感知系統(tǒng)是機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主化的必須部分。這一章，將介紹一下移動(dòng)機(jī)器人中所采用的傳感器以及如何從傳感器系統(tǒng)中采集所需要的信號(hào)。

根據(jù)傳感器的作用分，一般傳感器分為：

內(nèi)部傳感器（體內(nèi)傳感器）：主要測量機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)，比如溫度，電機(jī)速度，電機(jī)載荷，電池電壓等。

外部傳感器（外界傳感器）：主要測量外界環(huán)境，比如距離測量，聲音，光線。

根據(jù)傳感器的運(yùn)行方式，可以分為：

被動(dòng)式傳感器：傳感器本身不發(fā)出能量，比如CCD，CMOS攝像頭傳感器，靠捕獲外界光線來獲得信息。

主動(dòng)式傳感器：傳感器會(huì)發(fā)出探測信號(hào)。比如超聲波，紅外，激光。但是此類傳感器的反射信號(hào)會(huì)受到很多物質(zhì)的影響，從而影響準(zhǔn)確的信號(hào)獲得。同時(shí)，信號(hào)還狠容易受到干擾，比如相鄰兩個(gè)機(jī)器人都發(fā)出超聲波，這些信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生干擾。

傳感器一般有以下幾個(gè)指標(biāo)：

動(dòng)態(tài)范圍：是指傳感器能檢測的范圍。比如電流傳感器能夠測量1mA－20A的電流，那么這個(gè)傳感器的測量范圍就是10log（20/0.001)=43dB.如果傳感器的輸入超出了傳感器的測量范圍，那么傳感器就不會(huì)顯示正確的測量值了。比如超聲波傳感器對近距離的物體無法測量。

分辨率：分辨率是指傳感器能測量的最小差異。比如電流傳感器，它的分辨率可能是5mA，也就是說小于5mA的電流差異，它沒法檢測出。當(dāng)然越高分辨率的傳感器價(jià)格就越貴。

線性度：這是一個(gè)非常重要的指標(biāo)來衡量傳感器輸入和輸出的關(guān)系。

頻率：是指傳感器的采樣速度。比如一個(gè)超聲波傳感器的采樣速度為20HZ，也就是說每秒鐘能掃描20次。

下面介紹一下常用的傳感器：

編碼器：主要用于測量電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度。任何用電機(jī)的地方，都可以用編碼器來作為傳感器來獲得電機(jī)的輸出。

電子羅盤：可以檢測機(jī)器人與地球南北極之間的角度，從而獲得機(jī)器人的朝向。但是精度很低。而且任何磁性物體都會(huì)造成羅盤失靈，比如揚(yáng)聲器。所以要配合其它傳感器，比如編碼器一起使用才能獲得比較好的定位效果。主要有hall-effect和flux-gate兩種：

陀螺儀：又分機(jī)械陀螺儀和光電陀螺儀?？梢詸z測絕對朝向。但是目前價(jià)格過高，只在飛機(jī)上采用。目前最好的光電陀螺儀能提供100KHz的采樣頻率，同時(shí)提供0.0001degress/hr的分辨率。但是價(jià)格也是同樣昂貴。

GPS系統(tǒng)：這個(gè)相比不需要太多的解釋。GPS系統(tǒng)分為標(biāo)準(zhǔn)GPS和差分GPS系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)GPS系統(tǒng)能提供15m的誤差定位，而差分GPS系統(tǒng)能提供高達(dá)1m內(nèi)誤差的定位。如果再考慮相位差信號(hào)的話，最新的GPS設(shè)備能提供精確到10cm的定位坐標(biāo)。怪不得美國人現(xiàn)在的導(dǎo)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(fā)射一組聲波脈沖信號(hào)，然后一個(gè)積分器就開始計(jì)算發(fā)射時(shí)間。一個(gè)返回信號(hào)閥值接著就會(huì)被設(shè)定來接受回波信號(hào)，這個(gè)閥值會(huì)隨著時(shí)間的增加而減小，因?yàn)榛夭〞?huì)隨著距離的增加而發(fā)散，從而強(qiáng)度變小。但是在剛發(fā)射信號(hào)的時(shí)候，返回信號(hào)的閥值會(huì)被設(shè)定的很高以防止發(fā)射波直接觸發(fā)接受器，但是這樣造成一個(gè)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(hào)已經(jīng)到達(dá)接收器，這時(shí)，接收器會(huì)認(rèn)為這個(gè)返回信號(hào)是剛發(fā)出的信號(hào)，從而拒絕接受。超聲波傳感器就會(huì)有一個(gè)探測盲區(qū)，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(shí)超聲波是一個(gè)20－40度角的面探測，所以可以使用若干個(gè)超聲波組成一個(gè)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(gè)缺點(diǎn)，比如交叉感應(yīng)，掃描頻率低，尤其是使用超聲波陣列的時(shí)候，還有回波衰減，折射等問題。不過對于移動(dòng)機(jī)器人來說，超聲波還是目前最廉價(jià)和有效的傳感器。

TOF（time of flight):TOF原理就是 距離＝速度×時(shí)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(dá)。然后通過計(jì)算這個(gè)返回的時(shí)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(jià)格居高不下的原因

激光傳感器：原理就是一個(gè)旋轉(zhuǎn)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(jù)旋轉(zhuǎn)得角度和時(shí)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(fā)射激光，然后計(jì)算返回時(shí)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(diǎn)順序，發(fā)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(shù)激光傳感器用得是這種方法。通過檢測發(fā)射激光和反射激光得相位差來得到距離。

紅外傳感器：是利用三角測量法。

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

D=f(L/x)

L=發(fā)射器和接收器的距離

x＝接受波的偏移距離

f（）是函數(shù)。

由此可見，D是由1/x決定的，所以用這個(gè)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(shí)也是L的函數(shù)，要增加測量距離就必須增大L值。所以不能探測遠(yuǎn)距離物體。

但是如果將紅外傳感器和超聲波傳感器同時(shí)應(yīng)用于機(jī)器人，就能提供全范圍的探測范圍了，超聲波傳感器的盲區(qū)正好可以由紅外傳感器來彌補(bǔ)。

多普勒效應(yīng)傳感器：主要用于探測移動(dòng)物體的速度。目前戰(zhàn)斗機(jī)上用的雷達(dá)就是基于這個(gè)原理的。主要用于躲避快速移動(dòng)障埃物。

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

如果發(fā)射器在移動(dòng)，則

fr=ft/(1+v/c)

如果接收器在移動(dòng)，則

fr=ft(1+v/c)

通過計(jì)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(fā)射波和運(yùn)動(dòng)角度差

目前還沒有適合小型移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)傳感器出現(xiàn)。

視覺傳感器：攝像頭都是屬于視覺傳感器，目前200元一個(gè)的網(wǎng)絡(luò)攝像頭也都可以用作機(jī)器人的視覺傳感器。