傳感器在機(jī)器人控制中的信息融合技術(shù)

　　設(shè)計(jì)一款可以尋線，沖線并在過(guò)程中實(shí)現(xiàn)投球功能的機(jī)器人，需要傳感器技術(shù)的支持，在實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)中安裝了三個(gè)紅外傳感器和一個(gè)光感傳感器，這里主要分析各傳感器的實(shí)際應(yīng)用總結(jié)。

　　本論文主要介紹是以單片機(jī)ATmega16為智能控制系統(tǒng)核心，在移動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用光感傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)障礙物的一系列行為；通過(guò)紅外傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中對(duì)黑色膠條的尋線，轉(zhuǎn)彎的過(guò)程。

　　1.紅外傳感器的應(yīng)用

　　紅外傳感器一般是由光學(xué)系統(tǒng)，探測(cè)器，信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成的。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心，它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來(lái)探測(cè)紅外輻射的。自然界中任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度都能產(chǎn)生紅外輻射，而且溫度越低的物體輻射的紅外線波長(zhǎng)越長(zhǎng)，根據(jù)需要通過(guò)調(diào)節(jié)光暈的大小精確度選擇性的接受某一定范圍內(nèi)的波長(zhǎng)就可以達(dá)到測(cè)量的目的，紅外傳感器能把紅外輻射量變化轉(zhuǎn)換成電量變化。

　　本次實(shí)驗(yàn)中我們用的SHARP電紅外傳感器，它的制作簡(jiǎn)單，成本低，安裝比較方便，性能穩(wěn)定，但是因?yàn)殚L(zhǎng)期的使用，其精度有所降低。

　　在機(jī)器人行進(jìn)中，我們借助紅外傳感器和地板上的色帶軌跡可以沿著既定路線自動(dòng)行駛，路徑可任意，由于我們機(jī)器人的展示在室外，機(jī)器人在辨識(shí)路徑時(shí)，可能受到自然環(huán)境下可見(jiàn)光的影響，導(dǎo)致光感傳感器辨識(shí)不準(zhǔn)，而紅外傳感器可以濾除自然光照條件下的各種光，可以使得反饋值的準(zhǔn)確性大大增加。

　　因?yàn)槲覀兊能壽E線是黑色的而兩側(cè)是白色的，左側(cè)的傳感器控制右電機(jī)，而右側(cè)的傳感器控制左電機(jī)。假設(shè)機(jī)器人的縱軸中線向左偏離黑色軌道線時(shí)，其中右側(cè)傳感器的光電管探測(cè)到軌跡線反射回來(lái)，是該傳感器輸出為高電平，而左側(cè)傳感器仍保持原狀態(tài)，輸出為低電平。通過(guò)與程序中的數(shù)值比較（見(jiàn)表1.1），此刻應(yīng)該反饋的結(jié)果是左側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，使得車(chē)身相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)（角度可以通過(guò)程序控制，且轉(zhuǎn)角度越小，行進(jìn)過(guò)程中越精確，時(shí)間停頓越?。?，這樣偏離的方向可以修正。在矯正路徑中，兩只電機(jī)不斷交替工作，是機(jī)器人實(shí)際上是緊靠著軌跡線向前方進(jìn)行“之”字形運(yùn)行的。我們的機(jī)器人上的第三只傳感器作為沖線裝置使用，它的優(yōu)先級(jí)比另外兩個(gè)要高，當(dāng)其反饋一個(gè)高電平以后，其余兩個(gè)傳感器的反饋信號(hào)直接屏蔽，機(jī)器人直線運(yùn)行沖出終點(diǎn)線。

　　因?yàn)榈谌粋鞲衅鲀?yōu)先級(jí)的問(wèn)題我們?cè)僭O(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)和角度的設(shè)計(jì)，需要不斷在實(shí)驗(yàn)中修改，以達(dá)到最滿意我們要求的精度。

