机器人课程系列：RobotShop第7课使用传感器

第7课 - 使用传感器

与人类不同，机器人没有视觉，声音，触觉，嗅觉和味觉。因此，机器人需要使用各种不同的传感器来探索和了解他们所处的环境。虽然模拟生物的感官知觉目前仍然很困难，不过已有许多的研究人员和厂商投入这个领域希望可以开发出这一类的产品。

哪些是人类有机器人没有的知觉？

机器人可以“看到”，但是却很难理解他们看的是什么。例如，机器人能够使用相机拍摄数百万画素的图像，但是如果没有好的程序搭配，它将完全不知道这些像素代表了什么意义。距离传感器可以让机器人侦测到与前方物体的距离，却不会阻止机器人去碰撞物体。研究人员和厂商正在试验各种不同的方法，希望可以让机器人除了可以“看到”，还能够“理解”它看到的是什么。不过，可能还要一段很长的时间要才能让机器人有能力辨识放置在桌子上是甚么东西，尤其当那个东西看起来与数据库中的对象没有完全相同时。

要让机器人拥有味觉和嗅觉是非常困难的。人类能够告诉直接你“这是甜味”或“这味道闻起来很怪”，而机器人在给出同样答案之前，需要先对该物质进行化学成分分析，然后到数据库中比对寻找该物质，以确定人类是否已将味道标记为“甜“或气味为”怪“。由于目前的机器人对于为味觉和嗅觉的需求还不太多，因此目前也还没有投入太多的资源来开发相关的传感器。

人类在皮肤上有末梢神经，因此，当我们能感觉得到碰撞到物体或被外物碰触。如果希望让机器人有"触觉"，则要在需要产生触觉的位置（例如在前保险杠上）安装上按钮或简单触点，来让它与物体接触。例如机器人宠物就可能有接触或压力传感器放置在他们的头部，脚部和背部。如果你触摸没有传感器的区域，机器人将无法知道它已被触摸，且不会有反应。随着对人形机器人的持续研究，或许不久之后就可能会有“机电皮肤”被开发出来。

那些是机器人有人类却没有的知觉？

虽然机器人不能告诉你东西是尝起来的味道好，或者气味闻起来很糟，不过将待测误拿来做化学成分分析的步骤却可以提供比正常人类更多的对于待测物性质的信息。配备有一氧化碳传感器的机器人能够之侦测出一氧化碳气体，这是人类做不到的, 因为一氧化碳气体对于人类来说是无色，无味的。机器人也能够告诉你物质的Ph值，以确定它是酸性还是碱性。

人类使用一双眼睛来辨识物体的远近，然而对许多人来说，要能准确测量距离却不容易。人们可能会告诉你，“树看起来是在距离约50英尺远的地方”，而一个配备了合适的距离传感器的机器人，可以精准的告诉你，“树在位于43.1英尺远的地方。”

此外，机器人不仅可以感测，更可以准确的提供人类没有发现或无法感知的各种环境因子的。例如，机器人可以精确的告诉你它目前的角度或加速度，而大多数人只会告诉你“我在转动”或“我在移动”。人类可以根据经验告诉你他们认为物体将是热或冷的而不需要实际上触摸它，而热像仪却可以提供它所见的任何物体实际的二维热显像图。虽然人类有五个主要的知觉，机器人可以拥有几乎无限数量的不同的传感器。

我的机器人需要哪些传感器？

那么，有什么类型的传感器可以使用，你的机器人又需要哪些？你需要先问自己“我想要什么或需要让机器人来测量？”，并参考下面的归类好的目录。很有可能你需要的传感器并无法很完美的被归类在这些目录中，所以可以尝试进一步把它分解成它的基本元素。

接触

按钮/接触开关

开关，按钮和接触传感器用于检测物体之间的物理接触，而不仅限于人按压此按钮; 机器人的保险杠上可以配备实时按钮，并且可以使用“触角”（就像动物一样）来感测多个距离。

