多传感器信息融合 本文关键词：传感器，融合，信息
多传感器信息融合 本文简介：吉林大学0前言移动机器人的定位问题是提高移动机器人自主能力的关键问题之一。具体来说，定位是利用先验环境地图信息、机器人位姿的当前估计及传感器的观测值等输入信息，经过一定的处理和变换，产生更加准确地对机器人当前位姿的估计。机器人的定位方式有很多种，如，基于光电寻线的定位、基于声纳的机器人自主定位、基于
多传感器信息融合 本文内容：
吉林大学
0前言
移动机器人的定位问题是提高移动机器人
自主能力的关键问题之一。具体来说，
定位是利用先验环境地图信息、机器人位姿的当前估计及传感器的观测值等输入信息
，经过一定的处理和变换
，产生更加准确地对机器人当前位姿的估计。机器人的定位方式有很多种，
如
，
基于光电寻线的定位
、基于声纳的机器人自主定位
、基于全景视觉的定位及基于激光测距的定位等。可以看出：机器人的定位方式取决于所采用的传感器。目前，
在移动机器人上使用较多的传感器有视觉传感器、里程计和惯导系统、超声传感器、激光测距仪、GPS定位系统等。其中，视觉传感器具有信息量大、感应时间短的优点，但往往获得的数据噪声大、
信息处理时间长；激光传感器在测距范围和方向上具有较高的精度，但价格昂贵；超声波传感器虽然角度分辨力较低，但它处理信息简单、成本低
、速度快，因此，在自主移动机器人上得到了广泛的应用；里程计是一种相对定位传感器，它通过累计计算得到定位信息，缺点是存在累计误差问题，因此，可结合绝对定位传感器，如超声传感器等，提供较准确的定位。各传感器都有它自己的局限性，因此，移动机器人往往同时装备多种传感器，各自提供关于机器人定位的消息。目前的趋势是：根据传感器的可靠性。使用不同类型的传感器来测量相关数据。本文采用扩展卡尔曼滤波(
EKF)
技术，将里程计和超声波传感器所提供的数据进行融合定位。
1
机器人运动模型的建立
由于移动机器人机构复杂，为了便于构造运动学模型与规划控制机器人的位姿，本文选择两轮驱动小车作为运动平台。将整个机器人本体看作一个刚体，
车轮视为刚性轮，并在运动不是太快而转弯半径较大时，
不考虑车轮与地面侧向滑动的情况，其简化运动学模型如图1
所示。
图
1
两轮驱动机器人运动学模型
为了确定机器人在平面中的位置，建立平面全局参考坐标系O
X
Y和机器人局部参考坐标系OR
XR
YR，
把OR
XR
YR坐标系原点建立在
2个驱动轮轴心连线的中点0R上，并将该点作为机器人的位置参考点。相交于点OR的
2个轴分别定义为XR和YR轴。在
O
X
Y坐标系下，
OR的位置由坐标x和y确定，
坐标系
O
X
Y和OR
XR
YR之间的角度差(也是机器人线速度的方向)由θ给定。可以将机器人的姿态描述为具有这3个元素的向量：。图1中，，分别为左右两驱动轮的转动角速度，r为两轮半径，b为两驱动轮之间的距离，OR点速度(也就是机器人的线速度)
为，
分别投影到
O
X
Y坐标系上得，。移动机器人的角速度。于是，机器人的运动方程为
（1）
将方程(1)进行离散化，并加上模型噪声，可得机器人的离散随机状态空间表达式（2）
式中；为模型误差，是零均值的高斯白噪声；为方差，T为采样时间
（3）
式(3)就是移动机器人的运动模型，也是系统的状态方程。
2
传感器观测模型的建立
2．1
里程计
里程计的工作原理是根据安装在2个驱动轮电机上的光电编码器来检测车轮在一定时间内转过的弧度，进而推算机器人相对位姿的变化。设车轮半径为r，光电码盘为P线／转，t时间内光码盘输出的脉冲数为N，则该车轮移动距离为
