机器人传感器1课件.ppt

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1、2020/4/4,第六章,机器人传感器,2/99,机器人技术及应用,?,6.1.1,传感器的定义,?,6.1.2,传感器的组成,?,6.1.3,传感器的分类,?,6.1.4,传感器的数学模型,?,6.1.5,传感器的基本特征,?,6.1.6,传感器的发展方向,6.1,传感器概述,3/99,机器人技术及应用,将被测非电量信号转换为与之有确定对,应关系电量输出的器件或装置叫做传感,器，也叫变换器、换能器或探测器。,6.1.1,传感器的定义,4/99,机器人技术及应用,6.1.2,传感器的组成,敏感,元件,辅助电路,传感,元件,被测,非电量,有用,非电量,有,用,电,量,信号调节,转换电路,电,量,

2、5/99,机器人技术及应用,6.1.2,传感器的组成,6/99,机器人技术及应用,6.1.2,传感器的组成,7/99,机器人技术及应用,敏感元件：,直接感受被测非电量并按一定,规律转换成与被测量有确定关系的其它量,的元件。,传感元件：,又称变换器。能将敏感元件感,受到的非电量直接转换成电量的器件。,8/99,机器人技术及应用,压,力,作,用,膜片形变（应变）,应变片电阻改变,压力传感器示例,9/99,机器人技术及应用,10/99,机器人技术及应用,6.1.3,传感器的分类,1,按工作机理分类：根据物理和化学,等学科的原理、规律和效应进行分类,2,按被测量分类：根据输入物理量的,性质进行分类。,

3、3,按敏感材料分类：根据制造传感器,所使用的材料进行分类。可分为半,导体传感器、陶瓷传感器等。,11/99,机器人技术及应用,6.1.3,传感器的分类,4.,按能量的关系分类：根据能量观点分类，,可将传感器分为有源传感器和无源传感器两,大类。,有源传感器是将非电能量转换为电能量，,称之为能量转换型传感器，也称换能器。,通常配合有电压测量电路和放大器。,如,:,压电式、热电式、电磁式等。,12/99,机器人技术及应用,6.1.3,传感器的分类,无源传感器又称为能量控制型传感器。被测,非电量仅对传感器中的能量起控制或调节作用。,所以必须具有辅助能源,(,电能,),。,如,:,电阻式、电容式和电感式

4、等。,5.,其他：按用途、学科、功能和输出信号,的性质等进行分类。,13/99,机器人技术及应用,基本量,派生量,位移,线位移,长度、厚度、振动、磨损等,角位移,旋转角、偏转角、角振动等,速度,线速度,速度、振动、流量、动量等,角速度,转速、角振动等,加,速度,线加速,振动、冲击、质量等,角加速,角振动、扭矩、转动惯量等,力,压力,重量、应力、力矩等,时间,频率,周期、记数、统计分布等,温,度,热容量、气体速度、涡流等,光,光通量与密度、光谱分布等,14/99,机器人技术及应用,电容法测位移,15/99,机器人技术及应用,电感法测厚度,16/99,机器人技术及应用,霍尔法计数,17/99,机器

5、人技术及应用,霍尔法测转速,18/99,机器人技术及应用,半导体法测压力,19/99,机器人技术及应用,6.1.4,传感器的数学模型,从系统角度看，一种传感器就是一种系统。,而一个系统总可以用一个数学方程式或函数,来描述。即用某种方程式或函数表征传感器,的输出和输入的关系和特性，从而，用这种,关系指导对传感器的设计、制造、校正和使,用。,通常从传感器的静态输入,-,输出关系和动,态输入,-,输出关系两方面建立数学模型。,20/99,机器人技术及应用,1.,静态模型,静态模型是指在输入信号不随时间变化的,情况下，描述传感器的输出与输入量的一种函,数关系。,如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感,器的

6、静态模型一般可用多项式来表示：,）,（,1,1,2,2,1,0,?,?,?,?,?,?,?,?,?,n,n,x,a,x,a,x,a,a,y,21/99,机器人技术及应用,2.,动态模型,动态模型是指传感器在准动态信号或动态,信号作用下，描述其输出和输入信号的一种,数学关系。,动态模型通常采用微分方程和传递函数描,述。,22/99,机器人技术及应用,3,.,微分方程,大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟,系统的一般方法是采用微分方程。,在实际的模型建立过程中，一般采用线性,常系数微分方程来描述输出量,y,和输入量,x,的关系。,23/99,机器人技术及应用,）,（,2,1,0,1,1,1,1,

7、0,1,1,1,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,x,b,dt,dx,b,dt,x,d,b,dt,x,d,b,y,a,dt,dy,a,dt,y,d,a,dt,y,d,a,m,m,m,m,m,m,n,n,n,n,n,n,其通式如下：,a,n,a,n-,1,a,0,和,b,m,b,m-,1,b,0,为传感器的结构,参数。除,b,0,?,0,外，一般取,b,1,b,2,b,m,为零,.,24/99,机器人技术及应用,如果,y,(,t,),在,t,0,时，,y,(,t,),=0,，则,y,(,t,),的拉氏变换,可定义为,4.,传递函数,?,?

