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移動機器人傳感器的介紹

2017-05-17  來自: 安陽市陽光科教能源有限公司 瀏覽次數:773

GPS系統:這個相比不需要太多的解釋。GPS系統分為標準GPS和差分GPS系統。標準GPS系統能提供15m的誤差定位,而差分GPS系統能提 供高達1m內誤差的定位。如果再考慮相位差信號的話,最新的GPS設備能提供精確到1cm的定位坐標。怪不得美國人現在的導彈精確度如此之高。

超聲波傳感器:超聲波傳感器是基于TOF原理。首先發射一組聲波脈沖信號,然后一個積分器就開始計算發射時間。一個返回信號閥值接著就會被設定來接受回波信號,這個閥值會隨著時間的增加而減小,因為回波會隨著距離的增加而發散,從而強度變小。但是在剛發射信號的時候,返回信號的閥值會被設定的很高以 防止發射波直接觸發接受器,但是這樣造成一個問題,就是如果檢測的距離很短,在閥值沒有下降之前,返回信號已經到達接收器,這時,接收器會認為這個返回信號是剛發出的信號,從而拒絕接受。超聲波傳感器就會有一個探測盲區,沒法這樣對近距離物體探測。一般超聲波探測器的頻率為40Hz,探測范圍為12c'm -5m,精度為98%-99.1%,分辨率為2cm。同時超聲波是一個20-40度角的面探測,所以可以使用若干個超聲波組成一個超聲波陣列來獲得180 度甚至360的探測范圍。 超聲波還有其它幾個缺點,比如交叉感應,掃描頻率低,尤其是使用超聲波陣列的時候,還有回波衰減,折射等問題。不過對于移動機器人來說,超聲波還是目前最廉價和有效的傳感器。

TOF(time of flight):TOF 原理就是 距離=速度×時間,比如聲波傳輸速度是0.3m/ms,如果3m的距離,需要10ms才能到達。然后通過計算這個返回的時間差來確定距離。但是如果是光速 的話,光速是0.3m/ns,同樣3m的距離,光只要10ns就到了。這就對檢測元件提出了非常高的要求。這也是激光傳感器價格居高不下的原因。

激光傳感器:原理就是一個旋轉得反射鏡,將激光光束或者超聲波按一定間隔反射出去,然后根據旋轉得角度和時間差來得到不同角度得距離值。是用很典型得TOF原理。 

不過對于激光傳感器而言,有3種檢測方式: 

1)使用脈沖激光,按一定間隔發射激光,然后計算返回時間。這種方法和超聲波一樣,但是激光速度太快,所以對檢測元件要求太高,一般LaserScanner不用這種方式。 

2)使用不同頻率得激光,按照一點順序,發射不同頻率得激光,通過檢測返回光束得頻率來得到距離。 

3)相位差。多數激光傳感器用得是這種方法。通過檢測發射激光和反射激光得相位差來得到距離。

紅外傳感器:是利用3三角測量法。

三角測量法(Triangulation-based):就是把發射器和接受器按照一定距離安裝,然后與被探測的點形成一個三角形的三個頂點,由于發射器和接收器的距離已知,發射角度已知,反射角度也可以被檢測到。因此檢測點到發射器的距離就可以求出。假設發射角度是90度的情況,

D=f(L/x)

L=發射器和接收器的距離

x=接受波的偏移距離

f()是函數。

由此可見,D是由1/x決定的,所以用這個測量法可以測得距離非常近的物體,目前最精確可以到1um的分辨率。但是由于D同時也是L的函數,要增加測量距離就必須增大L值。所以不能探測遠距離物體。

但是如果將紅外傳感器和超聲波傳感器同時應用于機器人,就能提供全范圍的探測范圍了,超聲波傳感器的盲區正好可以由紅外傳感器來彌補。

多普勒效應傳感器:主要用于探測移動物體的速度。目前戰斗機上用的雷達就是基于這個原理的。主要用于躲避快速移動障埃物。

多普勒原理(Doppler):假設發射器以頻率ft發射波,接收器以頻率fr接受波,發射器和接收器之間的相對速度為v。

如果發射器在移動,則

fr=ft/(1+v/c)

如果接收器在移動,則

fr=ft(1+v/c)

通過計算多普勒頻移來得到相對速度v。

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

f=多普勒頻移

A=發射波和運動角度差

目前還沒有適合小型移動機器人的相關傳感器出現。

視覺傳感器:攝像頭都是屬于視覺傳感器,目前200元一個的網絡攝像頭也都可以用作機器人的視覺傳感器。原理過于復雜,這里就不詳細敘述了。


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