　　2.光電傳感器

　　光感式傳感器是基于光電效應(yīng)的傳感器，在收到可見(jiàn)光照射后即產(chǎn)生光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。光電傳感器一般是由光源，光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光強(qiáng)，光線的遮擋，透射，反射等測(cè)量多種物理量，如尺寸，位移速度，溫度等，也因此這是一種應(yīng)用極廣泛的重要敏感器件。

　　我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中應(yīng)用的是反射型光電開(kāi)關(guān)，它在光電器的一端有兩個(gè)感受器，一個(gè)是發(fā)射器，一個(gè)是接收器。若再在發(fā)射器延長(zhǎng)的一定范圍內(nèi)，若無(wú)障礙物，則不會(huì)產(chǎn)生任何反饋，處于低電平狀態(tài)，機(jī)器人的機(jī)械臂仍維持原狀態(tài)；當(dāng)其方向上產(chǎn)生障礙物遮蔽，則會(huì)在傳感器和遮擋物之間形成光線反饋到接收器上，光電器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖反饋回cpu，使得機(jī)械臂產(chǎn)生動(dòng)作。

　　機(jī)器人的行進(jìn)中，考慮到機(jī)械臂在執(zhí)行一系列動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定時(shí)間的延時(shí)，故我們將光電傳感器成45度角向前傾斜，提前感知圓柱筒，當(dāng)光感器感知遮蔽物時(shí)，機(jī)械臂進(jìn)行反轉(zhuǎn)，并將爪中的小球投入圓筒中，完成投球動(dòng)作。（圖1.1）

　　在不斷的實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，我們不斷調(diào)整機(jī)械臂的高度，光感器的角度，與遮蔽物的距離，以達(dá)到最好的測(cè)量效果，使小球精確的投入前提下，盡量不減緩小車(chē)前進(jìn)的速度。

　　以上兩種只是我們?cè)谥谱骱?jiǎn)易的移動(dòng)機(jī)器人中傳感器的使用，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)作中還會(huì)用很多不同種類(lèi)的傳感器。機(jī)器人是一門(mén)涉及技術(shù)領(lǐng)域非常廣泛的學(xué)科，其中傳感器和控制技術(shù)是核心的技術(shù)，所以絕大部分機(jī)器人應(yīng)用中都可以看到傳感器的存在，所以多傳感信息融合技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。而最突出的，應(yīng)該是很多研究機(jī)構(gòu)為了探討多傳感器數(shù)據(jù)融合的一般規(guī)律而在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的各種可移動(dòng)器人或各種環(huán)境下的自動(dòng)駕駛裝置。從網(wǎng)上搜尋了一些多傳感器融合的比較著名的作品 。

　　而這種多傳感器信息融合系統(tǒng)與單傳感器信號(hào)處理方式相比，多傳感器信息融合系統(tǒng)可以有效的利用傳感器資源，可以更大程度的獲得被測(cè)目標(biāo)和環(huán)境的信息量。多傳感器信息融合和單傳感器信號(hào)處理方法之間也存在本質(zhì)的區(qū)別，其關(guān)鍵在于信息融合所處理的多傳感器信息具有更復(fù)雜的形勢(shì)，而且可以在不同的信息層次上出現(xiàn)。

　　多傳感器信息融合的基本目標(biāo)是基于各傳感器分離觀測(cè)信息，通過(guò)對(duì)信息的優(yōu)化組合導(dǎo)出更多有效信息，這是最佳協(xié)同作用的結(jié)果。它的最終目的是利用多個(gè)傳感器共同或聯(lián)合操作的優(yōu)勢(shì)，來(lái)提高整個(gè)傳感器系統(tǒng)的有效性。

　　多傳感器信息融合技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人中的應(yīng)用現(xiàn)在已發(fā)展成為一個(gè)熱門(mén)的研究領(lǐng)域，為移動(dòng)機(jī)器人探索不確定和未知環(huán)境提供了一種技術(shù)途徑。而移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)多學(xué)科交叉發(fā)展的領(lǐng)域，現(xiàn)今只是設(shè)計(jì)了比較底層的機(jī)器人硬件和軟件，以后需要完善這些理論和結(jié)果，此外，還有許多問(wèn)題需要繼續(xù)深入的研究。