智能機(jī)器人技術(shù)導(dǎo)論P(yáng)PT完整全套教學(xué)課件

緒論1.1機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展1.2典型的機(jī)器人系統(tǒng)第1章：概論第2章：機(jī)器人系統(tǒng)基礎(chǔ)第3章：機(jī)器人感知系統(tǒng)第4章：機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)第5章：機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)第6章：機(jī)器人智能第7章：機(jī)器人仿真與軟件仿真第8章：機(jī)器人競(jìng)賽全套可編輯PPT課件1.1機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展機(jī)器人的產(chǎn)生機(jī)器人的定義機(jī)器人的發(fā)展機(jī)器人的應(yīng)用1.1.1機(jī)器人的產(chǎn)生發(fā)展應(yīng)用機(jī)器人的目的在于：

(1)提高生產(chǎn)效率降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度；

(2)機(jī)器人做人不愿意做或做不好的事；

(3)機(jī)器人做人做不了的事情1.1.2機(jī)器人的定義至今還沒(méi)有機(jī)器人的統(tǒng)一定義，不同協(xié)會(huì)對(duì)機(jī)器人的定義有所不同。<1>美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)(RIA)曾把機(jī)器人定義為一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過(guò)可編程程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手。

2>日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)(JIRA)把工業(yè)機(jī)器人定義為一種有記憶裝置和末端執(zhí)行器(endeffector)的裝備，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類(lèi)勞動(dòng)的通用機(jī)器1.1.2機(jī)器人的定義

<3>國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)把機(jī)器人定義為：機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專(zhuān)用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。如果不追求嚴(yán)格定義，可將機(jī)器人定義為一種具有擬人功能的、可編程的、自動(dòng)化的機(jī)械電子裝置。1.1.3機(jī)器人如何發(fā)展1921——Rossums“Robot”一詞實(shí)際來(lái)源于一部歌劇，1921年捷克的劇作家KarlCapek在Rossums萬(wàn)能機(jī)器人劇作中，創(chuàng)造了機(jī)器人這個(gè)名詞。1942年——機(jī)器人三大定律

美國(guó)科幻巨匠阿西莫夫在科幻小說(shuō)中提出的“機(jī)器人三定律”已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則：1>機(jī)器人不得傷害人，也不得見(jiàn)人受到傷害而袖手旁觀。

<2>機(jī)器人應(yīng)服從人的一切命令，但不得違反第一定律。

<3>機(jī)器人應(yīng)保護(hù)自身的安全，但不得違反第一、第二定律。1948年——《控制論》1948年，諾伯特·維納出版《控制論》，闡述了機(jī)器中的通信和控制技能與人的神經(jīng)，感覺(jué)機(jī)能的共同規(guī)律，率先提出以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化工廠。1954年——Unimate1954年，德沃爾和英格伯格聯(lián)手制造出了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate。隨后成立了世界第一家機(jī)器人公司Unimation。1966年——Shakey1966年，美國(guó)斯坦福研究所人工智能中心的研制第一個(gè)真正可移動(dòng)和感知的機(jī)器人——Shakey（沙基）機(jī)器人。Shakey被認(rèn)為是機(jī)器人革命的開(kāi)始，該項(xiàng)目結(jié)合了機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和自然語(yǔ)言處理的研究。1970年——Wabot-11970年，日本早稻田大學(xué)建造了第一個(gè)擬人機(jī)器人Wabot-1。它可以自行導(dǎo)航和自由移動(dòng)。1989年——Genghis1989年，麻省理工學(xué)院的研究人員制造的六足機(jī)器人Genghis（成吉思汗），它被認(rèn)為是現(xiàn)代歷史上最重要的機(jī)器人之一。1999年——AIBO1999年，AIBO（愛(ài)寶），是索尼創(chuàng)造的幾個(gè)機(jī)器人寵物之一。AIBO也有“學(xué)習(xí)并成熟”的能力。2000年——Kismet2000年，麻省理工學(xué)院發(fā)明了一種能夠識(shí)別和模擬情緒的機(jī)器人Kismet。2005年——BigDog2005年，波士頓動(dòng)力狗，或稱“BigDog（大狗）”，是波士頓動(dòng)力公司與福斯特米勒（FosterMiller）、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、哈佛大學(xué)合作創(chuàng)建的一款四足機(jī)器人。2015年——Brett2015年，加州大學(xué)伯克利分校的Brett機(jī)器人利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)算法，以試錯(cuò)方式主動(dòng)學(xué)習(xí)。例如，對(duì)于組裝玩具，機(jī)器人會(huì)不停嘗試，直至它清楚組裝的原理。2017年——Sophia2017年10月，由漢森機(jī)器人公司（HansonRobotics）制造的機(jī)器人索菲亞（Sophia）獲得沙特阿拉伯公民身份，成為第一個(gè)獲得國(guó)家公民身份的機(jī)器人。機(jī)器人的應(yīng)用按機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)1.生產(chǎn)勞動(dòng)型機(jī)器人汽車(chē)制造機(jī)器人建筑機(jī)器人現(xiàn)在生產(chǎn)勞動(dòng)型機(jī)器人主要應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)、機(jī)電制造業(yè)、建筑業(yè)、加工鑄造業(yè)以及其他重工業(yè)和輕工業(yè)部門(mén)。1.生產(chǎn)勞動(dòng)型機(jī)器人

在農(nóng)林畜牧業(yè)方面，機(jī)器人主要用于水果和蔬菜嫁接、收獲、檢驗(yàn)與分類(lèi)，羊毛牛奶生產(chǎn)等。采摘機(jī)器人嫁接機(jī)器人2.服務(wù)型機(jī)器人

服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，主要從事醫(yī)療、餐飲，監(jiān)護(hù)，清洗、保安、救援、等工作。2.服務(wù)型機(jī)器人掃地機(jī)器人送餐機(jī)器人2.服務(wù)型機(jī)器人腦外科機(jī)器人快遞分揀機(jī)器人3.科研探索型機(jī)器人水下探索機(jī)器人空間探索機(jī)器人

幫助人們?cè)趷毫踊虿贿m于人類(lèi)工作的環(huán)境中執(zhí)行科研探索任務(wù)。機(jī)器人系統(tǒng)基礎(chǔ)2.1機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)2.3機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制機(jī)器人系統(tǒng)基礎(chǔ)

2.1.1機(jī)械臂的分類(lèi)與作用

機(jī)械臂機(jī)械臂主要是仿照人類(lèi)手臂的運(yùn)動(dòng)原理來(lái)設(shè)計(jì)制造。按已有的固定程序?qū)崿F(xiàn)特定動(dòng)作的自動(dòng)化操作裝置。機(jī)械臂代替人類(lèi)完成危險(xiǎn)、重復(fù)、枯燥的任務(wù)機(jī)械臂分類(lèi)一、機(jī)械臂分類(lèi)——空間幾何運(yùn)動(dòng)形式1.直角坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)系下一點(diǎn)P坐標(biāo)表示空間直角坐標(biāo)系也稱笛卡爾坐標(biāo)系，直角坐標(biāo)系任意一點(diǎn)P的坐標(biāo)（x,y,z）進(jìn)行表示?？臻g任意位置可以沿著X,Y,Z軸來(lái)獲得。直角坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系型機(jī)械臂（PPP ）直角坐標(biāo)系機(jī)械臂模型直角坐標(biāo)系機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間直角坐標(biāo)系型機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)是X,Y,Z三軸平動(dòng)。PPP的作業(yè)空間是一個(gè)長(zhǎng)方體

直角坐標(biāo)系型機(jī)械臂優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)成本低，控制簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：機(jī)械臂的移動(dòng)只能是直線，或者說(shuō)是折線，運(yùn)動(dòng)不靈活。直角坐標(biāo)系機(jī)械臂2.圓柱坐標(biāo)系圓柱坐標(biāo)系任意一點(diǎn)P的坐標(biāo)用進(jìn)行表示。直角坐標(biāo)系與圓柱坐標(biāo)系的變換關(guān)系圓柱坐標(biāo)系圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂（RPP）

RPP工作空間是一個(gè)圓柱體。圓柱坐標(biāo)系機(jī)械臂模型圓柱坐標(biāo)系機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和兩個(gè)平動(dòng)構(gòu)成圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂優(yōu)點(diǎn)直觀性更好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械臂所占空間小且在空間中運(yùn)動(dòng)輻射范圍大。缺點(diǎn)靈活度有一定局限性。圓柱坐標(biāo)系機(jī)械臂3.球形坐標(biāo)系

球坐標(biāo)系任意一點(diǎn)P的坐標(biāo)用進(jìn)行表示。直角坐標(biāo)系與球坐標(biāo)系的變換關(guān)系球形坐標(biāo)系球坐標(biāo)型機(jī)械臂（RRP）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)平動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成。RRP工作空間是是一個(gè)球體。球型坐標(biāo)系機(jī)械臂模型球型坐標(biāo)系機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間球坐標(biāo)型機(jī)械臂（RRP）優(yōu)點(diǎn)：靈活性更高，可以相對(duì)自由的移動(dòng)到球體空間的任意位置，動(dòng)作范圍大。球型坐標(biāo)系機(jī)械臂二、機(jī)械臂分類(lèi)——驅(qū)動(dòng)方式電氣驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)常采用不同的伺服電機(jī)，雖然手臂整體構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，但仍能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，并且控制精度高，反應(yīng)速度也靈敏，智慧化程度很高。能耗一般較小，常用于輕載或中載場(chǎng)合。電氣驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)需要裝配電機(jī)和液壓泵外，還需要需要搭配不同的管道，手臂結(jié)構(gòu)比電機(jī)驅(qū)動(dòng)更為復(fù)雜。雖然液壓驅(qū)動(dòng)智慧化程度低，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作，動(dòng)作也比較遲緩，能耗高，但可以實(shí)現(xiàn)大功率，大轉(zhuǎn)矩輸出。常用于重載場(chǎng)合。液壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)則需要搭載電機(jī)和氣泵，也需要安裝管道，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。智慧化程度一般，一般實(shí)現(xiàn)抓取這類(lèi)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，動(dòng)作迅速，能耗一般，常用于輕載場(chǎng)合。氣壓驅(qū)動(dòng)三、機(jī)械臂的作用1、機(jī)械臂可以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故。鑄造業(yè)采礦業(yè)機(jī)械臂的作用2、可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化，智能化。自動(dòng)插秧機(jī)機(jī)械臂的作用3、實(shí)現(xiàn)完成人手不能做的工作芯片制造達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人2.1.2機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一、機(jī)械臂的組成二、機(jī)械臂設(shè)計(jì)

一、機(jī)械臂的組成機(jī)械臂手部、腕部、臂部和立柱底盤(pán)等部件組成。機(jī)械臂組成

1.——手部

手部是裝在機(jī)械臂手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。

手部的設(shè)計(jì)一般依據(jù)作業(yè)任務(wù)和操作對(duì)象的具體實(shí)際情況來(lái)選擇合適的種類(lèi)。

機(jī)械臂簡(jiǎn)圖——手部手部設(shè)計(jì)分類(lèi)2)手部分類(lèi)