优点：成本极低，易于整合，可靠

缺点：单距离测量

压力传感器

像一按钮它提供的两种可能的读数（ON或OFF）之一，一个压力传感器产生一个和力量呈比例的输出。

优点：允许测量正在施加力量的大小

缺点：可能不精确，比简单的开关更难使用。

距离

超音波测距仪

超音波测距仪使用声学来测量发送信号与接收回波之间的时间。超音波测距仪可以测量某个范围间的距离，但是只能在空气中使用并受不同材料的反射率的影响。

优点：中程（几米）测量。

缺点：表面和环境因素可能影响读数。

红外线

红外线，我们看到的用于通信，也可以用于测量距离。某些红外线传感器只能测量一个特定的距离，而其他可以提供输出与对象的距离成比例。

优点：成本低，相当可靠，准确。

缺点：比超声波更窄的范围

雷射

雷射使用时机: 当测量到物体的距离时需要高精度或长距离时（或两者）。扫描雷射测距仪使用旋转雷射光来获得到距离物体的二维扫描

优点：非常精确，范围很长。

缺点：比常规红外线或超音波传感器昂贵。

编码器

光学编码器使用微型红外发射器/接收器组合，当红外光束被特别设计的旋转盘（安装到旋转轴）遮蔽时将发送出信号。光束被遮蔽的次数可以推算出车轮行进的总角度。知道车轮的半径，您可以计算出该车轮行驶的总距离。两个编码器可以提供在平面中的相对距离。

优点：假设没有滑动偏移，位移是绝对的。通常会安装在马达的后轴上

缺点：需要额外编写程序; 更精确的光学编码器每个价格可能高于$ 50块美金

线性电位器，电阻带

一个线性电位器能够测量目标待测物的绝对位置。电阻带根据被施力的位置而改变电阻。

优点：位置是绝对的。电阻带需要在给定位置施加压力。

缺点：范围很小

拉伸和弯曲传感器

一个拉伸传感器是由一种在被拉伸时其电阻值会根据变形量而改变的材料。弯曲传感器通常是材料的夹层，其中一个层的电阻将根据其弯曲程度而改变。这些可以被应用来确定小角度或旋转，例如手指弯曲的程度。

优点：当旋转轴在内部或无法接触时可以用

缺点：不是很准确，只能测量小角度

立体相机系统

就像人类的眼睛，两个镜头间隔放置可以提供景深的信息（立体视觉）。一般只有功能强大的机器人才会配置备摄像机。相机若搭配合适的软件，可以提供颜色和对象识别的功能。

优点：可以提供机器人和外围环境相对前后距离相关的信息和良好的反馈

缺点：针对传回的数据做程序开发和应用非常复杂

定位

室内定位（房间导航）

室内定位系统可以使用多个信标(Beacon)来三角定位房间内机器人的位置，当其他人尽使用一个摄影镜头和地目标时候。

优点：优异的定位功能

缺点：需要复杂的程控和使用标记

全球定位系统(GPS)

GPS使用来自多颗环绕地球飞行的卫星讯来定位。常规GPS装置可以提供至小到方圆5公尺的精度的定位能力，而更进接的系统像是使用其它GPS装置或IMUs来做数据处理和侦错的系统甚至可以精确到数公分。

优点：不需要标记或其他参考对象

缺点：只能在户外工作。

回转

电位器

一个旋转电位器本质上是一个分压器，当旋钮转旋转到不同角度时会提供一个相对的模拟电压。

优点：使用简单，价格低廉，相当准确，提供绝对读数。

缺点：大多数都限制在300度的旋转

陀螺仪

电子陀螺仪可以测量角加速度并回馈相对应的信号（模拟电压，序列通讯，I2C等）。将该回馈的讯号二次积分后可以获得角度的值。

优点：没有移动的“机械”零件

缺点：传感器不间断的承受角加速度, 不过同时微控制器却无法连续不动的接受输入讯号，因此可能会移失部分的回传数值，而导致所谓的“漂移”。

编码器

如上所述，光学编码器使用微型红外线发射器/接收器对在红外线光束被旋转盘（安装到旋转轴）遮蔽时将发出信号。光束被遮蔽的次数可以对应出车轮行进的总角度。机械编码器可以使用具有足够孔的精密转盘，来读取特定角度。因此，机械编码器可用于绝对和相对旋转。

