移动机器人常用传感器

北京博创兴盛机器人技术有限公司TEL：010-8205872782058408FAX：总机转812第1页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：l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。l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：l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。l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：l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。l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。l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。l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。3.3.1Voyager的传感系统结构UP-VoyagerII机器人采用总线式结构，在机载总线上通过扩展接口，可以使用任意一种传感器。以下介绍部分典型传感器。其它传感器需要自行扩展，请参见本章3.4.3节。3.3.2测距声纳探测周围环境、障碍物信息是很多自主移动机器人必须具备的功能。测距声纳是移动机器人上经常采用的测距传感器。移动机器人要实现在未知和不确定环境下运行，必须具备自动导航和避障功能。在移动机器人的导航系统中，传感器起着举足轻重的作用。视觉、激光、红外、超声传感器[1]等都在实际系统中得到了广泛的应用。其中，超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低，被广泛用作移动机器人的测距传感器，以实现避障、定位、环境建模和导航等功能。UP-VoyagerII机器人预留了24个声纳传感器接口，根据需要可以配置不同数量的声纳传感器。机器人标准配置的是PolaroidInc.生产的600系列端面型超声波传感器，主要用于测距，检测周围环境的状况。该传感器已集成化，与MCU的接口较为简单，操作容易，性能稳定，并有不锈钢的保护罩，可以用于室内或者非恶劣的室外环境。传感器外形如图2所示。1)基本原理：超声波传感器为非接触式的物位传感器，应用领域十分广泛。其工作原理是，工作时向液面或固体表面发射一束超声波，被其反射后，传感器再接收此反射波。设声速一定，根据声波往返的时间就可以计算出传吸器到液面（固体表面）的距离，即测量出液面（固体表面）位置。在Voyager机器人的具体应用原理为：传感器首先等待，接收到MCU的“开始”脉冲信号后发射一定时间的50KHz的超北京博创兴盛机器人技术有限公司TEL：010-8205872782058408FAX：总机转812第2页声波并等待回波；在换能器接收到来自障碍物的反射声波后，给MCU反馈脉冲信号，MCU即可以发射和接收之间的时间长度和声速计算出机器人与障碍物之间的距离。2)参数资料a)常用应用范围：距离测量、接近察觉、存在察觉。b)规格数据：方向特性：正向15°锥角（-6dB时）。距离范围：0.15到10.7米。精度：±3mm—3m(满量程的±1%)。重量：8.2克。外壳：304不锈钢。c)换能器规格：直流基准电压：200V。交流基准电压：200V。峰值结合电压：400V。最大电容：400–500pf(在150VDC)。工作温度：-30to+70°C。存储温度：-40to120°C。相对湿度：(非凝结)5%-95%镀层薄膜：金d)电气接口：（见中图）该传感器的电气接口为7Pin、2.54mm间距的插针。如图2所示。n6-30VDC——电源，在Voyager机器人系统中为+12V，典型工作电流为100mA，发射电流约为2A。nGND——地。nECHO——输出反馈信号，当INIT启动成功并接受到反射声波时被置位“1”，TTL电平。nOSC——输出时钟，为传感器内部49.4KHz时钟，仅当INIT为“1”时有效。北京博创兴盛机器人技术有限公司TEL：010-8205872782058408FAX：总机转812第3页——传感器初始化，为“1”时开始发射超声波，为“0”时等待反射信号，置位时间至少为5mS。当ProgramableJunper跳线被短路时为传感器内部5Hz时钟输出，不能使用外部初始化。在UP-VoyagerII机器人系统中为外部初始化模式。3)常用与MCU的接口与检测方式：EN_OUT和SIGNAL_IN可为MCU任意双向口，在EN_OUT发出5mS的初始化信号后启动计时器，在等到反馈信号后终止计时器并读出其中数据，根据计时器的时钟计算出超声波反射时间，结合声速得到距离。这个距离是真实距离的2倍，即往返距离。注意计时器分频的选择，防止溢出。如前所述，超声测距的原理较简单，一般采用渡越时间法，即：D=ct/2(1)其中D为移动机器人与被测障碍物之间的距离，c为声波在介质中的传输速率。声波在空气中传输速率为ｃ＝ｃ01+T/273ｍ／ｓ(2)其中，Ｔ为绝对温度，c0=331.4m/s。在不要求测距精度很高的情况下，一般可以认为c为常数。