機(jī)器人傳感器1

1、2機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用3機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用4機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用5機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用6機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用7機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用8機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 壓 力 作 用 膜 片 形 變 （ 應(yīng) 變 ） 應(yīng) 變 片 電 阻 改 變 9機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用10機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用11機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用12機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用13機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用基本量派生量位移線位移長(zhǎng)度、厚度、振動(dòng)、磨損等角位移旋轉(zhuǎn)角、偏轉(zhuǎn)角、角振動(dòng)等速度線速度速度、振動(dòng)、流量、動(dòng)量等角速度轉(zhuǎn)速、角振動(dòng)等加速度線加速振動(dòng)、沖擊、質(zhì)量等角加速角振動(dòng)、扭矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等力壓力重量、應(yīng)力、力矩等時(shí)間頻率周期、記數(shù)、統(tǒng)計(jì)分布等溫 度熱容量、氣體速度、渦流等光光通量與密度、光譜分布

2、等14機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用電容法測(cè)位移電容法測(cè)位移15機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用電感法測(cè)厚度電感法測(cè)厚度16機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用霍爾法計(jì)數(shù)霍爾法計(jì)數(shù)17機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用霍爾法測(cè)轉(zhuǎn)速霍爾法測(cè)轉(zhuǎn)速18機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用半導(dǎo)體法測(cè)壓力半導(dǎo)體法測(cè)壓力19機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用20機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用）（11 2210 nnxaxaxaay21機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用22機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用23機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用）（21 0111101111 xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn24機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 4. 4. ）（31 0 dtetysYst011011bsbsbsXasasasYmmmm

3、nnnn 25機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 ）（41 011011 asasabsbsbsXsYsHnnnnmmmm26機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用27機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 ）（則則：51 21 sHsHsHsHr 對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其看作是一些對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，可以將其看作是一些較為簡(jiǎn)單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)。較為簡(jiǎn)單系統(tǒng)的串聯(lián)與并聯(lián)。xy sH1 sH2 sHn28機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 ）（則則：61 21 sHsHsHsHpxy sH1 sH2 sHn29機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用100%maxFSyL30機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 xyS0%100FSmyHH31機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用100%FSmRyR 1322nyyyiFSR32機(jī)器

4、人技術(shù)及應(yīng)用33機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用2. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器能測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過(guò)時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如：最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。 34機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用1. 新型傳感器的開(kāi)發(fā) 鑒于傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律，由此啟發(fā)人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、采用新原理、開(kāi)發(fā)新材料、采用新工藝，并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器，這是發(fā)展高性能、多功能、低成本和小型化傳感器的重要途徑。總之，傳感器正經(jīng)歷著從以結(jié)構(gòu)型為主轉(zhuǎn)向以物性型為主的

5、過(guò)程。35機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用2. 傳感器的集成化和多功能化 隨著微電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)和集成化工藝等方面的發(fā)展，出現(xiàn)了多種集成化傳感器。這類(lèi)傳感器，或是同一功能的多個(gè)敏感元件排列成線性、面型的陣列型傳感器；或是多種不同功能的敏感元件集成一體，成為可同時(shí)進(jìn)行多種參數(shù)測(cè)量的傳感器；或是傳感器與放大、運(yùn)算、溫度補(bǔ)償?shù)入娐芳梢惑w具有多種功能實(shí)現(xiàn)了橫向和縱向的多功能。36機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用3. 傳感器的智能化 “電五官”與“電腦”的相結(jié)合，就是傳感器的智能化。智能化傳感器不僅具有信號(hào)檢測(cè)、轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)還具有記憶、存儲(chǔ)、解析、統(tǒng)計(jì)處理及自診斷、自校準(zhǔn)、自適應(yīng)等功能。如進(jìn)一步將傳感器與計(jì)算機(jī)的這些功能集成于

