机器人制理论与技术(1)

机器人控制理论与技术（3）2超声距离传感器及其组成结构发射端接收端换能器信号处理与换能器驱动电路3超声波传感器性能指标工作范围：15.24cm~10.6m波束角：15°工作频率：49.4kHz重量：8.2克使用温度：-30~70°C特点：使用方便，功耗较小。4声波能量分布5超声距离传感器电路图6超声距离传感器对外接口Pin1-PowerSupplyPin2-GNDPin3-EchoOutputPin4-OSCOutputPin5-INITInputPin6-BINHInputPin7-BLNKInput.ProgrammableJumper177超声距离传感器主要芯片TL852TL8518TL852工作原理图9TL852工作时序图10超声距离传感器工作时序图（一）11超声距离传感器工作时序图（二）12主动红外距离传感器（一）主动红外距离传感器是由红外发射和接收器组成，发射机是由电源、发光源和光学系统组成，接收机是由光学系统、光电传感器、放大器、信号处理器等部分组成。发射机中的红外发光二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束，经过光学系统的作用变成平行光发射出去。此光束被障碍物反射后由接收机接收，接收机中的红外光电传感器把光信号转换成电信号，经过电路处理后，输出。13红外PSD传感器测距原理（一）PSDMxfD光源透镜A透镜B14红外PSD传感器测距原理（一）PSDMxfD光源透镜A透镜B15红外PSD传感器测距原理（二）P-SiN-SiI1I2IuLLXA③②①入射光斑位置16红外PSD传感器外观及装配图EmitterDetector17GP2D12组成结构图18GP2D12距离传感器性能指标19GP2D12使用电路图20GP2D12传感器检测结果图21数据拟合方法—插值法首先通过预先的测量得到一系列的输入输出对应值：然后在实际测量时，得到一个输出值。在上述对应值之间查找该值位于上述一系列中的位置最后使用公式计算传感器的输入：22插值法示例距离（cm）电压（V）102.5151.8201.4251.1300.95350.8400.75450.65500.6550.55600.52650.5700.48750.45800.4新测输出为：1.5V；查表可知：该值位于1.4~1.8V之间；故利用上页公式：可得：201520(1.51.4)1.41.8D18.75Dcm23SHARP红外距离传感器选型指南24激光测距传感器25激光测距传感器的工作原理（一）26激光测距传感器的工作原理（二）TargetEmitterDetectorDLD表示传感器与障碍物之间的距离;c表示光的传播速度;t表示接收器接收到的两次光时刻的时间差;27激光测距传感器的工作原理（三）TargetEmitterDetectorDL28激光测距所得结果29常用激光传感器介绍目前在工业、机器人、安全防护等领域最常用的传感器是德国Sick公司生产的LMS-200。30LMS200检测范围31LMS200传感器结果图32三种距离传感器对比超声传感器激光传感器红外传感器类型主动型外感受传感器测距范围0.8~10m80m0.1~0.8m价格高低较高很高较低输出方式脉冲信号RS232模拟电压工作温度-30~70°C-20~50°C-10~60°C重量8.2g1.4kg3g功耗较低高低33GPS系统简介导航星全球定位系统NavstarGlobalPositioningSystem可在全球范围内，全天候为海上、陆上、空中、空间的用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息，并且有良好的抗干扰和保密性能，对导航定位、大地测量，以及精密授时等均具有重要意义。34GPS应用领域导航、授时、高精度测量35GPS系统的组成该系统由地面支持网、空中卫星群和用户设备三个子系统组成。36GPS系统的组成——地面支持网GPS系统的地面支持网由五个监测站、一个主控站和三个注入站组成。37GPS系统的组成——空中卫星群GPS系统空中卫星群由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成。38GSP系统的组成——空中卫星群卫星在高约20183km的近圆轨道上运行，周期约12h。卫星姿态采用三轴稳定方式，保证卫星上天线的辐射口总是对准地面。39GPS系统的组成——用户设备包括GPS接收机及其天线，并包括内部配套的或外部选装的控制显示设备。接收机和天线是用户设备的核心部分。它的主要功能是接收GPS系统的卫星信号并进行处理、量测和数据输入。40机器人用GPS模块-GPS25LVS尺寸：46.48*69.85*11.43mm重量：38g输入电压：3.6~6V接收通道：12定位精度：15m速度精度：0.2m/s工作温度：-30~80℃41GPS25LVS外部接口TXD2：串口2输出RXD2：串口2输入PPS：秒脉冲TXD1：串口1输出RXD1：串口1输入PWR_DN：外部关机VAUX：备用电源GND：电源地和信号地VIN：与10脚相接VIN：输入电压3.6~6VNC：留待扩展NMEA：输出与4脚相同TXD2NMEANCVINVINGNDVAUXPWR_DNRXD1TXD1PPSRXD211267891011234542GPS25LVS输出数据串口1NMEA01832.0版本的ASCII语句，包括：NMEA标准语句：GPALM，GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG；GARMIN定义语句：PGRME，PGRMF，PGRMT，PGRMV，LVGLL，LCVTG；串口2包括GPS载波相位数据的二进制数据；43GPS25LVS串口1输出数据示例$GPGGA,121252.000,3937.3032,N,11611.