手部——按用途分類(lèi)手爪的主要功能是抓住工件、握持工件和釋放工件。作業(yè)工具是進(jìn)行某種作業(yè)的專(zhuān)用工具。手爪操作工具——噴槍手部——按加持原理分類(lèi)手部——按夾持方式——機(jī)械鉗爪式外夾式鉗爪內(nèi)撐式鉗爪手部又可分為機(jī)械鉗爪式和吸附式兩大類(lèi)手部——按夾持方式——吸附式

磁力吸附式真空吸附式吸附式手部可分為磁力吸附式和真空吸附式兩種

2.機(jī)械臂組成——腕部

腕部是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方姿勢(shì)。腕部的設(shè)計(jì)一般依據(jù)作業(yè)任務(wù)的運(yùn)動(dòng)空間和軌跡來(lái)選取不同的類(lèi)型結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂簡(jiǎn)圖腕部設(shè)計(jì)分類(lèi)自由度是指機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)部件在三維空間坐標(biāo)軸上所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)。腕部設(shè)計(jì)1.一般單自由度手腕的運(yùn)動(dòng)形式為俯仰型（用字母P表示）或回轉(zhuǎn)型（我們用字母R表示）。單自由度手腕的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條線。2.二自由度手腕則是俯仰型和回轉(zhuǎn)型的組合?？梢越M合成雙俯仰型和俯仰回轉(zhuǎn)型，但是不能構(gòu)成雙回轉(zhuǎn)型。二自由度手腕的運(yùn)動(dòng)空間是一個(gè)面。3.三自由度手腕同樣是俯仰型和回轉(zhuǎn)型的組合。常用的結(jié)構(gòu)PPR,RRR,PRR,RPR。三自由度手腕的運(yùn)動(dòng)空間是一個(gè)立體空間。腕部3.機(jī)械臂組成——臂部臂部可由大臂、小臂或多臂所組成，其作用是支撐手部和腕部，并且可以通過(guò)伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰和升降等運(yùn)動(dòng)改變手部的空間位置。機(jī)械臂簡(jiǎn)圖臂部設(shè)計(jì)的基本要求

(1)手臂應(yīng)具有足夠的承載能力和剛度(2)手臂質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小。(3)手臂運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，定位精度要高。(4)手臂導(dǎo)向性要好。4.機(jī)械臂組成——立柱立柱是支撐手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械臂簡(jiǎn)圖5.機(jī)械臂組成——機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，起到固定支持和作用，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常安裝于機(jī)座上。機(jī)座的設(shè)計(jì)方式：移動(dòng)式，非移動(dòng)式。

機(jī)械臂簡(jiǎn)圖機(jī)座移動(dòng)式機(jī)械臂非移動(dòng)機(jī)械臂機(jī)械臂設(shè)計(jì)機(jī)械臂總體設(shè)計(jì)一般分為系統(tǒng)分析和技術(shù)設(shè)計(jì)兩大步驟，從整體出發(fā)研究系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分之間及外部環(huán)境與系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。(一)系統(tǒng)分析

(1)根據(jù)機(jī)械臂的使用場(chǎng)合，明確機(jī)械臂的目的和任務(wù)。(2)分析機(jī)械臂所在系統(tǒng)的工作環(huán)境，包括機(jī)械臂與已有設(shè)備的兼容性。(3)認(rèn)真分析系統(tǒng)的工作要求，確定機(jī)機(jī)械臂的基本功能和方案。(二)技術(shù)設(shè)計(jì)1)機(jī)械臂基本參數(shù)的確定

2)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)形式的選擇

3)擬訂檢測(cè)傳感系統(tǒng)框圖.4)確定控制系統(tǒng)總體方案，繪制框圖。5)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)2.2.1輪履式行走結(jié)構(gòu)2.2.2足式行走機(jī)構(gòu)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的分類(lèi)生活中的輪子萬(wàn)向輪全向輪Mecanum輪全向輪運(yùn)動(dòng)圖Mecanum輪運(yùn)動(dòng)圖輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)車(chē)輪的多少分為1輪、2輪、3輪、4輪和多輪機(jī)構(gòu)。1輪2輪3輪4輪多輪差動(dòng)輪式行走機(jī)構(gòu)差動(dòng)運(yùn)動(dòng)是將兩個(gè)有差異的，或是將不同的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)合成為一個(gè)運(yùn)動(dòng)。差動(dòng)輪系的結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)軸線平行的驅(qū)動(dòng)輪，以及一個(gè)或多個(gè)從動(dòng)輪構(gòu)成。通過(guò)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度，進(jìn)而控制機(jī)械底盤(pán)的移動(dòng)方向和速度。差動(dòng)輪式差動(dòng)輪式行走機(jī)構(gòu)兩輪輪系1.當(dāng)兩驅(qū)動(dòng)輪具有相同的速度時(shí)，就能使得機(jī)器人進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。2.當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度為零,另一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪速度不為零時(shí),機(jī)器人就會(huì)繞前一驅(qū)動(dòng)輪與地面的接觸點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。3.當(dāng)兩驅(qū)動(dòng)輪速度出現(xiàn)其他情況時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)將會(huì)是這兩種分運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)。兩輪輪系三輪輪系。三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)有以下三種情況：三輪輪系前輪由操舵結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)合并而成，方向控制和速度控制均由前輪進(jìn)行控制。圖(a)前輪為操舵輪，后兩輪由差動(dòng)齒輪裝置驅(qū)動(dòng)。方向控操舵輪進(jìn)行控制，差動(dòng)齒輪裝置進(jìn)行變速控制。圖(b)前輪為萬(wàn)向輪，僅起支撐作用，后兩輪分別由兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。圖(c)四輪輪系圖（d）前輪為操舵輪，后輪為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。前輪負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)向，后輪負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)。圖（d）由四個(gè)可操作動(dòng)力輪構(gòu)成的底盤(pán)模型圖（e）輪式行走機(jī)構(gòu)特點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度快能量消耗少機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)控制容易但其環(huán)境適應(yīng)性差，常用于平坦無(wú)阻的地面環(huán)境。履帶式行走機(jī)構(gòu)履帶式行走機(jī)構(gòu)的特征是將圓環(huán)狀的履帶卷繞在多個(gè)車(chē)輪上，使車(chē)輪不直接同地面接觸，而是利用履帶緩和地面的凹凸不平。

履帶式移動(dòng)機(jī)器人履帶行走機(jī)構(gòu)

常用履帶通常為方形或倒梯形履帶行走機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)式履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)履帶的常見(jiàn)類(lèi)型履帶常見(jiàn)類(lèi)型有同步履帶和活節(jié)履帶等。1.同步帶/齒形帶

同步帶傳動(dòng)是依靠帶與帶輪嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比同步帶帶輪同步帶特點(diǎn)同步帶作為履帶的優(yōu)點(diǎn)：效率高，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。同步帶作為履帶的缺點(diǎn)：同步帶應(yīng)用靈活性差。2.活節(jié)履帶活節(jié)履帶是將履帶分解為單獨(dú)的履塊，通過(guò)連桿對(duì)各個(gè)履塊進(jìn)行連接進(jìn)行傳動(dòng)。