（4）
假设由光电码盘检测出机器人左右轮的移动距离分别为和，且两轮的间距为b，机器人从位姿运动到。则机器人移动的距离，
机器人转过的角度。
因此，在已知初始位置的情况下，即可求出前轮转过的距离，若采样时间取得足够短，通过计算出在时间内机器人位置的横、纵坐标和方向的变化量，进行累加，
可推出机器人在全局坐标中的位置坐标和方向角，从而获得自定位信息。
2．2
超声波传感器
超声波传感器的基本原理是发送(超声)压力波包，一般为40-45kHz，当波包遇到物体后，就会被反弹回，通过测量该波包反射和回到接收器所占用的时间，引起反射的物体距离
d可以根据声音传播速度
C和飞越时间
t
进行计算
（5）
其模型可简化为在一个固定的波带开放角方位之内，传感器到莫一物体的最短距离。其读数与机器人所在的环境和传感器的安装位置有关。
设第i只超声波传感器在OR
XR
YR坐标系中的坐标为，其方向（与轴的夹角）为。假定在地k个采样时刻，机器人的位置为，则经过一个旋转平移的坐标变换，可将第i只超声波传感器在OR
XR
YR坐标系中的坐标为转换到OXY坐标系中的坐标，写成齐次坐标的形式为
（6）
同时，将超声波传感器的方向转换为与OXY坐标系的X轴的夹角
（7）
机器人移动所在的环境中的反射墙面与障碍等可用OXY平面上的直线来表示（j=1,2,3，……为环境中的墙与障碍物得个数）。超声波的测量原理如图2所示
图
2
超
声波传感器的测量示意图
设，为超声波传感器的波带开放角。根据超声波传感器的测量原理，
当第i只超声波传感器和第j个物体之间满足时，超声波传感器i测得的到第j个物体的距离为；当不满足上述关系时，得到的数据要去除。如果超声波传感器测出的数据超出了其测量范围，则超出范围的数据也要去除。因此，在每个采样时刻，不是所有的超声波传感器的读数都被使用，而是结合环境地图来
决定应该使用哪些读数。
可以得到该多传感器系统的随机观测模型为
（8）
其中，为观测误差，是零均值的高斯白噪声，方差为R(k)。包括里程计的输出与超声波传感器的读数，所以，的维数为里程计输
出向量个数加上超声传感器的只数。
里程计的输出为
（9）
超声波传感器的输出为
（10）
定位算法的结构如图3所示。
图3定位算法框图
3
EKF算法
EKF假设系统状态的概率分布是高斯分布，噪声是相互独立的。式(2)与式(8)分别为机器人的运动模型和传感器模型。
1）初始化已冻结i气人的状态向量和误差协方差矩阵。
2）预测机器人位置：根据机器人在k时刻的位置预测时间k+1时刻的位置
（11）
（12）
其中，P为X的误差协方差矩阵，F为f的Jacobian矩阵，可得
3）观测
传感器的预测值为，用来对预测状态进行校正的量为实际的测量值与预测值之差，即信息为，信息的协方差矩阵为，H为测量方程中的Jacobian矩阵
（14）
式中，为第i只超声波传感器的参数；，为外部环境中第j个物体的参数；H（k）的行数是不固定的，与各个采样时间实际所使用的超声波传感器的只数有关。
4）对于每一次测量，由于测量的不确定性，需要对每次测量进行校验来决定是否匹配。若测量结果满足下式，则测量值匹配。否则，不匹配并舍弃
(15)
式中为正确性检验门。
5）纠正
EKF的增益矩阵W更新为
（16）
机器人的状态纠正为
（17）
协方差矩阵更新为
（18）
6）返回步骤（2）递归执行上述步骤（2—5）。
4
实验
