先進(jìn)傳感技術(shù)簡化機(jī)器人設(shè)計制造過程

過去，機(jī)器人制造是一個非常困難、容易出錯且耗時的過程，因?yàn)椴捎糜煞至⒃?gòu)成的裝置實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的感應(yīng)，而這些裝置中很多部件都不能有效地協(xié)同工作，處理器缺乏足夠的能力從多個傳感器收集信息并處理這些信息。下面我們以超聲波距離傳感器為例進(jìn)行說明機(jī)器人設(shè)計制造的過程。

構(gòu)建超聲波傳感器首先需要一個超聲波換能器，然后搭建一些接口電路用來發(fā)送脈沖，以及記錄返回信號的時間。連接機(jī)器人處理器的接口由指示測試起始時間的輸出信號以及回聲探測定時器計數(shù)值的輸入信號組成。處理器獲取所用的總時間并將這個時間轉(zhuǎn)換成距離。如果需要處理多路回聲，硬件則會變得更加復(fù)雜。這種設(shè)計不僅受軟硬件局限性的困擾，而且所有的東西都在內(nèi)部生產(chǎn)，因此增加了成本和上市時間。隨著時間推移，處理器的功能變得越來越強(qiáng)大，以往由單獨(dú)硬件處理的任務(wù)都可由處理器完成。

通過處理器執(zhí)行回聲返回處理任務(wù)，可以開發(fā)出復(fù)雜的多路回聲處理算法。這樣一來降低了硬件部分的復(fù)雜度，從而降低了成本，不過軟件編程過程依然耗時，因?yàn)榇蠖鄶?shù)硬件及其軟件驅(qū)動程序是定制的。由于軟件變得更加復(fù)雜，因而使當(dāng)時的處理器負(fù)擔(dān)很重。那時，為了解決這個問題，通常使用多個處理器，然而卻導(dǎo)致潛在的競爭條件、死鎖以及一些很難重現(xiàn)的各種奇怪問題。

今天，使用現(xiàn)成的、配有各種硬件外設(shè)的微控制器或微處理器板已相當(dāng)普遍。這些外設(shè)通常提供硬件接口輔助功能，例如定時器和通信總線，常見的通信總線有RS-232、USB、I2C或CAN總線。使用接口驅(qū)動器減輕了軟件實(shí)現(xiàn)的負(fù)擔(dān)。目前很多傳感器利用常見總線進(jìn)行通信，從而簡化了接口設(shè)計。

許多傳感器還增加了處理能力，從而可以收集經(jīng)過預(yù)處理的更高級別的數(shù)據(jù)。傳感器的工作不是傳送收發(fā)聲納回聲信號所需的時間(毫秒)，而是報告距離某個物體的遠(yuǎn)近(毫米)，收集到的數(shù)據(jù)可以得到更有效的處理。這樣主處理器就不必進(jìn)行低級別的運(yùn)算，而去從事更高級別的任務(wù)，例如定位和繪制地圖。

借助于大量現(xiàn)成的傳感器接口(例如通信鏈路、軟件驅(qū)動器以及處理檢測數(shù)據(jù)的算法)，研發(fā)工程師就可以更快速地開發(fā)和提出解決方案，從而贏得面市時間上的優(yōu)勢。開發(fā)機(jī)器人功能的負(fù)擔(dān)從研發(fā)工程師轉(zhuǎn)移到了傳感器提供者身上。

傳感器系統(tǒng)將繼續(xù)受到低成本處理能力以及數(shù)據(jù)處理算法的影響。受這種增長影響最大的是“傳感器融合”，即傳感器數(shù)據(jù)流由多個傳感器收集并處理，以產(chǎn)生智能且精確信息流。傳感器數(shù)據(jù)融合在一起，形成單一的環(huán)境。如圖四所示，將紅外距離傳感器與聲納配合，可以探測到多種材料和情形，這是單個器件所不可能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的。