活節(jié)履帶活節(jié)履帶特點(diǎn)活節(jié)履帶的優(yōu)點(diǎn)：活節(jié)履帶可以任意增減履塊，因此具有較好的靈活性；

活節(jié)履帶的缺點(diǎn)：（1）各履塊之間靠連桿連接，若連桿處受力不均則易發(fā)生損壞。（2）活節(jié)履帶運(yùn)行噪音較大履帶式行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)履帶式行走機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性好、越野能力和地面適應(yīng)能力強(qiáng)。但其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大；不僅能耗大，而且運(yùn)動(dòng)速度慢，噪聲大。2.2.2足式行走機(jī)構(gòu)自然界的足式生物足式機(jī)器人越障足式行走機(jī)構(gòu)對(duì)環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)性,可以在復(fù)雜的自然環(huán)境中快速移動(dòng)，翻越障礙物。足式機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)2.2.2足式移動(dòng)結(jié)構(gòu)各種足式機(jī)器人1.兩足結(jié)構(gòu)類(lèi)人雙足模型兩足步行機(jī)器人具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，其運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)也最接近人類(lèi)，故也稱之為“類(lèi)人雙足行走機(jī)器人”。類(lèi)人雙足運(yùn)動(dòng)模型2.四足結(jié)構(gòu)波士頓動(dòng)力BigDog3.六足結(jié)構(gòu)六足機(jī)器人又叫蜘蛛機(jī)器人，它是一種仿生機(jī)器人，同時(shí)也是多足機(jī)器人的一種。步態(tài)是指機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式，主要指六足機(jī)器人相繼邁步的順序。通過(guò)調(diào)整邁步的順序和頻率來(lái)調(diào)整身體的位姿。六足機(jī)器人常見(jiàn)的周期步態(tài)：二步態(tài)、三步態(tài)和六步態(tài)。六足機(jī)器人二步態(tài)二步態(tài)將機(jī)器人的六條足分為兩組，每組有三條足且均為擺動(dòng)相或支撐相。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一組為擺動(dòng)相，則另一組為支撐相，兩組在擺動(dòng)相和支撐相間循環(huán)切換。擺腿的順序?yàn)?53—426—153。二步態(tài)運(yùn)動(dòng)三步態(tài)三步態(tài)將六條腿分為兩組，處于對(duì)角的兩條腿為一組。在擺動(dòng)的過(guò)程中，同一時(shí)間只會(huì)有一組腿處于擺動(dòng)相，其他腿都處于支撐相，從而構(gòu)成了四邊形支撐，擴(kuò)大了支撐區(qū)域。三步態(tài)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：穩(wěn)定性和靈活性好，能夠適應(yīng)在復(fù)雜環(huán)境中快速行進(jìn)。擺腿的順序?yàn)?5-26-34-15。三步態(tài)運(yùn)動(dòng)六步態(tài)六步態(tài)也叫做自由步態(tài)。六步態(tài)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：穩(wěn)定系數(shù)最高，常用于在崎嶇的山地行走。擺腿的順4-2-6-1-5-3-4-2-6。六步態(tài)運(yùn)動(dòng)輪式、履帶式、足式行走機(jī)構(gòu)的比較1、輪式機(jī)器人更適合平坦的路面，并且能高速移動(dòng)。但容易打滑，不平穩(wěn)，對(duì)復(fù)雜地形無(wú)能為力。2、履帶式機(jī)器人能更好的適應(yīng)松軟的地形。履帶與地面接觸面積大，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。缺點(diǎn)是無(wú)法應(yīng)對(duì)對(duì)高地落差較大的地形。3、足式機(jī)器人幾乎可以適應(yīng)各種復(fù)雜地形，能夠跨越障礙，缺點(diǎn)是行進(jìn)速度較低，運(yùn)動(dòng)控制更加復(fù)雜?；旌鲜揭苿?dòng)機(jī)器人波士頓動(dòng)力Handle在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)混合式行走機(jī)器人機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制2.3.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)2.3.2驅(qū)動(dòng)控制2.3.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)一、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特點(diǎn)及要求1）可控性高(2)精度高(3)可靠性高(4）響應(yīng)迅速（5)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)二、驅(qū)動(dòng)電機(jī)伺服電機(jī)伺服電機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，其功能是把所接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的角位移或角速度的變化。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向取決于控制電壓的大小和相位，并且轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而下降。伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與普通直流電機(jī)并無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。也是由裝有磁極的定子、可以轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞（轉(zhuǎn)子）和換向器組成。電機(jī)結(jié)構(gòu)圖直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)(1)具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩；(2)調(diào)速范圍寬，且運(yùn)行速度平穩(wěn)；(3)具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化；(4)電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過(guò)載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響。直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可以分為調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通的勵(lì)磁控制方法和調(diào)節(jié)電樞電壓的電樞控制方法兩類(lèi)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是一種兩相異步電動(dòng)機(jī)。定子上裝有兩個(gè)在空間相差90度的繞組即勵(lì)磁繞組和控制繞組。交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)交流伺服電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)電刷和換向器；缺點(diǎn)是易產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象、特性非線性且較軟、效率較低。直流電動(dòng)機(jī)電機(jī)都是由定子和轉(zhuǎn)子組成,在直流電機(jī)中，為了讓轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，需要不斷改變電流方向。否則轉(zhuǎn)子每次只能轉(zhuǎn)半圈，所以直流電機(jī)需要換向器。廣義的直流電機(jī)包括有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)。有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理有刷電機(jī)的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉(zhuǎn)子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過(guò)電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。有刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖有刷直流電機(jī)特點(diǎn)由于電刷和換向器的存在，有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，可靠性較差，易出現(xiàn)故障，運(yùn)行維護(hù)工作量大，使用壽命短，同時(shí)也容易產(chǎn)生電磁干擾。無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)是指無(wú)電刷和換向器的直流電機(jī)。電機(jī)中電刷與換向器被晶體管換向電路所代替。無(wú)刷直流電機(jī)原理示意圖無(wú)刷直流電機(jī)特點(diǎn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在重量和體積上要比有刷直流電機(jī)小得多，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以減少40%-50％左右。調(diào)速范圍廣、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行維護(hù)方便，不存在因電刷而引起的一系列問(wèn)題。無(wú)刷直流電機(jī)在汽車(chē)、工業(yè)工控、機(jī)械自動(dòng)化儀器以及航空航天等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。全自動(dòng)消毒機(jī)器人工業(yè)工控步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。步進(jìn)電機(jī)調(diào)速電機(jī)總的轉(zhuǎn)角與輸人脈沖數(shù)成正比，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸人脈沖頻率。控制脈沖個(gè)數(shù)就可控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)械臂、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等。機(jī)械手2.3.2驅(qū)動(dòng)控制一、驅(qū)動(dòng)控制任務(wù)二、底層控制任務(wù)三、驅(qū)動(dòng)控制策略一、驅(qū)動(dòng)控制任務(wù)1.姿態(tài)穩(wěn)定控制姿態(tài)穩(wěn)定控制是移動(dòng)機(jī)器人姿態(tài)控制的主要目標(biāo)。姿態(tài)穩(wěn)定控制借助內(nèi)部傳感器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)重心，保障機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平衡。2.路徑跟蹤控制路徑跟蹤控制是控制機(jī)器人以恒定的前向速度跟蹤給定的幾何路徑，并不存在時(shí)間約束條件。路徑跟蹤忽略了對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的要求而偏重對(duì)跟蹤精度的要求。3.軌跡跟蹤控制相對(duì)于路徑跟蹤控制,軌跡跟蹤控制要求在跟蹤給定幾何路徑中加入了時(shí)間約束。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)需要及時(shí)躲避障礙物。對(duì)此要求機(jī)器人可以事先規(guī)劃出一條運(yùn)動(dòng)軌跡,從當(dāng)前位置出發(fā),讓機(jī)器人跟蹤這條軌跡以躲避障礙物二、底層控制任務(wù)無(wú)論移動(dòng)機(jī)器人采用何種移動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行何種控制任務(wù)，其底層控制通?？梢苑譃樗俣瓤刂啤⑽恢每刂埔约昂较蚪强刂频葞追N基本模式。而運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)最終都將轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)的控制問(wèn)題。1.機(jī)器人速度控制機(jī)器人的速度可以轉(zhuǎn)化為帶負(fù)載的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制2.機(jī)器人位置控制

期望位置和感知位置之間的位置偏差通過(guò)位置控制器和一個(gè)位置前饋環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化成速度給定信號(hào)，借助速度內(nèi)環(huán)將位置控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的位置控制。3.機(jī)器人航向角控制航向控制是路徑跟蹤的基礎(chǔ)。移動(dòng)機(jī)器人的位置偏差和航向偏差最終都將轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速偏差的控制。這就需要根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)來(lái)規(guī)劃航向控制，航向控制借助于兩輪之間的位移差來(lái)實(shí)現(xiàn)。三、機(jī)器人的控制策略1.PID控制PID控制器：P為比例控制、I為積分控制、D為微分控制。通過(guò)整定PID算法中的kp、ki和kd參數(shù)來(lái)確定控制算法。常規(guī)PID控制原理框圖不同比例系數(shù)下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線積分系數(shù)Ki：主要作用于系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段時(shí)會(huì)消除系統(tǒng)誤差。提高控制的調(diào)節(jié)精度。微分系數(shù)Kd：主要作用于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，抑制偏差的變化。PID控制特點(diǎn)PID控制算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn),并具較強(qiáng)的魯棒性。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí),應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。PID控制算法參數(shù)的整定就是選擇PID算法中的kp、ki、kd參數(shù)，使相應(yīng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出的動(dòng)態(tài)響應(yīng)滿足某種性能要求。PID參數(shù)整定的方法理論設(shè)計(jì)法：適用于可以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象。實(shí)驗(yàn)確定法：通過(guò)仿真和實(shí)際運(yùn)行，觀察系統(tǒng)對(duì)典型輸人作用的響應(yīng)曲線，根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)，以確定合適的PID參數(shù)。2.4驅(qū)動(dòng)電源一、電纜供電型二、電池供電型一、電纜供電型水下機(jī)器人管道機(jī)器人二、電池供電型機(jī)器人電池要求要求電池體積小、重量輕且能量密度大。易維護(hù)，抗機(jī)械震動(dòng)、安全可靠。電池定義:電池是指能將化學(xué)能、內(nèi)能、光能、原子能等形式的能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。最早的電池——伏打電池意大利物理學(xué)家——伏打伏打電池原理圖伏打電池實(shí)物圖電池分類(lèi)在化學(xué)電池中，根據(jù)能否用充電方式恢復(fù)電池存儲(chǔ)電能的特性，可以分為一次電池(也稱原電池)和二次電池(又名蓄電池或可充電電池，可以多次重復(fù)使用)兩大類(lèi)。

1.干電池1、干電池屬于化學(xué)電源中的原電池，或者稱為一次電池。2、適用范圍:不僅適用于手電筒、遙控器、玩具等，而且在國(guó)防、科研醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有應(yīng)用。3、干電池屬于一次性使用，成本相對(duì)較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大電流連續(xù)工作。2.鉛酸蓄電池(1)組成:1、陽(yáng)極板(過(guò)氧化鉛.Pb02)-->活性物質(zhì)2、陰極板(海綿狀鉛.Pb)---活性物質(zhì)3、電解液(稀硫酸)---硫酸.H2SO4+水.H2O4、隔離板、電池外殼等附件鉛酸蓄電池的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格較低，可靠性高，沒(méi)有憶效應(yīng)并能大電流放電。缺點(diǎn)：質(zhì)量大，使用壽命較低且維護(hù)困難。免維護(hù)蓄電池的性能特點(diǎn)1、自放電量小2、失水量小3、啟動(dòng)性能好4、使用壽命和儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)5、使用方便3.鎳鎘電池(1)組成:1、陽(yáng)極板：氫氧化鎳2、陰極板：金屬鎘3、電解液：氫氧化鉀溶液4、隔離板、電池外殼等附件鎳鎘電池特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：它具有良好的大電流放電特性、耐過(guò)充放電能力強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)：在充放電過(guò)程中如果處理不當(dāng),會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的“記憶效應(yīng)”,使得電池容量和使用壽命大大縮短。4.鋰電池組成:1、陽(yáng)極板：鋰化物2、陰極板：石墨3、電解液：有機(jī)溶劑（非水電解液）4、隔離板、電池外殼等附件鋰電池特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電池能量密度高，質(zhì)量輕、自放電率低，充電時(shí)間短。缺點(diǎn)：電池價(jià)格較高，安全差，需要配備充電保護(hù)電路。5.太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，且不需要透過(guò)電解質(zhì)來(lái)傳遞導(dǎo)電離子，而是通過(guò)半導(dǎo)體產(chǎn)生的PN結(jié)來(lái)獲得電位。太陽(yáng)能電池原理當(dāng)半導(dǎo)體受到太陽(yáng)光的照射時(shí)，大量的自由電子伴隨而生，而此電子的移動(dòng)又產(chǎn)生了電流，也就是在PN結(jié)處產(chǎn)生電位差。我國(guó)首輛火星車(chē)太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能環(huán)保缺點(diǎn)：價(jià)格較高、尺寸較大，重量較重、使用環(huán)境受限制、必須搭配蓄電池使用。機(jī)器人感知系統(tǒng)3.1感知系統(tǒng)構(gòu)成1阿西莫夫機(jī)器人人體五官2感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)將機(jī)器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和外部環(huán)境信息，轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自身或者機(jī)器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)或信息。3感知系統(tǒng)的構(gòu)建機(jī)器人感知系統(tǒng)的構(gòu)建包括：系統(tǒng)需求分析、環(huán)境建模、傳感器的選擇。4傳感器采集的信息可分為以下5類(lèi)。51.視覺(jué)視覺(jué)是獲取信息最直觀的方式，是機(jī)器人感知系統(tǒng)最重要的組成部分之一。視覺(jué)信號(hào)處理一般包括三個(gè)過(guò)程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。視覺(jué)傳感器2.觸覺(jué)一般地，把檢測(cè)感知或外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸、壓力、滑覺(jué)的傳感器，稱為機(jī)器人觸覺(jué)傳感器。接近覺(jué)傳感器可視為廣義的觸覺(jué)傳感器。機(jī)器人在移動(dòng)或操作過(guò)程中獲得自身與目標(biāo)（障礙）物的接近程度。3.聽(tīng)覺(jué)機(jī)器人擁有聽(tīng)覺(jué)，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。人機(jī)交互的決定性技術(shù)是語(yǔ)音技術(shù)，它包括兩個(gè)方面：語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音合成技術(shù)。機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)4.嗅覺(jué)機(jī)器人嗅覺(jué)系統(tǒng)通常由交叉敏感的化學(xué)傳感器陣列和模式識(shí)別算法組成，可用于檢測(cè)、分析和鑒別各種氣味。吹氣式酒精檢測(cè)儀5.味覺(jué)傳感器機(jī)器人的味覺(jué)是由數(shù)個(gè)具有交叉靈敏度的味覺(jué)傳感器組合成傳感器陣列,并結(jié)合模式識(shí)別技術(shù)構(gòu)成味覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)。可用來(lái)檢測(cè)和分析各種液體成分。糖度檢測(cè)儀內(nèi)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)自身情況，外傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)外部環(huán)境。1)內(nèi)部傳感器內(nèi)部傳感器通常用來(lái)確定機(jī)器人在其自身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置。常用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的速度、傾斜程度、溫度等。2)外傳感器外傳感器用于機(jī)器人的定位或檢測(cè)作業(yè)環(huán)境。外傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)距離、接近程度及接觸程度之類(lèi)的變量，便于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)處理和環(huán)境中物體的識(shí)別。按照機(jī)器人作業(yè)的內(nèi)容，外傳感器通常安裝在機(jī)器人的頭部、肩部、腕部、臀部、腿部、足部等。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)是通過(guò)對(duì)這些傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用，把多個(gè)傳感器在時(shí)間和空間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合，以獲取被觀測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部屬在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能：1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)顯著地?cái)U(kuò)展了移動(dòng)機(jī)器人的感知空間，提高了移動(dòng)機(jī)器人的感知能力。2、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合可以有效地改善和提高系統(tǒng)的整體性能。機(jī)器人感知系統(tǒng)3.2距離感知距離感知送餐機(jī)器人機(jī)器人測(cè)距目的實(shí)時(shí)地檢測(cè)自身所處空間的位置，用以進(jìn)行自定位；實(shí)時(shí)地檢測(cè)障礙物距離和方向，為行動(dòng)決策提供依據(jù)；檢測(cè)目標(biāo)姿態(tài)或進(jìn)行簡(jiǎn)單形體的識(shí)別，用于導(dǎo)航及目標(biāo)跟蹤。1.聲吶測(cè)距聲吶測(cè)距的媒介：超聲波聲吶測(cè)距的傳感器：超聲波傳感器聲吶測(cè)距的方法：脈沖回波法（渡越時(shí)間法）聲吶傳感器聲吶測(cè)距的原理聲吶測(cè)距的原理：通過(guò)測(cè)量超聲波經(jīng)反射到達(dá)接收傳感器的時(shí)間和發(fā)射時(shí)間之差來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與障礙物之間的測(cè)距。脈沖回波法公式發(fā)射傳感器向空氣中發(fā)射超聲波脈沖，聲波脈沖遇到被測(cè)物體反射回來(lái)，由接收傳感器檢測(cè)回波信號(hào)。若測(cè)出第一個(gè)回波達(dá)到的時(shí)間與發(fā)射脈沖間的時(shí)間差，即可算得傳感器與反射點(diǎn)間的距離s。距離測(cè)算公式為。其中c為材料中的聲速。t為聲波的往返傳播時(shí)間。聲吶測(cè)距的特點(diǎn)測(cè)距聲吶信息處理簡(jiǎn)單、速度快和價(jià)格低,被廣泛用作移動(dòng)機(jī)器人的距離測(cè)量。采用聲吶測(cè)距可以實(shí)現(xiàn)避障、定位、環(huán)境建模和導(dǎo)航等功能。2.紅外測(cè)距

