关键词：机器人；智能化；感知系统；传感器
1.引言
智能机器人是一类类似于人类的智能化机电设备，具有感知、决策、思考、学习、执行的高科技综合体，能够实现半自主或全自主的工作，随着社会经济的不断发展和生产力的持续提高，智能机器人已经成为智能装备、设备工具、高端服务和消费品的代表。按照不同的领域，智能机器人用于工业生产过程和装备制造的分类称为工业机器人，用于人们日常生活和家居服务的分类称为服务机器人，用于海洋、太空探险或从事某些特殊环境下作业的机器人称为特种机器人。智能机器人是现代工业社会中各种高端科技的综合，从本质上分析，其涉及到机械材料、电子信息、自动控制、计算机科学、模式识别、智能感知、人工智能、实时通信等多个科学技术领域。智能机器人的出现是人类社会的一次重大革命，其目的是辅助或代替人类从事某些复杂、繁重甚至危险的工作，大大提高了人的工作效率和社会的生产力，拓展了人类的工作和活动范围，是“第三次工业革命”的重要组成部分之一。
2.智能机器人传感系统
感知在智能机器人系统中起两个作用：释放行为、支持或引导行为的动作。所有传感器都是隶属于行为的， 一些行为可能会选择相同的传感器，但对数据的使用则是各自独立的。智能机器人的特点是行为大部分都是激励－响应形式，这种激励—响应基于直接的感知而不是机器人的记忆。认知与反应是不兼容的。理论上智能机器人要成功必须要有可靠的感知，因为感知与动作是紧密相连的。而要在实践中成功，则机器人必须有快速刷新的感知硬件和软件。
不论传感器硬件和应用情况如何，感知和传感器都可以看成是环境与机器人之间的相互作用。变换器 (transducer) 和传感器 (sensor) 经常交替使用。变换器是一种传感器机构或元件，可以把能量从一种形式转换为另一种形式进行度量。传感器接收能量并转换为信号传送给显示设备或计算机处理系统。传感器使用变换器把输人信号（声、光、压力、温度等）转换为机器人可以使用的模拟或数字形式。智能机器人中感知图式截取传感器观测结果，从 环境中提取相关感知数据供行为使用。运动图式则使用感知，并产生动作。
不同的传感器测量不同形式的能量，导致不同类型的处理过程。检测相同形式的能量并用类似方法进行处理的传感器就形成为一种传感器形态( modality )。传感器形态与输入传感器的原始输入如声音、压力、温度和光有关。从某些方面来看，形态就像人的五官感觉一样。形态还可以进一步细分，比如视觉可以分成可见光、红外光、X射线以及其他形态。
3.智能机器人典型传感器
3.1传感器属性
（1）视场与感知范围：每个外部感知传感器都有一个空间感知覆盖区域。区域的宽度用传感器的视场来表示。视场通常用度来表示，其中垂直覆盖区域的度数有可能跟水平的度数不同。视场和感知范围显然是考虑传感器是否适用于某项应用的关键因素，如果机器人必须能够在10米以外检测并躲避障碍物，则感知范围为5米的传感器就不能胜任了。
（2）精度、可重复性和分辨率：精度指传感器读出数据的准确程度。但如果在相同条件下的读数只有20%是正确的，则传感器的可重复性很差。如果传感器出现一致误差（比如总是低2-3厘米），则软件程序可以通过偏置（增加2-3厘米）来补偿，如果误差是随机的，则难以建模，该传感器的应用场合也将大受限制。如果传感器计量读数的增量是1米，则它的分辨率就小千以1厘米为增量来计量读数的传感器。
（3）目标范围内的响应性：多数传感器在某些环境状况下使用时性能会下降。从另一个角度来说，这种环境下使用传感器时，我们必须能从噪声和干扰中摄取有效的信号（比如有良好的信噪比）。例如，声呐往往无法在有大量玻璃的办公室里导航。因为玻璃对声波的反射几乎不可预测因此描述出机器人小生境中哪些物体会发射、吸收或反射能量非常重要。
（4）能量消耗：能量消耗是我们必须关心的另一个因素。因为大多数机器人使用电池，消耗的能量越小则运行时间越长。例如Nomad 200带有5个电池组，如果关闭所有的传感器则电池寿命可以从4小时提高到6小时。绝大多数移动机器人能源非常有限，以至于许多机器人制造商仅仅为了减小能量消耗更换了微处理器芯片。能耗大的传感器不如能耗小的受欢迎，因为无需向环境发射能量，被动传感器通常比主动传感器耗能要小。
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（5）硬件的可靠性：传感器性能一般会受到一些物理因素的限制，比如精密度高的声呐在电压降到12伏以下时就会给出不准确的读数，除此之外，一些传感器必须考虑温度和湿度条件。
