基于惯性传感器的机器人姿态监测系统设计

基于惯性传感器的机器人姿态监测系统设计一、设计背景

空间飞行器的惯性测量系统、机器人的平衡姿态检测、机械臂伸展确定等许多方面都需要测量物体的倾斜和方向等姿态参数。机器人的运动过程中要不断的检测机器人的运动状态，以实现对机器人的精确控制。.本文研究的基于MEMS 惯性传感器姿态检测系统用于检测自平衡机器人运动时姿态，以控制机器人的平衡。

随着微机电系统（MEMS）技术的发展，采用传感器应用到姿态检测系统上的条件变得成熟。基于MEMS 技术的加速度传感器和陀螺仪具有抗冲击能力强、可靠性高、寿命长、成本低等优点，是适用于构建姿态检测系统的惯性传感器。利用MEMS 陀螺仪和加速度传感器等惯性传感器组成的姿态检测系统，能够通过对重力矢量夹角和系统转动角速度进行测量，从而实时、准确地检测系统的偏转角度。

由于惯性传感器随着时间、温度的外界变化，会产生不同程度的漂移。通过对陀螺仪和加速度计的采集数据进行数据融合，测量的角度与实际的角度相吻合，取得了良好的控制效果。同时该系统具有独立，易用的特点，其应用前景广泛。

二、基本原理

在地球上任何位置的物体都受到重力的作用而产生一个加速度，加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。把三轴加速度传感器固定在物体上，在相对静止状态下，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴相对于重力场发生变

化，加速度传感器的三个敏感轴分别输出重力在其相应方向产生的分量信号。

当系统处于变速运动状态时，由于加速度传感器同时受到重力加速度和系统自身加速度的影响，其返回值是重力加速度同系统自身加速度的矢量和。对加速度传感器温度漂移及系统振动和机械噪声等方面的考虑，加速度传感器不能独立运用测量系统的姿态。陀螺仪能够提供瞬间的动态角度变化，由于其本身的固有特性、温度及积分过程的影响，它会随着工作时间的延长产生漂移误差。因此对于姿态检测系统而言,单独使用陀螺仪或加速度计，都不能提供系统姿态的可靠估计。为了克服这些问题，数据融合算法需使用加速度传感器的测量值并使用陀螺仪测得的角速度数据对加速度传感器数据进行融合和矫正。

图1加速度传感器

系统依据上一时刻的重力矢量方向的估计值，结合陀螺仪测得的角度值计算出当前时刻的重力矢量方向，再与当前时刻加速度传感器返回的矢量方向进行加权平均，得到当前矢量方向的最优估计值。

三、系统框架

姿态平衡检测系统中，控制单元采用单片机来完成控制,数据采集与处理，数据通讯等功能。根据对资料的分析,同时对性能价格比的衡量，惯性测量单元

采用Analog Device公司的ADXRS150 (陀螺仪)和ADXL202(加速度计)。其基本性能指标如下。

ADXRS150其输出电压与偏航角速度成正比，电压的极性则代表转动方向(顺时针转动或逆时针转动)。其测量偏航角速度(以下简称为角速度)的围是±150 rad/s，灵敏度为12.5 mV/rad/s，零位输出电压为2.50 V，非线性误差为±0.1%F.S.,稳定度为±0.03 rad /s，-3 dB带宽为40 Hz，固有频率为14 kHz，

角速度噪声密度为。

ADXL202是一款双轴的加速度传感器，可测量正负加速度，其最大测量围为±2g n。灵敏度12.5 %/g n，-3 dB带宽为6 kHz。从技术指标可以知道能满足在测量角度，但是单纯的使用，由于积分计算及噪声影响会使得角度测量误差超出允许的测量围，所以从硬件和滤波算法上进行校正和数据融合，以完成机器人偏转角度的精确测量。

系统框架图如图2所示.

图2 姿态检测系统框架图

四、电路设计

对于这个姿态检测系统，其检测电路分为两个部分：陀螺仪信号采集和加速度计信号采集。陀螺仪输出模拟信号，加速度计输出的是脉冲信号。

1 陀螺仪的电路设计

1.1 滤波电路

ADXRS150型微机械陀螺属于芯片级微机械陀螺，陀螺仪本身容易受到高频信号及其他外在因素的影响，导致其信号输出的不稳定。为了有效滤除陀螺仪的高频信号，在陀螺仪的输出上增加But-terworth低通滤波电路。经过滤波电路再连接到单片机的A/D端，从而减少了数据处理的干扰，提高了检测精度，滤波电路如图3所示。