实验环境设为四周是垂直的墙壁，移动机器人逆时针沿着墙面做矩形轨线运动，用里程计和超声波传感器进行自定位。图4曲线分别表示系统的观测真值
Z(
k
)，观测估计，状态真值X(
k
)，状态先验估计，状态后验估计。
图4系统观测向量与状态向量曲线
图5为仅使用里程计的位置估计，图6为融合里程计和超声波传感器数据信息后的位置估计。机器人的移动速度为0.25m／s，
采样时间T=lS，估计的初始位置为（0,0），实际的初始位置为（0.15,0），P
0
=105I，
模型噪声的方差取为0.1，测量噪声方差取为0.8。
图
5
实际位
置与里程计定位信息
图
6
实际位置与传感器融合定位信息
从实验结果中可以看出：由于里程计的测量噪声不断地被累加，其估计过程中估量值与实际量之间在转角处偏差大，在运动不到2圈时，位姿估计信息就已经完全丢失，估计效果较差。采用里程计和超声波传感器融合后的定位算法，基本消除了里程计的累计误差，提高了定位的精度。
5
结论
采用多传感器信息融合算法将里程计和超声波传感器采集的信息融合后进行机器人的自定位，该方法基于EKF算法，通过对机器人和传感器的建模
，在路径规划相对简单、轨迹相对较短的情况下，可以取得满意的效果。而实际中，特别是在机器人行走轨迹复杂或者环境条件动态未知的情况下，关于噪声的先验知识一般都是不存在的。实验中，在使用EKF进行机器人的自定位估计时，假设输入和测量噪声均为方差固定的高斯白噪声，影响了卡尔曼滤波器的性能。因此，进一步研究的方向是自适应的在线调整输入和测量噪声的协方差矩阵。
9
篇2：各种各样的传感器介绍
各种各样的传感器介绍 本文关键词：传感器，各种各样，介绍
各种各样的传感器介绍 本文简介：各种各样的传感器介绍在20世纪60年代，汽车上仅有机油压力传感器、油量传感器和水温传感器，它们与仪表或指示灯连接。进入70年代后，为了治理排放，又增加了一些传感器来帮助控制汽车的动力系统，因为同期出现的催化转换器、电子点火和燃油喷射装置需要这些传感器来维持一定的空燃比以控制排放。80年代，防抱死制动
各种各样的传感器介绍 本文内容：
各种各样的传感器介绍
在20世纪60年代，汽车上仅有机油压力传感器、油量传感器和水温传感器，它们与仪表或指示灯连接。进入70年代后，为了治理排放，又增加了一些传感器来帮助控制汽车的动力系统，因为同期出现的催化转换器、电子点火和燃油喷射装置需要这些传感器来维持一定的空燃比以控制排放。80年代，防抱死制动装置和气囊提高了汽车安全性。今天，传感器已是无处不大。在动力系统中，有用来测定各种流体温度和压力(如进气温度、气道压力、冷却水温和燃油喷射压力等)的传感器；有用来确定各部分速度和位置的传感器(如车速、节气门开度、凸轮轴、曲轴、变速器的角度和速度、排气再循环阀(EGR)的位置等)；还有用于测量发动机负荷、爆震、断火及废气中含氧量的传感器；确定座椅位置的传感器；在防抱死制动系统和悬架控制装置中测定车轮转速、路面高差和轮胎气压的传感器；保护前排乘员的气囊，不仅需要较多的碰撞传感器和加速度传感器，还需要乘员位置、体重等传感器来保证其及时和准确的工作。面对制造商提供的侧量、顶置式气囊以及更精巧的侧置头部气囊，还要增加传感器。随着研究人员用防撞传感器(测距雷达或其他测距传感器)来判断和控制汽车的侧向加速度、每个车轮的瞬时速度及所需的转矩，使制动系统成为汽车稳定性控制系统的一个组成部分。总之，。