6、同一芯片上，就成為智能傳感器。37機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用6.2 位置傳感器位置傳感器v6.2.1 線位移檢測(cè)傳感器v6.2.2 角位移檢測(cè)傳感器v6.2.3 速度、加速度傳感器v6.2.4 電子羅盤(pán)及陀螺儀v6.2.5 GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)38機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用6.2.1 線位移檢測(cè)傳感器線位移檢測(cè)傳感器1）、光柵位移傳感器2）、感應(yīng)同步器3）、磁柵位移傳感器39機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用32411.標(biāo) 尺 光 柵 2.指 示 光 柵3.光 電 元 件 4.光 源40機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用（2）、工作原理ddffddBffddW/2WddW/2指示光柵標(biāo)尺光柵41機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：v 1.莫爾條紋的

7、位移與光柵的移動(dòng)成比例。光柵每移動(dòng)過(guò)一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移動(dòng)過(guò)一個(gè)條紋間距B v 2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為v 3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。 WWB2sin242機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 通過(guò)光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號(hào)，如圖所示。 U0UW/2oUm2W3W/2WxWxUUUm2sin043機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 將此電壓信號(hào)放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，再經(jīng)辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測(cè)量分辨率等于柵距。44機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 （2）.感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)

8、45機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 包括定尺和滑尺，用制造印刷線路板的腐蝕方法在定尺和滑尺上制成節(jié)距T(一般為2mm)的方齒形線圈。定尺繞組是連續(xù)的，滑尺上分布著兩個(gè)勵(lì)磁繞組，分別稱(chēng)為正弦繞組和余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組相位相同時(shí)，余弦繞組與定尺繞組錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距。滑尺和定尺相對(duì)平行安裝，其間保持一定間隙（0.050.2mm）。46機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用2.感應(yīng)同步器的工作原理v 在滑尺的繞組中，施加頻率為f（一般為210kHz）的交變電流時(shí)，定尺繞組感應(yīng)出頻率為f的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與滑尺和定尺的相對(duì)位置有關(guān)。v 設(shè)正弦繞組供電電壓為Us，余弦繞組供電電壓為Uc，移動(dòng)距離為x，節(jié)距為T(mén)，則正弦繞組

9、單獨(dú)供電時(shí)，在定尺上感應(yīng)電勢(shì)為cos360cos2ssKUTxKUUo47機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 余弦繞組單獨(dú)供電所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 sin360sin2ccKUTxKUUosincos222csKUKUUUU48機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用式中 ： v K定尺與滑尺之間的耦合系數(shù)；v 定尺與滑尺相對(duì)位移的角度表示量（電角度）T節(jié)距，表示直線感應(yīng)同步器的周期，標(biāo)準(zhǔn)式直線感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm。v 利用感應(yīng)電壓的變化可以求得位移X，從而進(jìn)行位置檢測(cè)。49機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用v 3. 測(cè)量方法v 根據(jù)對(duì)滑尺繞組供電方式的不同，以及對(duì)輸出電壓檢測(cè)方式的不同，感應(yīng)同步器的測(cè)量方式有鑒相式和鑒幅式兩種工作法。50機(jī)器人技術(shù)

10、及應(yīng)用(1)鑒相式工作法v 滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組分別施加相同頻率和相同幅值，但相位相差90o的兩個(gè)電壓，設(shè)tmsUUsintUUmccos222UUU)sin(sincoscossintKUtKUtKUmmmTxo36051機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用v 2.鑒幅工作法v 在滑尺的兩個(gè)勵(lì)磁繞組上分別施加相同頻率和相同相位，但幅值不等的兩個(gè)交流電壓：tmUUssinsintmUUcsincostKUUUUmsin)sin(22252機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用（1）.磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu) 輸 出 信 號(hào)勵(lì) 磁 電 源654SS3N NS SS7N N1SNN200a bx53機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用（2）.原理： 在用軟磁材料

11、制成的鐵芯上繞有兩個(gè)繞組，一個(gè)為勵(lì)磁繞組，另一個(gè)為拾磁繞組，將高頻勵(lì)磁電流通入勵(lì)磁繞組時(shí)，當(dāng)磁頭靠近磁尺時(shí)在拾磁線圈中感應(yīng)電壓為：txUUsin2sin0 54機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用（3）.測(cè)量方式A、鑒幅測(cè)量方式 如前所述，磁頭有兩組信號(hào)輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為/2的兩組信號(hào) 兩組磁頭相對(duì)于磁尺每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距發(fā)出一個(gè)正（余）弦信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后可進(jìn)行位置檢測(cè)。這種方法的檢測(cè)線路比較簡(jiǎn)單，但分辨率受到錄磁節(jié)距的限制，若要提高分辨率就必須采用較復(fù)雜的信頻電路，所以不常采用。 xUU2sin0155機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用B.鑒相測(cè)量方式v將一組磁頭的勵(lì)磁信號(hào)移相90，則得到輸出電壓為v在求和電路中