紅外測(cè)距的媒介：紅外光紅外測(cè)距的傳感器：紅外線傳感器紅外測(cè)距的方法：反射光強(qiáng)法紅外線傳感器紅外測(cè)距原理

紅外傳感器由一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)二極管和一個(gè)接收器反射光的固態(tài)光敏三極管。當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)一定程度時(shí)光敏三極管就會(huì)導(dǎo)通，反之截止。紅外測(cè)距原理（反射光強(qiáng)法）：根據(jù)反射光的強(qiáng)弱判斷物體的距離，距離近則反射光強(qiáng)，距離遠(yuǎn)則反射光弱。紅外測(cè)距原理紅外測(cè)距的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：便宜，易制，安全，缺點(diǎn)：精度低，測(cè)量范圍小，方向性差。紅外測(cè)距儀3.激光掃描測(cè)距基本原理：激光測(cè)距儀向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算出從觀測(cè)者到目標(biāo)的距離。激光掃描測(cè)距的兩種方法：三角法、相位法激光測(cè)距傳感器三角掃描法三角掃描法的原理圖如下圖所示其中光源與基線之間的角度β和光源與檢測(cè)器之間的基線距離B已知,可根據(jù)幾何關(guān)系求得測(cè)量距離D。三角法相位掃描法相位掃描法原理如圖（a）所示,波長(zhǎng)為λ的激光束被一分為二。一束為參考光束經(jīng)過(guò)距離L到達(dá)相位測(cè)量裝置,另一束經(jīng)過(guò)距離d到達(dá)反射表面。反射光束經(jīng)過(guò)的總距離為:如圖(b)圖所示,若d=0,此時(shí),d‘=L,參考光束和反射光束同時(shí)到達(dá)相位測(cè)量裝置。若d增大,反射光束與參考光束間將產(chǎn)生相位移。（1）（2）若θ=2kπ,k=0,2,...兩個(gè)波形將再次對(duì)準(zhǔn)。因此只根據(jù)測(cè)得的相位移,無(wú)法區(qū)別反射光束與發(fā)射參考光束。因此只有要求,才有唯一解。把d'=L+2d代人式(3),可得:激光掃描測(cè)距傳感器安裝在可移動(dòng)的物體上,每隔一定時(shí)間,掃描器在前方掃描一定的角度,并且每隔一定的角度采集得到障礙物的距離。這樣便可以得到機(jī)器人周?chē)奈锢砗涂臻g環(huán)境。（3）

激光掃描測(cè)距的特點(diǎn)激光掃描測(cè)距精度高，方向性好，且操作簡(jiǎn)單，測(cè)距速度快。但如果發(fā)射器表面有水或者有灰塵，光線會(huì)發(fā)生其他反射，產(chǎn)生假信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)。激光掃描測(cè)距儀3.3位姿感知3.3.1旋轉(zhuǎn)位移測(cè)量3.3.2姿態(tài)航向測(cè)量3.3.1旋轉(zhuǎn)位移測(cè)量

電位器電位器主要是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。電位器結(jié)構(gòu)：電位器式位移傳感器由一個(gè)線繞電阻(圖2示電阻體)和者一個(gè)滑動(dòng)觸點(diǎn)（滑動(dòng)片）組成電位器原理：其中滑動(dòng)觸點(diǎn)通過(guò)機(jī)械裝置由被檢測(cè)量控制。當(dāng)被檢測(cè)的位置量發(fā)生變化時(shí)，滑動(dòng)觸點(diǎn)跟著發(fā)生位移，從而改變了滑動(dòng)觸點(diǎn)與電位器各端之間的電阻值和輸出電壓值。再根據(jù)輸出電壓值的變化，可以檢測(cè)出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量。圖2電位器原理圖圖1電位器實(shí)物圖直線型電位器電位器式位移傳感器由一個(gè)線繞電阻(或薄膜電阻)和者一個(gè)滑動(dòng)觸點(diǎn)組成。其中滑動(dòng)觸點(diǎn)通過(guò)機(jī)械裝置受被檢測(cè)量的控制。當(dāng)被檢測(cè)的位置量發(fā)生變化時(shí),滑動(dòng)觸點(diǎn)也發(fā)生位移,從而改變了滑動(dòng)觸點(diǎn)與電位器各端之間的電阻S值和輸出電壓值,根據(jù)這種輸出電壓值的變化,可以檢測(cè)出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和位移量

直線型電位器主要用于檢測(cè)直線位移，其電阻器采用直線型螺線管或直線型碳膜電阻，滑動(dòng)觸點(diǎn)沿著電阻的軸線方向做直線運(yùn)動(dòng)。直線型電位器的工作范圍和分辨率受電阻器長(zhǎng)度的限制。線繞電阻和電阻絲本身的不均勻性會(huì)造成直線電位器的輸入和輸出關(guān)系呈非線性。直線型電位器實(shí)物圖直線型電位器原理圖旋轉(zhuǎn)型電位器電阻元件呈圓弧狀,滑動(dòng)觸點(diǎn)在電阻元件上做圓周運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)型電位器有單圈電位器和多圈電位器兩種。旋轉(zhuǎn)型電位器原理圖旋轉(zhuǎn)型電位器實(shí)物圖電位器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號(hào)大、性能穩(wěn)定；缺點(diǎn)：要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。光電編碼器光電編碼器是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器的特點(diǎn)：體積小，精度高，分辨度高，且無(wú)接觸無(wú)磨損。光電編碼器不僅可檢測(cè)角度位移，還可以在機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置幫助下檢測(cè)直線位移。光電編碼器實(shí)物圖光電編碼器光電編碼器是由光源、光碼盤(pán)和光敏元件組成。光電編碼器結(jié)構(gòu)圖光電編碼器圓形碼盤(pán)上沿徑向有若干個(gè)同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成。相鄰碼道的扇形區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)。在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道則有一光敏元件；當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)光照情況，決定轉(zhuǎn)換的電平信號(hào)，從而形成二進(jìn)制數(shù)。光電編碼器原理圖絕對(duì)型光電編碼器絕對(duì)型光電編碼器是由光源、光碼盤(pán)和光敏元件組成。絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，它能提供運(yùn)轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)的絕對(duì)位置信息。絕對(duì)型光電編碼器原理圖絕對(duì)型光電編碼器——碼盤(pán)絕對(duì)型光電編碼器特點(diǎn)絕對(duì)型光電編碼器特點(diǎn)：可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值，沒(méi)有累積誤差；分辨率是由二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)決定的，碼道越多，分辨率就越高。電源切除后位置信息不會(huì)丟失。相對(duì)型光電編碼器相對(duì)型光電編碼器是由單路或兩路光源、光碼盤(pán)和光敏元件組成。相對(duì)編碼器通過(guò)計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)來(lái)得到輸入軸所轉(zhuǎn)過(guò)的相對(duì)角度。相對(duì)型光電編碼器的特點(diǎn)相對(duì)型光電編碼器的特點(diǎn)相對(duì)型光電編碼器的碼盤(pán)加工相對(duì)容易,成本比較低。相對(duì)型編碼器沒(méi)有“記憶”功能,故掉電后需要再次完成校準(zhǔn)。分辨率高3.3位姿感知3.3.2航向姿態(tài)測(cè)量姿態(tài)航向測(cè)量的必要性移動(dòng)機(jī)器人在行進(jìn)的時(shí)候可能會(huì)遇到各種地形或者各種障礙。這時(shí)即使機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置采用閉環(huán)控制，也會(huì)由于輪子打滑等原因造成機(jī)器人偏離設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且這種偏移是旋轉(zhuǎn)編碼器無(wú)法測(cè)量到的。這時(shí)就必須依靠電子羅盤(pán)或者角速度陀螺儀來(lái)測(cè)量這些偏移，并作必要的修正，以保證機(jī)器人行走的方向不至偏離。航向姿態(tài)測(cè)量磁羅盤(pán)定義：磁羅盤(pán)是一種基于磁場(chǎng)理論的絕對(duì)方位感知傳感器。作用：借助于磁羅盤(pán)，機(jī)器人可以確定出自己相應(yīng)于地磁場(chǎng)方向的偏轉(zhuǎn)角度。機(jī)械式磁羅盤(pán)早期的磁羅盤(pán)將磁針懸浮于水面或者懸置于空中來(lái)獲取航向?，F(xiàn)在的機(jī)械式磁羅盤(pán)系統(tǒng)將環(huán)形磁鐵或者一對(duì)磁棒安裝于云母刻度盤(pán)上，并將其懸浮于裝有水與酒精或者甘油混合液的密閉容器中。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但易受外界干擾指南針磁通門(mén)羅盤(pán)磁通門(mén)羅盤(pán)：利用被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁鐵芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)。

