学年第一学期第六讲机器人导论.ppt
R.Siegwart,I.Nourbakhsh学年第一学期第六讲机器人导论 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 R.Siegwart,I.Nourbakhsh感知/Perception传感器/Sensors不确定性/Uncertainty特征获取/Features4感知感知运动控制运动控制认知认知现实世界现实世界环境环境定位定位路径路径环境模型环境模型局部地图局部地图位置位置 全局地图全局地图 R.Siegwart,I.Nourbakhsh人/生物的感觉功能视觉/Vision 听觉/Audition 味觉/Gustation 嗅觉/Olfaction 触觉/Tactition回声定位/Echolocation（蝙蝠）冷热感/Thermoception恐惧感/Nociception平衡感/Equilibrioception 本体感受/Proprioception 电感/Electroception（蛇）磁感/Magnetoception（鸽子）R.Siegwart,I.Nourbakhsh传感技术的概述 传感器以特定传感功能为目标，将物理属性转换成电子特性的装置电子特性主要包括：电压值、电流值、电阻值，电容值 实例温度传感器：温度电阻值/temperature resistance适度传感器：湿度电容值/humidity capacitance磁阻传感器：磁场电阻值/magnetic field resistance光感传感器：光强电阻值/light intensity resistance电化传感器：化学电压值/chemistry voltageCCD传感器：光子电载荷/photons charge R.Siegwart,I.Nourbakhsh硬件接口原理 电压 电流 电阻 R.Siegwart,I.Nourbakhsh助人伴侣/Example HelpMate,Transition Research Corp.4.1 R.Siegwart,I.Nourbakhsh现实接口/Example B21,Real World Interface4.1 R.Siegwart,I.NourbakhshExample Robart II,H.R.Everett4.1 R.Siegwart,I.NourbakhshSavannah,River Site Nuclear Surveillance Robot4.1 R.Siegwart,I.NourbakhshBibaBot,BlueBotics SA,SwitzerlandPan-Tilt CameraOmnidirectional CameraIMUInertial Measurement UnitSonar SensorsLaser Range ScannerBumperEmergency Stop ButtonWheel Encoders4.1 R.Siegwart,I.Nourbakhsh传感器分类/Classification of Sensors功能分类 本体感受传感器/Proprioceptive sensors 测量机器人内部属性的量值,例如，马达速度，朝向，电池剩余能量 外部感受传感器/Exteroceptive sensors 获取机器人所处环境的信息，包括距离障碍物的距离、周围光的强度及其他可判别的特征方式分类 被动传感器/Passive sensors 能量来自于环境 主动传感器/Active sensors 主动发射适当能量作用到环境，通过测量环境的反应获取环境的信息4.1.1 R.Siegwart,I.Nourbakhsh一般分类/General Classification(1)4.1.1/触觉/轮置电机传感器/朝向 R.Siegwart,I.Nourbakhsh一般分类/General Classification(2)4.1.1/地面信标/主动测距/速度传感器/视觉传感 R.Siegwart,I.Nourbakhsh实际测量过程不可避免产生误差 基本传感器响应的额定值动态范围测量范围上下界的比值,单位为分贝(decibels,dB,power)例如，功率测量范围从 1 毫瓦（Milliwatt）到 20 瓦（Watts）例如，电压测量范围从 1 毫伏（Millivolt）到 20 伏（Volt）这里20 替代 10 是因为 电压的平方是功率!