8、,?,?,）,（,3,1,0,?,?,?,?,?,dt,e,t,y,s,Y,st,式中,s,=,+,j,，,0,。,对微分方程两边取拉氏变换，则得,?,?,?,?,?,?,?,?,0,1,1,0,1,1,b,s,b,s,b,s,X,a,s,a,s,a,s,Y,m,m,m,m,n,n,n,n,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,25/99,机器人技术及应用,定义输出,y,(,t,),的拉氏变换,Y,(,S,),和输入,x,(,t,),的拉,氏变换,X,(,S,),的比为该系统的传递函数,H,(,S,),，,则,?,?,?,?,?,?,）,（,4,1,0,1,1,0

9、,1,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,a,s,a,s,a,b,s,b,s,b,s,X,s,Y,s,H,n,n,n,n,m,m,m,m,对,y,(,t,),进,行,拉,氏,变,换,的,初,始,条,件,是,t,0,时,，,y,(,t,)=0,。对于传感器被激励之前所有的储能元,件如质量块、弹性元件、电气元件等均符合,上述的初始条件。,26/99,机器人技术及应用,对于多环节串、并联组成的传感器，若各环,节阻抗匹配适当，可忽略相互间的影响，传,感器的等效传递函数可按代数方式求得。,显然,H,(,s,),与输入量,x,(,t,),无关，只与系统结构参,数

10、有关。因而,H,(,s,),可以简单而恰当地描述传,感器输出与输入的关系。,27/99,机器人技术及应用,若传感器由,r,个环节串联而成,?,?,?,?,?,?,?,?,）,（,则：,5,1,2,1,?,?,?,?,?,?,?,?,s,H,s,H,s,H,s,H,r,对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较,为简单系统的串联与并联。,x,y,?,?,s,H,1,?,?,s,H,2,?,?,s,H,n,28/99,机器人技术及应用,若传感器由,p,个环节并联而成,?,?,?,?,?,?,?,?,）,（,则：,6,1,2,1,?,?,?,?,?,?,?,?,s,H,s,H,s,H,s,H,p,x,

11、y,?,?,s,H,1,?,?,s,H,2,?,?,s,H,n,29/99,机器人技术及应用,6.1.5,传感器的基本特征,1.,传感器的静特性,传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，,传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特,性的主要技术指标有：,线性度,、,灵敏度,、,迟滞,和,重,复性,等。,(1).,线性度,传感器的线性度是指传感器实际输出,输入特性,曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，,即,100%,m,ax,?,?,?,FS,y,L,30/99,机器人技术及应用,(2).,灵敏度,传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条,件下，输出量的变化量与输入量的变化量之,比，

12、即,(3).,迟滞,传感器在正（输入量增大）反（输入量减,小）行程中，输出,输入特性曲线不重合,的程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输,出的百分数表示,x,y,S,?,?,?,0,%,100,?,?,?,?,FS,m,y,H,H,?,31/99,机器人技术及应用,(4).,重复性,传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全,量程连续多次重复测量时，所得输出,输入曲线的不,一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的,百分数表示，即,近似计算,100%,?,?,?,?,FS,m,R,y,R,?,?,?,?,1,3,2,2,?,?,?,?,?,n,y,y,y,i,FS,R,?,32/99,机器人

13、技术及应用,（,5,）,.,分辨力,传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，,在输入零点附近的分辨力称为阈值。,（,6,）,.,零漂,传感器在零输入状态下，输出值的变化称,为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝,对误差表示。,33/99,机器人技术及应用,2.,传感器的动态特性,传感器能测量动态信号的能力用动态特性,表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，,输出对输入的响应特性。传感器动态特性的,性能指标可以通过时域、频域以及试验分析,的方法确定，其动态特性参数如：最大超调,量、上升时间、调整时间、频率响应范围、,临界频率等。,34/99,机器人技术及应用,6.1.6,传感器的发展方向,1.,新