图3 陀螺仪的滤波电路

1.2 陀螺仪的基本电路

陀螺仪的基本电路主要由ADXRS150组成，为提高可移植性，将它与必要的外围电阻，电容集成在同一模块，可以直接应用于其他的系统中，如图4所示，

实际完成后的陀螺仪模块。

图4陀螺仪模块

2 加速度计的电路设计

2.1 加速度的基本电路

ADXL202是一个双轴的加速度计，可以测量运动和静态的加速度。静态加速度的一个特殊例子是重力加速度。当加速度传感器静止时(也就是侧面和垂直方向没有加速度作用)，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力(垂直)和加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角。就是说可将加速度计用作倾角计。因为角度由灵敏轴和重力矢量组成的垂直平面决定，倾斜可以从各种初始的加速度传感器位置测得。在大多数设计中，加速度传感器的位置由水平或者垂直的PCB(印刷电路板)决定。这里选择了垂直的放置方法，如图5所示。

图5 加速度计的垂直放置及加速度的计算方法

基于垂直位置的倾斜角，可以测量大于的倾斜角时。通过加速度传感器的x和y轴的结合起来得到在围都有比较好分辨率。同时执行了这个转换过程后就不用对加速度传感器进行温度补偿了，因为两个轴的输出都是相同的变化幅度，所以灵敏度随温度的变化对比值的计算没有影响。

加速度计电路主要由ADXL202构成，并辅助以一些滤波及调节电路；通过系统控制电路处理ADXL202产生的占空比调制信号；采样电路中滤波电容选择Cx，Cy为0.1μF，滤波带宽为50 Hz，选择的周期T2的电阻为_? _?〖〗^D_Dd__________????________________

图6 ADXL202的测量原理图

输出信号Xout，Yout连接到单片机，对与加速度成正比的占空比的方波进行处理，通过下面的公式得到偏转的角度。

2.2 参数标定

由于器件参数的差异，芯片的基本参数()也不完全相同。因此，当要求测量精度较高时仍使用参数典型值就会引起误差。要提高测量的精度，就需要在测量前对相关参数认真标定。采用“1gn标定方法”来对加速度计的参数进行标定，标定后的参数如下：

Ax= (T1/T2-0.46327)/12.5%

Ay= (T1/T2-0.52941)/12.5%

以上就是机器人的姿态平衡控制系统，其相应的控制板如图7所示.控制系统由Mi-crochip公司的PIC18F458进行数据处理，完成数据处理后通过串口通信发送到电机控制系统板，以驱动电机来完成机器人的姿态平衡动作。

图7 姿态检测系统电路板

五、基于卡尔曼滤波的数据融合

对于姿态检测系统而言，单独使用陀螺仪或者加速度计，都不能提供有效的而且可靠的信息来保持机器人的平衡。陀螺仪能够提供瞬间的动态角度变化，但是由于其本身的固有特性、温度及积分过程的影响，它会随着工作时间的延长产生漂移误差，加速度计能够准确地提供静态的角度，但是它容易受到噪声的干扰，使得数据变化较大，为了克服这些问题，利用卡尔曼滤波来对信号进行数据融合。

经过卡尔曼滤波的处理，用加速度计的实现测量的倾斜角度来消除陀螺仪的漂移,在这个过程中，有害的噪声也被最小化了，从而得到精确的角度估计，通过卡尔曼滤波方法去跟踪机器人的倾斜角度与陀螺仪的偏差，来完成机器人的姿态检测工作。

六、软件设计

对于姿态检测系统的软件设计包括以下几个部分：系统的初始化与自校准，系统的中断处理程序，系统数据处理程序和数据通讯模块的设计。程序设计采用

移动机器人导航技术总结

移动机器人的关键技术分为以下三种: (1)导航技术 导航技术是移动机器人的一项核心技术之一[3,4]"它是指移动机器人通过传感器感知环境信息和自身状态,实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动"目前,移动机器人主要的导航方式包括:磁导航,惯性导航,视觉导航等"其中,视觉导航15一7]通过摄像头对障碍物和路标信息拍摄,获取图像信息,然后对图像信息进行探测和识别实现导航"它具有信号探测范围广,获取信息完整等优点,是移动机器人导航的一个主要发展方向,而基于非结构化环境视觉导航是移动机器人导航的研究重点。 (2)多传感器信息融合技术多传感器信息融合技术是移动机器人的关键技术之一,其研究始于20世纪80年代18,9]"信息融合是指将多个传感器所提供的环境信息进行集成处理,形成对外部环境的统一表示"它融合了信息的互补性,信息的冗余性,信息的实时性和信息的低成本性"因而能比较完整地,精确地反映环境特征,从而做出正确的判断和决策,保证了机器人系统快速性,准确性和稳定性"目前移动机器人的多传感器融合技术的研究方法主要有:加权平均法,卡尔曼滤波,贝叶斯估计,D-S证据理论推理,产生规则,模糊逻辑,人工神经网络等"例如文献[10]介绍了名为Xavier的机器人,在机器人上装有多种传感器,如激光探测器!声纳、车轮编码器和彩色摄像机等,该机器人具有很高的自主导航能力。 (3)机器人控制器作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一"目前,国内外机器人小车的控制系统的核心处理器,己经由MCS-51、80C196等8位、16位微控制器为主,逐渐演变为DSP、高性能32位微控制器为核心构成"由于模块化系统具有良好的前景,开发具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器也成为当前机器人控制器的一个研究热点"近几年,日本!美国和欧洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器,如日本安川公司基于PC开发的具有开放式结构!网络功能的机器人控制器"我国863计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项 视觉导航技术分类 机器人视觉被认为是机器人重要的感觉能力，机器人视觉系统正如人的眼睛一样,是机器人感知局部环境的重要“器官”,同时依此感知的环境信息实现对机器人的导航。机器人视觉信息主要指二维彩色CCD摄像机信息,在有些系统中还包括三维激光雷达采集的信息。视觉信息能否正确、实时地处理直接关系到机器人行驶速度、路径跟踪以及对障碍物的避碰,对系统的实时性和鲁棒性具有决定性的作用。视觉信息处理技术是移动机器人研究中最为关键的技术之一。