12、相加，則得到磁頭總輸出電壓為txUUcos2sin01txUUsin2cos02txUU2sin0 56機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用v一、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)v二、光電式速度傳感器v三、差動(dòng)變壓器式速度傳感器v四、加速度傳感器6.2.3 速度、加速度傳感器速度、加速度傳感器57機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用一、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)一、直流測(cè)速發(fā)電機(jī) 測(cè)速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。圖所示為永磁式測(cè)速發(fā)電機(jī)原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢(shì)，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成正比的直流電勢(shì)。 MI0RLV058機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 光電脈沖測(cè)速原理如下圖所示。物體以速度V通過(guò)光電池的遮擋板時(shí)，光電

13、池輸出階躍電壓信號(hào)，經(jīng)微分電路形成兩個(gè)脈沖輸出，測(cè)出兩脈沖之間的時(shí)間間隔t，則可測(cè)得速度為x00ett光電池?fù)醢錠速度測(cè)量0e微分電路txV/59機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 光電式轉(zhuǎn)速傳感器是由裝在被測(cè)軸（或與被測(cè)軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤(pán)、光源、光電器件和指示縫隙圓盤(pán)組成，如下圖所示。光源發(fā)出的光通過(guò)縫隙圓盤(pán)和指示縫隙盤(pán)照射到光電器件上，當(dāng)縫隙圓盤(pán)隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤(pán)每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤(pán)縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測(cè)量時(shí)間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，則可測(cè)得轉(zhuǎn)速為透 鏡光 源光 電 器 件帶 縫 隙 圓 盤(pán)指 示 縫 隙 盤(pán)tZNn6060機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 差動(dòng)變壓器式除了可測(cè)量位移外，還可測(cè)量速度。其工

14、作原理如下圖所示。差動(dòng)變壓器式的原邊線圈同時(shí)供以直流和交流電流，即tItimsin)(0I交 流電 源直 流電 源加 法 器跟 隨 器跟 隨 器i( t )xd xd t減法器低通濾波器放大器U61機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 當(dāng)差動(dòng)變壓器以被測(cè)速度V=dx/dt移動(dòng)時(shí)，在其副邊兩個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，將它們的差值通過(guò)低通濾波器濾除勵(lì)磁高頻角頻率后，則可得到與速度v（m/s）相對(duì)應(yīng)的電壓輸出，即 差動(dòng)變壓器漂移小，其主要性能為：測(cè)量范圍102000mm/s（可調(diào)），輸出電壓10V（max），輸出電流10mA（max），頻帶寬度500Hz。vkIUv0262機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用v 作為加速度檢測(cè)元件的加速度傳感

15、器有多種形式，它們的工作原理大多是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電量，來(lái)間接度量被測(cè)加速度。最常用的有應(yīng)變片式和壓電式等。 63機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 電阻應(yīng)變式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。它由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時(shí)，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形便可測(cè)出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計(jì)算出被測(cè)加速度。殼體內(nèi)灌滿(mǎn)的粘性液體作為阻尼之用。這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。應(yīng)變片m懸臂梁Z (t)0Z (t)1充以阻尼液體的殼體64機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。使用時(shí)，傳感器固定在被測(cè)物體上，感受該

16、物體的振動(dòng)，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生引 出 線3質(zhì) 量 塊1 殼 體壓 電 晶 片m4 2 65機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 下下圖為一種空氣阻尼的電容式加速度傳感器。該傳感器采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)固定電極，兩極板之間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩端經(jīng)過(guò)磨平拋光后作為可動(dòng)極板。當(dāng)傳感器測(cè)量垂直方向的振動(dòng)時(shí)，由于質(zhì)量塊的慣性作用，使兩固定極相對(duì)質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，使電容C1、C2中一個(gè)增大，另一個(gè)減小，它們的差值正比于被測(cè)加速度。這種加速度傳感器的精度較高，頻率響應(yīng)范圍寬，可以測(cè)得很高的加速度值。3241C12C66機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 。6.2.4 電子羅盤(pán)及陀螺儀電子羅盤(pán)及陀

