发射到接收的时间间隔。2.1.2超声波测距电路设计图1超声波接收电路图崔申片机端L」eT40T4064n用声波特感+—器发射段i+24V吉图2超声波发射电路图超声波电路结构见图1，2所示。我们采用超声波传感器的中心频率为40KHz，因此决定了超声波传感器激励信号的中心频率也为40KHz。由于超声波传感器对信

号频率变化的敏感度比较高，稍微偏离额定的中心频率就会使传感器的发射声强明显衰减。因此产生所需额定激励信号并保证激励信号中心频率相对稳定便是超声波振荡信号发生电路的主要任务。2.2碰撞传感器在实际的调试过程中，由于超声波传感器间存在测量上的盲区，因此在机器人前端设计了碰撞传感器。既在碰撞板左右两侧各装有一个微动开关,在不发生碰撞的情况下，传感器向单片机发出的是高电平信号，移动机器人在前方的发生碰撞，会引起左右开关的响应并传送低电平信号给控制器，从而控制机器人做出相应反应动作。接单片机+5V接单片机+5V图3微动开关连接原理图2.3红外传感器2.3.1红外传感器的原理及性能指标对机器人控制使用红外传感器，由发光元件发出红外线，用接受元件通过检测其反射光判定是否有障碍物。对发光元件使用红外线LED，作为接受元件使用光电二极管或光电品体管。红外传感器是利用三角测量法：三角测量法(Triangulation-based):就是把发射器和接受器按照一定距离安装，然后与被探测的点形成一个三角形的三个顶点，由于发射器和接收器的距离已知，发射角度已知，反射角度也可以被检测到。因此检测点到发射器的距离就可以求出。假设发射角度是90度的情况，D=f(L/x)

L二发射器和接收器的距离x=接受波的偏移距离f(x)是函数。由此可见，D是由1/x决定的，所以用这个测量法可以测得距离非常近的物体，目前最精确可以到1um的分辨率。但是由于D同时也是L的函数，要增加测量距离就必须增大L值。所以不能探测远距离物体。但是如果将红外传感器和超声波传感器同时应用于机器人，就能提供全范围的探测范围了，超声波传感器的盲区正好可以由红外传感器来弥补。2.3.2红外传感器电路就*卜迅授也电站图1红朴发射与接收电验2.4感压传感器2.4.1感压传感器原理及特性指标这种传感器使用合成橡胶，根据压力的强弱连续变化电阻值。最大允许电压一30v 推荐使用电压一3~6v 最大允许电流一20mA推荐使用电流一5mA 最大允许负载一4.0kgf2.5回转传感器2.5.1回转传感器原理及特性指标从原理上讲，切缝成长方形，转盘以一定的角速度旋转。在转盘切缝正对着定盘切缝时，光通过的窗口面积最大，光电敏感元件接受的光通量最大。从这种状态开始，随着转盘切缝的回转，两个切缝的共通部分变窄，因而透光窗口变窄，光电敏感元件接受的光通量变小。如果转盘的角速度不变，透光窗口面积就以一定的比例减小，就是说感光量相对时间成线性减少。2.5.2回转传感器结构图图6回转传感器结构图2.6陀螺传感器2.6.1陀螺传感器工作原理及性能指标陀螺仪：又分机械陀螺仪和光电陀螺仪。可以检测绝对朝向。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。陀螺仪的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。在现实生活中，陀螺仪发生的进动是在重力力矩的作用下发生的2.6.2陀螺仪结构图ffl1陀螺仪结构2.7热传感器2.7.1热传感器原理以热电偶传感器为例，热电偶是一种感温元件，它把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电动势，热传感器就是利用这一原理。2.7.2热电偶传感器结构图图7热电偶温度传感器结构2.8重力传感器2.8.1重力传感器工作原理它采用弹性敏感元件制成悬臂式位移器，与采用弹性敏感元件制成的储能弹簧来驱动电触点，完成从重力变化到电信号的转换。◎空Input ASenseModeRotation NRate ProofMasszl DrivenMode l\言?>2.9负载传感器2.9.1负载传感器工作原理一种用于判断一些电子或电气设备的输出端无负载信号的负载传感器，它主要是由一个双向可控硅、辅助电阻、直流电源和一个串有限流电阻的稳压二极管组成。现有的一些电子或电气设备在使用过程中需人工关断设备电源，从而影响了设备

的自动化程度，负载传感器能使一些电子或电气设备在无载时自动关闭电源，有载时自动接通电源，它可广泛用于安装变压器电源自动开关、逆变充电器电源自动开关等其它电子或电气设备上。2.9.2负载传感器原理图3.0视觉传感器3.0.1视觉传感器工作原理视觉传感器具有从一整幅图像捕获光线的数以千计的像素。图像的清晰和细腻程度通常用分辨率来衡量，以像素数量表示。 在捕获图像之后，视觉传感器将其与内存中存储的基准图像进行比较，以做出分析 。此外，无论该机器部件位于视场中的哪个位置，无论该部件是否在 360度范围内旋转，视觉传感器都能做出判断3.0.2视觉传感器结构图Nog：AllU陌博inmm.

3.1角度传感器3.1.1角度传感器工作原理角度传感器，是用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为 0。通过计算旋转的角度，你可以很容易的测出位置和速度。当在机器人身上连接上轮子（或通过齿轮传动来移动机器人）时，可以依据旋转的角度和轮子圆周数来推断机器人移动的距离。然后就可以把距离转换成速度，你也可以用它除以所用时间。实际上，计算距离的基本方程式为：速度二距离/时间使用角度传感