磁通門(mén)羅盤(pán)的結(jié)構(gòu)：檢測(cè)頭、信號(hào)處理電路優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、可靠性好、體積小、啟動(dòng)快。磁通門(mén)羅盤(pán)霍爾效應(yīng)當(dāng)在空間中施加垂直于霍爾元件的磁場(chǎng)時(shí)，霍爾元件中的載流子在洛侖茲力的作用下會(huì)霍爾元件左右兩端積聚電荷，產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，該電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)。當(dāng)電荷聚集到一定程度后，會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓?；魻栃?yīng)原理圖霍爾效應(yīng)羅盤(pán)霍爾電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，并跟隨磁場(chǎng)強(qiáng)度做線性變化，基于這種原理設(shè)計(jì)出了能夠檢測(cè)載體方位角度的霍爾效應(yīng)羅盤(pán)?；魻栃?yīng)羅盤(pán)特點(diǎn)：測(cè)量精度高、線性度好，但易受溫度影響?；魻栃?yīng)羅盤(pán)磁阻式羅盤(pán)磁阻效應(yīng)是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場(chǎng)變化而變化的現(xiàn)象。磁阻式羅盤(pán)就是利用磁阻元件制作成的羅盤(pán)。特點(diǎn)：精度高、范圍廣且能耗低。電子羅盤(pán)電子羅盤(pán)是測(cè)量航向角比較經(jīng)濟(jì)的一種電子儀器。電子羅盤(pán)有以下幾種傳感器系統(tǒng):（1）雙軸磁傳感器系統(tǒng)；（2）三軸磁傳感器雙軸傾角傳感器系統(tǒng)；（3）三軸磁傳感器三軸傾角傳感器系統(tǒng)。電子羅盤(pán)引入陀螺儀的必要性但商用的電子羅盤(pán)傳感器精度通常為0.5度，如果機(jī)器人運(yùn)動(dòng)距離較長(zhǎng)，0.5度的航向偏差可能導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的線位移偏離值過(guò)大。為了解決這類(lèi)誤差，需要借助陀螺儀來(lái)提供極高精度的角速率信息，通過(guò)積分運(yùn)算可以在一定程度上彌補(bǔ)電子羅盤(pán)的誤差。陀螺陀螺：將繞一個(gè)支點(diǎn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體陀螺的回轉(zhuǎn)效應(yīng)：在一定的初始條件和一定的外力矩的作用下，陀螺會(huì)在不停自轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞著另一個(gè)固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)。陀螺自行車(chē)輪陀螺儀陀螺儀是一種用來(lái)感測(cè)與維持方向的裝置?？梢詸z測(cè)隨物體轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的角速度它可以用于移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài)檢測(cè)，以及轉(zhuǎn)軸不固定的轉(zhuǎn)動(dòng)物體的角速度檢測(cè)。陀螺式儀的種類(lèi)：角速度陀螺儀，速率陀螺儀、方位陀螺儀陀螺儀圖A角速度陀螺儀角速度陀螺儀由一個(gè)框架和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其傳感器的輸出的電壓信號(hào)與輸入角速度成比例關(guān)系。它可用于敏感轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度等信息檢測(cè)；角速度陀螺儀可以將的角速度值在時(shí)間上進(jìn)行積分后得到角度值。從而達(dá)到檢測(cè)重力方向或姿態(tài)角變化的目的。角速度陀螺儀的結(jié)構(gòu)3.4力覺(jué)感知事例一機(jī)械手運(yùn)送貨物事例二機(jī)械手?jǐn)Q螺絲機(jī)器人作業(yè)機(jī)器人作業(yè)的本質(zhì)實(shí)際上是一個(gè)借助不同類(lèi)型的傳感器與周?chē)h(huán)境交互的過(guò)程。機(jī)器人的作業(yè)過(guò)程的分類(lèi)1、非接觸式作業(yè)2、接觸式作業(yè)非接觸式作業(yè)噴涂作業(yè)識(shí)別作業(yè)接觸式作業(yè)拋光作業(yè)裝配作業(yè)搬運(yùn)作業(yè)應(yīng)變式力覺(jué)傳感器應(yīng)變式力傳感器的一端固定，另一端為自由的彈性敏感裝置，當(dāng)有力作用在其上時(shí)，敏感裝置受力發(fā)生蠕變。在不加力的狀態(tài)下，電橋上的四個(gè)電阻是同樣的電阻值R。假若應(yīng)變片被拉伸，應(yīng)變片的電阻增加△R。此時(shí)電橋平衡的條件被破壞，使輸出電壓或電流產(chǎn)生躍變，其躍變值直接反映受力大小。應(yīng)變片力覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)圖測(cè)量電路力覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：環(huán)式、圓筒式、四根梁式、垂直水平梁式。圖（a）環(huán)式（b）圓筒式力覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)圖（d）垂直水平梁式、（c）四根梁式力覺(jué)傳感器的分類(lèi)根據(jù)機(jī)器人力覺(jué)傳感器安裝的位置不同分為以下幾類(lèi)：腕力傳感器、手指力覺(jué)傳感器、關(guān)節(jié)力傳感器和握力傳感器等。腕力傳感器手指力覺(jué)傳感器3.5視覺(jué)感知3.5.1視覺(jué)圖像3.5.2視覺(jué)系統(tǒng)視覺(jué)圖像一、圖像獲取圖像獲取主要依靠不同功能的視覺(jué)傳感器來(lái)完成。不同的視覺(jué)傳感器二、圖像處理1.圖像預(yù)處理由于外界干擾和攝像機(jī)本身物理?xiàng)l件的影響，圖像難免會(huì)出現(xiàn)噪點(diǎn)、成像不均勻等問(wèn)題。為取得圖像中的特征信息，必須進(jìn)行有效的圖像預(yù)處理。圖像預(yù)處理的方法：圖像平滑、圖像灰度修正。圖像預(yù)處理圖像平滑圖像平滑可以消除圖像中的噪聲。根據(jù)噪點(diǎn)不同的特性，可以采用基于空間域的均值濾波和中值濾波來(lái)減少噪聲，或者采用基于頻率域的低通濾波濾除噪聲。圖像灰度修正灰度：把白色與黑色之間的區(qū)域按對(duì)數(shù)關(guān)系分為的若干個(gè)等級(jí)。若灰度級(jí)越多則圖像層次越清楚逼真?；叶鹊燃?jí)灰度圖：用灰度表示的圖像稱作灰度圖。圖像灰度修正：根據(jù)檢測(cè)的特定要求對(duì)原始圖像的灰度進(jìn)行某種調(diào)整，使得圖像在逼真度和可辨識(shí)度兩個(gè)方面得到改善。原圖灰度處理灰度圖2.圖像分割圖像分割：把圖像分成各具特征的區(qū)域并能從中提取出指定目標(biāo)的技術(shù)。3.特征提取特征提取：提取目標(biāo)的特征參數(shù)。一般是對(duì)目標(biāo)的邊界、區(qū)域、紋理、頻率等方面進(jìn)行分析提取。特征提取的方法圖像特征提取的基本方法：圖像區(qū)域分割、邊緣檢測(cè)。方法一：圖像邊緣檢測(cè)，將目標(biāo)圖像的不連續(xù)部分提取出來(lái)，形成邊緣圖像，再采用閉合邊緣計(jì)算區(qū)域。圖像邊緣檢測(cè)方法二：圖像區(qū)域分割，把圖像中相同特征的區(qū)域提取出來(lái)，將該部分的輪廓定義為圖像邊界。圖像區(qū)域分割4.圖像識(shí)別圖像識(shí)別技術(shù)：利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析和理解，從而對(duì)各種不同模式下的目標(biāo)和圖像進(jìn)行識(shí)別。三、圖像理解圖像理解：理解需要從圖像中獲取那些信息，以及理解圖像中所含的信息。視覺(jué)圖像的應(yīng)用人臉識(shí)別系統(tǒng)衛(wèi)星遙感圖隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別和理解技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)的各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。3.5.2視覺(jué)系統(tǒng)視覺(jué)系統(tǒng)視覺(jué)系統(tǒng)：利用機(jī)械電子裝置代替人眼來(lái)作各種測(cè)量和判斷。涉及學(xué)科：光學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子信息、計(jì)算機(jī)科學(xué)等。涉及領(lǐng)域：圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、光機(jī)電一體化等。視覺(jué)系統(tǒng)的組成視覺(jué)系統(tǒng)組成部分：光源、鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理。視覺(jué)系統(tǒng)的組成1.光源光源類(lèi)別：設(shè)備光、環(huán)境光。設(shè)備光：人造光源，常用的設(shè)備光源有白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。環(huán)境光：除人造光源以外的自然光。設(shè)備光源2.鏡頭鏡頭：視覺(jué)系統(tǒng)圖像采集的重要組件，可以觀察被測(cè)物體的距離和范圍。鏡頭按焦距范圍分類(lèi)：微距鏡頭、廣角鏡頭、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、長(zhǎng)焦鏡頭、變焦鏡頭等。鏡頭選擇的依據(jù)：物距、拍攝范圍、光圈、焦距等。鏡頭3.相機(jī)相機(jī)：相機(jī)能通過(guò)感光元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，得到原始圖像。相機(jī)按照芯片類(lèi)型分類(lèi)：CCD（電荷耦合器件）攝影機(jī)CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）攝影機(jī)CCD攝像機(jī)CMOS攝像機(jī)4.圖像采集卡圖像采集：圖像采集部分和圖像處理部分的接口。圖像采集的功能：將圖像信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)中，并以數(shù)據(jù)文件的形式保存在硬盤(pán)上。圖像采集卡5.圖像處理圖像處理：分析處理圖像，獲得有用的信息。視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)：1、視覺(jué)感知是非接觸式感知，它對(duì)于觀測(cè)者和被測(cè)對(duì)象都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，從而提高了作業(yè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。2、視覺(jué)傳感器具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，可以擴(kuò)展了人眼的視覺(jué)范圍。3、機(jī)器視覺(jué)可以代替人類(lèi)長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和處理任務(wù)，提高工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。大熊貓看護(hù)視覺(jué)系統(tǒng)非接觸式：不影響大熊貓生活晝夜可看護(hù)：減輕工作量視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、交通、醫(yī)療、金融甚至體育、娛樂(lè)等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，涉及我們的生活和生產(chǎn)的方方面面。軍事領(lǐng)域無(wú)人機(jī)工業(yè)領(lǐng)域機(jī)器視覺(jué)分揀產(chǎn)品民用領(lǐng)域人臉識(shí)別天眼系統(tǒng)3.6聽(tīng)覺(jué)感知一、語(yǔ)音采集二、語(yǔ)音識(shí)別聽(tīng)覺(jué)感知技術(shù)人機(jī)交互聽(tīng)覺(jué)感知系統(tǒng)解決機(jī)器人如何理解聲音解決機(jī)器人如何聽(tīng)到聲音一、語(yǔ)音采集——拾音器拾音器：采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的聲音。拾音器的構(gòu)成：麥克風(fēng)、放大器。拾音器機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)麥克風(fēng)是一種聲電轉(zhuǎn)換器，其主要功能是將收集聲音信號(hào)經(jīng)聲電元件轉(zhuǎn)換后上產(chǎn)生相應(yīng)的模擬音頻電信號(hào)。麥克風(fēng)原理圖一、語(yǔ)音采集——采樣采樣：在時(shí)域上等間隔地抽取模擬語(yǔ)音信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字音頻的過(guò)程。離散信號(hào)連續(xù)信號(hào)采樣前采樣后語(yǔ)音的構(gòu)成和基本參數(shù)語(yǔ)音的構(gòu)成：語(yǔ)音中最小的基本單位是音素，音素又分為元音和輔音。音素是區(qū)別一個(gè)單詞和另一個(gè)單詞的基礎(chǔ)。由音素可以構(gòu)成不同的音節(jié)，而音節(jié)又構(gòu)成不同的詞和短語(yǔ)。語(yǔ)音的基本參數(shù)：聲強(qiáng)，響度，音高、基音周期等。猜一猜語(yǔ)音波形二、語(yǔ)音識(shí)別——預(yù)處理分幀加窗分幀加窗就是對(duì)整個(gè)音頻進(jìn)行幀處理。分幀：將音頻分割成多個(gè)片段。一幀信號(hào)的長(zhǎng)度通常設(shè)在20~50ms之間。加窗：使成幀后的信號(hào)變得連續(xù)，并且每一幀都會(huì)表現(xiàn)出周期函數(shù)的特性。