17、螺儀67機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用6.2.4 電子羅盤(pán)及陀螺儀電子羅盤(pán)及陀螺儀電子磁羅盤(pán)的原理是利用磁傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)。地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5-0.6 高斯，與地平面平行，永遠(yuǎn)指向磁北極，磁場(chǎng)大致為雙極模式：在北半球，磁場(chǎng)指向下，赤道附近 指向水平，在南半球，磁場(chǎng)指向上。無(wú)論何地，地球磁場(chǎng)的方向的水平分量，永遠(yuǎn)指向磁北極，由此，可以用電子羅盤(pán)系統(tǒng)確定方向。 電子羅盤(pán)有以下幾種傳感器組合： 雙軸磁傳感器系統(tǒng)：由兩個(gè)磁傳感器垂直安裝于同一平面組成，測(cè)量時(shí)必需持平，適用于手持、低精度設(shè)備。 三軸磁傳感器雙軸傾角傳感器系統(tǒng)：由三個(gè)磁傳感器構(gòu)成X、Y、Z軸磁系統(tǒng)，加上雙軸傾角傳感器進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，同時(shí)除了測(cè)量航向還

18、可以測(cè)量系統(tǒng)的俯仰角和橫滾角。適合于需要方向和姿態(tài)顯示的精度要求較高的設(shè)備。 68機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用1 三軸磁阻傳感器測(cè)量平面地磁場(chǎng)，雙軸傾角三軸磁阻傳感器測(cè)量平面地磁場(chǎng)，雙軸傾角補(bǔ)償。補(bǔ)償。2 高速高精度高速高精度A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。3 內(nèi)置溫度補(bǔ)償，最大限度減少傾斜角和指向內(nèi)置溫度補(bǔ)償，最大限度減少傾斜角和指向 角的溫度漂移。角的溫度漂移。4 內(nèi)置微處理器計(jì)算傳感器與磁北夾角。內(nèi)置微處理器計(jì)算傳感器與磁北夾角。5 具有簡(jiǎn)單有效的用戶(hù)標(biāo)校指令。具有簡(jiǎn)單有效的用戶(hù)標(biāo)校指令。6 具有指向零點(diǎn)修正功能。具有指向零點(diǎn)修正功能。7 外殼結(jié)構(gòu)防水，無(wú)磁外殼結(jié)構(gòu)防水，無(wú)磁. 6.2.4 電子羅盤(pán)及陀螺儀電子羅

19、盤(pán)及陀螺儀電子羅盤(pán)的特點(diǎn)：電子羅盤(pán)的特點(diǎn)：69機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用6.2.4 電子羅盤(pán)及陀螺儀電子羅盤(pán)及陀螺儀 移動(dòng)機(jī)器人在行進(jìn)的時(shí)候可能會(huì)遇到各種地形或移動(dòng)機(jī)器人在行進(jìn)的時(shí)候可能會(huì)遇到各種地形或者各種障礙。這時(shí)即使機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置采用閉環(huán)者各種障礙。這時(shí)即使機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置采用閉環(huán)控制，也會(huì)由于輪子打滑等原因造成機(jī)器人偏離設(shè)控制，也會(huì)由于輪子打滑等原因造成機(jī)器人偏離設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且這種偏移是旋轉(zhuǎn)編碼器無(wú)法測(cè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且這種偏移是旋轉(zhuǎn)編碼器無(wú)法測(cè)量到的。這時(shí)就必須依靠電子羅盤(pán)或者角速率陀螺量到的。這時(shí)就必須依靠電子羅盤(pán)或者角速率陀螺儀來(lái)測(cè)量這些偏移，并作必要的修正，以保證機(jī)器儀來(lái)測(cè)量這些