范围测量范围的上限表征传感器性能指标/Characterizing Sensor Performance(1)4.1.2 R.Siegwart,I.Nourbakhsh表征传感器性能指标/Characterizing Sensor Performance(2)基本传感器响应的额定值(cont.)分辨率/Resolution测量值的最小间隔 动态范围的下限=分辨率 数字传感器的分辨率就是A/D 的分辨率 例如 5V/255(8 bit)线性度/Linearity输出信号作为输入信号函数的线性变化行为 数字化意味着线性化变得无关紧要了带宽或频率/Bandwidth or Frequency传感器可提供数据流读取的速度，单位为赫兹 其上限通常以来传感器及采样率 下限也可能是存在的，例如加上速度度传感器4.1.2 R.Siegwart,I.Nourbakhsh临场传感器性能/In Situ Sensor Performance(1)与环境相关的特性敏感度/Sensitivity输出变化与输入变化的比值然而,在实际测量环境中,传感器对环境的变化也十分敏感 例如，光学成像对光照变化十分敏感 交叉敏感度/Cross-sensitivity对与目标参数正交的环境参数的敏感度误差与准确度/Error&Accuracy传感器输出值与真实值之间的差 m=测量值，v=真实值error4.1.2 R.Siegwart,I.Nourbakhsh现场传感器性能/In Situ Sensor Performance(2)系统误差 确定性产生的原因理论上可以模型化 可以预测的例如 对激光传感器的标定或光学成像摄像机岐变的校正随机误差 不确定性不可预测性然而,可以借助概率模型描述这种不确定性例如 摄像机的色调稳定性，黑色噪声的强度等.精度/Precision传感器测量结果的可重复性reproducibility of sensor results4.1.2 R.Siegwart,I.Nourbakhsh表征误差/Characterizing Error:The Challenges in Mobile Robotics移动机器人需要感知、分析和解释周围的状态真实环境中的测量是动态变化并产生误差的.例如:变化的光照条件/changing illuminations镜面产生的反射/specular reflections吸收声光的表面/Light or sound absorbing surfaces机器人传感器对机器人姿态和机器人环境动力学的交叉敏感度 鲜有可模型化-多是随机误差系统误差和随机误差在控制环境中是适定的这不适用于移动机器人.4.1.2 R.Siegwart,I.Nourbakhsh多模态误差分布/Multi-Modal Error Distributions传感器行为的概率分布模型(随机误差)通常对产生随机误差原因知之甚少常用的概率分布模型假定具有对称特性甚至是高斯（Gaussian）然而,重要的是要意识到这可能是谬误的!例如:声纳/Sonar(超声/ultrasonic)传感器可能过度估计实际测量的距离因此是非对称的所以声纳传感器可以模型化成多模态的形式:-信号直接返回的模型-信号多径返回的模型.立体视觉系统可能与图像错误关联,造成结果完全失去实际意义4.1.2 R.Siegwart,I.Nourbakhsh编码器Wheel/Motor Encoders(1)测量轮子滚动或转向的位置或速度轮子的运动的累积可以用于估计机器热的位置 测距/odometry 光学编码器是本体感受（proprioceptive）传感器因此，在固定参考坐标系中的位置估计对于短距运动是有价值的.典型的分辨率是:2000 增量/每转（increments per revolution）.高分辨率v 需要插值（interpolation）获得4.1.3 R.Siegwart,I.Nourbakhsh导向传感器/Heading Sensors导向传感器可能是本体感受传感器(陀螺仪/gyroscope,侧斜计/inclinometer)亦或是外部感受的传感器(罗盘/compass).可用于确定机器人的方位或倾斜度.通过与合适的速度信息结合,允许通过累计运动估计出位置信息.这一过程称为推算（dead reckoning）4.1.4 R.Siegwart,I.Nourbakhsh罗盘/Compass自公元前 2000年前中国人将磁铁用丝线悬挂起来用于战车导向.地磁（Magnetic field on earth）绝对方位测量.