移动机器人原理与技术 课件 第三章 移动机器人的传感器

移动机器人技术原理与应用第三章

移动机器人的传感器移动机器人外部传感器移动机器人视觉原理3.1移动机器人内部传感器3.23.33.1移动机器人内部传感器移动机器人内部传感器主要是指能够测量移动机器人自身位置、移动速度、移动加速度等直线位移相关量和偏转、俯仰和回转等转动角度和转动速度、转动加速度等转动相关量。3.1.1位置传感器设定位置或者角度的零位和极限位置对保护移动机器人的运动关节的安全动作起着重要作用。3.1.1位置传感器电位器通过电阻把位置或角度（角度和位置的原理一样，只是把电阻做成弧形）信息转化为随位置或角度变化的电压，当滑动触头随位置变化在电阻器上滑动时，触头接触点变化前后的电阻阻值与总阻值之比就会发生变化，在功能上电位器充当了分压器的作用，因此其电压输出将与电阻阻值成比例，这样就把位置信息转化为电信号。3.1.2位移和角度测量传感器旋转运动的角度和直线运动的位移经常会作为移动机器人的位姿信息，从测量方法上，可分为两种。一种是模拟式测量，将要测的位移量变换成电流、电压等进行测量，常用器件为电位器等。另一种是数字式测量，将位移量变换成脉冲每个脉冲与单位位移相对应，检测元件输出脉冲数。3.1.2位移和角度测量传感器编码器是一个广泛使用的位置传感器，能够检测细微的运动，其输出为数字信号。为了测量位置信息，检测细微的运动，码盘或码尺被划分为若干区域。每个区域可能是透光的或不透光的。由发光二极管作为光源，与之相对应的对光信号进行检测的是光敏传感器，如光电晶体管。当码盘或码尺采用透光方式进行检测，光源和光敏传感器被安装在码盘或码尺的两侧；当码盘或码尺采用反射光方式进行检测，光源和光敏传感器被安装在码盘或码尺的同侧。3.1.2位移和角度测量传感器(a)投射式测量转角的旋转增量编码器

(b)反射式测量直线运动的直线增量编码器(c)装配有增量编码器的电机

(d)增量码盘编码器的工作原理与结构3.1.2位移和角度测量传感器当光源发射的光线通过码盘或码尺的透光或反射被光敏传感器接收到时，传感器导通输出高电平；当光源发射的光线由于码盘或码尺的遮挡或散射等原因使光敏传感器接收不到光信号时，传感器关断，输出信号低电平。随着码盘的转动或码尺的移动，传感器就会连续不断的输出信号，通过对该信号进行计数就可以测量角位移或线位移。3.1.2位移和角度测量传感器编码器有增量式编码器与绝对式编码器两种基本形式。上图所示的增量式编码器中，其透光和不透光（反光或不反光）的区域尺寸相同且交替出现。由于这些区域尺寸相同，均匀分布在码盘或码尺上，因此每个区域所表示的旋转角度或直线位移也都是相同的。增量式编码器可以检测运动的变化，而对于位置信息，只有在获知编码器初始位置的情况下才可以确切给出。3.1.2位移和角度测量传感器使用增量式编码器进行位置检测的系统一般在开始工作时都要进行复位，在已知复位位置的前提下就可以确定系统任意时刻的角位移。除了获取精确位置信息外，还需要知道系统是顺时针运动还是逆时针运动。单一码道（弧圈）的增量式编码器无法对此进行判断，一般通过在码盘上设计两个码道（弧圈）的方式解决，保证每个码道的输出脉冲间相差1/2拍，通过判断那个通道输出的上升沿或下降沿先于另一通道出现来确定转动方向。3.1.2位移和角度测量传感器增量式编码器的输出信号3.1.2位移和角度测量传感器对于增量式编码器，通过对码道输出的上升沿和下降沿进行检测可以在不增加码道的情况下提高分辨率。绝对式编码器上每个位置对应于一个唯一的编码信息，无需已知初始位置就可以确定任意时刻码盘上的精确位置。绝对式编码器工作原理3.1.2位移和角度测量传感器绝对式编码器的码盘设计与增量式编码器有很大不同，其码盘是由多圈弧段组成，每圈互不相同，沿径向方向各弧段的透光和不透光部分（反射和未反射部分）组成唯一编码指示精确位置。

