定位传感器.doc

定位传感器

本文分为两部分，首先是对于定位传感器的原理概述，其次详细介绍几种实际的定位传感器及其参数。
一、定位传感器概述
1、 概述
定位就是确定移动物体在坐标系中的位置及本身的姿态。定位技术可以分为绝对定位技术和相对定位技术，相应的传感器也分为绝对定位传感器（测距法和惯导法）和相对定位传感器（磁性指南针法、活动标法、全球定位系统、路标导航法、模型匹配法）。
定位传感器主要应用于太空月球车、自主行驶车辆、AGV(Autonomous Guided Vehicle)、移动机器人和移动式清洁设备等自主式移动设备。
2、 相对定位技术及其传感器
相对定位技术包括测距法和惯导法。测距法采用随时间累积路程增量的原理，因此具有良好的时间精度、低廉的价格、较高的采样速率。惯导法包括陀螺仪和加速度计，使用测量值的一次积分计算相对于起始位置的偏移量。
2.1 测距法
测距法基于简方程：
其中：S为第n个采样周期时车轮移动的总路程；为第i个采样周期内车轮移动的路程。
测距法的误差包括系统误差和非系统误差。系统误差是由移动系统运动学不完整性引起的，如不等轮直径或有关精确轴距的不确定性等。非系统误差是由轮子和地面相互作用引起的，如轮子的滑动或颠簸。
2.2 惯导法
惯导法传感器包括陀螺仪和加速度计。陀螺仪测量回转速度，加速度计测量加速度。测量值的一次积分或两次积分可分别求出角度或位置参量。陀螺仪也称相对测角法，即测量角速度值，通过对其积分累积计算相对于起始方向的偏转角度，。这里为在t时刻相对起始方向的偏转角度；w为瞬间角速度；为起始时刻。
相对测角法所采用的传感仪通常是陀螺仪。目前，在地面应用的高性能陀螺仪误差小于行走路程的，而低性能的陀螺仪误差小于行走路程的，但低性能的陀螺仪比较偏高。
3、 绝对定位技术及其传感器
绝对定位目前仍处于研究阶段，比较成熟的技术包括全球定位系统、活动目标法和路标导航法。同时，绝对偏转角的测量也应用移动体的姿态控制，他采用地球磁场作为参照坐标，确定移动载体的姿态。采用的传感器主要是感应式磁通量罗盘，其分辨率能够达到。
3.1 绝对定位技术采用的测量方法
3.1.1 三边测量法
三边测量法是基于移动物体对选定的固定点的距离来确定移动物体位置的方法。如图一所示，在三边测量法导航系统中，通常有三个或多个固定点，移动物体根据距离这些点的距离，用几何三角法就可确定移动物体在坐标系中的坐标(x,y)。全球定位系统就是一个三边测量法的例子。

3.1.2 三角测量法
在该法中，有三个或多个活动发射器安装在已经固定位置，如图2。一个位于机器人上的旋转接受器记录、和的角度，从而计算移动物体的坐标和移动方向。

3.2 全球定位系统技术
全球定位系统是一种成熟的室外导航技术。系统由24颗卫星组成，它们发送带编码的RF信号，采用三边测量法，地面接受器通过测量卫星RF信号的传输时间能够计算其与卫星的距离，同时这些信号也包含了有关卫星瞬间位置的信息。从理论上看，知道了地面接收器收到三颗卫星的准确距离就能够计算出接收器的具体纬度、经度和海拔高度。
3.3 路标导航法
路标是具有明显特征的能够被机器人传感器识别的特殊物体。路标具有一定几何形状，并且可以包含一些附加信息（如条形码）。通常，路标有一个固定的或者已知的位置，性对与此，机器人才定位自己。路标的选择应该便于识别。路标有两种：人工路标和自然路标。人工路标是专门设计的物体或标示物，这些东西被放置在环境中并且具有唯一的给机器人导航的目的。自然路标是一些物体或特性，这些物体或特性已经存在于环境中，并且具有除了给机器人导航的其他用处。
3.3.1 人工路标
对人工路标的检测是非常容易的，因为可以认为设置它与环境的对比度和惟一度。另外，人工路标的精确尺寸和形状是预先已知的。
3.3.2 自然路标
自然路标导航的主要问题是从传感器的输入中检测和匹配路标特征。检测路标特征通常由计算机视觉系统或超声波传感器阵列完成的。绝大多数基于计算机视觉的自然路标是长而垂直的边，如门、墙的交界处，以及吊灯等。而超声波阵列检测的物体通常是比较大的三维物体。
3.5 地图匹配定位技术
基于已知地图的定位系统称为“地图匹配定位技术”，该技术使用传感器来建立一个局部位置环境地图，然后，将这个局部地图与一个预先存储的全局地图相比较，如果匹配，就能计算出机器人在环境中的实际位置和方向。地图匹配定位系统的两个关键技术是地图建立方法和匹配算法。
4、 定位传感器的融合技术
4.1 相对定位传感器之间的融合
相对传感器之间的融合，最常用的方法是将相对测距法传感器数据与陀螺仪数据相融合，以确定移动机器人的位置，及机器人设定坐标系的坐标和相对起始方向的偏转角。
4.2 相对定位传感器与绝对定位传感器的融合
相对传感器的缺点主要是累积误差，特别是长时间的运行或长距离的运行会使累积误差超出设定要求，因此必须对其进行不断的修正。这种修正只能由绝对传感器完成。另一方面，绝对定位技术的定位算法如路标识别、地图匹配等通常都比较复杂，费时。为了减少计算机的负荷，增加定位算法的实时性，只有在标示附近才启动定位算法，而在绝对标示之间的运行路程由相对定位传感器测量。