老式的油压传感器和水温传感器是彼此独立的，由于有着明确的最大值或最小值的限定，其中一些传感器的实际作用就相当于开关。随着传感器向电子化和数字化方向发展，它们的输出值将得到更多的相关利用。为此，制造商们正在开发和生产更好的传感器。下面介绍一些一些这方面的新产品。
离子检测系统
三菱(Mitsubishi电子公司)正在开发一种车用离子检测系统。这个系统能够通过检测离子来监控发动机每个气缸的燃烧情况。当可燃混合气持续燃烧时，在燃烧峰面附近就会发生电离现象。把一个带偏压的测头放入气缸，就可以测出与电离状况相关的离子流。
这个能反映发动机各种燃烧状况的信息控制系统由带测头的火花塞、装有测试附件的点火线圈及一套处理离子流信号的电子模块构成，它可以判别每个缸的点火、燃烧及爆震情况。进一步的功能将是对发动机的混合气状况加以监控，即根据离子流所显示的燃烧情况来控制每个缸的空燃比。
快速起动的氧传感器
冷车运转时的发动机所排放的CO和HC是最多的，这就要求氧传感器尽快起动进入闭环控制状态。NGK火花塞有限公司研制出一种新型氧传感器，它能在15s内达到闭环控制。通过缩小加热区和降低阻抗，改进了传感器的加热装置。由于采用新材料和新的温控系统，使加热器的寿命与现有类型相近，改善了低温特性。
侧滑传感器
更有利于传感器的设置、信号处理和封装。这种传感器有两个经过显微加工的信号发生器并各自
博世公司开发一种双向传感器，它是由采用压电晶体的线性加速度计组合而成。这样的组合对应着所测加速度方向的基准面，对应于某个基准面的独立信号就能测出相应的作用力。而很高的品质因数Q值使传感器的封装可以在常压下进行。
压电谐振式角速度传感器
三菱电子公司开发的这种传感器为玻璃一硅一玻璃结构，其谐振部分是一个用浸蚀法制成的硅梁。通过外置振荡器激发，其谐振频率约为4KHz。梁的厚度与硅片相同，它的宽度和长度通过浸蚀加工来决定。硅梁和玻璃支架的连接采用了真空下的阳极焊接工艺，以确保其固有频率变化很小。
角速度的变化可根据硅梁振动频率变化引起的梁两侧玻璃支架上金属电极间的电容变化值测出。传感器电路由电容电压(C—V)转换器和同步解调器构成。C—V转换器是一个转换电容的比较器(ASIC)。当测量范围在±200°/s时，非线性为±1%。
高压传感器
Denso公司开发一种浸入式高压传感器。这些传感器可用来检测机油、液压系统、汽油以及空调制冷剂的压力，如制动器的液压控制系统、怠速下的空调机压缩器和动力转向泵、燃油控制系统、悬架控制系统以及自动变速器中的液压换挡系统。这些系统的压力变化在2～20MPa，而传感器可耐压38MPa。
这种传感器使用一种树脂胶而不是通常使用的金属和玻璃来封装，以形成足够大的油分子通道，实现了外型和元件间封尺寸的优化设计。包括压力感应元件和放大电路在内的所有元件都集中在一块芯片上。
直热式检测装置
GM研发中心正在试验使用一种直热式检测系统来抑制后排末成年人座椅(RFIS)处的侧量气囊展开。将乘员席表面的温度与驾驶员座椅表现温度加以对比，若两者不同且与预定值差异较大，则气囊的展开就会受到抑制。乘员席的温度由安置在座椅表面的热敏电阻来测定，可采用直热式或非直热式热敏电阻。
实际上这种抑制系统可采用多种检测方式，当直热式探测器的工作不够可靠时，可采用其他方式来提高该系统的可靠性。曾有人建议配置别的传感器，如测量体重、电容、振动，使用超声波、微波、光学及红外线等。还有人建议为一个抑制系统配置多种检测装置，使其工作更加可靠。
机油粘度传感器
