機器人技術-5感知-第二章 2機器人速度、方向、姿態、位置等傳感器

2.1輪子/電機傳感器

輪子編碼器(旋轉編碼器、光電編碼器)里程器
作用:測旋轉的角度和速度
結構:主要由光源、固定光柵、旋轉光柵、接收器組成。
原理:光源、固定光柵和接收器都被安裝在與底盤連接的靜止部位,旋轉光柵與待測量的軸相連接作旋轉運動。當被測量的軸發生轉動時,光源發出的光束,經旋轉光柵、固定光柵,形成一道交替通過的狹窄光束,而被接收器所接收產生測量信號(正弦或者方波脈衝)。
特性:本體感受傳感器分辨率以每轉週期數(CPR)度量,典型值爲64~2048。
應用:用於測量輪子或轉向裝置的位置或速度與輪子的運動參數一起來估計機器人當前的位置
在這裏插入圖片描述
在這裏插入圖片描述
在這裏插入圖片描述

2.2導向傳感器——霍爾效應羅盤

霍爾效應羅盤(霍爾元件)
原理:當電流通過半導體材料時,會產生與磁通量密度和其方向相對應的電壓, 即霍爾效應。利用霍爾效應制作而成的,檢測磁場的元件叫做霍爾元件。單個霍爾元件提供了一維磁通和方向的測量。
特性:價格便宜,分辨率低、帶寬低、 交叉靈敏度高(易受其它磁性物體和 人造結構所產生磁場的干擾)
應用:在移動機器人中,霍爾效應數字羅盤是很普遍的;但是在室內環境中應用的移動機器人應避免使用這種數字羅盤。
在這裏插入圖片描述

2.3導向傳感器——機械陀螺儀

陀螺儀:能夠保持相對於固定參考框架 (座標系)的方向,從而提供移動系統導向的絕對測量(方向或角速度)。通常分爲兩類:機械陀螺儀和光學陀螺儀。
原理:基於角動量守恆原理,中間高速旋轉的“輪子”(陀螺)能夠保持相對 於固定參考框架的方向,而周邊的“鋼圈”則會因爲機器人改變姿態而跟着改變;這些“鋼圈”所在的軸,也就是陀螺儀裏面對應的座標軸,通過這些軸圍成的立體空間聯合檢測設備當前的狀態。
特性:總的來說靈敏度、準確度和精確度都比霍爾效應羅盤要高很多,但是價格也要高很多。
在這裏插入圖片描述

2.3.1MEMS陀螺儀:

利用科里奧利力(Coriolis force),在其內部產生微小的電容變化, 然後測量電容,計算出角速度。

2.3.2激光陀螺儀:

利用薩格納克效應(Sagnac effect),在閉合光路中,由同一光源發出的沿順時針方向和反時針方向傳輸的兩束光干涉,利用檢測相位差或干涉條紋的變化,就可以測出閉合光路旋轉角速度。
特性:激光陀螺儀在分辨率和帶寬上已經遠遠超過一般移動機器人應用所需要的導航信息。
在這裏插入圖片描述

2.4加速度計

2.4.1機械加速度計:

參考質量(Mass)由彈簧和阻尼器與殼體相連,在穩態時它和殼體的相對位移反映出加速度分量的大小,這個信號通過電位器以電壓量輸出,其輸出量是正比於加速度分量大小的電信號。

2.4.2MEMS加速度計(電容式):

一個彈簧狀結構將裝置連接到一個電容分壓器(圖中capacitive devider)中的震動質量(橙色方塊M) 上。電容分壓器將震動質量的位移轉換成電信號。阻尼是由密封在裝置中的氣體產生的。


MEMS:微機電系統,帶有機械和電子特性。


在這裏插入圖片描述

2.4.3MEMS加速度計(壓電式):

利用某些晶體的壓電效應(當一個機械壓力施加於某些晶體時,會產生一個電壓),一個小的質量安置在晶體上,當施加外力時,該質量 就會移動,從而誘發可量測的電壓。
特性:加速度計只能測量單軸上的加速度。 通過將三個加速度計垂直安裝在一起,可 以獲得三軸加速度計。
應用:測量重力加速度或機器人的加速度, 主要是低通加速度計(帶寬0Hz到500Hz), 常見的爲電容式加速度計; 測量機器人的振動或碰撞時的加速度,主要是高通加速度計(帶寬幾Hz到50kHz),常見的爲壓電式加速度計。
在這裏插入圖片描述
在這裏插入圖片描述

2.5慣性測量單元(IMU)

慣性測量單元(慣性導航系統):利用陀螺儀和加速度計來估計機器人的相對位置、速度和加速度。
由3個正交的加速度計和3個正交的陀螺 儀組成的慣性導航系統,能夠估算機器人6個自由度的姿態(x,y,z的位置和翻滾、傾斜、偏轉的方向)以及相應的速度和加速度。
慣性導航系統對陀螺和加速度計的誤差極爲敏感, 在長時間運行之後幾乎所 有的慣性導航系統都會出現漂移。在許多機器人應用中已通過攝像機或GPS來做姿態糾正,消除漂移。
在這裏插入圖片描述

未完成。

三級目錄

發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章