分幀端點(diǎn)檢測(cè)端點(diǎn)檢測(cè)：通過(guò)準(zhǔn)確地判斷輸入語(yǔ)音段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，以此減少數(shù)據(jù)量和運(yùn)算時(shí)間。從而得到真正的語(yǔ)音數(shù)據(jù)。端點(diǎn)檢測(cè)的作用：可以減少計(jì)算量和縮短語(yǔ)音的處理時(shí)間排除無(wú)聲段和噪聲干擾提高語(yǔ)音識(shí)別的正確率端點(diǎn)檢測(cè)二、語(yǔ)音識(shí)別——特征提取特征提?。夯谡Z(yǔ)音的構(gòu)成和基本參數(shù)提取出反映語(yǔ)音特征的聲學(xué)參數(shù)，除去相對(duì)無(wú)用的信息。語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)特征參數(shù)的選取要求特征參數(shù)的選取要求:1、能有效代表語(yǔ)音特征，具有良好的區(qū)分性;2、特征參數(shù)之間有良好的獨(dú)立性;3、特征參數(shù)易于計(jì)算。特征參數(shù)的分類(lèi)二、語(yǔ)音識(shí)別——模型訓(xùn)練、模式匹配模型訓(xùn)練：按照一定的準(zhǔn)則，從大量已知模式中獲取表征信息，提高模型精度。模式匹配：按照一定的相似性度量法則，使未知模式與模型庫(kù)中的某一個(gè)模型獲得最佳匹配。

語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)3.7嗅覺(jué)和味覺(jué)感知生物嗅覺(jué)覓食回避天敵尋偶危險(xiǎn)警告藥物鑒別掃雷機(jī)器人嗅覺(jué)系統(tǒng)1)氣體傳感器陣列氣體傳感器陣列具有廣譜響應(yīng)特性和較大的交叉靈敏度。工作時(shí)氣敏元件對(duì)接觸的氣體能產(chǎn)生響應(yīng)。2)信號(hào)預(yù)處理單元信號(hào)預(yù)處理單元可以對(duì)傳感器產(chǎn)生的響應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，補(bǔ)償氣味信號(hào)漂移，并完成氣體特征提取。3)模式識(shí)別單元模式識(shí)別單元將信號(hào)預(yù)處理單元發(fā)出的信號(hào)做進(jìn)一步的處理，完成對(duì)氣體信號(hào)定性和定量的識(shí)別。模式識(shí)別單元由數(shù)據(jù)處理分析器、智能解釋器和知識(shí)庫(kù)組成。 嗅覺(jué)系統(tǒng)氣體傳感器氣體傳感器按照檢測(cè)原理的不同，主要分為以下幾類(lèi)：（1）金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器；（2）催化燃燒式傳感器；（3）定電位電解式氣體傳感器；（4）隔膜迦伐尼電池式氧氣傳感器；（5）紅外式傳感器；（6）PID光離子化氣體傳感器PID光離子化氣體傳感器金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器嗅覺(jué)機(jī)器人機(jī)器人的嗅覺(jué)感知過(guò)程可分為：氣體源搜索氣體源定位氣體源識(shí)別氣體源搜索由于外界因素的影響，我們需要通過(guò)傳感器初步判斷氣味源，并通過(guò)算法對(duì)氣味源進(jìn)行識(shí)別。氣體源的定位一旦機(jī)器人發(fā)現(xiàn)可疑的氣候，機(jī)器人便會(huì)對(duì)氣體進(jìn)行定位。機(jī)器人會(huì)循著煙羽的方向，在某個(gè)區(qū)域內(nèi)做盤(pán)旋運(yùn)動(dòng)。這樣便可以初步斷定氣味源的位置空間。氣體源的識(shí)別當(dāng)完成氣體源的定位以后，就可以通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)和嗅覺(jué)系統(tǒng)相互協(xié)作，迅速的完成氣味源的識(shí)別。機(jī)器人嗅覺(jué)的應(yīng)用機(jī)器人嗅覺(jué)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)，違禁物品檢測(cè)，救災(zāi)搶險(xiǎn)和各類(lèi)設(shè)備維護(hù)都有重要的應(yīng)用。一氧化碳監(jiān)測(cè)味覺(jué)傳感器人的味覺(jué)反應(yīng)機(jī)理：當(dāng)口腔含有食物時(shí)，舌頭表面的味蕾受體與食物中某些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，引起電位差改變，刺激神經(jīng)組織而產(chǎn)生味覺(jué)。機(jī)器人味覺(jué)系統(tǒng)味覺(jué)系統(tǒng)主要由味覺(jué)傳感器陣列、信號(hào)預(yù)處理單元、模式識(shí)別單元三部分組成。味覺(jué)傳感器陣列對(duì)樣品作出響應(yīng)并輸出信號(hào)，信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理和模式識(shí)別后，得到反映樣品味覺(jué)特征的結(jié)果。味覺(jué)傳感器目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多種味覺(jué)傳感器，用于液體成分的分析和味覺(jué)的調(diào)理。味覺(jué)傳感器陣列通常使用了下列元件：（1）離子電極傳感器；（2）離子感應(yīng)型傳感器；（3）電導(dǎo)率傳感器；（4）pH傳感器；（5）生物傳感器。生物傳感器電導(dǎo)率傳感器味覺(jué)模式識(shí)別法味覺(jué)模式識(shí)別法有以下幾種：主元識(shí)別模糊識(shí)別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別混沌識(shí)別機(jī)器人味覺(jué)的應(yīng)用味覺(jué)感知的應(yīng)用：液體監(jiān)測(cè)、液體分析。味覺(jué)分析儀3.8多傳感器數(shù)據(jù)融合1、多傳感器數(shù)據(jù)融合——目的、原理數(shù)據(jù)融合的目的：利用多個(gè)傳感器共同聯(lián)合的操作優(yōu)勢(shì)，提高傳感器系統(tǒng)的有效性。數(shù)據(jù)融合的基本原理：充分利用多傳感器資源，將多個(gè)傳感器在空間和時(shí)間上的冗余、互補(bǔ)信息依據(jù)某種算法進(jìn)行融合，獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象一致性解釋或描述。再由輔助系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境判定、從而形成更高層次的綜合決策。2、數(shù)據(jù)融合的層次多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)和信息在不同層次上進(jìn)行融合。數(shù)據(jù)融合層次的劃分主要有兩種方法：1、將數(shù)據(jù)融合劃分為低層（數(shù)據(jù)級(jí)融合）、中層（特征級(jí)融合）和高層（決策級(jí)融合）。2、將數(shù)據(jù)融合劃分為信號(hào)級(jí)、證據(jù)級(jí)和動(dòng)態(tài)級(jí)。低層——數(shù)據(jù)級(jí)融合低層的數(shù)據(jù)融合是對(duì)傳感器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。低層數(shù)據(jù)融合的特點(diǎn)：融合過(guò)程會(huì)要盡可能多地保持原有信息，融合過(guò)程有較高的糾錯(cuò)能力；低層融合有較大的儲(chǔ)存空間和較強(qiáng)的通信能力。中層——特征級(jí)融合特征級(jí)融合是利用從各個(gè)傳感器原始數(shù)據(jù)中提取的特征信息，進(jìn)行綜合分析和處理的中間層次過(guò)程。特征級(jí)融合分類(lèi)：1、目標(biāo)狀態(tài)信息融合2、目標(biāo)特性融合。高層——決策級(jí)融合決策級(jí)融合是直接針對(duì)具體的決策目標(biāo)，利用特征級(jí)融合所得到的特征信息進(jìn)行決策融合，從而給出直觀的決策結(jié)果。決策級(jí)融合優(yōu)點(diǎn)：1、具有一定的容錯(cuò)性，當(dāng)一個(gè)或幾個(gè)傳感器失效時(shí)仍能根據(jù)已有信息給出最終的決策。2、實(shí)時(shí)性好3、數(shù)據(jù)融合過(guò)程數(shù)據(jù)融合過(guò)程主要包括多傳感器(信號(hào)獲取)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)融合中心(特征提取、數(shù)據(jù)融合計(jì)算)和結(jié)果輸出等環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)融合過(guò)程4、數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵技術(shù)主要是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)相關(guān)、態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)庫(kù)和融合計(jì)算等，其中融合計(jì)算是多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的核心技術(shù)。數(shù)據(jù)融合計(jì)算的作用：①對(duì)多傳感器的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證、分析、補(bǔ)充、取舍、修改和狀態(tài)跟蹤估計(jì)。②對(duì)新發(fā)現(xiàn)的不相關(guān)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和綜合。③生成綜合態(tài)勢(shì)，并實(shí)時(shí)地根據(jù)多傳感器觀測(cè)結(jié)果，對(duì)綜合態(tài)勢(shì)進(jìn)行修改。5、數(shù)據(jù)融合算法6、多傳感器數(shù)據(jù)融合的作用