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,,0000*77$GPRMC,121252.000,A,3958.3032,N,11629.6046,E,15.15,359.95,070306,,,A*54$GPVTG,359.95,T,,M,15.15,N,28.0,K,A*04$GPGSA,A,3,14,15,05,22,18,26,,,,,,,2.1,1.2,1.7*3D$GPGSV,3,1,10,18,84,067,23,09,67,067,27,22,49,312,28,15,47,231,30*7044GPSRMC推荐定位信息$GPRMC，UTC时间（hhmmss），定位状态，纬度，纬度半球，经度，经度半球，地面速率，地面航向，UTC日期（ddmmyy），磁偏角，磁偏角方向，模式指示*hhCRLF$GPRMC，121252.000，A，3958.3032，N，11629.6046，E，15.15，359.95，070306，，，A*5445GLONASS系统Glonass是前苏联于1982年宣布发展并发射首颗试验卫星开始建立，直至1996年初达到了24颗卫星在轨的满星座运行。其星座方案与GPS相仿，为24颗中高度轨道（MEO）卫星，采用19100公里高度的三个等间隔轨道，轨道倾角64.8°。由于倾角较大，对高纬度地区的信号覆盖较好。每个轨道上平均分布8颗卫星。卫星绕地球旋转周期约11小时15分钟。46Galileo计划欧洲联盟委员会于1999年公布的Galileo计划，意欲靠欧洲力量建立一个和GPS相仿的，可以和GPS兼容，但独立自主的民用全球导航卫星系统，于2002年3月决策上马。由30颗中高度轨道（MEO）卫星组成，采用23100公里高度上的三个等间隔轨道，轨道倾角56°，每个轨道上均匀分布9颗工作卫星，另有一颗在轨备用卫星。47北斗卫星导航实验系统我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS）。第一代北斗系统由三颗（两颗工作卫星、一颗备用卫星）北斗定位卫星（北斗一号）、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。48北斗卫星导航实验系统工作原理基本工作原理是“双星定位”以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。49北斗导航系统发展历程两颗工作卫星在2000年10月31日0时02分和2000年12月21日0时20分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。备份卫星于2003年5月25日发射升空，并准确进入预定轨道。2003年6月1日，我国自主研发的“北斗运营服务平台”正式开通。标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统，北斗导航定位系统的大规模应用进入了实质性阶段。502颗地球同步卫星卫星距离地面高度：36000km两颗工作卫星：赤经80E和140E，备用卫星：赤经110.5E，覆盖范围：东经70°~140°北纬5°~55°。第一代北斗导航系统特点：51北斗一代导航卫星52北斗卫星导航实验系统三大功能快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务。简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可以一次传送超过100个汉字的信息。精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能。可提供数十纳秒级的时间同步精度。53北斗应用五大优势同时具备定位与通讯功能，无需其他通讯系统支持；覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通讯盲区；特别适合集团用户大范围监控与管理和数据采集用户数据传输应用；融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，提供更丰富的增值服务；自主系统、高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用；54北斗导航系统与GPS系统的差别覆盖范围卫星数量和轨道特性定位原理定位精度用户容量生存能力实时性55北斗二代导航系统（COMPASS）该系统由5颗静止卫星和两个移动卫星网络构成工作区域：全球卫星网络：中轨卫星网络，27颗卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，轨道高度21500公里高轨卫星网络，3颗IGSO轨道卫星，轨道高度36000KM；静止卫星网络，由5颗星组成，其中轨位分别是：58.75E；80E；110.5E；140E；160E。5657北斗卫星导航实验系统覆盖的地区58双目立体视觉简介当人类利用眼睛观察外界物体时，除了能够知道物体的大小、形状、亮暗以及表面颜色以外，还能够产生远近的感觉。这种远近的感觉称为空间深度感觉。为了获得类似于人类的这种感觉，我们为机器人设计了多种多样的视觉系统！59典型的双目视觉图像60问题单眼观察能否判断物体的远近？61问题单眼观察能否判断物体的远近？可以！单眼深度感觉的来源有以下几种：第一，当物体的高度已知时，根据它所对应的视角大小来判断它的远近。第二，根据物体之间的遮蔽关系和日光的阴影也能判断物体之间的相对位置；第三，根据对物体细节的鉴别程度和空气的透明度也能产生一定的深度感觉；第四，根据眼睛调节的程度(即眼肌肉收缩的紧张程度)也能判定物体的远近。62双目测距原理*rlbfZPPhr|2|/lXfXbZ|2|/rXfXbZ()rlZbfXXZfbxlxrP(X,Z)63视角与焦距视角越大，焦距越小还是越大？θ64视角与焦距视角越大，焦距越小！双目测距系统可测的最小距离越小！θbzmin65视角=45.8度视角=4.8度430mm508mm5130mm430mm66焦距对像素解析度的影响0.00.51.01.52.02.53.03.54.0020406080100量测距离(m)每像素的解析度(m)f=5.8mmf=58mm67焦距对测量结果的影响020406080100020406080100实际距离(m)量测距离(m)020406080100020406080100实