何时更换机油一般是根据厂家规定的时间或里程来进行。少数厂家采用了更先进的方式，通过记录发动机转速和温度来计算换油间隔。Lucas
Varity公司正在研制一种压电振动式粘度传感器，其工作原理与振动式粘度计相近——振子(球型、片状或棒式)在受到粘滞阻尼时其振频会发生衰变。因此，依靠不同形状的振子，就可以测出粘度和密度的一些参数。有一种振动式粘度计的振子是石英棒，它能被激发扭振，通过测量与液体粘度相对应的振幅和谐振频宽，就可以确定粘度(准确地说应是粘度和密度的综合值)。可见，振动式粘度计是通过测量液体所传递的切变波形来确定粘度的一种装置。然而，由于传感元件与液体的接触处切变波形会产生畸变而导致测试值与液体的对应关系较差。
粘度传感器设置了一种界面来改善传感元件与液体之间的接触关系，其原理与我们熟知的应用于生物医学和海洋船舶上的超声波换能器相似。
传感器的核心是一个压电转换器，在它两侧施加电压时，就会产生切向运动。电极是用金属蒸发沉积法布置在压电晶体表面，然后整体涂上一层绝缘层。
一台扫频仪通过振荡器所产生的交变电压来确定传感元件的谐振频率。因为在谐振时，传感元件的电阻达到最大值，随着液体粘度的变化，这个蜂值也相应变化，并通过峰值检测电路转化为电压信号。
绝缘层的厚度根据所测粘度的范围来确定，因为从液体界面处反射回来的切变波必须被绝缘层全部吸收，所以绝缘层的厚度大约是四分之一个波长。
磁敏式速度传感器
SST技术有限公司开发了一种一体化的传感器，它是把高磁阻(GMR)材料与半导体装置合为一体的磁敏式速度传感器。高磁阻材料的特点是随磁场的变化其电阻值也发生变化。半导体装置是由制作在同一块BICMOS电路板上的信号处理器和电压调节器所构成。先将高磁阻材料喷镀在BICMOS板基上，采用光刻腐蚀工艺将其制成电阻，通过铝箔把其连入BICMOS电路，再周边镀上一层合金以聚集磁力线。
这种传感器是双极型结构，通过电平转换输出一个方波形脉冲信号，其输出频率与软磁信号轮齿的回转频率是相同的，而励磁机构是一块永久磁铁。由于传感器的信号处理电路是直流耦合式，所以可处理零速状态。而其具有高灵敏度使之在较大气隙下也能工作。
采用上述技术的ABS传感器具有零速处理、输出信号在两电平之间变化的双极型结构，脉冲频率与信号轮齿或磁极的回转频率相同的特点。在允许温度和工作频率范围内，其频宽比为(50±10)%，轮齿模数2.5时，气隙特性可达3mm。
篇3：20XX_20XX高中物理第4章电磁波与现代通信4.3信息的获取——传感器学业达标测评沪科版
2018_2019高中物理第4章电磁波与现代通信4.3信息的获取——传感器学业达标测评沪科版 本文关键词：电磁波，达标，测评，传感器，学业
2018_2019高中物理第4章电磁波与现代通信4.3信息的获取——传感器学业达标测评沪科版 本文简介：4.3信息的获取——传感器(建议用时：45分钟)1．下列物理量中是电学量的是()A．压力B．声音C．温度D．电流【解析】压力、声音、温度等都是非电学量，而电流是电学量．故选D.【答案】D2．空调实际利用了下面哪种传感器()A．压力传感器B．温度传感器C．光传感器D．磁传感器【解析】空调器中利用温度和
2018_2019高中物理第4章电磁波与现代通信4.3信息的获取——传感器学业达标测评沪科版 本文内容：
4.3
信息的获取——传感器
(建议用时：45分钟)
1．下列物理量中是电学量的是(
)
A．压力
B．声音
C．温度
D．电流
【解析】
压力、声音、温度等都是非电学量，而电流是电学量．故选D.