多傳感器數(shù)據(jù)融合的主要作用：(1)提高信息的準(zhǔn)確性和全面性(2)降低信息的不確定性(3)提高系統(tǒng)的可靠性(4)增加系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性4.1導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)導(dǎo)航的三個(gè)問(wèn)題:(1)WhereamI?——定位(2)WhereamIgoing?——確定目的地。(3)HowdoIgetthere?——路徑規(guī)劃。.地圖導(dǎo)航導(dǎo)航系統(tǒng)學(xué)習(xí)1、地圖構(gòu)建：用一定的算法對(duì)所獲信息進(jìn)行處理并建立環(huán)境模型。2、自主定位：通過(guò)一定的檢測(cè)手段獲取移動(dòng)機(jī)器人在空間中的位置、方向以及所處環(huán)境的信息。3、路徑規(guī)劃：尋找一條最優(yōu)或近似最優(yōu)的無(wú)碰路徑，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無(wú)障礙且快速的到達(dá)目的地。4、其他相關(guān)技術(shù)：基于無(wú)線電傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人感知與定位技術(shù)。導(dǎo)航“導(dǎo)航”一詞最初應(yīng)用在航海領(lǐng)域，而機(jī)器人的導(dǎo)航是指移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)。航海機(jī)器人自主導(dǎo)航導(dǎo)航系統(tǒng)機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)則是將把感知、規(guī)劃、決策和行動(dòng)等模塊有機(jī)地結(jié)合起來(lái)構(gòu)成一個(gè)自主式智能系統(tǒng)?，F(xiàn)代的移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式現(xiàn)代的移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航方式很多，常用的有慣性導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航等。慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航：利用慣性測(cè)量元件測(cè)量出載體相對(duì)慣性空間的角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)參數(shù)。然后解出載體速度、位置及姿態(tài)和航向。從而推知機(jī)器人當(dāng)前的位置和下一步目的地，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航慣性導(dǎo)航的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：(1)能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲低.(2)數(shù)據(jù)更新率高、穩(wěn)定性好。(3)不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量，故隱蔽性好且不受外界電磁干擾的影響;(4)可全天侯全球、全時(shí)間地工作于空中地球表面乃至水下。導(dǎo)彈飛機(jī)潛艇慣性導(dǎo)航的特點(diǎn)缺點(diǎn)：(1)系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差將隨時(shí)間而累積，精度也隨時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。(2)不能單獨(dú)長(zhǎng)時(shí)間工作，須定期校準(zhǔn)。電磁導(dǎo)航電磁導(dǎo)航：機(jī)器人的行駛路徑上埋設(shè)金屬線，并在金屬線加載導(dǎo)引頻率，通過(guò)對(duì)導(dǎo)引頻率的識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)引。電磁導(dǎo)航電磁導(dǎo)航的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）引線隱蔽，不易污染和破損。（2）導(dǎo)航原理簡(jiǎn)單而可靠，便于控制和通訊。（3）對(duì)聲光無(wú)干擾，制造成本較低。缺點(diǎn)：路徑難以更改擴(kuò)展，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜路徑的電磁導(dǎo)航。視覺(jué)導(dǎo)航視覺(jué)導(dǎo)航：視覺(jué)導(dǎo)航是利用機(jī)器人上裝配的攝像機(jī)，對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行拍攝，形成局部圖像。然后，通過(guò)圖像處理技術(shù)進(jìn)行特征識(shí)別、距離估計(jì)等操作，進(jìn)而完成機(jī)器人定位和導(dǎo)航規(guī)劃任務(wù)。視覺(jué)導(dǎo)航視覺(jué)導(dǎo)航的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：適用范圍廣，主要應(yīng)用于無(wú)人機(jī)、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域；缺點(diǎn)：受光線條件限制較大，無(wú)法在黑暗環(huán)境中正常工作。圖像信息的處理量巨大，實(shí)時(shí)性較差。無(wú)人機(jī)衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航：可以為陸地、海洋、空中和空間的目標(biāo)提供導(dǎo)航定位服務(wù)，且不受氣象條件和航行距離的限制，導(dǎo)航精度比較高，所以被廣泛的運(yùn)用于現(xiàn)代生產(chǎn)生活之中。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航原理衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面臺(tái)站和用戶設(shè)備三個(gè)部分組成。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是以距離作為基本的觀測(cè)量，通過(guò)多個(gè)空間衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行偽距離測(cè)量，計(jì)算出用戶接收機(jī)的位置。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)4.2地圖構(gòu)建地圖構(gòu)建機(jī)器人的地圖：機(jī)器人所處的環(huán)境的模型，地圖構(gòu)建：利用一定的算法對(duì)所獲信息進(jìn)行處理并建立環(huán)境模型的過(guò)程稱為地圖構(gòu)建。地圖構(gòu)建的目的：用于絕對(duì)坐標(biāo)系下的位姿估計(jì)。激光雷達(dá)單目攝像頭RGB-D攝像頭地圖表示方法的分類(lèi)不同方法具有各自的特點(diǎn)和適用范圍，其中特征圖和網(wǎng)格圖應(yīng)用較為普遍。拓?fù)鋱D公交路線圖拓?fù)鋱D法拓?fù)鋱D法：拓補(bǔ)圖法將環(huán)境信息抽象為一張點(diǎn)線連接圖，由位置節(jié)點(diǎn)和連接線組成。其中事物位置用節(jié)點(diǎn)表示，通道用連接線表示。拓?fù)涞貓D拓?fù)鋱D的特點(diǎn)：拓?fù)鋱D法抽象度高，其忽略了環(huán)境中具體的幾何特征信息，而重在表示節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系。適用場(chǎng)景：適用環(huán)境空間大且環(huán)境情況簡(jiǎn)單的場(chǎng)景。特征圖法特征圖法：利用環(huán)境特征構(gòu)造地圖。在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，常見(jiàn)的特征有直線段、角、邊等。這些特征可用它們的顏色、長(zhǎng)度、寬度、位置等參數(shù)進(jìn)行表示。特征地圖特征圖法的特點(diǎn)：特征法定位準(zhǔn)確，模型易于由計(jì)算機(jī)描述和表示。參數(shù)化特征適用于路徑規(guī)劃和軌跡控制，特征法需要特征提取等預(yù)處理過(guò)程，對(duì)傳感器噪聲比較敏感，只適于高度結(jié)構(gòu)化環(huán)境。網(wǎng)絡(luò)圖法網(wǎng)格圖法：把機(jī)器人的工作空間劃分成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格中的每一單元格代表環(huán)境的一部分。用網(wǎng)格表示的環(huán)境地圖，環(huán)境空間的分辯率與網(wǎng)格尺寸的大小有關(guān)，增加分辨率將要增加運(yùn)算的時(shí)間和空間復(fù)雜度。網(wǎng)格法的特點(diǎn)：易于創(chuàng)建和維護(hù)，并且盡量的保留了環(huán)境中的各種信息?？梢苑奖愕剡M(jìn)行自定位和路徑規(guī)劃。當(dāng)網(wǎng)格單元較多時(shí)，網(wǎng)格法的計(jì)算量和所需的存儲(chǔ)空間迅速增長(zhǎng)，使機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位和處理變得很困難。直接表征法直接表征法：通過(guò)記錄來(lái)自不同位置及方向的傳感器信息，經(jīng)過(guò)處理后得到環(huán)境信息。并利用這些數(shù)據(jù)信息作為在該位置處的環(huán)境特征描述。直接表征法的特點(diǎn)：地圖更加直觀，環(huán)境信息也更加豐富。直接表征法數(shù)據(jù)存貯量大，傳感器信息也易受環(huán)境噪聲的干擾。特征數(shù)據(jù)的提取與匹配比較困難。4.3.1自主定位（1）定位定位是用來(lái)確定機(jī)器人在其作業(yè)環(huán)境中所處的空間位置。機(jī)器人可以利用先驗(yàn)的環(huán)境地圖信息、傳感器的觀測(cè)值以及當(dāng)前的位姿狀態(tài)等輸入信息，經(jīng)過(guò)一定的處理變換，獲得當(dāng)前所處的空間位置。 機(jī)器人定位定位分類(lèi)按照機(jī)器人定位時(shí)所使用的參照點(diǎn)不同，將定位劃分為相對(duì)定位和絕對(duì)定位。相對(duì)定位：機(jī)器人在是已知自身初始位置的條件下，通過(guò)測(cè)量機(jī)器人相對(duì)于初始位置的距離和方向來(lái)確定當(dāng)前位置。絕對(duì)定位：要求機(jī)器人在未知初始位置的情況下確定自己的位置。定位分類(lèi)按照在定位過(guò)程中使用到的定位儀器來(lái)源的不同，可分為基于機(jī)器人自身儀器的定位和基于機(jī)器人外部?jī)x器的定位。基于機(jī)載傳感器的定位：光電碼盤(pán)，陀螺儀，加速度計(jì)、激光雷達(dá)和視覺(jué)相機(jī)等?；谕獠啃艠?biāo)的定位：衛(wèi)星定位和環(huán)境信標(biāo)等?；诠怆姶a盤(pán)的里程計(jì)法基于光電碼盤(pán)的里程計(jì)法是在移動(dòng)機(jī)器人的車(chē)輪上安裝光電編碼器，然后利用光電編碼器在采樣周期內(nèi)脈沖的變化量，計(jì)算出車(chē)輪相對(duì)于地面移動(dòng)的距離和方向角的變化量。從而推算出移動(dòng)機(jī)器人位姿的相對(duì)原始位姿的變化。長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)會(huì)累積誤差。光電碼盤(pán)基于慣性傳感器的定位方法基于慣性傳感器的定位方法通常采用陀螺儀來(lái)測(cè)量機(jī)器人的角速度，用加速度計(jì)來(lái)測(cè)量機(jī)器人的加速度。通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行一次或二次積分，即可得到機(jī)器人偏移的角度和位移，進(jìn)而得出機(jī)器人當(dāng)前的位置和姿態(tài)。用慣性導(dǎo)航定位法進(jìn)行定位不需要外部環(huán)境信息，但是由于常量誤差經(jīng)積分運(yùn)算會(huì)造成誤差累積，因此，該方法也不適用于長(zhǎng)時(shí)間的精確定位。陀螺儀加速度計(jì)基于激光雷達(dá)掃描的定位方法采用激光雷達(dá)掃描的自主定位。在前面章節(jié)介紹激光測(cè)距時(shí)，我們提到了激光雷達(dá)可以采用三角法對(duì)環(huán)境進(jìn)行掃描，得到豐富的環(huán)境信息。我們將激光掃描儀所測(cè)得的環(huán)境信息與機(jī)器人中預(yù)存的地圖進(jìn)行匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自我定位。激光雷達(dá)掃描圖激光掃描匹配激光掃描匹配分為三類(lèi):（1）基于點(diǎn)的掃描匹配；（2）基于特征的掃描匹配；（3）基于數(shù)學(xué)特性的掃描匹配?；邳c(diǎn)的掃描匹配是直接對(duì)掃描獲取的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行操作。常用的算法：迭代最近點(diǎn)算法（ICP）基于特征的掃描匹配是利用數(shù)據(jù)中的部分關(guān)鍵元素信息進(jìn)行匹配，常用的數(shù)據(jù)特征信息有中的點(diǎn)、線、面等幾何元素信息或者它們的組合。多目相機(jī)RGB-D相機(jī)視覺(jué)里程計(jì)視覺(jué)里程計(jì)：可以獲得深度信息的相機(jī)。視覺(jué)里程計(jì)是一個(gè)通過(guò)分析和處理相關(guān)圖像序列來(lái)確定機(jī)器人的位置和姿態(tài)。視覺(jué)里程計(jì)可以運(yùn)用于非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境或非常規(guī)的任務(wù)或平臺(tái)。視覺(jué)里程計(jì)4.3.2自主定位（2）1.衛(wèi)星定位法2.環(huán)境信標(biāo)定位法1.衛(wèi)星定位GPS系統(tǒng)的組成部分GPS系統(tǒng)的組成部分空間部分GPS的空間部分是由24顆工作衛(wèi)星組成，均勻分布在6個(gè)軌道面上，每個(gè)軌道面有4顆衛(wèi)星，軌道傾角為55度。地面部分GPS地面控制部分是由一個(gè)主控站，五個(gè)全球監(jiān)測(cè)站和三個(gè)注入站共同組成。監(jiān)測(cè)站將所取得的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)初步處理后，傳送到主控站。主控站利用從各監(jiān)測(cè)站收集到的跟蹤數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù)，然后將結(jié)果送到三個(gè)注入站中。當(dāng)每顆衛(wèi)星經(jīng)過(guò)注入站上空時(shí)，注入站便把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)和主控站的指令注入到衛(wèi)星中。用戶部分當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，即可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就進(jìn)行定位解算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)度、緯度和高度等信息，并在顯示器上顯示。GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的基本原理GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道用戶接收機(jī)的具體位置。衛(wèi)星的位置：根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間，在衛(wèi)星的星歷中查出。用戶到衛(wèi)星的距離S：S=ctc:光速；t:衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶位置所需的時(shí)間。GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的基本原理當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地發(fā)射用0和1組成的導(dǎo)航電文。當(dāng)用戶接收到導(dǎo)航電文時(shí)，會(huì)提取出衛(wèi)星的時(shí)間，并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比，便可解算出衛(wèi)星與用戶間的距離。利用導(dǎo)航電文中所含的星歷數(shù)據(jù)，推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置。GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的計(jì)算公式未知數(shù)：X、Y、Z、δ接收機(jī)的三維坐標(biāo)：（X、Y、Z、）衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差：δ衛(wèi)星與用戶之間的距離：ρ光速：C2.環(huán)境信標(biāo)定位環(huán)境信標(biāo)：位置已知環(huán)境信標(biāo)定位法：機(jī)器人通過(guò)各種傳感器接收或觀測(cè)環(huán)境中信標(biāo)，利用已知信標(biāo)的位置推算出自身的位置的一種定位方法。環(huán)境信標(biāo)定位環(huán)境信標(biāo)定位的方法常用的方法有：三邊定位法和三角定位法。三邊定位法：依據(jù)機(jī)器人與信標(biāo)之間的距離，利用數(shù)學(xué)幾何知識(shí)來(lái)解算出移動(dòng)機(jī)器人位置。三角定位法：依據(jù)機(jī)器人與信標(biāo)之間的夾角，利用數(shù)學(xué)幾何知識(shí)來(lái)解算出移動(dòng)機(jī)器人位置。三邊定位法三角定位法三邊定位法A的坐標(biāo)為(X1，Y1)B的坐標(biāo)為(X2，Y2)C的坐標(biāo)為(X3，Y3)D的坐標(biāo)為(x，y)，且D為三圓的交點(diǎn)。方程組1三邊定位法式子一方程組2由此可以得出機(jī)器人的位置坐標(biāo)4.4路徑規(guī)劃路徑規(guī)劃路徑規(guī)劃的目的：使機(jī)器人從所處的環(huán)境中搜索到一條能量消耗低、行走路線短，并且能安全無(wú)碰撞地快速到達(dá)目的地的路徑。路徑規(guī)劃的類(lèi)型一、基于地圖的全局路徑規(guī)劃基于地圖的全局路徑規(guī)劃是根據(jù)先驗(yàn)環(huán)境模型，找出從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的符合一定性能的可行路徑或最優(yōu)路徑。全局路徑規(guī)劃的主要方法：可視圖法、柵格圖法、拓?fù)浞?、神?jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。1.全局路徑規(guī)劃——可視圖法可視圖可視圖法可視圖是將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)、終點(diǎn)以及運(yùn)動(dòng)空間中障礙物的頂點(diǎn)用直線組合相連形成的圖像?？梢晥D法的特點(diǎn)：可視圖法可以搜索出一條耗時(shí)最短并且無(wú)障礙通行的最優(yōu)路徑?？梢晥D靈活性較差，不適用于動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃。2.全局路徑規(guī)劃——柵格圖法柵格法是將機(jī)器人的工作環(huán)境用大小相等的方塊進(jìn)行分割，并用地圖矩陣表示環(huán)境。柵格圖法柵格圖法在描述環(huán)境信息時(shí)，用黑色柵格表示障礙物所在區(qū)域，在地圖矩陣中標(biāo)為1，而白色柵格表示可自由通行的無(wú)障礙區(qū)域，在地圖矩陣中標(biāo)為0。柵格圖地圖矩陣柵格圖法柵格大小表示的環(huán)境信息信息存儲(chǔ)量所受的干擾信號(hào)路徑規(guī)劃速度小柵格清晰大多慢且實(shí)時(shí)性低大柵格模糊小少快且實(shí)時(shí)性高二、基于傳感器的局部路徑規(guī)劃基于傳感器的局部路徑規(guī)劃主要依賴于傳感器獲得障礙物的尺寸、形狀和位置等信息。局部路徑規(guī)劃方法主要方法：人工勢(shì)場(chǎng)法、模糊邏輯法、遺傳算法等。1.局部路徑規(guī)劃——人工勢(shì)場(chǎng)法人工勢(shì)場(chǎng)法是一種基于虛擬力的方法。人工勢(shì)場(chǎng)法把智能機(jī)器人在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)，視為一種在抽象的人造受力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。目標(biāo)點(diǎn)對(duì)智能機(jī)器人產(chǎn)生“引力”，而障礙物對(duì)智能機(jī)器人產(chǎn)生“斥力”，最后通過(guò)求合力來(lái)控制智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。人工勢(shì)場(chǎng)法人工勢(shì)場(chǎng)法的特點(diǎn)人工勢(shì)場(chǎng)法的優(yōu)點(diǎn)：勢(shì)場(chǎng)法規(guī)劃出來(lái)的路徑一般是比較平滑并且安全的；而且勢(shì)場(chǎng)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。人工勢(shì)場(chǎng)法的缺點(diǎn)：勢(shì)場(chǎng)法存在的大量的計(jì)算和局部最優(yōu)點(diǎn)問(wèn)題。2.局部路徑規(guī)劃——模糊邏輯法模糊邏輯路徑規(guī)劃的基本思想：各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用模糊集合的概念來(lái)表達(dá)，每個(gè)物體的隸屬函數(shù)包含該物體當(dāng)前位置、速度大小和速度方向的信息。然后通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)各個(gè)方向進(jìn)行綜合考察，得到路徑規(guī)劃的結(jié)果。三、混合型路徑規(guī)劃混合型路徑規(guī)劃是將全局規(guī)劃的“粗"路徑作為局部規(guī)劃的目標(biāo)，從而引導(dǎo)機(jī)器人最終找到目標(biāo)點(diǎn)。全局規(guī)劃：柵格法局部規(guī)劃：人工勢(shì)場(chǎng)法結(jié)合機(jī)器人導(dǎo)航機(jī)器人自主定位