14、型传感器的开发,鉴于传感器的工作机理是基于各种效应和定律，,由此启发人们进一步发现新现象、采用新原理、开,发新材料、采用新工艺，并以此研制出具有新原理,的新型物性型传感器，这是发展高性能、多功能、,低成本和小型化传感器的重要途径。总之，传感器,正经历着从以结构型为主转向以物性型为主的过程。,35/99,机器人技术及应用,2.,传感器的集成化和多功能化,随着微电子学、微细加工技术和集成化工艺等,方面的发展，出现了多种集成化传感器。这类传,感器，或是同一功能的多个敏感元件排列成线性、,面型的阵列型传感器；或是多种不同功能的敏感,元件集成一体，成为可同时进行多种参数测量的,传感器；或是传感器与放大、

15、运算、温度补偿等,电路集成一体具有多种功能,实现了横向和纵,向的多功能。,36/99,机器人技术及应用,3.,传感器的智能化,“电五官”与“电脑”的相结合，就是,传感器的智能化。智能化传感器不仅具有信,号检测、转换功能，同时还具有记忆、存储、,解析、统计处理及自诊断、自校准、自适应,等功能。如进一步将传感器与计算机的这些,功能集成于同一芯片上，就成为智能传感器。,37/99,机器人技术及应用,6.2,位置传感器,?,6.2.1,线位移检测传感器,?,6.2.2,角位移检测传感器,?,6.2.3,速度、加速度传感器,?,6.2.4,电子罗盘及陀螺仪,?,6.2.5 GPS,全球导航系统,38/9

16、9,机器人技术及应用,6.2.1,线位移检测传感器,1,）、光栅位移传感器,2,）、感应同步器,3,）、磁栅位移传感器,39/99,机器人技术及应用,1,）,.,光栅位移传感器,3,2,4,1,1.标尺光栅 2.指示光栅,3.光电元件 4.光源,（,1,）、光栅的构造：,40/99,机器人技术及应用,1,）,.,光栅位移传感器,（,2,）、工作原理,d,d,f,f,d,d,B,f,f,d,d,W,/,2,W,d,d,W,/,2,指示光栅,标尺光栅,把两块栅距,W,相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间,有较小的夹角,时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，,这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅

17、条纹几乎垂直的方向排,列，如图所示。,41/99,机器人技术及应用,1,）,.,光栅位移传感器,莫尔条纹具有如下特点：,?,1.,莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动,过一个栅距,W,，莫尔条纹就移动过一个条纹间距,B,?,2.,莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距,B,与两,光栅条纹夹角之间关系为,?,3.,莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。,?,?,W,W,B,?,?,2,sin,2,42/99,机器人技术及应用,1,）,.,光栅位移传感器,通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近,似正弦变化的电信号，如图所示。,U,0,U,W/2,o,U,m,2W,3W/2,W,x,

18、其电压为：,W,x,U,U,U,m,?,2,sin,0,?,?,43/99,机器人技术及应用,1,）,.,光栅位移传感器,将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为,脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字,形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分,辨率等于栅距。,44/99,机器人技术及应用,2,）、感应同步器,（,2,）,.,感应同步器结构,节距,2,（,2mm,）,节距,（,0.5mm,）,绝缘粘胶,铜箔,铝箔,耐切削液涂层,基板,(,钢、铜,),滑尺,定尺,45/99,机器人技术及应用,2,）、感应同步器,包括定尺和滑尺，用制造印刷线路板的腐蚀方法在定尺,和滑尺

19、上制成节距,T(,一般为,2mm),的方齿形线圈。定尺绕组,是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，分别称为正弦绕组,和余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组相位相同时，余弦绕组,与定尺绕组错开,1/4,节距。滑尺和定尺相对平行安装，其间,保持一定间隙（,0.050.2mm,）。,46/99,机器人技术及应用,2,）、感应同步器,2.,感应同步器的工作原理,?,在滑尺的绕组中，施加频率为,f,（一般为,210kHz,）的交,变电流时，定尺绕组感应出频率为,f,的感应电动势。感应电动,势的大小与滑尺和定尺的相对位置有关。,?,设正弦绕组供电电压为,Us,，余弦绕组供电电压为,Uc,，移动,距离为,x,，节距

