关闭
理论原理

移动机器人技术漫谈(七):传感器(2)

机器人上通常安装了各种类型的传感器,用于获取本身的运行状态和探测所处的环境及状况。根据检测对象的不同,机器人传感器可分为内部传感器和外部传感器。

admin

admin

发布于 2个月前 阅读:349

  • 激光传感器

       激光发明于20世纪,因为其在单色性、方向性和亮度方面都有出色的性能,因此被广泛应用于各种场合。常见的激光传感器有激光测距仪、激光位移传感器、激光雷达、激光跟踪器等。激光雷达能够生成环境的2D地图模型或3D稠密点云模型,在移动机器人室内外精准定位和自主导航上的应用十分广泛。

       激光传感器主要由测量电路、激光器(分为四类:固体、液体、气体和半导体)和光电探测器等组成。激光传感器主要用于对距离、速度和振动等物理参数的测量上。激光传感器的基本原理主要包括两种:飞行时间(TOF)和三角测量法。TOF是指从发射激光到接收到反射光的总时间。三角测量法利用三角形理论和三角函数来计算物体之间的距离。

图片1.jpg

图1  激光测距方法

       激光传感器能够遥感测量,测量速度和精度都令人满意。但是,激光波长容易受温度、大气压力和空气湿度变化的影响。当上述参数发生变化时,需要进行补偿才能达到更高的测量精度。

图片2.jpg

图2  激光雷达

  • 视觉传感器

       视觉传感技术近年来发展较快。目前在三维重建、人脸识别、多机联合等领域应用已经非常成熟。视觉传感器采集的图像由处理器进行处理,提取出对特定任务有用的信息。

       视觉传感器主要包括各种相机,比如RGB相机、深度相机和多光谱相机。相机中的光敏元件通常是CCD或者CMOS,都是利用光电效应原理,将光信息转换成电信号,继而转换为数字信号。不同类型的相机有不同的原理,可以提供不同的信息。RGB相机是人们日常生活中使用最多的一种相机,其原理是通过红、绿、蓝3种颜色及其组合来获取各种可见颜色。深度相机则将距离信息加入到了二维图像中,实现了立体成像。多光谱相机能够获取不同波段的图像,包括可见光和不可见光波段,因此可以获得一些RGB相机无法提供的信息。

图片3.jpg

图3  CCD传感器结构

图片4.jpg

图4  各类相机

  • 磁传感器

       磁传感器是用来检测弱磁装置的一种传感器,是移动机器人实现寻迹的重要部件之一,其作用是利用磁场定位引导移动机器人沿设定路线行驶。磁传感器一般安装在移动机器人底部,距离地面高度一般在2~4cm之间。

       磁传感器通常由磁场探测器、磁电转换元件和测量电路三部分组成。磁导航传感器具有一到多组微型磁场探测器,可探测地面行进路线上预先铺设的磁条、磁道钉或者电缆等,从而引导移动机器人沿预设的轨迹运行。磁导航传感器易于实现、成本低廉,主要用于工业AGV、巡检机器人、无轨货架等设备的导航。

图片5.jpg

图5  磁传感器

  • 触觉传感器

       与人类通过触觉感知一样,移动机器人有时也可通过触觉来对环境进行感知。因此,触觉传感器就成为了移动机器人智能化的必备元件之一,它使移动机器人具备了靠触觉来感知的能力。

       根据原理不同,触觉传感器主要有4种方式。压电式、压阻式、电容式和光学原理式。压电触觉传感器是基于压电效应原理,即在外界力的作用下,压电材料表面因形变会产生电压。它的频率响应好,测量范围大,但分辨率不是很理想。压阻式触觉传感器基于压阻效应原理,即施加外力时会产生自身电阻的变化。它测量范围大,鲁棒性好,但是迟滞效应较大。电容式触觉传感器利用电容的变化来测量接触力。其空间分辨率高,功耗低,但抗干扰能力差。光学原理的触觉传感器靠检测光的参数变化间接感知外界的接触信息。优点是抗干扰能力强,具有很高的空间分辨率。

  • 超声波传感器与红外线传感器

       超声波是频率高于20kHz的一种声波,其波长短于常见声波,有较好的方向性。超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号(通常是电信号)的传感器,它在所有照明条件下其至是阳光直射条件下均能完美工作,能可靠探测任何颜色的物体,包括透明物体。

       超声波传感器在移动机器人上的主要应用是测距和避障。利用声波的反射原理,传感器发射出超声波,超声波遇到障碍后反射回来,传感器再接收超声波,根据时间差可测算出距离。机器人行进中,距离障碍物还有一定距离时,超声波传感器检测到相关信息,可以此作为依据控制机器人避开障碍物。

图片6.jpg

图6  超声波传感器(左)与红外线传感器(右)

       红外线是频率介于微波与可见光之间的电磁波,是电磁波谱中频率为0.3THz~400THz,对应真空中波长为760nm~1000um辐射的总称。红外线传感器是利用红外线来进行数据采集、处理的一种传感器,具有灵敏度高等优点。

       红外线传感器常用于无接触温度测量、气体成分分析和无损探伤,在移动机器人中比较多的用途是测温、避障、寻迹等。


admin
admin

他很懒,什么都没有留下~