机器人上用的传感器的介绍

机器人上用的传感器的介绍 作者：Ricky 文章来源：https://www.sodocs.net/doc/2e6233799.html,更新时间：2006年05月20日打印此文浏览数：18549 感知系统是机器人能够实现自主化的必须部分。这一章，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。 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。 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。 传感器一般有以下几个指标： 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。 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。 下面介绍一下常用的传感器： 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。

机器人传感器的类别及应用原理

机器人传感器的类别及应用原理 一般机器人系统由机械手、环境、任务和控制器四个互相作用的部分组成。我们称一般安装在机器人机械手上的传感器为内传感器（Inner Sensons），而称作为环境的一部分的传感器为外传感器（External Sensons）。下面将以此为主，结合机器人传感器其它分类方法进行阐述。 机器人产业近年来发展很快，2012年全球产量为16万台，欧、美、日等工业发达国家机器人市场已比较成熟，已处于平增长阶段。其机器人密度（万名员工使用机器人台数）韩国为347台，日本为339台，法国为261台，而我国为10台（有统计数据称为21台，仅供参考）。而我国机器人市场也发展很快，工业机器人每年装机量增长速度均超过20%，2010年装机量为52290台，2011年上涨到74317台，实现了42%的增长率。在2012年，我国出台了《智能制造科技发展十二五专项规划》，2013年4月21日还成立了中国机器人产业联盟，这些均证明了我国机器人产业将会有更大的发展。 机器人产品目前分类为工业机器人和服务机器人两大类。国内也有分为工业机器人和特种机器人两大类的；或分为一般机器人和智能机器人两大类；或分为一般机器人和移动机器人两类；或分为一般机器人和拟人机器人两类等。目前工业机器人多用于搬运、分拣、上下料、包装、码垛、焊接、喷涂、打磨、抛光、切割、摆放、装配等方面。 随着智能化的程度提高，机器人传感器应用越来越多。智能机器人主要有交互机器人、传感机器人和自主机器人3种。从拟人功能出发，视觉、力觉、触觉最为重要，早已进入实用阶段，听觉也有较大进展，其它还有嗅觉、味觉、滑觉等，对应有多种传感器，所以机器人传感产业也形成了生产和科研力量。 机器人的控制系统相当于人类大脑，执行机构相当于人类四肢，传感器相当于人类的五官。因此，要让机器人像人一样接收和处理外界信息，机器人传感器技术是机器人智能化的重要体现。 传感器是机器人完成感觉的必要手段，通过传感器的感觉作用，将机器人自身的相关特性或相关物体的特性转化为机器人执行某项功能时所需要的信息。根据传感器在机器人上应

机器人最实用的10种传感器盘点

机器人最实用的10种传感器盘点 随着智能化的程度提高，机器人传感器应用越来越多。智能机器人主要有交互机器人、传感机器人和自主机器人3种。从拟人功能出发，视觉、力觉、触觉最为重要，早已进入实用阶段，听觉也有较大进展，其它还有嗅觉、味觉、滑觉等，对应有多种传感器，所以机器人传感产业也形成了生产和科研力量。 内传感器 机器介机电一体化的产品，内传感器和电机、轴等机械部件或机械结构如手臂（Arm）、手腕（Wrist）等安装在一起，完成位置、速度、力度的测量，实现伺服控制。 位置（位移）传感器 直线移动传感器有电位计式传感器和可调变压器两种。角位移传感器有电位计式、可调变压器（旋转变压器）及光电编码器三种，其中光电编码器有增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器一般用于零位不确定的位置伺服控制，绝对式编码器能够得到对应于编码器初始锁定位置的驱动轴瞬时角度值，当设备受到压力时，只要读出每个关节编码器的读数，就能够对伺服控制的给定值进行调整，以防止机器人启动时产生过剧烈的运动。 速度和加速度传感器 速度传感器有测量平移和旋转运动速度两种，但大多数情况下，只限于测量旋转速度。利用位移的导数，特别是光电方法让光照射旋转圆盘，检测出旋转频率和脉冲数目，以求出旋转角度，及利用圆盘制成有缝隙，通过二个光电二极管辨别出角速度，即转速，这就是光电脉冲式转速传感器。此外还有测速发电机用于测速等。 应变仪即伸缩测量仪，也是一种应力传感器，用于加速度测量。加速度传感器用于测量工业机器人的动态控制信号。一般有由速度测量进行推演、已知质量物体加速度所产生动力，即应用应变仪测量此力进行推演，还有就是下面所说的方法： 与被测加速度有关的力可由一个已知质量产生。这种力可以为电磁力或电动力，最终简化为对电流的测量，这就是伺服返回传感器，实际又能有多种振动式加速度传感器。

