為機(jī)器人性能提供動(dòng)力的校準(zhǔn)傳感器的性能介紹

機(jī)器人現(xiàn)在能夠執(zhí)行大量的任務(wù)，其中許多任務(wù)可以在過(guò)去幾年中直接追溯到傳感器技術(shù)的改進(jìn)。不僅單個(gè)傳感器受益于小型化以及校準(zhǔn)和靈敏度的提高，同樣重要的是加入各種傳感器 - 傳感器融合 - 這為機(jī)器人提供了多任務(wù)處理能力，使它們能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出它們的單一重復(fù)功能。被降級(jí)了幾十年。

今天的非傳統(tǒng)機(jī)器人應(yīng)用包括字符識(shí)別，RFID跟蹤，電子鼻，通信活動(dòng)等等。今天的機(jī)器人具有更高的靈活性，更靈活，更具適應(yīng)性和智能。

視覺，觸覺，嗅覺，味覺和聽覺方面的進(jìn)步降低了新機(jī)器人應(yīng)用的價(jià)格，同時(shí)提高了它們的準(zhǔn)確性和可靠性。添加傳感器來(lái)測(cè)量距離，光線，旋轉(zhuǎn)，磁力，溫度，壓力，高度和傾斜度，機(jī)器可以用來(lái)響應(yīng)周圍的環(huán)境線索。機(jī)器人的傳感器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)，視覺，觸摸等功能，而且機(jī)器人現(xiàn)在能夠與周圍環(huán)境進(jìn)行物理交互（以及使用其他傳感器監(jiān)控自身）。

校準(zhǔn)的重要性

對(duì)于所有這些應(yīng)用，成功推進(jìn)機(jī)器人使用的關(guān)鍵是能夠校準(zhǔn)板載設(shè)備。對(duì)于涉及傳感器融合或基于視覺的操縱的機(jī)器人活動(dòng)，必須校準(zhǔn)傳感器本身和操縱器（例如，相對(duì)于機(jī)器人臂長(zhǎng)的視覺）。

當(dāng)考慮到傳感器融合環(huán)境中的每個(gè)傳感器具有不同的誤差特性時(shí)，挑戰(zhàn)變得清晰。今天，每個(gè)機(jī)器人傳感器和執(zhí)行器都沒(méi)有通用的校準(zhǔn)框架，可以解決這些不同的誤差特性。研究和開發(fā)現(xiàn)在專注于創(chuàng)建靈活框架的挑戰(zhàn)，在添加每個(gè)傳感器時(shí)，可以自動(dòng)校準(zhǔn)傳感器融合機(jī)器人。

在可能的范圍內(nèi)，現(xiàn)在可以在部署之前或之后校準(zhǔn)單個(gè)傳感器。預(yù)部署校準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)是可以降低成本，因?yàn)橹圃焐炭梢砸淮涡?zhǔn)大量傳感器而不是單獨(dú)校準(zhǔn)。一旦安裝了傳感器，就地校準(zhǔn)就會(huì)非常耗時(shí)，并且傳感器會(huì)受到可能影響校準(zhǔn)的環(huán)境因素的影響。但是，有助于抵達(dá)負(fù)責(zé)校準(zhǔn)傳感器的工程師。例如，OPTEK Technology的OCB100系列自動(dòng)校準(zhǔn)板和OCB100-KIT設(shè)計(jì)套件（圖1）為工程師提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，幫助設(shè)計(jì)人員熟悉各種基本光電傳感器類型的功能，包括透射，反射，和流體。

該套件包括一個(gè)自動(dòng)校準(zhǔn)電路卡，可與每個(gè)傳感器連接，使評(píng)估更容易。校準(zhǔn)PCB可以通過(guò)板載Molex 70553-0038四針接頭與幾乎任何光電傳感器連接。該電路提供自動(dòng)校準(zhǔn)，因此提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)利用可能在任何類型的傳感器上提供的全系列生產(chǎn)設(shè)備。該電路允許工程師補(bǔ)償光電系統(tǒng)中存在的制造變化，溫度變化和器件老化。

圖1：OPTEK Technology的OCB100-Kit。

OCB100系列旨在最大限度地減少因制造差異，溫度變化和器件老化而導(dǎo)致的光器件變化。通過(guò)OCB100，設(shè)計(jì)工程師可以減少許多系統(tǒng)中存在的傳感器到傳感器的差異。通過(guò)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供預(yù)先校準(zhǔn)的傳感器，工程師可以提高可靠性和一致性。每次校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)都會(huì)對(duì)LED或光電晶體管的降級(jí)進(jìn)行補(bǔ)償，從而使系統(tǒng)能夠提供已知的，一致的輸出電平，從而實(shí)現(xiàn)多年的一致質(zhì)量。 OCB100系列設(shè)計(jì)用于即使斷電也能保持校準(zhǔn)設(shè)置，因此無(wú)需每次啟動(dòng)設(shè)備時(shí)都需要更快的啟動(dòng)速度。