20、偏移，并作必要的修正，以保證機(jī)器人行走的方向不至偏離。人行走的方向不至偏離。 另外一方面，商用的電子羅盤(pán)傳感器精度通常為另外一方面，商用的電子羅盤(pán)傳感器精度通常為0.5度或者更差。而如果機(jī)器人運(yùn)動(dòng)距離較長(zhǎng)，度或者更差。而如果機(jī)器人運(yùn)動(dòng)距離較長(zhǎng)，0.5度的航向偏差可能導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的線位移偏離值度的航向偏差可能導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的線位移偏離值不可接受。不可接受。 70機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用6.2.4 電子羅盤(pán)及陀螺儀電子羅盤(pán)及陀螺儀 ADXRS150速率陀螺 ADXL203內(nèi)部結(jié)構(gòu) 注意：由于人體容易累積高達(dá)4000V的靜電，雖然ADXRS150ABG本身具有靜電保護(hù)，但仍有可能被高能量的靜電擊穿而不被察

21、覺(jué)。因此，在使用時(shí)應(yīng)遵守恰當(dāng)?shù)姆漓o電準(zhǔn)則，以避免不必要的損失。1)通常應(yīng)用：車(chē)輛底盤(pán)滾轉(zhuǎn)傳感，慣性測(cè)量單元IMU，平臺(tái)穩(wěn)定，無(wú)人機(jī)控制，彈道測(cè)量等2)規(guī)格數(shù)據(jù)：在環(huán)境溫度 25C,工作電壓 5 V, 角速率 = 0/s, 帶寬 = 80 Hz (Cout = 0.01 F),角速率0/S , 1g, 下測(cè)量。 71機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用6.2.5 GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)GPS是美國(guó)軍方研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即“Global Positioning System”全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)。24顆GPS衛(wèi)星在離地面1萬(wàn)2千公里的高空上，以12小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，任意時(shí)刻在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀

22、測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。72機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.2.5 GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng) 由衛(wèi)星的位置精確可知，在由衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測(cè)中，我觀測(cè)中，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成顆衛(wèi)星，就可以組成3個(gè)方個(gè)方程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置(X,Y,Z)?？紤]到衛(wèi)星?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個(gè)個(gè)未知數(shù)，未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第和鐘差，因而需要引入第4顆顆衛(wèi)星，形成衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式進(jìn)行求

23、解，從而得到觀測(cè)個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)和高度。點(diǎn)的坐標(biāo)和高度。 而實(shí)際上，接收機(jī)往往可以鎖住而實(shí)際上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)顆以上的衛(wèi)星，這時(shí)，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干星，這時(shí)，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組組，每組4顆，然后通過(guò)算法挑選出誤差最小的顆，然后通過(guò)算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。一組用作定位，從而提高精度。73機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用6.2.5 GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng) 由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時(shí)鐘存在誤差，大氣對(duì)流層、電離層對(duì)信號(hào)的影響，以及人為的SA保護(hù)政策，使得民用GPS的定位精度只有10米。為提高定位精度，普遍采用差分

24、GPS(DGPS)技術(shù)，建立基準(zhǔn)站(差分臺(tái))進(jìn)行GPS觀測(cè)，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測(cè)值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對(duì)外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測(cè)值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的位置。通常情況下，利用差分GPS可將定位精度提高到米級(jí)。但是使用差分GPS需要自行建立基準(zhǔn)站，費(fèi)用較高，通常需要數(shù)萬(wàn)至十多萬(wàn)人民幣。 74機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用6.2.5 GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)DGPS的原理如下圖所示。的原理如下圖所示。 75機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用6.2.5 GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng) GPS衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度非常弱。因此GPS接收機(jī)需要非常小心地處理天線、饋線等環(huán)節(jié)，

25、在使用中，太低的天線偏置電壓會(huì)降低天線的增益，另外同軸電纜、連接器、電路板走線會(huì)衰減信號(hào)，要保證信號(hào)在通過(guò)天線、同軸電纜、連接器、電路板，到達(dá)RF_IN時(shí)有20dB以上的增益；為此，在設(shè)計(jì)GPS天線和饋線部分時(shí)要仔細(xì)閱讀GPS模塊提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)和應(yīng)用指南，尤其是PCB（印刷電路版）上的從RF接頭到模塊RF_IN引腳的一段PCB走線，應(yīng)按微帶線設(shè)計(jì)（Micro strip），有阻抗匹配的要求。76機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3 6.3 尋跡傳感器尋跡傳感器 尋跡傳感器意義 尋跡傳感器原理 尋跡傳感器設(shè)計(jì)要求 尋跡傳感器性能優(yōu)化 其他尋跡傳感器及原理77機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.1 6.3.1 尋跡傳感