8位绝对格雷码码盘3.1.2位移和角度测量传感器码盘上的编码有二进制和格雷码两种。采用二进制码的码盘从某一位置转到其前一位置或后一位置时会有多段弧圈发生0变为1或1变为0的变化，而采用格雷码的码盘从某一位置转到其前一位置或后一位置时则只用某一弧圈发生0变成1或1变为0的变化。3.1.2位移和角度测量传感器二进制码与格雷码3.1.3加速度传感器加速度计有两种：一种是角速度加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）改进的，另一种是线速度计。加速度传感器的原理随其应用而不同，有压电式加速度传感器、电容式加速度传感器、压阻式加速度传感器、谐振式加速度传感器、伺服式加速度传感器等。3.1.3加速度传感器1．压电式加速度传感器压电式加速度传感器具有体积小、功耗低等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中。压电式加速度传感器的敏感元件有弹性梁、质量块、固定框组成。当有加速度a作用于传感器时，传感器的惯性质量块便会产生一个惯性力F作用于传感器的弹性梁上，便会产生一个正比于F的应变，此时弹性梁上的压敏电阻也会随之产生一个变化量△R，由压敏电阻组成的惠斯通电桥输出一个与△R成正比的电压信号V。3.1.3加速度传感器1．压电式加速度传感器压电式加速度传感器外形3.1.3加速度传感器2．压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器的悬臂梁上有压敏电阻，当惯性质量块发生位移时，会引起悬臂梁的身长或压缩，改变梁上的应力分布，进而影响压敏电阻的阻值，压阻电阻多位于应力变化最明显的分布。这样，通过两个或四个压敏电阻形成的电桥就可以实现加速度的测量。3.1.3加速度传感器2．压阻式加速度传感器压阻式加速度敏感元件3.1.3加速度传感器3．光波导加速度计光波导加速度计的原理：光源从波导1进入，经过分束部分后分成两部分分别通入波导4和波导2，进入波导4的一束直接被探测器2探测，而进入波导2的一束会经过一段微小的间隙后进入波导3，最终被探测器1探测到。有加速度时，质量块会使得波导2玩去，进而导致其与波导3的正对面积减少，使探测器1探测到光减弱，通过比较两个探测器检测到的信号即可求得加速度。3.1.3加速度传感器3．光波导加速度计光波导加速度计原理3.1.3加速度传感器4．谐振式加速度计一根琴弦绷紧程度不同时弹奏出的声音频率也不同，谐振式加速度计的原理与此相同。SOA常见的结构有S结构和双端固定音叉两种。S结构原理为：若对振梁施加确定的激振，检测器响应就可测出其固有频率，进而测出加速度。激振的施加和响应的检测通常都是通过梳齿机构实现的。3.1.3加速度传感器4．谐振式加速度计谐振式加速度计原理3.1.4姿态角测量传感器陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的角运动检测装置，利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪，基本功能是测量敏感角位移和角速度。三轴陀螺仪分别感应Roll（左右倾斜）、Pitch（前后倾斜）、Yaw（左右摇摆）的全方位动态信息。它是构成移动机器人惯性导航系统的核心敏感器件，其测量精度直接影响移动机器人姿态解算的准确性。3.1.4姿态角测量传感器陀螺仪3.2