20、为,T,，则正弦绕组单独供电时，在定尺上感应,电势为,?,cos,360,cos,2,s,s,KU,T,x,KU,U,?,?,o,47/99,机器人技术及应用,2,）、感应同步器,余弦绕组单独供电所产生的感应电势为,?,sin,360,sin,2,c,c,KU,T,x,KU,U,?,?,o,?,?,sin,cos,2,2,2,c,s,KU,KU,U,U,U,?,?,?,?,由于感应同步器的磁路系统可视为线性，可进行,线性叠加，所以定尺上总的感应电势为,48/99,机器人技术及应用,2,）、感应同步器,式中,：,?,K,定尺与滑尺之间的耦合系数；,?,定尺与滑尺相对位移的角度表示量（电角度）,T

21、,节距，表示直线感应同步器的周期，标准式直线感应,同步器的节距为,2mm,。,?,利用感应电压的变化可以求得位移,X,，从而进行位置检,测。,49/99,机器人技术及应用,?,3.,测量方法,?,根据对滑尺绕组供电方式的不同，以及对输出电压检测,方式的不同，感应同步器的测量方式有鉴相式和鉴幅式两种,工作法。,2,）、感应同步器,50/99,机器人技术及应用,(1),鉴相式工作法,?,滑尺的两个励磁绕组分别施加相同频率和相同幅值，但相位,相差,90o,的两个电压，设,t,m,s,U,U,?,sin,?,t,U,U,m,c,?,cos,?,2,2,2,U,U,U,?,?,),sin(,sin,co

22、s,cos,sin,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,t,KU,t,KU,t,KU,m,m,m,从上式可以看出，只要测得相角，就可以知道滑尺,的相对位移,x,：,T,x,o,360,?,?,2,）、感应同步器,51/99,机器人技术及应用,?,2.,鉴幅工作法,?,在滑尺的两个励磁绕组上分别施加相同频率和相同相位，但,幅值不等的两个交流电压：,t,m,U,U,s,?,?,sin,sin,?,?,t,m,U,U,c,?,?,sin,cos,?,t,KU,U,U,U,m,?,?,?,sin,),sin(,2,2,2,?,?,?,?,由上式知，感应电势的幅值随着滑尺的移动作正弦,变化。因此，可

23、以通过测量感应电动势的幅值来测得定,尺和滑尺之间的相对位移。,2,）、感应同步器,52/99,机器人技术及应用,3,）、磁栅位移传感器,（,1,）,.,磁栅式位移传感器的结构,输出信号,励磁电源,6,5,4,S,S,3,N,N,S,S,S,7,N,N,1,S,N,N,2,0,0,a,b,x,53/99,机器人技术及应用,（,2,）,.,原理：,在用软磁材料制成的铁芯上绕有两个绕组，,一个为励磁绕组，另一个为拾磁绕组，将高,频励磁电流通入励磁绕组时，当磁头靠近磁,尺时在拾磁线圈中感应电压为：,t,x,U,U,?,?,?,sin,2,sin,0,?,U,0,输出电压系数；,磁尺上磁化信号的节距；,

24、磁头相对磁尺的位移；,励磁电压的角频率。,?,在实际应用中，需要采用双磁头结构来辨别移动的方向,3,）、磁栅位移传感器,54/99,机器人技术及应用,（,3,）,.,测量方式,A,、鉴幅测量方式,如前所述，磁头有两组信号输出，将高频,载波滤掉后则得到相位差为,/2,的两组信号,两组磁头相对于磁尺每移动一个节距发出,一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行,位置检测。这种方法的检测线路比较简单，,但分辨率受到录磁节距,的限制，若要提高,分辨率就必须采用较复杂的信频电路，所以,不常采用。,?,?,x,U,U,2,sin,0,1,?,3,）、磁栅位移传感器,55/99,机器人技术及应用,B.,鉴相测量

25、方式,?,将一组磁头的励磁信号移相,90,，则得,到输出电压为,?,在求和电路中相加，则得到磁头总输出,电压为,t,x,U,U,?,?,?,cos,2,sin,0,1,?,t,x,U,U,?,?,?,sin,2,cos,0,2,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,t,x,U,U,?,?,?,2,sin,0,则合成输出电压,U,的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺,的相对位置,变化而变。读出输出信号的相位，就可,确定磁头的位置。,3,）、磁栅位移传感器,56/99,机器人技术及应用,?,一、直流测速发电机,?,二、光电式速度传感器,?,三、差动变压器式速度传感器,?,四、加速度传感器,6.2.