二、定位传感器。
1、枪口弹丸定位传感器
1.1 概述
在轻武器测试技术领域，经常需要检测弹丸经过枪口时的信号，该信号可作为测量弹丸初速的记时启动信号(枪口靶)，外弹道测量(如弹丸精确炸点定位)的时间基准，高射频武器电控发射时的弹序检测传感器，射频测试传感器等。
1.2 枪口定位传感器的工作原理：
新型枪口弹丸定位传感器属电感式传感器，工作原理建立在电磁感应基础上，利用线圈电感或互感的改变实现电测非电量。电感式传感器有多种工作方式，有变磁阻式、变压器式和涡流式。它可以把多种物理量转换为线圈的自感L和互感系数M的变化，自感系数L利互感系数M的变化在电路中转换为电压或电流的变化，实现非电量转换为电信号输出。
2、定位传感器在混炼切削机器人中的应用
2.1 概述
普通数控机床一般通过对刀来确定工件与刀具之间精确的位置关系，其零点仅作为停止参考位置。回零的精度并不作为机床性能的一项重要指标，而将加工对刀或更换零件时的刀具和工作台所在的位置作为零件加工的精确位置。一般用行程开关及伺服驱动电机自带的编码器组成的回零定位系统，其定位精度取决于下面两点：编码器的精度，运动部件的质量，回零运动速度，驱动系统刚度及摩擦特性等。而对由串、并联组成的混联6自由度切削机器人，一则其结构由多个直线移动关节和回转关节组成。
2.2 自动定位高精度传感器原理：
由被定位件上负极与定位传感器的正极形成电开关。当被定位件与触发球接触时，将减速信号输入控制器开始以比较大的加速度进行减速（同时由减速单元磁性元件将触发球经过压缩弹簧拉回），减速到设定的速度后由控制器产生二次减速信号，并进行平稳减速至均匀运动，以保证被定位件以恒定低速与准停球接触，并且采用电路来消除正负极接触时由于抖动产生的影响，从而实现高精度定位的目的。同时考虑到定位失效后损坏定位传感器及其它机器人部件，加入了失效处理单元。即当定位失效后，压缩弹性绞产生微小变形，使弹性铰形成的负极与定位座的正极接触产生失效处理信号并输入计算机进行失效处理!运动部件反向运动。

图3 自动定位高精度传感器原理图
3、激光扫描全局定位传感器
自主导航定位是自主移动机器人的基本功能之一。这种功能可以使自主移动机器人在作业环境中，依据自身的感知系统确定自身的位置，从而根据任务做出正确的行为决策和路径选择。全局定位就是通过采集环境中地理或人工标志的感知信息，在线地计算出载体在环境参考系中的位置，使机器人系统可以实现基于环境信息的自主导航定位。
激光扫描全局定位传感器系统是通过激光扫描方式检测布置在环境中的已知合作路标的方位角，根据这些方位角及其所对应的合作路标的地理位置，计算出机器人在参考坐标系下的位置和方向。
以下是英国迈得罗科克公司生产的激光测距仪（SLD高精度系列）的一些具体参数：测量范围：110mm-1100mm；扫描速度：1000/2000HZ；分辨率：2um-500um；应用于各种表面，冷或热（最高1200摄氏度）物体的定位。
4、高速磁悬浮列车定位传感器
　在常导高速磁悬浮列车中，悬浮电磁铁与同步电机的动子是一体的，根据同步电动机的工作原理，只有当励磁磁场与长定子的绕组磁场两者达到同步时，才能产生恒定的牵引力。 大功率同步电机在失步状态下还有可能对设备造成严重危害。因此，必须精确检测出磁极相对于长定子的相位，据此来对直线同步电动机定子绕组提供相应频率的电流。为了保证磁悬浮列车高速、稳定地运行，必须实现无接触条件下的高精度定位。
以下介绍一种德国TR 高速磁悬浮列车上利用齿槽检测信号定位的方法。

图4 利用齿槽检测信号定位原理图

5 / 5