移动机器人外部传感器3.2.1感觉传感器1．触觉感知传感器触觉传感器有开关型和阵列型两种，开关型感觉物体的存在性，阵列型感觉物体的存在和形状，还可以感觉物体的软硬程度。开关型是用于检测物体是否存在的一种简单的触觉传感器，可以通过切断/导通（即导体是否有电流）来判断是否接触。3.2.1感觉传感器1．触觉感知传感器触觉传感器是由几个接触传感器组成的阵列，而接触传感器由触杆、发光二极管和光传感器组成。当触觉传感器接近物体时，触杆将随之缩进，遮挡了发光二极管向光传感器发射的部分光线，于是光传感器输出与触感位移或压力成正比的信号。当触觉传感器与物体接触时，依据物体的形状和尺寸，不同的接触传感器将以不同的次序对接触做出不同的反应，控制器就利用此信息来确定物体的大小和形状。3.2.1感觉传感器1．触觉感知传感器触觉传感器3.2.1感觉传感器2．接近觉感知传感器接近觉传感器用来感觉是否有目标物体接近和接近的距离，包括感应式传感器、电容式传感器、光学传感器、超声波传感器等。感应式传感器要求检测的物体是金属。电容式传感器可以检测任何固体和液体，测量范围为毫米级。光学传感器主要指红外传感器和超声波传感器。感觉是否有目标物体接近一般用红外传感器，测近距一般用超声波传感器，而且也可以用在水下测量距离、方向和速度。3.2.1感觉传感器2．接近觉感知传感器红外传感器是根据波从发射到接收的传播过程中所受到的影响来检测物体的接近程度。这类传感器包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。当光强超过一定程度时光敏三极管就会导通，否则截止。把发光二极管和光敏三极管汇聚在同一面上，反射光才能被接收器看到。3.2.1感觉传感器2．接近觉感知传感器红外传感器3.2.1感觉传感器2．接近觉感知传感器红外传感器中，一般采用反射光强法进行测量，即目标物对发光二极管散射光的反射光强度进行测量。光的反射系数与目标物表面颜色、粗糙度等有关。目标颜色较深、接近黑色或透明时，其反射光很弱。若以输出信号达到其一阈值作为“接近”时，则对不同目标物“接近”的距离是不同的。红外光强法接近觉对大多数目标物是能找到“接近”感觉的，即能很容易地检测出工作空间内某物体是否存在，但是作为距离的测量并不精确。3.2.2测距传感器超声波传感器发射超声波脉冲信号，测量回波的返回时间便可得知达到物体表面的距离。如果安装多个接收器，根据相位差还可以得到物体表面的倾斜状态信息。但是，超声波在空气中衰减得很快（在1MHz的条件下为12dB/cm）,因此其频率无法太高。超声波传感器可测量方向、距离、速度。移动机器人主要应用超声波传感器采用主动测距方式测距。主动测距方法有渡越时间法、脉冲回波法、频率调制连续脉冲等。3.2.2测距传感器TOF方法检测超声波往返距离的时间。所用的时间与超声波通过距离成正比，记录超声波发射极发出脉冲时间和超声波接收器接收到第一个返回脉冲时间，可得到时间值T，由时间T计算出距离，TOF测量方法对噪声敏感。超声波传感器3.2.3视觉传感器1．CCD图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice，感光耦合组件）是摄像系统中可以记录光线变化的半导体，通常以百万像素为单位。CCD相机的原理是芯片上面整齐地排列着很多小的感光单元，光线中的光子撞击每个单元后，在这些单元中会产生电子（光电效应），光子的数目与电子的数目互成比例。3.2.3视觉传感器1．CCD图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice，感光耦合组件）是摄像系统中可以记录光线变化的半导体，通常以百万像素为单位。CCD相机的原理是芯片上面整齐地排列着很多小的感光单元，光线中的光子撞击每个单元后，在这些单元中会产生电子（光电效应），光子的数目与电子的数目互成比例。3.2.3视觉传感器1．CCD图像传感器每一个CCD组件由上百万个MOS电容所构成。当数字相机的快门开启，来自影像的光线穿过这些马赛克色块会让感光点的二氧化硅材料释放出电子〈负电〉与电洞〈正电〉。经由外部加入电压，这些电子和电洞会被转移到不同极性的另一个硅层暂存起来。电子数的多寡和曝光过程光点所接收的光量成正比。在一个影像最明亮的部位，可能有超过10万个电子被积存起来。3.2.3视觉传感器1．CCD图像传感器曝光后所有产生的电荷都被转移到邻近的移位缓存器中，并且逐次逐行的转换成信号流从矩阵中读取出来。这些电荷讯号先被送入一个QV之中将电荷转换成电压；再将电压放大进行A/D转换。ADC将信号的连续范围配合色块码赛克的分布，转换成一个2D的平面表示列，它让每个画素都有一个色调值，应用这个方法，再由点组成网格，每一个点现在都有用以表示它所接受的光量的二进制数据，可以显示强弱大小，最终再整合影像输出。3.2.3视觉传感器2．CMOS图像传感器CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，通常由像元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、A/D转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成，其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、输出几部分。