機(jī)器人傳感器

讓我們看一下機(jī)器人應(yīng)用中使用的幾種常用傳感器，以及它們?nèi)绾伟l(fā)展以包含使它們更易于使用的高級(jí)功能。 VTI Technologies的SCC1300-D02（圖2）將陀螺儀和3軸加速度計(jì)與數(shù)字SPI接口相結(jié)合，用于制導(dǎo)系統(tǒng)，導(dǎo)航，運(yùn)動(dòng)分析和控制以及機(jī)器人控制系統(tǒng)。

圖2：SCC1300組件框圖（由VTI Technologies提供）。

該傳感器基于電容式3D MEMS技術(shù)。該組件集成了角速率和加速度傳感以及靈活的獨(dú)立數(shù)字SPI接口。雖然角速率傳感器偏置穩(wěn)定性對(duì)所有機(jī)械振動(dòng)和沖擊特別不敏感，但該組件具有多種先進(jìn)的自診斷和錯(cuò)誤調(diào)節(jié)功能。

SCC1300傳感器經(jīng)過(guò)工廠校準(zhǔn)。應(yīng)用中無(wú)需單獨(dú)校準(zhǔn)。生產(chǎn)過(guò)程中的修剪參數(shù)包括靈敏度，偏移和頻率響應(yīng)。校準(zhǔn)參數(shù)在制造期間存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器內(nèi)。在啟動(dòng)期間，從內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器自動(dòng)讀取參數(shù)。

STMicroelectronics的STEVAL-MKI062V2 iNEMO慣性模塊V2演示板（圖3）基于MEMS傳感器和STM32F103RE，這是一款基于ARM的32位MCU，具有256至512 kB閃存，USB，CAN，11個(gè)定時(shí)器，3 ADC和13個(gè)通信接口。 MEMs傳感器將加速度計(jì)，陀螺儀和磁力計(jì)與壓力和溫度傳感器相結(jié)合，提供線性，角度和磁性運(yùn)動(dòng)的3軸感應(yīng)，以及溫度和氣壓計(jì)/高度讀數(shù)。該解決方案結(jié)合了ST在小型化和傳感器集成方面的進(jìn)步。這種10-DOF（自由度）慣性系統(tǒng)代表了一個(gè)完整的硬件平臺(tái)，可用于多種應(yīng)用，包括人機(jī)界面和機(jī)器人。

為了幫助用戶開發(fā)和分析，STEVAL-MKI062V2演示套件包括一個(gè)用于傳感器輸出顯示的PC GUI和一個(gè)便于使用演示板功能的固件庫(kù)。

圖3：STEVAL-MKI052V2慣性模塊V2演示板。

對(duì)于任何想要使用低成本且簡(jiǎn)單的距離測(cè)量方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的人來(lái)說(shuō)，Parallax PING）））超聲波傳感器可以輕松測(cè)量移動(dòng)物體和靜止物體之間的距離。使用聲納測(cè)量從傳輸?shù)交夭ǖ木嚯x，并從該單元發(fā)射超聲波脈沖。

在設(shè)置PING傳感器時(shí)，您應(yīng)該意識(shí)到溫度會(huì)影響傳感器可測(cè)量的空氣中聲音的速度。如果溫度（°C）已知，公式為：

Cair = 331.5 +（0.6 x Tc）m/s

傳感器工作范圍0到70°C的誤差百分比很大（在根據(jù)數(shù)據(jù)表，其幅度為11％至12％。使用轉(zhuǎn)換常數(shù)來(lái)計(jì)算空氣溫度可以納入其程序中（數(shù)據(jù)表提供了一個(gè)例子）。

圖4：視差PING）））超聲波傳感器。

結(jié)論

鑒于快速擴(kuò)展的傳感器融合環(huán)境，傳感器校準(zhǔn)比以往任何時(shí)候都更加重要。至關(guān)重要的是，應(yīng)用程序中的每個(gè)傳感器設(shè)備都與變量的測(cè)量方式保持一致。如果不是，傳感器數(shù)據(jù)最多可能是不可靠的，并且最壞的情況是無(wú)用的。隨著先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)過(guò)良好校準(zhǔn)的傳感器將使機(jī)器人變得更加靈活，可靠，移動(dòng)，并且是越來(lái)越多應(yīng)用的理想選擇。