第4章 机器人中的传感器

1机器人控制技术与实践

2第四章机器人中的传感器4.1传感器4.2测距传感器4.3灰度和颜色传感器4.4视觉传感器4.5惯性测量传感器3第四章机器人中的传感器

机器人是由计算机控制的复杂机器，为了不完全依赖人的操纵而完成一定的作业任务，它就需要具备一定程度的智能。为了完成与外部交互，就需具有类似人的感官功能。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，传感器犹如人类的感知器官，是机器人感知世界的媒介。44.1传感器

一、传感器的概念

传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件,它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”,而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的系统”。54.1传感器

一、传感器的组成

64.1传感器

一、传感器的功能1、敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；2、转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；3、变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；4、转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。74.1传感器

一、传感器的分类1、根据检测对象：内部传感器和外部传感器；2、根据敏感元件：热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类；3、按输出信号：模拟传感器、数字传感器、开关传感器；4、按作用形式：主动型传感器、被动型传感器。84.1传感器

一、传感器的参数1、传感器线性度；2、灵敏度；3、传感器分辨率；4、线性范围；5、传感器稳定性；6、传感器精度。

94.2测距传感器

在机器人运动和作业过程中，通常需要测度与目标物或背景物的距离。距离传感器可用于机器人导航和回避障碍物，也可用于机器人空间内的物体进行定位及确定其一般形状特征。最常用有超声波传感器、激光传感器和红外传感器。104.2测距传感器

一、超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，它可将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）。超声波传感器主要通过发送超声波并接受超声波来对被检测物进行非接触式无磨损的检测。超声波传感器通常由发送器、接收器、控制部分与电源部分组成。114.2测距传感器

一、超声波传感器

该模块有四个外接端口：VCC、trig、echo、GND。其中VCC是外加电源端口，通常在5V左右，GND是接地端，trig是控制端口，用于上位机产生触发模块测距的脉冲，echo是接收端口，用于检测超声波模块的返回。124.2测距传感器

一、超声波传感器

模块的工作过程如下：（1）初始化。初始化时将trig和echo端口都置低。（2）触发测距。（3）捕捉返回。（4）计算距离。图5-4HC-SR04超声波模块134.2测距传感器

二、激光测距传感器激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。它的优点是速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。144.2测距传感器

二、激光测距传感器1、工作原理激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。激光测距一般采用三种方式来测量距离：脉冲法、相位法和三角测距法。15图5-8L1A05RS232激光测距传感器L1A05R3232模块是一种基于相位式测量原理的激光测距模块，它的测量范围为0.03-50米，分辨率为1毫米。当用于测量距离时，它与外部设备有四个引脚相连，即电源、地、TX和RX，电源通常为5V，TX和RX用于和上位机通过串口通信，默认的通信速率为19200比特/秒。4.2测距传感器164.2测距传感器

三、红外传感器红外传感器是一种以红外线为介质来完成测量功能的传感器，具有响应速度快等诸多优点，现已在工农业、国防、科技等诸多领域应用广泛。红外传感器可根据某些条件的不同进行进一步的分类。根据红外线对射管的驱动方式不同可分为电平型和脉冲型;根据探测原理的不同可分为光子探测器(探测原理基于光电效应的)和热探测器(探测原理基于热效应)；根据功能的不同可分为辐射计、搜索跟踪系统、热成像系统、红外测距通信系统和混合系统五大类。

174.2测距传感器

三、红外传感器

1、工作原理（1）时间差法测距原理（2）反射能量法测距原理（3）相位法测距原理（4）三角测量原理

184.2测距传感器三、红外传感器

2、红外测距传感器的应用

图5-12SharpGP2Y0A21YK0F模块模块对外有三个端口，分别为VCC、Vo和GND。VCC是外加电源端口，通常可设定为5V左右，GND接地，Vo是测量信号模拟输出，大小与测量距离相对应，可直接和外部的A/D电路相连，转换为数字值。194.3灰度传感器

灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同的原理进行颜色深浅检测。它输出的是连续的模拟信号，因而能很容易地通过A/D转换器或简单的比较器实现对物体反射率的判断，是一种实用的机器人巡线传感器。204.3灰度传感器1、工作原理

图5-14灰度探测传感器工作原理

灰度传感器包括一只发光二极管和一只光敏电阻，安装在同一个平面上。在有效的检测距离内，发光二极管发出白光，照射在检测面上，检测面反射部分光线，由光敏电阻检测此光线的强度。由于光敏电阻的阻值大小随照射光线的强弱而变化，在连接外部电路时，可以根据检测到的信号大小，判断检测面的颜色深浅。214.3灰度传感器1、灰度传感器得应用（1）数字式灰度传感器图5-15SEN1595模块对外接口有三个，分别为VCC（电源）、GND（地）和SIG（输出信号），其中供电电压4-6VDC，推荐5V左右。

224.3灰度传感器1、灰度传感器得应用（1）模拟式灰度传感器

图5-16RB-02S078A模拟灰度传感器对外接口有三个，分别为VCC（+）、GND（-）和S（输出信号）。234.3颜色传感器

颜色传感器是一种可以识别物体颜色的传感器，它将物体的表面颜色转换成相应的电压或不同频率的方波输出，后续微处理器与预先定义好的参考颜色进行比较，当两者在一定的误差范围内相吻合时，输出颜色检测结果。

244.3颜色传感器

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