感知系統(tǒng)是機器人能夠實現(xiàn)自主化的必須部分。這一章，將介紹一下移動機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。

根據(jù)傳感器的作用分，一般傳感器分為：

內部傳感器（體內傳感器）：主要測量機器人內部系統(tǒng)，比如溫度，電機速度，電機載荷，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)傳感器的運行方式，可以分為：

被動式傳感器：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。

主動式傳感器：傳感器會發(fā)出探測信號。比如超聲波，紅外，激光。但是此類傳感器的反射信號會受到很多物質的影響，從而影響準確的信號獲得。同時，信號還狠容易受到干擾，比如相鄰兩個機器人都發(fā)出超聲波，這些信號就會產生干擾。

傳感器一般有以下幾個指標：

動態(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。當然越高分辨率的傳感器價格就越貴。

線性度：這是一個非常重要的指標來衡量傳感器輸入和輸出的關系。

頻率：是指傳感器的采樣速度。比如一個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：主要用于測量電機的旋轉角度和速度。任何用電機的地方，都可以用編碼器來作為傳感器來獲得電機的輸出。

電子羅盤：可以檢測機器人與地球南北極之間的角度，從而獲得機器人的朝向。但是精度很低。而且任何磁性物體都會造成羅盤失靈，比如揚聲器。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：又分機械陀螺儀和光電陀螺儀?？梢詸z測絕對朝向。但是目前價格過高，只在飛機上采用。目前最好的光電陀螺儀能提供100KHz的采樣頻率，同時提供0.0001degress/hr的分辨率。但是價格也是同樣昂貴。

GPS系統(tǒng)：這個相比不需要太多的解釋。GPS系統(tǒng)分為標準GPS和差分GPS系統(tǒng)。標準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10cm的定位坐標。怪不得美國人現(xiàn)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(fā)射一組聲波脈沖信號，然后一個積分器就開始計算發(fā)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(fā)散，從而強度變小。但是在剛發(fā)射信號的時候，返回信號的閥值會被設定的很高以防止發(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(fā)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(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(jù)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(fā)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(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，然后與被探測的點形成一個三角形的三個頂點，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。因此檢測點到發(fā)射器的距離就可以求出。假設發(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(shù)，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(qū)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(zhàn)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(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，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(fā)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(xiàn)。

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。