传感器技术在机器人技术中的应用研究

毕业论文 班级： 科目：工业机器人 姓名： 学号： 指导老师：

传感器技术在机器人技术中的应用研究【摘要】传感器是用来检测机器人自身的工作状态，以及机器人智能探测外部工作环境和对象状态的核心部件。能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。本文首先介绍了常用传感器的工作原理、基本结构、使用特点，并讨论了传感器在智能机器人中的应用。 【关键词】传感器；机器人；视觉传感器；力觉传感器；触觉传感器 1.传感器的工作原理及典型应用 传感器在工业中的应用非常的广泛，是当今科技产业是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是当今世界极其重要的高科技，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。它广泛应用于各种新型技术领域中，下面列举几种常见的传感器：应变式传感器：有应变效应、压阻效应的原理而来。力传感器、压力传感器液体重量传感器、加速度传感器是它的典型应用；电感式传感器：利用电磁感应(自感、互感)来工作，主要应用于测量位移、振幅、转速和无损探伤等；电容式传感器：将非电量转换为电容量，它的核心部分是可变参数的电容器。把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器；压电式传感器：是基于压电效应应用的传感器，它的核心部件是压电材料。应用于测量力和能变换为力的非电物理量；磁电式传感器：利用电磁感应来工作，适用于动态测量，例如霍尔传感器；热电式传感器：基于热电效应的原理而制造出来的传感器，利用温度的变化

来进行测量，一般用于温度测量、管道流量测量等；光电式传感器：基于光电效应的传感器，将光电信号转换成电信号输出，来测量位移、速度、温度等，例如CCD固体图像传感器、光纤传感器等；红外传感器：红外辐射，被动式人体移动检测仪红外测温仪、红外线气体分析仪；微波传感器：反射原理、吸附效应，微波液位计、辐射计、物位计,微波温度传感器、无损探测仪、多普勒传感器；超声波传感器：压电效应、磁致伸缩效应，测量物位、流量、厚度、探伤；数字式传感器：光栅原理、光电效应，机床定位、长度和角度的计量仪器； 2.传感器在机器人中的应用 机器人能智能探测发现工作对象及对工作对象进行处理加工，都是因为在机器人相应部位装备了传感器，机器人才具备了类似于人类的视觉功能、运动协调和触觉反馈。智能机器人能对工作对象进行检测或在恶劣环境中工作是因为装备了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、光敏传感器、超声波传感器和声学传感器等，有了传感器的应用才大大改善智能机器人知觉功能和反应能力，使其能够更灵活、更妥善地完成各种复杂的工作。根据传感器在机器人中应用的不同可分为机器人部检测传感器和机器人外部探测传感器。（1）机器人部传感器是用于检测机器人自身的工作状态（如调整前进速度）的传感器。多为检测速度和角度的传感器。（2）机器人外部传感器检测机器人外部工作环境（如是什么工作对象，离工作对象的距离的远近等）及工作状况（如机器人手臂的抓取是否成功）的传感器。具体

超声波传感器在移动机器人的应用(探测障碍物)

