距離傳感器為例的機(jī)器人設(shè)計(jì)制造說明

過去，機(jī)器人制造是一個(gè)非常困難、容易出錯(cuò)且耗時(shí)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(gè)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(jì)制造的過程。

構(gòu)建超聲波傳感器首先需要一個(gè)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(hào)的時(shí)間。連接機(jī)器人處理器的接口由指示測試起始時(shí)間的輸出信號(hào)以及回聲探測定時(shí)器計(jì)數(shù)值的輸入信號(hào)組成。處理器獲取所用的總時(shí)間并將這個(gè)時(shí)間轉(zhuǎn)換成距離。如果需要處理多路回聲，硬件則會(huì)變得更加復(fù)雜。這種設(shè)計(jì)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(shí)間。隨著時(shí)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(shí)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)硬件及其軟件驅(qū)動(dòng)程序是定制的。由于軟件變得更加復(fù)雜，因而使當(dāng)時(shí)的處理器負(fù)擔(dān)很重。那時(shí)，為了解決這個(gè)問題，通常使用多個(gè)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(shí)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(dòng)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(jì)。如圖3所示。

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(jí)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(hào)所需的時(shí)間（毫秒），而是報(bào)告距離某個(gè)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(jí)別的運(yùn)算，而去從事更高級(jí)別的任務(wù)，例如定位和繪制地圖。

圖1：超聲波距離傳感器系統(tǒng)框圖。

圖2：帶輔助處理器的聲納系統(tǒng)。

圖3：帶USB接口的傳感器系統(tǒng)。

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(dòng)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(shí)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(gè)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(gè)器件所不可能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的。

圖4：超聲波和紅外傳感器“融合”在一起。

成熟的軟件算法拓展出很多令人激動(dòng)的領(lǐng)域，例如面部識(shí)別。幾年之前，由于處理能力不足，還無法實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)這種功能。而現(xiàn)在，已有產(chǎn)品可以實(shí)時(shí)處理眾多面孔識(shí)別。很快，傳感器系統(tǒng)將不再僅僅報(bào)告“目標(biāo)在前方2米處”，而是報(bào)告“某某人在前方2米處”。

定位和地圖描繪是另外一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，近年來業(yè)界對此技術(shù)的興趣不斷增加。已經(jīng)有多種現(xiàn)成的SLAM（同步定位與地圖描繪）算法實(shí)現(xiàn)可被免費(fèi)使用或只需支付很低的費(fèi)用。這種趨勢在很多軟件領(lǐng)域都在出現(xiàn)，并且會(huì)繼續(xù)發(fā)展。

在立體視覺領(lǐng)域也出現(xiàn)了令人激動(dòng)的增長。單個(gè)相機(jī)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量可能非常大，但是立體視覺使數(shù)據(jù)量更大，因?yàn)樾枰獌刹肯鄼C(jī)同時(shí)工作。這在通信鏈路、處理能力和軟件算法成熟之前，只是一個(gè)遙遠(yuǎn)的可能性。而今，現(xiàn)成的系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)距離探測。隨著這些系統(tǒng)不斷改進(jìn)，它們的速度和精度使其成為其他形式的距離測量可選方案。超聲波、紅外和立體視覺的“融合”系統(tǒng)將能夠在任何環(huán)境中工作。

未來，傳感技術(shù)將不斷發(fā)展。機(jī)器人能夠有效處理的傳感器數(shù)量將具有與摩爾定律所預(yù)測的“晶體管集成速度”相似的增長曲線。

作者： Jon Mandrell，CoroWare公司