学年第一学期第六讲机器人导论

Applications,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level, R. Siegwart, I. Nourbakhsh,Applications,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,2012-2013,学年第一学期第六讲,机器人导论,王国利,信息科学与技术学院,中山大学,感知,/Perception,传感器,/Sensors,不确定性,/Uncertainty,特征获取,/Features,4,感知,运动控制,认知,现实世界,环境,定位,路径,环境模型,局部地图,位置,全局地图,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）,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,voltage,CCD,传感器：光子,电载,荷,/,photons,charge,硬件接口原理,电压,电流,电阻,助人伴侣,/Example HelpMate, Transition Research Corp.,4.1,现实接口,/Example B21, Real World Interface,4.1,Example Robart II, H.R. Everett,4.1,Savannah, River Site Nuclear Surveillance Robot,4.1,BibaBot, BlueBotics SA, Switzerland,Pan-Tilt Camera,Omnidirectional Camera,IMUInertial Measurement Unit,Sonar Sensors,Laser Range Scanner,Bumper,Emergency Stop Button,Wheel Encoders,4.1,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,4.1.1,一般分类,/General Classification (1),4.1.1,/触觉,/轮置电机传感器,/朝向,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,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,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,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,error,4.1.2,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 results,4.1.2,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,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,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,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,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,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 gyro,4.1.4,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,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,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,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,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,全球定位系统,Global Positioning System (GPS) (2),4.1.5,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,村田玩童,iTaBot-,智能娱乐机器人,编码器,Wheel / Motor Encoders (2),4.1.3,scanning reticle fields,scale slits,Notice what happen when the direction changes:,