超声波传感器在移动机器人的应用（探测障碍物） 摘要：移动机器人通过各种传感器系统感知外界环境和自身状态，在复杂的环境自主移动并完成相应的任务，超声波传感器以其独有的特征而被青睐， 关键词：超声波传感机器人障碍物探测 前言： 随着机器人技术的发展，自主移动机器人以其灵活性和智能性等特点，在人们的生产生活中应用越来越广泛，移动机器人要获得自主行为，其最重要的任务之一是获取关于环境的知识。这是用不同的传感器测量并从那些测量中提取有意义的信息而实现的。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在移动机器人中得到实际应用。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。超声波传感器以其性价比高、硬件实现简单，成本低，不易受电磁、光线被测对象颜色烟雾影响等优点，在移动机器人感知系统中得到了广泛的应用。但是超声波传感器也存在一定的局限性，主要是因为波束角大、方向性差、测距的不稳定性(在非垂直的反射下)等，因此往往采用多个超声波传感器或采用其他传感器来补偿。 超声波传感器在移动机器人的应用 由于用超声波测量距离并不是一个点测量。超声波传感器具有一定的扩散特性，发射的超声能量主要集中在主波瓣上，沿着主波轴两侧呈波浪型衰减，左右约30°的扩散角，但对于移动机器人很难保证其自身运动姿态的稳定性，采用超声波传感器固定在移动机器人车身的探测方式，当移动机器人偏离平行墙面时，探测系统往往很难得到实际的距离。另外，超声波这种发散特性在应用于测量障碍物的时候，只能提供目标障碍物的距离信息，而不能提供目标的方向和边界信息。这些缺陷都大大限制了超声波传感器的实际应用和推广。 在移动机器人行走过程中，由于随时可能遇到障碍物，而且障碍物的大小、多少未知，所以能够顺利地到达目的地，本设计系统使用了两个超声波传感器进行检测现场的环境信息，使它们的信息能够相互补充。在超声波感应器检测过程中，若有一个检测到一个障碍物，另一个检测到另一个障碍物，做如下处理：如果两传感器同时检测到障碍物，那么认为是同一个物体；相反，如果两传感器不同时检测到障碍物时，那么认为是两个物体。显然，探测系统在角度上是离散的，存在一定的分辨力，很可能把两个相近的物体看成同一个物体，但这两种情况并不影响移动机器人的行走，因为当两种物体相近时，移动机器人不可能从它们的间隙中走过，因此，把它们看成是同一物体是合理的，至少可以减少计算的复杂性。 障碍物的信息包括：超声波传感器中心到障碍物的最短距离和障碍物相对于车体的方位，移动机器人运行过程中，实时采集每个方向上超声波传感器中心到障碍物边界距离，进行比较划分找到其中最短的距离及方位最为车体到障碍物的最短距离及方位。避障算法如下：移动机器人以某一速度前进，如果某一传感器检测的距离小于d，这个距离是预定义可编程的临界距离，那么机器人以某一

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机器人视觉传感器应用 庞浜 学号19920141152889 （厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门 361005） 摘要：传感器是自动控制特别是机器人技术中一个很重要的部分。它类似人的五感(眼、耳、鼻、舌、身)对对象物，周围环境，系统内部状态进行快速、准确的感觉、检测、识别。本译文介绍了几种类似人视觉功能的传感器(红外线传感器，视觉—位置传感器，色识别传感器)，及其原理、特点、应用及主要技术指标。在机器人发展日益成熟的今天，视觉传感器的重要作用日益显现。 关键词：视觉传感器，图像处理，机器人 Abstract:Sensor is a very important part of automatically controlled in particular robotics. It is similar to one of the five senses (eyes,ears,nose, tongue,body) to the object, the surroundings, the internal state of the system for fast, accurate feeling, detection, identification.The translation introduces several features similar to human vision sensors (infrared sensors, vision - position sensors,color recognition sensor),and its principles，characteristics,applications and main technical indicators.In today's increasingly sophisticated robot development, the important role of the visual sensor becomes increasingly obvious. 1引言 目前，在全世界的制造业中，工业机器人已经在生产中起到了越来越重要的作用。为了使机器人能够胜任更复杂的工作，机器人不但要有更好的控制系统，还需要更多地感知环境的变化。其中机器人视觉以其信息量 大、信息完整成为最重要的机器人感知功能。 机器人视觉伺服系统是机器视觉和机器人控制的有机结合，是一个非线性、强藕合的复杂系统，其内容涉及图象处理、机器人运动学和动力学、控制理论等研究领域。随着摄像设备性能价格比和计算机信息处理速度的提高，以及有关理论的日益完善，视觉伺服已具备实际应用的技术条件，相关的技术问题也成为当前研究的热点。 机器人视觉是使机器人具有视觉感知功能的系统。机器人视觉可以通过视觉传感器获取环境的一维、二维和三维图像，并通过视觉处理器进行分析和解释，进而转换为符号，让机器人能够辨识物体，并确定其位置及各种状态。机器人视觉视觉侧重于研究以应用为背景的专用视觉系统，只提供对执行某一特定任务相关的景物描述。机器人视觉硬件主要包括图像获取和视觉处理两部分，而图像获取由照明系统、视觉传感器、模拟－数字转换器和帧存储器等组成。根据功能不同，机器人视觉可分为视觉检验和视觉引导两种，广泛应用于电子、汽车、机械等工业部门和医学、军事领域。计算机视觉应用多采用光电传感器、视觉传感器或者视觉系统来实现。光电传感器结构简单，价格