26、3,速度、加速度传感器,57/99,机器人技术及应用,一、直流测速发电机,测速发电机的结构有多,种，但原理基本相同。,图所示为永磁式测速发,电机原理电路图。恒定,磁通由定子产生，当转,子在磁场中旋转时，电,枢绕组中即产生交变的,电势，经换向器和电刷,转换成正比的直流电势。,M,I,0,R,L,V,0,直流测速发电机在机电控制系统中，主要,用作测速和校正元件。在使用中，为了提高,检测灵敏度，尽可能把它直接连接到电机轴,上。有的电机本身就已安装了测速发电机。,58/99,机器人技术及应用,二、光电式速度传感器,光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度,V,通,过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信

27、号，,经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间,的时间间隔,t,，则可测得速度为,x,0,0,e,t,t,光电池挡板,V,速度测量,0,e,微分电路,t,x,V,?,?,?,/,59/99,机器人技术及应用,二、光电式速度传感器,光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连,接的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝,隙圆盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘,和指示缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴,转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相,等的电脉冲，根据测量时间,t,内的脉冲数,N,，则可测得,转速为,透镜,光源,光电器件,带缝隙圆盘,指示缝隙盘,t,Z,

28、N,n,60,?,60/99,机器人技术及应用,三、差动变压器式速度传感器,差动变压器式除了可测量位移外，还可测,量速度。其工作原理如下图所示。差动变,压器式的原边线圈同时供以直流和交流电,流，即,t,I,t,i,m,?,sin,),(,0,I,?,?,交流,电源,直流,电源,加法器,跟随器,跟随器,i,(,t,),x,dx,dt,减,法,器,低,通,滤,波,器,放,大,器,U,?,61/99,机器人技术及应用,三、差动变压器式速度传感器,当差动变压器以被测速度,V,=,dx,/,dt,移动,时，在其副边两个线圈中产生感应电势，,将它们的差值通过低通滤波器滤除励磁高,频角频率后，则可得到与速度

29、,v,（,m/s,）,相对应的电压输出，即,差动变压器漂移小，其主要性能为：测,量范围,102000mm/s,（可调），输出,电压,10V,（,max,），输出电流,10mA,（,max,），频带宽度,500Hz,。,v,kI,U,v,0,2,?,62/99,机器人技术及应用,四、加速度传感器,?,作为加速度检测元件的加速度传感器,有多种形式，它们的工作原理大多是利,用惯性质量受加速度所产生的惯性力而,造成的各种物理效应，进一步转化成电,量，来间接度量被测加速度。最常用的,有应变片式和压电式等。,63/99,机器人技术及应用,四、加速度传感器,电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重,块、

30、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速,度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变,片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下,即可计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作,为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。,应变片,m,悬臂梁,Z,(,t,),0,Z,(,t,),1,充以阻尼液体的壳体,64/99,机器人技术及应用,四、加速度传感器,压电加速度传感器,结构原理如右图所示。,使用时，传感器固定,在被测物体上，感受,该物体的振动，惯性,质量块产生惯性力，,使压电元件产生变形。,压电元件产生,引出线,3,质量块,1,壳体,压电晶片,m,4,2,的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。

31、,压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对,被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范,围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。,65/99,机器人技术及应用,四、加速度传感器,下,图为一种空气阻尼的电容式加速度传感器。该,传感器采用差动式结构，有两个固定电极，两极,板之间有一用弹簧支撑的质量块，此质量块的两,端经过磨平抛光后作为可动极板。当传感器测量,垂直方向的振动时，由于质量块的惯性作用，使,两固定极相对质量块产生位移，使电容,C1,、,C2,中一个增大，另一个减小，它们的差值正比于被,测加速度。这种加速度传感器的精度较高，频率,响应范围宽，可以测得很高的加速度值。,3,2,4,1

32、,C,1,2,C,66/99,机器人技术及应用,电子罗盘，也叫数字罗盘，,是利用地磁场来定北极,的一种方法。古代称为,罗经，电子罗盘现代利,用先进加工工艺生产的,磁阻传感器为罗盘的数,字化提供了有力的帮助。,现在一般有用磁阻传感,器和磁通门加工而成的,电子罗盘,。,6.2.4,电子罗盘及陀螺仪,67/99,机器人技术及应用,6.2.4,电子罗盘及陀螺仪,电子磁罗盘的原理是利用磁传感器测量地,磁场。地球的磁场强度为,0.5-0.6,高斯，与,地平面平行，永远指向磁北极，磁场大致,为双极模式：在北半球，磁场指向下，赤,道附近,指向水平，在南半球，磁场指向上。,无论何地，地球磁场的方向的水平分量，,