有很多种测量地磁的解决方案机械磁罗盘直接测量磁场(霍尔效应/Hall-effect,磁阻传感器)主要缺陷地磁强度不够容易受到其他磁源的干扰难以用于室内环境4.1.4 R.Siegwart,I.Nourbakhsh陀螺仪/Gyroscope导向传感器/Heading sensors,保持对固定坐标系的方位用于移动机器人系统的导向绝对测量.两类陀螺仪,机械和光学机械陀螺仪/Mechanical Gyroscopes标准陀螺仪/Standard gyro速率陀螺仪/Rated gyro光学陀螺仪/Optical Gyroscopes速率陀螺仪/Rated gyro4.1.4 R.Siegwart,I.Nourbakhsh机械陀螺仪/Mechanical Gyroscopes概念:快速旋转转子的惯性性质陀螺进动/gyroscopic precession旋转轮的角动量保持陀螺轴惯性稳定.反应力矩 正比于旋转速度 ，进动速度 和 轮子的惯量 I.外层轴枢无力矩传递到轮轴旋转轴式空间稳定的角度飘移量:0.1/6小时若旋转周与南北子午线对准,地球的转动对陀螺仪水平周无影响。若其指向东西,水平轴能够获取到地球旋转的信息4.1.4 R.Siegwart,I.Nourbakhsh速率陀螺仪/Rate gyros与机械陀螺仪的结构相近但是:万向节被扭矩弹簧约束实现角速度测量替代方位测量.此外,更简单的陀螺仪,利用科里奥利（Coriolis）力测量导向的变化.4.1.4 R.Siegwart,I.Nourbakhsh光学陀螺仪/Optical Gyroscopes商用开始于80年代初期在飞机上安装使用.观学陀螺仪/Optical gyroscopes利用同一光源发射的两个单色束角或激光光束获得速度（导向）传感器.一束顺时针行进通过光纤,另一束绕圆柱体逆时针行进激光光束沿着旋转方向行进行进路径偏短-表现出较高的频率两束光频率之差Df 正比于圆柱体的角速度 W 新的固体光学陀螺仪也是基于同样原理采用微加工工艺制作.4.1.4 R.Siegwart,I.Nourbakhsh地面主被动信标Ground-Based Active and Passive Beacons移动机器人定位的有效解决方案信标是位置确定的能够发出导引信号的装置信标导航始于人类的旅行活动自然信标有星星、山峰和太阳等自然的信标人造信标包括亮灯的房屋最新的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）导致现代导航技术的革命已经成为室外移动机器人重要传感器GPS无法用于室内移动机器人应用 室内使用信标的主要缺陷是:需要改变环境-代价.缺少对环境变化的灵活性和适应性4.1.5 R.Siegwart,I.Nourbakhsh全球定位系统/Global Positioning System(GPS)(1)用于军事用途最近开始用于商用24 卫星(包括3个备用)在20.190 km 高空每12小时绕地飞行一周.4个卫星位于与赤道平面倾斜成55度的6个平面GPS接收器的位置是通过到达的时间差确定的技术的挑战:卫星之间、卫星于GPS接收器之间的时间同步卫星准确位置的实时更新到达时间的精确测量来自于其他信号的干扰4.1.5 R.Siegwart,I.Nourbakhsh全球定位系统Global Positioning System(GPS)(2)4.1.5 R.Siegwart,I.Nourbakhsh全球定位系统/Global Positioning System(GPS)(3)时间同步/Time synchronization:每个卫星的原子时钟从不同地面观测站监测 超高精度的时间同步极其重要电磁辐射以光速传播 大约每纳秒 0.3 米 位置的精度正比于到达时间测量的精度实时更新卫星的准确位置:从分布在不同地点的地面观测站监测卫星主控监测站分析所有测量值并将实际位置传输到每个卫星 到达时间的测量接收器将来自卫星的代码与伪代码关联最佳关联的滞后时间代表到达时间GPS接收器的时钟不是特别精确四个卫星的距离测量允许识别出 位置(x,y,z)及时钟偏差T最新的的商用GPS接收器可以获得米级的定位精度.4.1.5 R.Siegwart,I.Nourbakhsh村田玩童 R.Siegwart,I.NourbakhshiTaBot-智能娱乐机器人 R.Siegwart,I.Nourbakhsh编码器Wheel/Motor Encoders(2)4.1.3scanning reticle fieldsscale slitsNotice what happen when the direction changes:
