第4章 機(jī)器人中的傳感器

1機(jī)器人控制技術(shù)與實(shí)踐

2第四章機(jī)器人中的傳感器4.1傳感器4.2測(cè)距傳感器4.3灰度和顏色傳感器4.4視覺(jué)傳感器4.5慣性測(cè)量傳感器3第四章機(jī)器人中的傳感器

機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)控制的復(fù)雜機(jī)器，為了不完全依賴人的操縱而完成一定的作業(yè)任務(wù)，它就需要具備一定程度的智能。為了完成與外部交互，就需具有類似人的感官功能。機(jī)器人傳感器在機(jī)器人的控制中起了非常重要的作用，傳感器猶如人類的感知器官，是機(jī)器人感知世界的媒介。44.1傳感器

一、傳感器的概念

傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。國(guó)際電工委員會(huì)的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件,它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”,而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的系統(tǒng)”。54.1傳感器

一、傳感器的組成

64.1傳感器

一、傳感器的功能1、敏感元件直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量有確定關(guān)系的物理量信號(hào)；2、轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；3、變換電路負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)制；4、轉(zhuǎn)換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。74.1傳感器

一、傳感器的分類1、根據(jù)檢測(cè)對(duì)象：內(nèi)部傳感器和外部傳感器；2、根據(jù)敏感元件：熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類；3、按輸出信號(hào)：模擬傳感器、數(shù)字傳感器、開(kāi)關(guān)傳感器；4、按作用形式：主動(dòng)型傳感器、被動(dòng)型傳感器。84.1傳感器

一、傳感器的參數(shù)1、傳感器線性度；2、靈敏度；3、傳感器分辨率；4、線性范圍；5、傳感器穩(wěn)定性；6、傳感器精度。

94.2測(cè)距傳感器

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和作業(yè)過(guò)程中，通常需要測(cè)度與目標(biāo)物或背景物的距離。距離傳感器可用于機(jī)器人導(dǎo)航和回避障礙物，也可用于機(jī)器人空間內(nèi)的物體進(jìn)行定位及確定其一般形狀特征。最常用有超聲波傳感器、激光傳感器和紅外傳感器。104.2測(cè)距傳感器

一、超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，它可將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他能量信號(hào)（通常是電信號(hào)）。超聲波傳感器主要通過(guò)發(fā)送超聲波并接受超聲波來(lái)對(duì)被檢測(cè)物進(jìn)行非接觸式無(wú)磨損的檢測(cè)。超聲波傳感器通常由發(fā)送器、接收器、控制部分與電源部分組成。114.2測(cè)距傳感器

一、超聲波傳感器

該模塊有四個(gè)外接端口：VCC、trig、echo、GND。其中VCC是外加電源端口，通常在5V左右，GND是接地端，trig是控制端口，用于上位機(jī)產(chǎn)生觸發(fā)模塊測(cè)距的脈沖，echo是接收端口，用于檢測(cè)超聲波模塊的返回。124.2測(cè)距傳感器

一、超聲波傳感器

模塊的工作過(guò)程如下：（1）初始化。初始化時(shí)將trig和echo端口都置低。（2）觸發(fā)測(cè)距。（3）捕捉返回。（4）計(jì)算距離。圖5-4HC-SR04超聲波模塊134.2測(cè)距傳感器

二、激光測(cè)距傳感器激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。它通過(guò)記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測(cè)定目標(biāo)距離。利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。它的優(yōu)點(diǎn)是速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。144.2測(cè)距傳感器

二、激光測(cè)距傳感器1、工作原理激光傳感器工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。激光測(cè)距一般采用三種方式來(lái)測(cè)量距離：脈沖法、相位法和三角測(cè)距法。15圖5-8L1A05RS232激光測(cè)距傳感器L1A05R3232模塊是一種基于相位式測(cè)量原理的激光測(cè)距模塊，它的測(cè)量范圍為0.03-50米，分辨率為1毫米。當(dāng)用于測(cè)量距離時(shí)，它與外部設(shè)備有四個(gè)引腳相連，即電源、地、TX和RX，電源通常為5V，TX和RX用于和上位機(jī)通過(guò)串口通信，默認(rèn)的通信速率為19200比特/秒。4.2測(cè)距傳感器164.2測(cè)距傳感器

