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5/99机器人技术及应用6.1.2 传感器的组成传感器的组成6/99
2、机器人技术及应用6.1.2 传感器的组成传感器的组成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
3、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
4、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电容法测位移15/99机器人技术及应用电感法测厚度电感法测厚度16/99机器人技术及应用霍尔法计数霍尔法计数17/99机器人技术及应用霍尔法测转速霍尔法测转速18/99机器人技术及应用半导体法测压力半导体法测压力19/99机器人技术及应用6.1.4 传感器的数学模型传感器的数学模型从系统角度看，一
5、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1.1.静态模型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，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：）（11 2210?nnxaxaxaay21/99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
6、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 3.微分方程微分方程大多数传感器都属模拟系统之列。描述模拟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。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。的关系。23/99机器人技术及应用）（21 0111101111?xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn其通式如下：an,an-1 a0和bm,bm-1 b0为传感器的结构参数。除b
7、0?0外，一般取b1,b2 bm为零.24/99机器人技术及应用如果y(t)在t0时，y(t)=0，则y(t)的拉氏变换可定义为4.传递函数?）（31 0?dtetysYst式中s=+j，0。对微分方程两边取拉氏变换，则得?011011bsbsbsXasasasYmmmmnnnn?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?）（41 011011?asasabsbsbsXsYsHnnnnmmmm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
8、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若传感器由r r个环节串联而成个环节串联而成?）（则：51 21?sHsHsHsHr对于较为复杂的系统，可以将其看作是一些较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。为简单系统的串联与并联。xy?sH1?sH2?sHn28/99机器人技术及应用若传感器由若传感器
9、由p p个环节并联而成个环节并联而成?）（则：61 21?sHsHsHsHpxy?sH1?sH2?sHn29/99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%max?FSyL30/99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，即(3).迟滞传感器在正（输入量增大）反
10、（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xyS?0%100?FSmyHH?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%?FSmRyR?1322?nyyyiFSR?32/99机器人技术及应用（5）.分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，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
11、差表示，也可用绝为零漂，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 传感器的发展方向传感器的发展方向1.新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
12、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、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
13、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38/99机器人技术及应用6.2.1 线位移检测传感器线位移检测传感器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32411.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
14、机器人技术及应用1）.光栅位移传感器（2）、工作原理ddffddBffddW/2WddW/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。?WWB?2sin242/99机器人技术及应用
15、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。U0UW/2oUm2W3W/2Wx其电压为：WxUUUm?2sin0?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）、感应同步器包括定尺和滑尺，用制
16、造印刷线路板的腐蚀方法在定尺和滑尺上制成节距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）、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，节距为T，则正弦绕组单独供电
17、时，在定尺上感应电势为?cos360cos2ssKUTxKUU?o47/99机器人技术及应用2）、感应同步器）、感应同步器余弦绕组单独供电所产生的感应电势为?sin360sin2ccKUTxKUU?o?sincos222csKUKUUUU?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）、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
18、?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）、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tmsUU?sin?tUUmc?cos?222UUU?)sin(sincoscossin?tKUtKUtKUmmm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：Txo360?2）、感应同步器）、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
19、个交流电压：tmUUs?sinsin?tmUUc?sincos?tKUUUUm?sin)sin(222?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）、感应同步器52/99机器人技术及应用3）、磁栅位移传感器）、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654SS3NNSSS7NN1SNN200abx53/99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：txUU?
20、sin2sin0?U0输出电压系数；磁尺上磁化信号的节距；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）、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。?xUU2sin01?3）、磁栅位移传感器）、磁栅位移传感器55/99机器人技术及应用B
21、.鉴相测量方式?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txUU?cos2sin01?txUU?sin2cos02?txUU?2sin0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）、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6.2.3 速度、加速度传感器速度、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
22、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。MI0RLV0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x00ett光电池挡板V速度测量0e微分电路txV?/59/99机器人技术及应
23、用二、光电式速度传感器二、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tZNn60?60/99机器人技术及应用三、差动变压器式速度传感器三、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tItim?sin)(0
24、I?交流电源直流电源加法器跟随器跟随器i(t)xdxdt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 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。vkIUv02?62/99机器人技术及应用四、加速度传感器四、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
25、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、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)0Z(t)1充以阻尼液体的壳体64/99机器人技术及应用四、加速度传感器四、加速度传感器压电加速度传感器结构原理
26、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m4 2 的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。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
27、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。3241C12C66/99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
28、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。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
29、 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
30、.5度或者更差。而如果机器人运动距离较长，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 25C,工作电压 5 V,角速率=0/s,带宽=80 Hz(Cout=0.01 F),
31、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，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
32、，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。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
33、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全球导航系统全球导航系统GPS卫星的信号强度非常弱。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、
34、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?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 6.3.178/99机器人技术及应用6.3.1 寻迹传感
35、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cba79/99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 6.3.4a）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
36、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 6.3.5b）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 6.3.6c）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 6.3.7a）检测深色条带电路中VCC为+5V，Rb可变阻值为0.5Rb。当发射LE
37、D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,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 6.3.7b）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
38、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 6.3.7c）复杂路面解决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
39、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 6.3.8ab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.
40、3.8ab通过使用RPR220等发射接收一体管、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 6.3.8ab93/99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，各方面性能应尽量
41、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 6.3.8ab95/99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
42、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 6.3.8ab97/99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 6.3.898/99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 6.3.899/99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 6.3.8ab