33、永远指向磁北极，由此，可以用电子罗盘,系统确定方向。,电子罗盘有以下几种传感器组合：,双轴磁传感器系统：由两个磁传感器垂直安装于同一,平面组成，测量时必需持平，适用于手持、低精度设备。,三轴磁传感器双轴倾角传感器系统：由三个磁传感器构,成,X,、,Y,、,Z,轴磁系统，加上双轴倾角传感器进行倾斜补,偿，同时除了测量航向还可以测量系统的俯仰角和横滚,角。适合于需要方向和姿态显示的精度要求较高的设备。,68/99,机器人技术及应用,1,三轴磁阻传感器测量平面地磁场，双轴倾角,补偿。,2,高速高精度,A/D,转换。,3,内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向,角的温度漂移。,4,内置微处理器计算传感

34、器与磁北夹角。,5,具有简单有效的用户标校指令。,6,具有指向零点修正功能。,7,外壳结构防水，无磁,.,6.2.4,电子罗盘及陀螺仪,电子罗盘的特点：,69/99,机器人技术及应用,6.2.4,电子罗盘及陀螺仪,移动机器人在行进的时候可能会遇到各种地形或,者各种障碍。这时即使机器人的驱动装置采用闭环,控制，也会由于轮子打滑等原因造成机器人偏离设,定的运动轨迹，并且这种偏移是旋转编码器无法测,量到的。这时就必须依靠电子罗盘或者角速率陀螺,仪来测量这些偏移，并作必要的修正，以保证机器,人行走的方向不至偏离。,另外一方面，商用的电子罗盘传感器精度通常为,0.5,度或者更差。而如果机器人运动距离较长

35、，,0.5,度的航向偏差可能导致机器人运动的线位移偏离值,不可接受。,70/99,机器人技术及应用,6.2.4,电子罗盘及陀螺仪,ADXRS150,速率陀螺,ADXL203,内部结构,注意：由于人体容易累积高达,4000V,的静电，虽然,ADXRS150ABG,本身具有静电保护，但仍有可能被高能量的静电击穿而不被察觉。因,此，在使用时应遵守恰当的防静电准则，以避免不必要的损失。,1),通常应用：,车辆底盘滚转传感，惯性测量单元,IMU,，平台稳定，无人机控制，弹道,测量等,2),规格数据：,在环境温度,25,C,工作电压,5 V,角速率,=0,/s,带宽,=80 Hz(Cout,=0.01 F

36、),角速率,0,/S,1g,下测量。,71/99,机器人技术及应用,6.2.5 GPS,全球导航系统,GPS,是美国军方研制的卫星导航系统，即,“,Global Positioning System”,全球定位系统的简,称。,24,颗,GPS,卫星在离地面,1,万,2,千公里的高空,上，以,12,小时的周期环绕地球运行，任意时刻在,地面上的任意一点都可以同时观测到,4,颗以上的,卫星。,72/99,机器人技术及应用,6.2.5 GPS,全球导航系统,由卫星的位置精确可知，在,GPS,观测中，我,们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中,的距离公式，利用,3,颗卫星，就可以组成,3,个方,程式

37、，解出观测点的位置,(X,Y,Z),。考虑到卫星,的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有,4,个,未知数，,X,、,Y,、,Z,和钟差，因而需要引入第,4,颗,卫星，形成,4,个方程式进行求解，从而得到观测,点的坐标和高度。,而实际上，接收机往往可以锁住,4,颗以上的卫,星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干,组，每组,4,颗，然后通过算法挑选出误差最小的,一组用作定位，从而提高精度。,73/99,机器人技术及应用,6.2.5 GPS,全球导航系统,由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对,流层、电离层对信号的影响，以及人为的,SA,保护政,策，使得民用,GPS,的定位精度只有,10,米

38、。为提高定,位精度，普遍采用差分,GPS(DGPS),技术，建立基,准站,(,差分台,),进行,GPS,观测，利用已知的基准站精,确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，,并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观,测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准,确的位置。通常情况下，利用差分,GPS,可将定位精,度提高到米级。但是使用差分,GPS,需要自行建立基,准站，费用较高，通常需要数万至十多万人民币。,74/99,机器人技术及应用,6.2.5 GPS,全球导航系统,DGPS,的原理如下图所示。,75/99,机器人技术及应用,6.2.5 GPS,全球导航系统,GPS,卫星的信号强度非

39、常弱。因此,GPS,接收机,需要非常小心地处理天线、馈线等环节，在使用中，,太低的天线偏置电压会降低天线的增益，另外同轴,电缆、连接器、电路板走线会衰减信号，要保证信,号在通过天线、同轴电缆、连接器、电路板，到达,RF_IN,时有,20dB,以上的增益；为此，在设计,GPS,天线和馈线部分时要仔细阅读,GPS,模块提供的数据,手册和应用指南，尤其是,PCB,（印刷电路版）上的,从,RF,接头到模块,RF_IN,引脚的一段,PCB,走线，应按,微带线设计（,Micro strip,），有阻抗匹配的要求。,76/99,机器人技术及应用,6.3,寻迹传感器,?,寻迹传感器意义,?,寻迹传感器原理,?