渡越时间法主要是测量超声发射到超声返回的时间间隔t，即渡越时间，然后根据式(1)计算距离。在距地面高度为45cm、相隔为15°的同一环上可均布安装24个超声传感器，其编号为1#~24#(逆时针布置)，超声传感器波束角为15°，超声传感器的最小作用距离为0.15m。超声数据采集处理模块位于传感器主板上。工作时，超声数据采集处理模块的I/O端口发出控制信号，启动内部定时器进行计时。此控制信北京博创兴盛机器人技术有限公司TEL：010-8205872782058408FAX：总机转812第4页号经功率放大后作为超声传感驱动电路的启动信号(INIT)，超声传感器产生的、遇到障碍物时返回的高频振荡信号经放大(为弥补传播过程中信号的衰减)使超声传感驱动电路的ECHO端产生高电平脉冲。ECHO电平变化经过门电路后引起超声数据采集处理模块的外部中断，在中断程序内获取定时器的计数值，根据式(1)计算距离；否则，认为传感器前方探测范围内无障碍物。因为超声传感器之间的安装位置相差15°，而超声传感器的波束角为15°，如果超声波同时发射，有可能会有干扰。如果采用轮循方式，即一个接一个地发射超声波，虽然可以消除串扰回波的影响，但是16个超声传感器轮循一次周期较长，降低了采集频率。为了在不降低采集频率的同时消除超声的相互干扰，本系统将24个超声传感器分成A(1#、4#、7#、10#、13#、16#、19#、22#)、B(2#、5#、8#、11#、14#、17#、20#、13#)、C(3#、6#、9#、12#、15#、18#、21#、24#)三组，因为同一组内的两个超声传感器安装位置相差45°，通过计算可以知道，这种情况下超声传感器同时工作不会产生干扰，因而每一组里的超声传感器同时工作，组与组之间则采用轮循方式工作。这样既可以达到很高的采集频率，同时也满足了系统的实时性要求。每组8个超声传感器的ECHO端分别连接到一门电路，然后通过门电路连接到超声数据采集处理模块的INT端。INT引脚电平发生跳变时会产生外部中断，通过I/O口可以知道是哪个或哪几个传感器引起中断。使用声纳的时候要注意的是，所有超声波原理的声纳传感器均有近距离盲区，600系列传感器的近距离盲区为0-15cm，即在距离传感器15cm以内的障碍物，该传感器无法探测到。这是由传感器的响应频率决定的。其原因是距离太近，传感器无法分辨发射波束与反射波束。超声波还有其它几个缺点，比如回波衰减，折射，尤其是使用超声波阵列的时候，还有交叉感应（A传感器的发射回波被B传感器接收到），扫描频率低（一般不超过100Hz，轮询扫描式不超过10Hz）等问题。不过对于移动机器人来说，超声波还是目前最廉价和有效的传感器。3.3.3光电开关如前所述，为了补偿超声波传感器的盲区，UP-VoyagerII机器人可配备光电开关，用于测量近距的障碍。1)基本原理：光电开关是红外线光电开关的简称，利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。现有的光电传感器优先使用的是波长780nm——3um的近红外光，并已有比较稳定的集成化产品，与数字电路的接口也非常简单。2)常用光电开关的外形及接口如图：（厂家一般将接线方式标明于壳体，这里给出其中一种）3)Voyager机器人所使用的型号为E18-B0，规格数据为：VCC：6V——36V（典型12V）。工作电流：小于300mA。输出形式：NPN三极管OC输出。封装形式：工程塑料。安装方式：φ17mm壳体螺纹，带锁紧螺母。光电开关输出是开关量，只能判断在测量距离内有无障碍物，不能给出障碍的实际距离，而且其开关的临界距离要受外界光环境的影响。因此在UP-VoyagerII机器人系统中仅作为超声波传感器的补充，以测量超声波传感器的盲区附近有无障碍物。另外，该传感器带有一个灵敏度调节旋钮，可以北京博创兴盛机器人技术有限公司TEL：010-8205872782058408FAX：总机转812第5页调节传感触发的距离。随供电电压不同，最远探测距离在5-60cm可调。另外还有一种红外测距传感器，具有测距功能，例如日本Sharp公司生产的系列测距传感器。但是其探测距离通常为10-150cm，因此在机器人具备超声声纳传感器的情况下并不具备性能优势。3.3.4电子磁罗盘几个世纪以来，人们在导航中一直使用磁罗盘。有资料显示早在二千多年前我国人民就开始使用天然磁石——一种磁铁矿来指示水平方向。电子罗盘（数字罗盘，电子指南针，数字指南针）是测量方位角（航向角）比较经济的一种电子仪器。如今电子罗盘已广泛应用于：汽车、手持电子罗盘，手表，手机，对讲机，雷达探测器，望远镜，探星仪，寻路器，武器/导弹导航(航位推测)，位置/方位系统，安全/定位设备，汽车、航海和航空的高性能导航设备，移动机器人设备等需要方向或姿态传感的设备中。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，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。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，加上三轴倾角传感器（加速度传感器）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。Voyager机器人可选择配置双轴电子罗盘或者三轴