【答案】
D
2．空调实际利用了下面哪种传感器(
)
A．压力传感器
B．温度传感器
C．光传感器
D．磁传感器
【解析】
空调器中利用温度和湿度传感器分别“感觉”室内的温度和湿度的变化，故选B.
【答案】
B
3．火灾报警器使用的是(
)
A．光传感器
B．温度传感器
C．红外线传感器
D．超声波传感器
【解析】
火灾时烟雾会使光线发生变化，引起传感器报警．
【答案】
A
4．交通警察用来检测驾驶员酒精含量的检测器使用的传感器是(
)
A．温度传感器
B．压力传感器
C．湿度传感器
D．气体传感器
【解析】
交通警察用检酒器检测驾驶员呼气中酒精含量，使用了气体传感器．
【答案】
D
5．(多选)如图4-3-2是一个自动门的红外线传感器安装示意图，下列说法正确的是(
)
图4-3-2
A．当人进入位置“＋”时，传感器会启动门
B．当人进入位置零时，电动门停止运动
C．当人在位置“＋”、位置零以外时，门关闭
D．此红外线传感器只能在白天应用
【解析】
利用红外线传感器可进行非接触测量，自然界几乎所有的物体都能辐射波长在0.76～1
000
μm的红外线，因此被广泛应用．人体能发射波长一定的红外线，当人走进传感器控制区域时，传感器就会工作，由于人体的温度大体恒定，故不管白天、晚上，所发射的红外线是一样的，都能使用．
【答案】
ABC
6．用遥控器调换电视机频道的过程，实际上就是传感器把光信号转换为电信号的过程．下列属于这类传感器的是(
)
A．红外报警装置
B．走廊照明灯的声控开关
C．自动洗衣机中的压力传感装置
D．电饭煲中控制加热和保温的温控器
【答案】
A
7．(多选)如图4-3-3，R1是一个热敏电阻，下列说法正确的是(
)
【导学号：17592050】
图4-3-3
A．当R1处温度升高时，电压表电压升高
B．当R1处温度升高时，电压表电压降低
C．当R1处温度降低时，电压表电压没有明显变化
D．当R1处温度降低时，电压表电压降低
【解析】
当R1处温度升高时，R1的阻值减小，电路中总电阻减小，电流增大，所以电压表示数升高，反之降低．
【答案】
AD
8．演示位移传感器的工作原理如图4-3-4所示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆P，通过电压表显示的数据来反映物体位移的大小x，假设电压表是理想的，则下列说法正确的是(
)
图4-3-4
A．物体M运动时，电源内的电流会发生变化
B．物体M运动时，电压表的示数会发生变化
C．物体M不动时，电路中没有电流
D．物体M不动时，电压表没有示数
【解析】
电阻完全接入电路，所以电流不受M位移的影响，而电压表与一部分电阻并联，当M向右运动时，电表示数增大；当M向左运动时，电表示数减小，当M不动时，在电阻中间位置仍会有电压值．
【答案】
B
9．将普通光敏电阻R、数字电流表A
、电源E按图连接，闭合开关S，当太阳光直接照射光敏电阻R时，电流表示数为I1；当用课本挡住直射到光敏电阻R上的太阳光时，电流表示数为I2；当用黑纸把光敏电阻R完全包裹起来时，电流表示数为I3，则I1________I2________I3.(填“>”“＝”或“>
电磁继电器
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流、较低的电压去控制较大的电流、较高的电压的一种“自动开关”．故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用．
电磁继电器一般由电磁铁、衔铁、弹簧片、触点等组成，其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成．只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，衔铁就会在电磁铁吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯．从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合．当线圈断电后，电磁铁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合．这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的．对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”