40、,寻迹传感器设计要求,?,寻迹传感器性能优化,?,其他寻迹传感器及原理,77/99,机器人技术及应用,6.3.1,寻迹传感器意义,随着科学技术的发展，机器人的,传感器越来越多，但寻迹传感器成,为自动行走和驾驶的重要部件。,图,6.3.1,78/99,机器人技术及应用,6.3.1,寻迹传感器意义,常用寻迹传感器：,图,6.3.1,光电寻迹传感器,电磁寻迹传感器,CCD,寻迹传感器,c,b,a,79/99,机器人技术及应用,6.3.2,寻迹传感器原理,一、基于反射光强度,图,6.3.2,其基本原理是采用光电传感器，根据条带和地,面反射信号不同来检测机器人所在的位置。,80/99,机器人技术及应用,

41、6.3.2,寻迹传感器原理,二、电阻分压,图,6.3.3,光电接收管阻值负相关与光强。在无光,照情况下，反向电阻为；有光照时，,反向电阻随光照强度增加而减小，阻值,可达几或以下。,81/99,机器人技术及应用,6.3.2,寻迹传感器原理,三、常用电路,图,6.3.4,a,）,当无反射光照射或光照,较弱时，电阻为,，此时,三极管工作在放大区，输,出电压很小；而当在反射,光照射使电阻下降到几,时，三极管工作在截止,区，输出电压接近于。,82/99,机器人技术及应用,6.3.2,寻迹传感器原理,三、常用电路,图,6.3.5,b,）,一种使用光电三极,管的简单光电传感器,电路，它采用带运算,放大器的放

42、大电路，,稳定性、线性度及增,益误差等均比晶体管,放大电路好。,83/99,机器人技术及应用,6.3.2,寻迹传感器原理,三、常用电路,图,6.3.6,c,）一种采用电压比,较器的光电传感器,电路。通过调节可,变电阻阻值，来改,变参考电压值，以,最终适应环境光强。,84/99,机器人技术及应用,6.3.2,寻迹传感器原理,四、常用电路分析,图,6.3.7,a,）检测深色条带,电路中,VCC,为,+5V,，,Rb,可变阻值为,0.5Rb,。,当发射,LED,照射在深色条带上时，大部分光线被吸,收，光敏二极管阻值为,1M,电压比较器模拟输入,端分得电压约为,+5V,，比较器参考电压为,+2.5V,

43、此,时，电压比较器的输入电压,电压比较器的参考电,压，故电压比较器输出低电平信号,0.,85/99,机器人技术及应用,6.3.2,寻迹传感器原理,四、常用电路分析,图,6.3.7,b,）检测浅色地面,电路中,VCC,为,+5V,，,Rb,可变阻值为,0.5Rb,。,当发射,LED,照射在浅色地面上时，大部分光线被反,射，光敏二极管阻值大幅度降低，约为为,1K,电压,比较器模拟输入端分得电压为,+5V*,（,1K/11K,）约为,0.45V,，比较器参考电压为,+2.5V,此时，电压比较器,的输入电压,电压比较器的参考电压，故电压比较器,输出高电平信号,1.,86/99,机器人技术及应用,6.3

44、.2,寻迹传感器原理,四、常用电路分析,图,6.3.7,c,）复杂路面,电路中,VCC,为,+5V,，,Rb,可变阻值为,0.5Rb,。,当发射,LED,照射在浅色地面上时，由于地,面不平整，造成只有一部分有效反射，光敏二极管,阻值略微降低，约为为,15K,电压比较器模拟输入,端分得电压为,+5V*,（,15K/25K,）约为,3V,，比较器参,考电压为,+2.5V,此时，电压比较器的输入电压,电压,比较器的参考电压，故电压比较器输出低电平信号,0,。,与检测条带信号相同，无法区分。,87/99,机器人技术及应用,6.3.2,寻迹传感器原理,四、常用电路分析,图,6.3.7,c,）复杂路面解决