26、器意義尋跡傳感器意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的傳感器越來(lái)越多，但尋跡傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。78機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.1 6.3.1 尋跡傳感器意義尋跡傳感器意義常用尋跡傳感器：79機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.2 6.3.2 尋跡傳感器原理尋跡傳感器原理一、基于反射光強(qiáng)度 其基本原理是采用光電傳感器，根據(jù)條帶和地面反射信號(hào)不同來(lái)檢測(cè)機(jī)器人所在的位置。80機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.2 6.3.2 尋跡傳感器原理尋跡傳感器原理二、電阻分壓光電接收管阻值負(fù)相關(guān)與光強(qiáng)。在無(wú)光照情況下，反向電阻為；有光照時(shí)，反向電阻隨光照強(qiáng)度增加而減小，阻值可達(dá)幾或以下。81機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.

27、2 6.3.2 尋跡傳感器原理尋跡傳感器原理三、常用電路a）當(dāng)無(wú)反射光照射或光照較弱時(shí)，電阻為，此時(shí)三極管工作在放大區(qū)，輸出電壓很??；而當(dāng)在反射光照射使電阻下降到幾時(shí)，三極管工作在截止區(qū)，輸出電壓接近于。82機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.2 6.3.2 尋跡傳感器原理尋跡傳感器原理三、常用電路b）一種使用光電三極管的簡(jiǎn)單光電傳感器電路，它采用帶運(yùn)算放大器的放大電路，穩(wěn)定性、線性度及增益誤差等均比晶體管放大電路好。83機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.2 6.3.2 尋跡傳感器原理尋跡傳感器原理三、常用電路c）一種采用電壓比較器的光電傳感器電路。通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻阻值，來(lái)改變參考電壓值，以最終適應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)。8

28、4機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.2 6.3.2 尋跡傳感器原理尋跡傳感器原理四、常用電路分析a）檢測(cè)深色條帶85機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.2 6.3.2 尋跡傳感器原理尋跡傳感器原理四、常用電路分析b）檢測(cè)淺色地面86機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.2 6.3.2 尋跡傳感器原理尋跡傳感器原理四、常用電路分析c）復(fù)雜路面87機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.2 6.3.2 尋跡傳感器原理尋跡傳感器原理四、常用電路分析c）復(fù)雜路面解決方法88機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.4 6.3.4 尋跡傳感器設(shè)計(jì)要求尋跡傳感器設(shè)計(jì)要求抗干擾性：比賽場(chǎng)地可能存在各種形式的強(qiáng)光干擾、電磁干擾、顏色干擾，必須有較好的抗干擾能力?？烧{(diào)性

29、：比賽場(chǎng)地上機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境可能有別于當(dāng)初調(diào)試的環(huán)境，即使同是賽，可能出發(fā)位置、燈光光照角度、日光光照情況均會(huì)變化，必須留有調(diào)節(jié)各種參數(shù)的環(huán)節(jié)，使得傳感器工作在最佳狀態(tài)。89機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.4 6.3.4 尋跡傳感器設(shè)計(jì)要求尋跡傳感器設(shè)計(jì)要求穩(wěn)定性和快速性：一旦傳感器移動(dòng)到引導(dǎo)條帶邊緣，傳感器應(yīng)當(dāng)及時(shí)、快速、穩(wěn)定地觸發(fā)，不允許有狀態(tài)的抖動(dòng)，否則會(huì)引起機(jī)器人的搖晃。成本低廉：對(duì)于機(jī)器人，價(jià)格是其推廣的一個(gè)重要因素。故應(yīng)選擇性能滿(mǎn)足要求的價(jià)格便宜的傳感器，并適當(dāng)在傳感器上二次開(kāi)發(fā)，以最大性能的發(fā)揮其作用。90機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.4 6.3.4 尋跡傳感器性能優(yōu)化尋跡傳感器性能優(yōu)化一、提高發(fā)射管功率：91機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用 6.3.4 6.3.4