機(jī)器人大賽中常用傳感器簡介

張志強(qiáng)+李奕豪+魏居垚+齊鴻

摘 要：隨著科技日新月異的發(fā)展，智能機(jī)器人也在加速發(fā)展。作為機(jī)器人的最重要的組成部分之一的傳感器就顯得尤為重要。傳感器是一種把特定的被測量信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置。傳感器之于機(jī)器人相當(dāng)于五官之于人類，沒有傳感器，機(jī)器人也就毫無作用。近幾年，全國大學(xué)生機(jī)器人大賽也逐漸吸引了大眾的目光，國內(nèi)乃至國外眾多大學(xué)均參加此類比賽，Robocon作為全國大學(xué)生機(jī)器人大賽的一種，其中各個(gè)學(xué)校在比賽中運(yùn)用了眾多的傳感器，值得我們?nèi)W(xué)習(xí)，總結(jié)，反思，創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：全國大學(xué)生機(jī)器人大賽傳感器 Robocon

全國機(jī)器人大賽Robocon自舉辦以來，所設(shè)題目均非常有特色，聯(lián)合實(shí)際而又超越實(shí)際，所實(shí)現(xiàn)的某些功能也非常具有意義跟挑戰(zhàn)性。每年的題目大致分為兩類：一類競技型，一類速度型。競技型如2015年的“羽球雙雄”，2017年“降落的飛盤”，速度型如2014年“舐犢情深”，2016年“清潔能源”。雖然每年題目大不相同，但是各個(gè)高校所用到的傳感器還是值得去總結(jié)，反思并且創(chuàng)新。

紅外對管，一種比較傳統(tǒng)的傳感器。紅外對管是紅外線發(fā)射管與光敏接收管，或者紅外線接收管，或者紅外線接收頭配合在一起使用時(shí)候的總稱。最初機(jī)器人大賽的場地圖大多是由線條的，機(jī)器人循跡運(yùn)動(dòng)最基本的方法就是使用紅外對管。紅外對管使用簡單，價(jià)格低廉，性能可靠，目前為止還是很多學(xué)校的不二選擇。

光纖放大器傳感器是運(yùn)用于光纖通信線路中，可以實(shí)現(xiàn)將信號放大的一種新型全光放大器，此技術(shù)就是在光纖的纖芯中摻入可以產(chǎn)生激光的稀土元素，通過激光器提供的直流光激勵(lì)，使通過的光信號得到放大。2016年清潔能源比賽中，場地的顏色不一，紅外對管的性能受到極大的影響，所以部分學(xué)校使用光纖放大傳感器來設(shè)置閾值，化解了顏色不一這一難題，不失為一種好方法，不過光纖放大傳感器的體積相對紅外對管大很多，也昂貴很對。

既然紅外對管無法適應(yīng)多種顏色地圖，所以不少高校開始使用攝像頭進(jìn)行循跡。所使用的攝像頭大體分兩類，一類CCD，一類CMOS。二者在原理上并沒有太大的區(qū)別，目前使用CCD較多，CCD效果更好，而CMOS受光線影響較大，處理起來相對麻煩點(diǎn)。使用攝像頭時(shí)，不少學(xué)校也使用補(bǔ)強(qiáng)光的方法去減少外界光線干擾。

正交碼盤加陀螺儀，這無疑是強(qiáng)校的一種象征。利用兩個(gè)相互垂直的碼盤測出機(jī)器人在X，Y方向的唯一，使用陀螺儀測出角度，加速度等參數(shù)，由此通過微分積分算出機(jī)器人行走的位置以達(dá)到定位的效果，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在底盤上，是的行走效率大大提高，整體穩(wěn)定性也相對提高，目前國內(nèi)機(jī)器人大賽中的強(qiáng)校大多已經(jīng)開發(fā)出這類技術(shù)。

雙目視覺，上面提到的攝像頭均是置于機(jī)器人之上的，但是也有將兩個(gè)廣角的攝像頭置于場地兩個(gè)位置，由此觀察到場地所有的情況，攝像頭進(jìn)行圖像建模，那么不管是我方機(jī)器人，對手的情況也將有雙目攝像頭觀察到并且發(fā)送數(shù)據(jù)給我方機(jī)器人進(jìn)行處理，策略型比賽中這種傳感器成為一種利器。

類似于雙目視覺，還有一種傳感器也是置于場地四角，這就是基站定位的方法?；径ㄎ皇褂梦鍌€(gè)無線模塊，四個(gè)置于場地四腳，還有一個(gè)置于機(jī)器人上，通過各自的通信來確定機(jī)器人距離四個(gè)基站的位置，也就確定了機(jī)器人在場地上的位置，性能相當(dāng)比較可靠，不過也容易受到無線設(shè)備的干擾。

除了底盤外，在檢測一些運(yùn)動(dòng)的時(shí)候還需要其他傳感器的輔助，光電開關(guān)無疑是運(yùn)用非常廣泛的一種。光電開關(guān)傳感器是利用光束如近紅外線和紅外線的來檢測、判別物體。通過光電裝置瞬間發(fā)射的微弱光束能被安全可靠的準(zhǔn)確的發(fā)射和接收。光電開關(guān)是可調(diào)距離的，使用很方便，體型相對較小，所以應(yīng)用廣泛。不過在強(qiáng)光環(huán)境下也會(huì)受到很大的影響。

超聲波作為一種測距傳感器不僅是在機(jī)器人方面，其他很多方面都很常見。超聲波模塊使用簡單，體型小，精度穩(wěn)定，受到大家的一致好評。不過，在一些特殊情況下，如反射聲波的平面不平等，會(huì)很大程度上影響超聲波的精度。盡管如此，在測距方面，超聲波還是主流的使用方法。

相比超聲波測距，激光雷達(dá)似乎就顯得更加高大上了。激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。由于激光雷達(dá)成本較高，僅為數(shù)不多的高校能夠使用，不過其性能的穩(wěn)定與高精度不失為機(jī)器人測距的重要方式之一。

行程開關(guān)，也稱碰撞開關(guān)，在機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行限位等功能，屬于一種結(jié)構(gòu)型傳感器，因?yàn)樵砗唵危褂梅奖憧旖?，所以運(yùn)用也非常廣泛。當(dāng)然，類似于行程開關(guān)這類的傳感器也非常多，如干簧管等，但是在機(jī)器人大賽中出現(xiàn)的行程開關(guān)使用最為廣泛。

顏色傳感器，目前市面上較普通的顏色傳感器為TCS3200，在機(jī)器人大賽中出現(xiàn)過，但是由于性能受影響很大，所以并不算是很好的解決方案。

全國機(jī)器人大賽已經(jīng)走過十多個(gè)年頭，隨著經(jīng)濟(jì)與科技的進(jìn)步，各個(gè)高校的水平也在不斷提高，各種新型傳感器相繼出現(xiàn)并非三言兩語能夠概述完。也希望全國各個(gè)高校利用全國大學(xué)機(jī)器人大賽這個(gè)平臺，多多交流經(jīng)驗(yàn)，讓祖國未來的中流砥柱擁有更大的經(jīng)驗(yàn)與收獲。