（6）尺寸：传感器的重量和体积也会影响总体设计。一个鞋盒大小的漫游车带不动大型或便携式摄像机，但也许可以使用1个微型Quick-Cam型的摄像头。但如果传感器只进行观测，而没有感知图式软件，也不能被执行行为所使用。因此，处理传感器信息的软件也是传感器选用过秤中必须考虑的部分。
3.2典型传感器
3.2.1定位传感器
智能机器人在作业过程中，需要对自身的位置进行实时定位，则定位传感器是不可或缺的，定位传感器分为惯性导航和全球定位系统（GPS），这两类传感器在机器人导航中起基础作用。飞机、潜艇和导弹都使用惯性导航系统 ( INS，Inertial navigation system )，惯性导航系统通过微型加速度计对运动进行电子测量，只要运动光滑没有剧烈震动并频繁采样数据，INS可以得出精确到移动距离0.1% 的航位测量。但是，一些原因使这项技术并非完全适用于移动机器人，INS的价格就是一大障碍，每个5万到20万美元的售价让许多厂商望而却步，价格昂贵的部分原因是需要使用稳定地测量加速度的陀螺仪以及精密电子仪器。此外，移动机器人常常不能保证运动光滑突然的倾斜或急转弯会使加速度计超出量程，出现错误，而且惯性导航只适用于距离较短的导航，由于其积分的原理，误差会随着行进路程的增加而逐步增加。GPS（Global position system），即全球定位系统，在机器人中用得越来越普遍，尤其是用做自动化农业装置（实现精细农业）的机器人。GPS通过接收在地球轨道上运行的卫星信号来工作。按收器根据4颗GPS卫星做三角测量，计算出所处位置的经度、纬度、海拔高度和速度变化。GPS本质上是一种内部感知传感器，因为其必须接受处于机器人外部的卫星信号。GPS的优点是误差不会随着时间的增加而增加，可以实时修正偏移。
3.2.2接近觉传感器
接近觉传感器用于测量传感器与环境中物体之间的相对距离。因为传感器安装在机器人上，简单计算就可以把相对于传感器的距离转换为相对于机器人整体的距离。大多数接近觉传感器都是主动的。声呐，也称为超声传感器，是最常用的接近觉传感器。其次是红外、碰撞和接触传感器。
超声传感器可能是商业化的室内机器人和研究用机器人最常用的主动传感器，其原理是发射声音并测量声音发出到返回之间的时间间隔，即传播时间。已知传播时间和声音在环境中的传播速度就足以计算出物体的距离，精密的超声传感器通常会考虑声音速度随海拔高度变化的因素。超声传感器虽然便宜、快速、测距范围大，但也有许多必须注意的缺点和局限。超声传感器要依靠反射，因此对镜面反射非常敏感。镜面反射指波束射在成锐角的表面上时，反射波将远离变换器。理想的情况是所有物体都有一个垂直于变换器的平整表面，当然这种情况很难遇上。比较糟糕的情况是反射波弹向了另一个物体，经过无规则弹射然后恰巧以一定的路径回到了变换器。这种情况下，传播时间与实际距离会不一致，导致误差的出现。
接触传感器是模仿触须或触角而制作的一些机械电子装置，只是不如动物身上的触觉灵敏。触须与物体的接触会触发一个二元开关，进而产生触觉信号传输到中央处理系统。碰撞和接触传感器实际上就是触觉传感器，因为它们都要在机器人接触到东西时才产生输出数据。在智能机器人感知触觉时，它们不能用红外传感器来代替，因为红外传感器在近距离工作时往往很不可靠。
3.2.3计算机视觉传感器
计算机视觉是指任何以电磁波图像形态的传感器数据为处理目标而进行的数据处理过程。图像其实是一种数据的表示方法，在计算机中，每一个图像按照分辨率可以划分为若干个小格，每一格可以用一个像素点表示。而对于视频来说，其可以分为若干帧图像。计算机视觉包括摄像机，它根据人类可见的电磁光谱生成图像，除此之外，其他的技术例如热传感器，X射线机、激光测距仪和合成孔径雷达也和计算机视觉配合使用。因为摄像机的价格下降和小型化，简单的计算机视觉使用得越来越普遍。
4.结束语
智能机器人以其自主的行动能力和智能化的决策判断，已经在社会的各个领域被广泛的应用。传感器是机器人感知外界环境的必备装置，相当于人类的五官，如果没有丰富多彩的传感器，机器人的智能化只是空谈。目前，机器人上的传感器还存在精度低、能耗大、种类单一、通用性不强等缺陷，只有解决这些问题，智能机器人真正服务于人类的愿景才能最终实现。
参考文献
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论文作者:甄宇霖
论文发表刊物:《科技中国》2018年5期
论文发表时间:2018/8/10
标签：传感器论文; 机器人论文; 智能论文; 变换器论文; 环境论文; 能量论文; 反射论文; 《科技中国》2018年5期论文;