CMOS图像传感器结构框图3.2.3视觉传感器2．CMOS图像传感器光照射像元阵列，发生光电效应，在像元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要选通相应的行像元。行像元内的图像信号通过各自所在列的信号总线输出到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像元阵列逐行扫描也可以隔行扫描，行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，提高信噪比3.2.3视觉传感器2．CMOS图像传感器由于杂质、受热等其他原因的影响，即使没有光照射到象素，象素单元也会产生电荷，这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同，它会导致图形噪声。另外，光输入信号过强的话，像素单元将饱和而不能进行光电转换，图像会模糊。3.3移动机器人视觉原理视觉对于移动机器人，就像眼睛对人一样重要，根据视觉系统所使用的摄像机数目不同，视觉系统分为单目视觉系统、双目视觉系统和多目视觉系统。在移动机器人领域，视觉主要用于环境中目标位姿测量，典型应用包括移动机器人视觉定位、目标跟踪、视觉避障等。3.3.1摄像机成像模型1．参考坐标系3.3.1摄像机成像模型1．参考坐标系（1）世界坐标系将世界坐标系表示成

，此坐标系描述空间中各个目标的位置。其原点和各个坐标轴可以由人为自行定义，通常将机器人的基坐标系作为世界坐标系。（2）摄像机坐标系摄像机坐标系

是以摄像机光心为原点设立的三维直角坐标系，Zc轴即摄像机光轴，正方向为摄像机指向景象的方向，垂直于成像面。

为摄像机的焦距f。3.3.1摄像机成像模型1．参考坐标系（3）图像物理坐标系目标物体经由摄像机采集图像，将像点投影到成像平面上，称光轴与成像平面的垂直交点为图像主点

，以主点为原点建立图像物理坐标系

，其横轴

和纵轴

分别平行于摄像机坐标系横轴Xc和纵轴Yc，则物理坐标(x,y)代表空间中一点在成像平面上的投影点坐标。3.3.1摄像机成像模型1．参考坐标系（4）图像像素坐标系用摄像机采集图像，图像信息是模拟的，经过图像采集卡的处理转变为数字信号。在计算机中数字图像的表达形式是M×N二维数组，数组里的元素代表图像像素点，元素值即为像素值，代表图像亮度。在图像上建立图像像素坐标系

，原点为图像左上角点，横轴的正方向水平向右，纵轴垂直于向下，单位是像素，像素坐标代表了该像素在二维图像数组位于第U列、第V行。3.3.1摄像机成像模型1．参考坐标系（4）图像像素坐标系假定主点

的像素坐标是

，

轴和

轴相对于U轴和V轴的尺度因子依次为dx和dy，那么像素坐标系和图像物理坐标系的关系可以下式表示：式中(u,ν)表示物点像素坐标系坐标，(x,y)表示物点物理坐标系坐标。3.3.1摄像机成像模型1．参考坐标系用齐次坐标与矩阵来表示上式则为：2．摄像机针孔模型光线照射到物体上发生反射，经由摄像机中心（针孔）投影到成像平面上，感光元件将采集到的光信号转变为电信号，最终形成数字图像。变换图形方向即可使其与景物方向一致。3.3.1摄像机成像模型2．摄像机针孔模型针孔模型3.3.1摄像机成像模型2．摄像机针孔模型点P在摄像机坐标系下的坐标为(xc,yc,zc)，

点在图像物理坐标系下的坐标为(x,y)，直线OcOβ的模为摄像机焦距f，由三角形相似原理可知：3.3.1摄像机成像模型3．摄像机内参模型在摄像机内部，物点在摄像机坐标系

下的坐标映射到图像像素坐标系

，在摄像机外部，物点在世界坐标系

下的坐标映射到摄像机坐标系

。物点由三维空间映射到成像平面的像点是失真的，成像平面上的像点对应的是起点为光心且经过该像点的射线。得到摄像机坐标系和像素坐标系之间的关系，如下：3.3.1摄像机成像模型3．摄像机内参模型令

，用齐次坐标和矩阵来表示，如下：3.3.1摄像机成像模型4．摄像机外参模型摄像机外参模型描述的是摄像机坐标系和世界坐标系的映射关系，用其次坐标和矩阵可表示为：(xc,yc,zc)表示景物点在摄像机坐标系中坐标；(xw,yw,zw)表示景物点在世界坐标系下的坐标；

为摄像机外参矩阵3.3.2双目视觉原理模型1．平行双目视觉模型平行双目视觉模型3.3.2双目视觉原理模型1．平行双目视觉模型在平行双目视觉模型中，2个摄像机的光轴平行，X轴在一条直线上且所指方向一致。左摄像机坐标系的原点为Ocl，X轴为Xcl；右摄像机坐标系的原点为Ocr，轴为Xcr；将左右摄像机光心连线O