三、紅外傳感器紅外傳感器是一種以紅外線為介質(zhì)來(lái)完成測(cè)量功能的傳感器，具有響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在工農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科技等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。紅外傳感器可根據(jù)某些條件的不同進(jìn)行進(jìn)一步的分類。根據(jù)紅外線對(duì)射管的驅(qū)動(dòng)方式不同可分為電平型和脈沖型;根據(jù)探測(cè)原理的不同可分為光子探測(cè)器(探測(cè)原理基于光電效應(yīng)的)和熱探測(cè)器(探測(cè)原理基于熱效應(yīng))；根據(jù)功能的不同可分為輻射計(jì)、搜索跟蹤系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)、紅外測(cè)距通信系統(tǒng)和混合系統(tǒng)五大類。

174.2測(cè)距傳感器

三、紅外傳感器

1、工作原理（1）時(shí)間差法測(cè)距原理（2）反射能量法測(cè)距原理（3）相位法測(cè)距原理（4）三角測(cè)量原理

184.2測(cè)距傳感器三、紅外傳感器

2、紅外測(cè)距傳感器的應(yīng)用

圖5-12SharpGP2Y0A21YK0F模塊模塊對(duì)外有三個(gè)端口，分別為VCC、Vo和GND。VCC是外加電源端口，通常可設(shè)定為5V左右，GND接地，Vo是測(cè)量信號(hào)模擬輸出，大小與測(cè)量距離相對(duì)應(yīng)，可直接和外部的A/D電路相連，轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。194.3灰度傳感器

灰度傳感器利用不同顏色的檢測(cè)面對(duì)光的反射程度不同，光敏電阻對(duì)不同檢測(cè)面返回的光其阻值也不同的原理進(jìn)行顏色深淺檢測(cè)。它輸出的是連續(xù)的模擬信號(hào)，因而能很容易地通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器或簡(jiǎn)單的比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)物體反射率的判斷，是一種實(shí)用的機(jī)器人巡線傳感器。204.3灰度傳感器1、工作原理

圖5-14灰度探測(cè)傳感器工作原理

灰度傳感器包括一只發(fā)光二極管和一只光敏電阻，安裝在同一個(gè)平面上。在有效的檢測(cè)距離內(nèi)，發(fā)光二極管發(fā)出白光，照射在檢測(cè)面上，檢測(cè)面反射部分光線，由光敏電阻檢測(cè)此光線的強(qiáng)度。由于光敏電阻的阻值大小隨照射光線的強(qiáng)弱而變化，在連接外部電路時(shí)，可以根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)大小，判斷檢測(cè)面的顏色深淺。214.3灰度傳感器1、灰度傳感器得應(yīng)用（1）數(shù)字式灰度傳感器圖5-15SEN1595模塊對(duì)外接口有三個(gè)，分別為VCC（電源）、GND（地）和SIG（輸出信號(hào)），其中供電電壓4-6VDC，推薦5V左右。

224.3灰度傳感器1、灰度傳感器得應(yīng)用（1）模擬式灰度傳感器

圖5-16RB-02S078A模擬灰度傳感器對(duì)外接口有三個(gè)，分別為VCC（+）、GND（-）和S（輸出信號(hào)）。234.3顏色傳感器

顏色傳感器是一種可以識(shí)別物體顏色的傳感器，它將物體的表面顏色轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓或不同頻率的方波輸出，后續(xù)微處理器與預(yù)先定義好的參考顏色進(jìn)行比較，當(dāng)兩者在一定的誤差范圍內(nèi)相吻合時(shí)，輸出顏色檢測(cè)結(jié)果。

244.3顏色傳感器

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