优点：准确

缺点：对于光学编码器，角度与起始位置是相对的（不是绝对的）。

环境条件

光传感器

光传感器可以被用来测量光源的强度，无论是天然的或人造的。通常，其电阻与光强度成比例。

优点：通常非常便宜和非常有用

缺点：不能区分光源或光源类型。

声音传感器

声音传感器基本上是一个麦克风可以回传和环境噪音程比例的电压值。更复杂的电路板可以应用麦克风的提供数据来作语音识别。

优点：价格低廉，可靠

缺点：如过想要获得有用的信息需要透过复杂的程序开发

温度传感器

温度传感器可以用来测量特定对象或环境的温度。

优点：他们可以非常准确

缺点：更复杂和精确的传感器可能更难使用。

热相机

红外线或热显像允许您获得在相机前面的任何东西的完整的二维热图像。可以用来量测待测物的温度。

优点：外围不同对象取决于其温度特征

缺点：昂贵

湿度

湿度传感器检测的空气中的水的百分比，并且经常有温度传感器配对。

压力传感器

压力传感器（它也可以是一个气压传感器）可以被用于测量大气压力，并可以回馈高度值给无人飞行器。

气体传感器

专用的气体传感器可被用于侦测各种不同的气体和浓度。然而，一般只有特殊用途的机器人才会应用气体传感器。

优点：这些是唯一可用于准确检测气体的传感器

缺点：廉价的传感器可能会产生误报或有些不准确的读数，因此不应用于重要的应用。

磁力计

磁力传感器或磁力计可用于检测磁力和磁场。这可以用来辨识磁性体的位置。

优点：可检测铁磁金属。

缺点：有些时候传感器可能被强磁铁损坏。

高度（滚动，俯仰和航向）

罗盘

数字罗盘能够利用地球的磁场来侦测磁极的方向。倾斜补偿指南针可以用来确认机器人的平衡。

优点：提供绝对方向

缺点：精度越高，价格越高

陀螺仪

电子陀螺仪能够提供一个或多个轴的倾斜角。机械倾斜传感器通常通过使用玻璃胶囊或导电球中的水银来确定机器人是否已经倾斜超过某一值。

优点：电子倾斜传感器比机械式倾斜传感器具有更高的精度

缺点：可能很贵

加速度计

加速度计测量线性加速度。可以测量重力加速度或任何其他任何机器人可能承受的加速度。如果您的机器人无法利用周围环境作为参考，这可能是一个可以用来进似行驶位移的好方法。加速度计可以测量沿着一个，两个或三个轴向的加速度。三轴加速度计也可用于测量方向a

优点：它们不需要任何外部参考或标记起作用，并且可以提供相对于重力或相对定向的绝对定向。

缺点：他们只是近似的旅行距离，不能精确确定。

IMU

惯性测量装置是一个结合了多轴陀螺仪及多轴磁力计的多轴加速度计，可量测滚动

优点：它是一种非常可靠的方法来测量机器人的姿态，而不使用外部参考（除了地球的磁场）

缺点：可能非常昂贵，使用复杂。

其他

电流和电压传感器

电流和电压传感器做正如他们的名称所描述; 它们可以用来测量特定电路的电流和/或电压。这对于测量机器人将运行多长时间（测量电池的电压）或者判断马达是否超过工作负荷（测量电流）非常有用。

优点：他们做好它们该做的工作

缺点：可能干扰他们正在测量的电压或电流。有时，它们需要对被测电路进行修改。

磁性传感器

磁传感器或磁力计检测磁性物体，并且可以或是与待测物接触，或是接近待测物。这种传感器可以应用在自动割草机上用来感应草坪的界线。

优点：通常价格便宜

缺点：通常需要相对靠近对象，而且不幸的是不能检测到非磁性金属。

振动

振动传感器，通过使用压电或其它技术检测待测物的振动。

RFID

射频识别装置使用主动（供电）或被动的（无动力）的RFID标签它的尺寸一般如同信用卡，小圆盘或一个钥匙链（或其他形状）。当RFID标签进入RFID读取器的特定距离内时，会产生具有卷标ID的信号。

优点：RFID标签通常成本很低，可以单独识别

缺点：仅当标签在范围内时使用，不适用于测量距离。

作者：Coleman Benson