45、方法,为解决此类问题，可调节,Rb,分压阻值,为,0.7Rb,。则此时电压比较器参考电压为,3.5V,，大于,比较器输入端,3V,，故电压比较器输出高电平信号,1,。,88/99,机器人技术及应用,6.3.4,寻迹传感器设计要求,抗干扰性：比赛场地可能存在各种形式的,强光干扰、电磁干扰、颜色干扰，必须有,较好的抗干扰能力。,可调性：比赛场地上机器人的运行环境可,能有别于当初调试的环境，即使同是赛，,可能出发位置、灯光光照角度、日光光照,情况均会变化，必须留有调节各种参数的,环节，使得传感器工作在最佳状态。,89/99,机器人技术及应用,6.3.4,寻迹传感器设计要求,稳定性和快速性：一旦传感器

46、移动到引导,条带边缘，传感器应当及时、快速、稳定,地触发，不允许有状态的抖动，否则会引,起机器人的摇晃。,成本低廉：对于机器人，价格是其推广的,一个重要因素。故应选择性能满足要求的,价格便宜的传感器，并适当在传感器上二,次开发，以最大性能的发挥其作用。,90/99,机器人技术及应用,6.3.4,寻迹传感器性能优化,一、提高发射管功率：,图,6.3.8,a,b,通过提高,LED,发射管的功率，从而提高有效信号,在环境噪声中的比值。进而提高寻迹传感器模块,的准确度。,91/99,机器人技术及应用,6.3.4,寻迹传感器性能优化,二、减小环境干扰：,图,6.3.8,a,b,通过使用,RPR220,等

47、发射接收一体管、或者使用黑,色热缩管等方法包裹发射接收头，从而减少环境,干扰，提高信噪比，进而提高模块的准确度。,92/99,机器人技术及应用,6.3.4,寻迹传感器性能优化,三、对发射管信号调制：,为保证机器人正常可靠地工作，可附加调制,电路来抑制传感器中暗电流及外界环境光的变化。,使用调制型的反射型光传感器只允许特定频率的,光通过，抗干扰光能力变强。,图,6.3.8,a,b,93/99,机器人技术及应用,6.3.4,寻迹传感器性能优化,四、提高器件的一致性：,1,、发射接收器件两者的波长特性一致。有几,个衡量特性的指标，如波长灵敏度特性、方向灵,敏度特性等。,2,、发射接收传感器组对时，各

48、方面性能应尽,量比较接近。,3,、机载安装状态的一致，如各对传感器的间距、,高低、偏角等。因为这些因素都会影响光的反射,与接收。,94/99,机器人技术及应用,6.3.4,寻迹传感器性能优化,五、优化寻迹传感器布局：,在寻迹传感器个数受限的情况下，优化布局尤为,重要。横向使用可以提高空间的分辨率，而纵向,使用可以提前判断路线的变化。,图,6.3.8,a,b,95/99,机器人技术及应用,6.3.4,寻迹传感器性能优化,六、寻迹传感器使用技巧：,?,速度适当（不过快）；,?,传感器接近驱动轮，最好位于其正下方；,?,在感知到条带后，电机立即反转；,?,左右传感器的间距不要过于狭窄；,?,安装传感

49、器的底板要尽量大，且喷涂成黑底色；,96/99,机器人技术及应用,6.3.5,其他寻迹传感器及原理,一、,CCD,寻迹传感器,：,由一组离散的光敏感元件阵列组成，,光照射到这个阵列上，每个光敏感元件产生与光,照度成正比的电荷，再经扫描，就由放大器输出,代表图像的电压时间信号。,图,6.3.8,a,b,97/99,机器人技术及应用,二、,CCD,传感器在寻迹中的应用,：,6.3.5,其他寻迹传感器及原理,图,6.3.8,98/99,机器人技术及应用,?,分辨率高；,?,识别路径参数多：中心位置、方向、,曲率；,?,占用端口资源少；,?,通过算法减少外部环境影响；,CCD,传感器检测路径的,优点：,6.3.5,其他寻迹传感器及原理,图,6.3.8,99/99,机器人技术及应用,6.3.5,其他寻迹传感器及原理,三、电磁寻迹传感器,：,电磁寻迹查传感器是跟踪在条带下埋藏一根,铜导线，并通过特定频率的脉冲激励的特殊路面,的。其中的电感或磁场传感器检测导线中的磁场,变化，从而检测条带的位置。,图,6.3.8,a,b,