智能机器人中最实用的10种霍尼韦尔传感器盘点

智能机器人中最实用的10种霍尼韦尔传感器盘点 随着智能化的程度提高，机器人传感器产品应用越来越多。智能机器人主要有交互机器人、传感机器人和自主机器人3种。从拟人功能出发，视觉、力觉、触觉最为重要，早已进入实用阶段，听觉也有较大进展，其它还有嗅觉、味觉、滑觉等，对应有多种传感器，所以机器人传感产业也形成了生产和科研力量，泰德兰电子科技中霍尼韦尔（honeywell）传感器在智能机器人中有哪些应用呢？ 内传感器 机器介机电一体化的产品，内传感器产品和电机、轴等机械部件或机械结构如手臂（Arm）、手腕（Wrist）等安装在一起，完成位置、速度、力度的测量，实现伺服控制。 位置（位移）传感器 直线移动传感器有电位计式传感器和可调变压器两种。角位移传感器有电位计式、可调变压器（旋转变压器）及光电编码器三种，其中光电编码器有增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器一般用于零位不确定的位置伺服控制，绝对式编码器能够得到对应于编码器初始锁定位置的驱动轴瞬时角度值，当设备受到压力时，只要读出每个关节编码器的读数，就能够对伺服控制的给定值进行调整，以防止机器人启动时产生过剧烈的运动。 速度和加速度传感器 速度传感器有测量平移和旋转运动速度两种，但大多数情况下，只限于测量旋转速度。利用位移的导数，特别是光电方法让光照射旋转圆盘，检测出旋转频率和脉冲数目，以求出旋转角度，及利用圆盘制成有缝隙，通过二个光电二极管辨别出角速度，即转速，这就是光电脉冲式转速传感器。此外还有测速发电机用于测速等。

应变仪即伸缩测量仪，也是一种应力传感器，用于加速度测量。加速度传感器用于测量工业机器人的动态控制信号。一般有由速度测量进行推演、已知质量物体加速度所产生动力，即应用应变仪测量此力进行推演，还有就是下面所说的方法： 与被测加速度有关的力可由一个已知质量产生。这种力可以为电磁力或电动力，最终简化为对电流的测量，这就是伺服返回传感器，实际又能有多种振动式加速度传感器。 力觉传感器 力觉传感器用于测量两物体之间作用力的三个分量和力矩的三个分量。机器人中理想的传感器是粘接在依从部件的半导体应力计。具体有金属电阻型力觉传感器、半导体型力觉传感器、其它磁性压力式和利用弦振动原理制作的力觉传感器。 还有转矩传感器（如用光电传感器测量转矩）、腕力传感器（如国际斯坦福研究所的由6个小型差动变压器组成，能测量作用于腕部X、Y和Z三个方向的动力及各轴动转矩）等。 由于机器人发展历史较长，近年来普遍采用以交流永磁电动机为主的交流伺服系统，对应位置、速度等传感器大量应用的是：各种类型的光电编码器、磁编码器和旋转变压器。 外传感器 以往一般工业机器人是没有外部感觉能力的，而新一代机器人如多关节机器人，特别是移动机器人、智能机器人则要求具有校正能力和反应环境变化的能力，外传感器就是实现这些能力的。 触觉传感器 微型开关是接触传感器最常用型式，另有隔离式双态接触传感器（即双稳态开关半导体电路）、单模拟量传感器、矩阵传感器（压电元件的矩阵传感器、人工皮肤——变电导聚合物、光反射触觉传感器等）。 应力传感器 如多关节机器人进行动作时需要知道实际存在的接触、接触点的位置（定位）、接触的特性即估计受到的力（表征）这三个条件，所以用上节已指出的应变仪，结合具体应力检测的基本假设，如求出工作台面与物体间的作用力，具体有对环境装设传感器、对机器人腕部装设测试仪器用传动装置作为传感器等方法。 接近度传感器

移动机器人常用传感器及相关避障技术介绍

移动机器人常用传感器及相关避障技术介绍 移动机器人是机器人的重要研究领域，人们很早就开始移动机器人的研究。世界上第一台真正意义上的移动机器人是斯坦福研究院（SRI）的人工智能中心于1966年到1972年研制的，名叫Shakey，它装备了电视摄像机、三角测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器，并通过无线通讯系统由二台计算机控制，可以进行简单的自主导航。Shakey的研制过程中还诞生了两种经典的导航算法：A*算法（the A* search algorithm）和可视图法（the visibility graph method）。虽然Shakey只能解决简单的感知、运动规划和控制问题，但它却是当时将AI应用于机器人的最为成功的研究平台，它证实了许多通常属于人工智能（AriTIficial Intelligence，AI）领域的严肃的科学结论。从20世纪70年代末开始，随着计算机的应用和传感技术的发展，以及新的机器人导航算法的不断推出，移动机器人研究开始进入快车道。 移动机器人智能的一个重要标志就是自主导航，而实现机器人自主导航有个基本要求避障。下面让我们来了解一下移动机器人的避障，避障是指移动机器人根据采集的障碍物的状态信息，在行走过程中通过传感器感知到妨碍其通行的静态和动态物体时，按照一定的方法进行有效地避障，最后达到目标点。 实现避障与导航的必要条件是环境感知，在未知或者是部分未知的环境下避障需要通过传感器获取周围环境信息，包括障碍物的尺寸、形状和位置等信息，因此传感器技术在移动机器人避障中起着十分重要的作用。避障使用的传感器主要有超声传感器、视觉传感器、红外传感器、激光传感器等。 移动机器人避障常用的传感器 1、激光传感器 激光测距传感器利用激光来测量到被测物体的距离或者被测物体的位移等参数。比较常用的测距方法是由脉冲激光器发出持续时间极短的脉冲激光，经过待测距离后射到被测目标，回波返回，由光电探测器接收。根据主波信号和回波信号之间的间隔，即激光脉冲从