路徑規(guī)劃沿著規(guī)劃好的路徑達(dá)到目的地機(jī)器人從A到B的導(dǎo)航4.5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）：由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域中大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，并以無(wú)線通信的方式形成一種多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)?信標(biāo)節(jié)點(diǎn):已知自身位置信息的節(jié)點(diǎn)，可為其他節(jié)點(diǎn)提供參考坐標(biāo)。?未知節(jié)點(diǎn):信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以外的節(jié)點(diǎn)統(tǒng)稱為未知節(jié)點(diǎn)。?鄰居節(jié)點(diǎn):一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信距離范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)的集合。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位是依靠網(wǎng)絡(luò)中少量的位置已知的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)鄰居節(jié)點(diǎn)間有限的通信和某種定位的機(jī)制，來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)中所有未知節(jié)點(diǎn)的位置以及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置。節(jié)點(diǎn)定位節(jié)點(diǎn)定位在實(shí)際應(yīng)用中包含兩種含義:節(jié)點(diǎn)自定位：確定節(jié)點(diǎn)自身在系統(tǒng)中的位置。目標(biāo)定位：確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的位置。目標(biāo)定位側(cè)重于傳感網(wǎng)在目標(biāo)跟蹤方面的應(yīng)用，是對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的位置估計(jì)。節(jié)點(diǎn)自定位目標(biāo)定位無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法的特點(diǎn)耗能低可靠性好自組織性可擴(kuò)展性具有分布式處理能力節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù)可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是基于測(cè)距的定位技術(shù)，另一類(lèi)是無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù)。基于測(cè)距的定位技術(shù)基于測(cè)距的定位技術(shù)：主要是利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置，通過(guò)測(cè)量和估計(jì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離。利用兩者之間的幾何關(guān)系進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位?；跍y(cè)距的定位技術(shù)方法常用的方法有：三邊定位法和三角定位法。三邊定位法三角定位法三邊定位法A的坐標(biāo)為(X1，Y1)B的坐標(biāo)為(X2，Y2)C的坐標(biāo)為(X3，Y3)D的坐標(biāo)為(x，y)，且D為三圓的交點(diǎn)。方程組1三邊定位法式子一方程組2測(cè)距方法<1>根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)測(cè)算距離（RSSI）。<2>根據(jù)信號(hào)傳播時(shí)間來(lái)測(cè)算距離（TOA）。<3>根據(jù)兩種信號(hào)的時(shí)間差來(lái)測(cè)算距離（TDOA）。接收信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)測(cè)算距離（RSSI）基于RSSI定位算法是通過(guò)測(cè)量發(fā)送功率與接收功率，將傳播損耗轉(zhuǎn)化為發(fā)送器與接收器之間的距離，然后采用已有算法計(jì)算節(jié)點(diǎn)的具體位置。該方法易于實(shí)現(xiàn)，無(wú)需在節(jié)點(diǎn)上安裝輔助的定位設(shè)備。

根據(jù)信號(hào)傳播時(shí)間來(lái)測(cè)算距離（TOA）基于TOA定位算法是在已知信號(hào)速度的情況下，通過(guò)測(cè)量信號(hào)傳播的時(shí)間，來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離，然后采用已有算法計(jì)算節(jié)點(diǎn)的具體位置。該算法定位精度高，但需要節(jié)點(diǎn)間保持準(zhǔn)確的時(shí)間的同步，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件性能要求較高。根據(jù)兩種信號(hào)的時(shí)間差來(lái)測(cè)算距離（TDOA）基于TDOA的定位算法是讓發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無(wú)線信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差以及這兩種信號(hào)的傳播速度，來(lái)計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過(guò)已有的基本定位算法，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的具體位置?；赥DOA測(cè)距原理圖5.1機(jī)器人通信系統(tǒng)通信通信是利用電子信息技術(shù)建立一個(gè)信道，通過(guò)信道將信息源的信息傳輸至目的點(diǎn)。通信系統(tǒng)的基本模型信源：把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號(hào)。發(fā)送設(shè)備（變換器）：將信源發(fā)出的信息變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)，使原始信號(hào)適應(yīng)信道傳輸要求。信道：傳遞信息的通道或傳遞信號(hào)的設(shè)施。按傳輸介質(zhì)的不同，可分為有線信道和無(wú)線信道。信源發(fā)送設(shè)備信道接收設(shè)備受信者噪聲源通信系統(tǒng)模型