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移动机器人传感器的介绍

2017-05-17  来自: 安阳市阳光科教能源有限公司 浏览次数:467

GPS系统:这个相比不需要太多的解释。GPS系统分为标准GPS和差分GPS系统。标准GPS系统能提供15m的误差定位,而差分GPS系统能提 供高达1m内误差的定位。如果再考虑相位差信号的话,新的GPS设备能提供精确到1cm的定位坐标。怪不得美国人现在的导弹精确度如此之高。

超声波传感器:超声波传感器是基于TOF原理。首先发射一组声波脉冲信号,然后一个积分器就开始计算发射时间。一个返回信号阀值接着就会被设定来接受回波信号,这个阀值会随着时间的增加而减小,因为回波会随着距离的增加而发散,从而强度变小。但是在刚发射信号的时候,返回信号的阀值会被设定的很高以 防止发射波直接触发接受器,但是这样造成一个问题,就是如果检测的距离很短,在阀值没有下降之前,返回信号已经到达接收器,这时,接收器会认为这个返回信号是刚发出的信号,从而拒绝接受。超声波传感器就会有一个探测盲区,没法这样对近距离物体探测。一般超声波探测器的频率为40Hz,探测范围为12c'm -5m,精度为98%-99.1%,分辨率为2cm。同时超声波是一个20-40度角的面探测,所以可以使用若干个超声波组成一个超声波阵列来获得180 度甚至360的探测范围。 超声波还有其它几个缺点,比如交叉感应,扫描频率低,尤其是使用超声波阵列的时候,还有回波衰减,折射等问题。不过对于移动机器人来说,超声波还是目前廉价和有效的传感器。

TOF(time of flight):TOF 原理就是 距离=速度×时间,比如声波传输速度是0.3m/ms,如果3m的距离,需要10ms才能到达。然后通过计算这个返回的时间差来确定距离。但是如果是光速 的话,光速是0.3m/ns,同样3m的距离,光只要10ns就到了。这就对检测元件提出了非常高的要求。这也是激光传感器价格居高不下的原因。

激光传感器:原理就是一个旋转得反射镜,将激光光束或者超声波按间隔反射出去,然后根据旋转得角度和时间差来得到不同角度得距离值。是用很典型得TOF原理。 

不过对于激光传感器而言,有3种检测方式: 

1)使用脉冲激光,按间隔发射激光,然后计算返回时间。这种方法和超声波一样,但是激光速度太快,所以对检测元件要求太高,一般LaserScanner不用这种方式。 

2)使用不同频率得激光,按照一点顺序,发射不同频率得激光,通过检测返回光束得频率来得到距离。 

3)相位差。多数激光传感器用得是这种方法。通过检测发射激光和反射激光得相位差来得到距离。

红外传感器:是利用3三角测量法。

三角测量法(Triangulation-based):就是把发射器和接受器按照距离安装,然后与被探测的点形成一个三角形的三个顶点,由于发射器和接收器的距离已知,发射角度已知,反射角度也可以被检测到。因此检测点到发射器的距离就可以求出。假设发射角度是90度的情况,

D=f(L/x)

L=发射器和接收器的距离

x=接受波的偏移距离

f()是函数。

由此可见,D是由1/x决定的,所以用这个测量法可以测得距离非常近的物体,目前可以到1um的分辨率。但是由于D同时也是L的函数,要增加测量距离就必须增大L值。所以不能探测远距离物体。

但是如果将红外传感器和超声波传感器同时应用于机器人,就能提供全范围的探测范围了,超声波传感器的盲区正好可以由红外传感器来弥补。

多普勒效应传感器:主要用于探测移动物体的速度。目前战斗机上用的雷达就是基于这个原理的。主要用于躲避快速移动障埃物。

多普勒原理(Doppler):假设发射器以频率ft发射波,接收器以频率fr接受波,发射器和接收器之间的相对速度为v。

如果发射器在移动,则

fr=ft/(1+v/c)

如果接收器在移动,则

fr=ft(1+v/c)

通过计算多普勒频移来得到相对速度v。

f=ft-fr=2*ft*v*cosA/c

f=多普勒频移

A=发射波和运动角度差

目前还没有适合小型移动机器人的相关传感器出现。

视觉传感器:摄像头都是属于视觉传感器,目前200元一个的网络摄像头也都可以用作机器人的视觉传感器。原理过于复杂,这里就不详细叙述了。


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