传感器在机器人中的应用

传感器在机器人中的应用 一名词解释 机器人：机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。 传感器：接受物理或化学变量(输入变量)形式的信息，并按一定规律将其转换成同种或别种性质的输出信号的装置。 机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能；动作程序灵活；有一定程度的智能；在工作时可以不依赖人的操纵。机器人传感器在机器人的控制中起了非常重要的作用，正因为有了传感器，机器人才具备了类似人类的知觉功能和反应能力。 机器人的全身布满了传感器，见图1。各传感器分别负责机器人的各部分功能，如：明暗觉传感器负责判断是否有无对象，并得到定量结果。 主要应用的传感器件：光敏管、光电断续器等。其他各类功能传感器见表1.

表1 二机器人中几种常见的传感器 霍尔传感器： （一）名词解释 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。实物见图2 霍尔效应：在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为U H的霍尔电压。 霍尔元件：根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。 （二）霍尔传感器的分类 霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。 1。线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。 2。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。

移动机器人触须传感器的研究

移动机器人触须传感器的研究 摘要：伴随着移动机器人传感器技术的发展，触须传感器成为了国内外的研究热点。本文剖析了啮齿类动物触须的结构和机理，研制了新型触须传感器，介绍了机器人触须传感器的结构和工作原理和一种基于横向光电效应的新型位敏感检测器PSD，详细地分析了它的应用特点、结构和检测原理。分析了柔性触须接触外界物体时接触位置的判断方法。从振动学的角度来建立了触须接触物体时的振动模型，得出了接触位置与振动基频之间的相互关系。最终以触须根部位移量的大小控制机器人与障碍物的接触距离，以位移量变化量的大小控制机器人运动方向，进而调整运动路线，实现机器人避障。 关键词：机器人，触须传感器，接触位置，躲避障碍物 Research of the Whisker Sensor for the Mobile Robot Abstract:With the development of sensor technology for mobile robots, whisker sensor shave been studied by domestic and foreign researchers. The structure and the Principle of robot whisker sensors were presented in this paper. And based on whisker’s structure of rodents a novel whisker sensor was developed. A new position sensitive detector (PSD) based-on lateral photo-electro effect is introduced in this paper and its characteristics，structure，and principle are analysed in detail. The theory of contact position on the flexible whisker when it contacts objects was brought forward. Vibration model was analyzed based on vibration theory and relation between contact position and natural frequency was educed. The contact distance and the moving direction of the robot were controlled according to the magnitude of displacement of whisker root, the robot can adjust trajectory and avoid obstacles. Key words: robot, whisker sensor, contact position, obstacles avoidance 1引言 1.1触须传感器的发展 1992年澳大利亚学者Russell设计了电位计式的触须传感器，通过测量刚性触须转角的变化来确定障碍物的位置。2002年Miriam Fend实验小组改进了传感器的结构，通过电容式麦克风来获取触须端部的变形信息，依据触须的振动频率确定障碍物的表面信息。2004年DaeEun Kim实验小组研制了电磁式触须传感器，通过测量空间磁场的改变来获取障碍物的信息，以此确定机器人与障碍物的相对位置。机器人触须避障这一新的研究领域充满了挑战和机遇，国内的研究刚刚起步，要使机器人触须系统真正达到应用自如的状态，还有许多方面值得进一步研究。 1.2触须简介 对人和动物来说，感受外界环境有视觉，听觉，触觉等。但对啮齿动物来说，它们大多是弱视的，特别是在暗夜中，比如老鼠喜欢沿着墙壁走，主要是凭借胡须搜寻到的信息来感知四周的环境，当触须被触动时，它弯曲并挤压小囊中的血液，压力产生的血液传导至血囊的壁，类似于气球在受到挤压时里边的空气会加压于气球壁一样。这时被触须根部搅动的血液放大了信号，信号刺激神经，使动物大脑最终接收到了哪怕是最微弱的触碰。

机器人用传感器

机器人用传感器 外部传感器 1．概述 为了检测作业对象及环境或机器人与它们的关系，在机器人上安装了触觉传感器、视觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器、超声波传感器和听觉传感器，大大改善了机器人工作状况，使其能够更充分地完成复杂的工作。由于外部传感器为集多种学科于一身的产品，有些方面还在探索之中，随着外部传感器的进一步完善，机器人的功能越来越强大，将在许多领域为人类做出更大贡献。 2．外部传感器按功能分类 （1）触觉传感器触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合，触觉可以用来进行机器人抓取，利用触觉可进一步感知物体的形状、软硬等物理性质。对机器人触觉的研究，只能集中于扩展机器人能力所必需的触觉功能，一般把检测感知和外部直接接触而产生的接触觉、压力、触觉及接近觉的传感器称为机器人触觉传感器。 1）接触觉：接触觉是通过与对象物体彼此接触而产生的，所以最好使用手指表面高密度分布触觉传感器阵列，它柔软易于变形，可增大接触面积，并且有一定的强度，便于抓握。接触觉传感器可检测机器人是否接触目标或环境，用于寻找物体或感知碰撞。 ① 机械式传感器：利用触点的接触断开获取信息，通常采用微动开关来识别（物体的二维轮廓，由于结构关系无法高密度列阵。 ② 弹性式传感器：这类传感器都由弹性元件、导电触点和绝缘体构成。如采用导电性石墨化碳纤维、氨基甲酸乙酯泡沫、印制电路板和金属触点构成的传感器，碳纤维被压后与金属触点接触，开关导通。也可由弹性海绵、导电橡胶和金属触点构成，导电橡胶受压后，海绵变形，导电橡胶和金属触点接触，开关导通。也可由金属和铰青铜构成，被绝缘体覆盖的青铜箔片被压后与金属接触，触点闭合。 ③ 光纤传感器：这种传感器包括由一束光纤构成的光缆和一个可变形的反射表面。光通过光纤束投射到可变形的反射材料上，反射光按相反方向通过光纤束返回。如果反射表面是平的，则通过每条光纤所返回的光的强度是相同的。如果反射表面因与物体接触受力而变形，则反射的光强度不同。用高速光扫描技术进行处理，即可得到反射表面的受力情况。 2）接近觉：接近觉是一种粗略的距离感觉，接近觉传感器的主要作用是在接触对象之前获得必要的信息，用来探测在一定距离范围内是否有物体接近、物体的接近距离和对象的表面形状及倾斜等状态，一般用“1”和“0”两种态表示。在机器人中，主要用于对物体的抓取和躲避。接近觉一般用非接触式测量元件，如霍尔效应传感器、电磁式接近开关和光学接近传感器。 以光学接近传感器为例，其结构如下图1所示。由发光二极管和光敏晶体管组成。发光

盘点机器人传感器的类型及其作用

盘点机器人传感器的类型及其作用 随着智能化的程度提高，机器人传感器应用越来越多。智能机器人主要有交互机器人、传感机器人和自主机器人3种。从拟人功能出发，视觉、力觉、触觉最为重要，早已进入实用阶段，听觉也有较大进展，其它还有嗅觉、味觉、滑觉等，对应有多种传感器，所以机器人传感产业也形成了生产和科研力量。 内传感器 机器介机电一体化的产品，内传感器和电机、轴等机械部件或机械结构如手臂（Arm）、手腕（Wrist）等安装在一起，完成位置、速度、力度的测量，实现伺服控制。 位置（位移）传感器 直线移动传感器有电位计式传感器和可调变压器两种。角位移传感器有电位计式、可调变压器（旋转变压器）及光电编码器三种，其中光电编码器有增量式编码器和绝对式编码器。增量式编码器一般用于零位不确定的位置伺服控制，绝对式编码器能够得到对应于编码器初始锁定位置的驱动轴瞬时角度值，当设备受到压力时，只要读出每个关节编码器的读数，就能够对伺服控制的给定值进行调整，以防止机器人启动时产生过剧烈的运动。 速度和加速度传感器 速度传感器有测量平移和旋转运动速度两种，但大多数情况下，只限于测量旋转速度。利用位移的导数，特别是光电方法让光照射旋转圆盘，检测出旋转频率和脉冲数目，以求出旋转角度，及利用圆盘制成有缝隙，通过二个光电二极管辨别出角速度，即转速，这就是光电脉冲式转速传感器。此外还有测速发电机用于测速等。 力觉传感器 力觉传感器用于测量两物体之间作用力的三个分量和力矩的三个分量。机器人中理想的传感器是粘接在依从部件的半导体应力计。具体有金属电阻型力觉传感器、半导体型力觉传感器、其它磁性压力式和利用弦振动原理制作的力觉传感器。 由于机器人发展历史较长，近年来普遍采用以交流永磁电动机为主的交流伺服系统，对应