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RoboMaster 技术智囊团，用简单的方式带你入门机器人知识，每周日准时更新。
目前，有些先进的机器人和人类一样，有感官和知觉，比如你推倒它，它会自己爬起来；你打它一下，它会把头转向你；它看到了障碍，会自己绕开……这种自动化或半自动化的机器人不需要人工操作，就可以自己完成这些动作。
可以保持平衡的机器人
人类通过各种感官系统来认识世界，比如触觉、嗅觉和味觉等等，对于下图的萝卜君，我们通过视觉，知道它是一个橙色的、戴着绿帽子的胡萝卜；通过听觉，知道它是一个贱萌的汉子；还可以通过味觉，尝出萝卜君的炒胡萝卜丝味。那机器人是通过什么感知世界的呢？
通过视觉认识萝卜君
机器人也是通过感知系统来感知世界，这个感知系统是通过各种各样的传感器组成的。传感器可以感受外界的信号，如光、热、烟雾、压力和湿度等等，并将信息传递给下一级装置，机器人得到外界信息就可以做出相应的对策。传感器让冷冰冰的物体有了感官。
传感器有很多种，按照应用分类就有温度、压力、PH、浸水和称重传感器等等，你能想到的需要测量的属性，几乎都有对应的传感器。我们可以根据需要的功能，选择对应的传感器，例如下图汽车上应用了不同功能的传感器。
汽车上的传感器
不同功能的传感器所运用的原理也不同，按照原理分类就有超声波、紫外线、电量、磁敏和加速度传感器等等，不同原理的传感器也会带来使用效果上的差别。
传感器随处可见，楼道里的烟雾探测器、监控摄像头里的图像传感器、公交卡读卡器……这些都是传感器。能够灵敏地感知外界环境的变化，拥有强大功能的传感器到底是什么？
传感器（Sensor）
传感器就是能感受到被测量的信号，并能将这个输入信号按照一定规律转换成输出信号的器件或装置。假设机器人被打一下，压力就是输入信号，传感器按照自己的规则，将它换成头部能看懂的信号，头部收到输出信号就会有所反应。
传感器感知外界
输出信号往往是指电信号，电信号可以是电压或电流，很容易被传送和控制，能够很方便地被传输、处理和存储。传感器一般由敏感元件和转换元件组成，典型的传感器结构可以用下图表示。
敏感元件和转换元件的位置
本文主要介绍几种机器人身上常用的传感器，它们可以帮助机器人实现一些基础的功能，例如躲避障碍物、调整站姿和识别物体等等。
超声波距离传感器
机器人想要正常行动，就要知道周边是否有障碍，所以机器人和外界的距离是最经常用的信息。要做精致高贵的机器人，就要和外界保持距离，不然，就会变成一台不优雅的碰碰车。
疯狂撞墙
用于测距的传感器非常多，比较简单的超声波传感器了，它利用超声波进行距离探测。虽然初中学过超声波，但估摸着大家都忘了，超声波就是高于 20KHZ 的声波，而超声波传感器利用的一般是频率在 0.25MHZ 到 2MHZ 的声波。（1MHZ=1000KHZ，人类听到的是 20HZ~20KHZ）
超声波传感器
它的原理非常简单：声音的反射。传感器发射出超声波，超声波撞到物体后弹回来，传感器再接收超声波，通过时间差来测距。这种传感器有很多类型，但无论是哪种，它的原理都是一样的。
超声波传感器原理图
上面两个圆柱就是超声波发射接收器，它将电信号转化为超声波信号发送，又将接收到的反射信号转化为电信号，然后递送给下一级处理器，就可以计算出距离了。
一个典型的超声波发射接收器
我们设定传感器距离一个物体的距离为 d，传感器发出超声波信号到接收反射信号的时间差为 t，一般情况下，传输介质是空气，声音的传播速度是常数 v = 340m/s，那么所测距离 d 满足：
常用的超声波距离传感器有 HC-SR04 超声波距离传感器，因为它简单、好操作还便宜。那现在想知道 d，就差 t 了，我们以 HC-SR04 为例，来找到 t。
经典的 HC-SR04 超声波距离传感器
HC-SR04 有四个端口：供电的 Vcc 端、接地的 GND 端、控制发射超声波信号的 Trig 端，以及反馈所测距离，向更高级的处理器发射电信号的 Echo 端。
控制器在 Trig 端给予一个宽 10μs 的高电平信号，传感器就向外界物体发送 8 个频率为 40kHz 的超声波信号。发送完后，怎么计时呢？这时，Echo 端就会输出高电平，然后，计时开始！滴答滴答……超声波碰到物体后被弹回来，传感器接收到信号，计时结束！高电平停止输出。
工作过程
最后，通过时间间隔，就可以算出这个物体和超声波传感器的距离啦。
红外测距传感器
除了超声波，还有很多其他可以被反射的媒介能被用于测距。在机器人领域中，性价比较高的是红外测距传感器。
一款常见的红外测距传感器
聪明的你一下就猜到了，它是用红外线来测距的。而且相比声波，光信号更集中，不易扩散，就像我们会说“一束光”，而不说“一束声音”，所以它的精度更高。而且光的速度更快，在一定测量范围内，也不会因为测量时间的延误导致机器人撞墙。
能够快速避障的机器人
红外线测距传感器大致由一个红外线发射器和一个 CCD 检测器组成。CCD 检测器可以检测到被反射回来的光线，在很多数码相机和手机相机都用它来成像。
红外线十分有个性，即使被反射回来也不走回头路，非要拐一个弯再回来，我们把它叫做三角测量原理。相比起光线原路返回，三角原理允许外界物体不在发射器的正前方，有更高的容错率。
三角测量原理
那怎么检测距离呢？以上图为例，反射光线距离 CCD 检测器中心线偏移了长度 L，那么已知发射角度 α，中心距离 X 以及滤镜的焦距 f，我们可以通过几何关系得到传感器到物体的距离 D：
为了能更直观的反应出这个需要探测的偏移值与物体距离的关系，我们可以用物体的距离 D 来表示偏移值 L，表现为：
通过这个关系可以发现，当物体的距离 D 足够小时，L 值大小会趋近于 X，而这个 X 值一般情况下要大于 CCD 检测器所能允许的最大偏移值，导致太近的物体无法被检测到。而当物体的距离 D 足够大时，L 值大小会趋近于 ftan(α)，与此同时当物体较远的时候发射角往往很小甚至趋近于 0，即 L 值也会很小，再次检测实效。
所以红外测距传感器探测范围会比超声波测距传感器更小，使用的距离限制更多，想要更好地测量物体的距离，就需要更高分辨率的 CCD 检测器。（更高分辨率可以更好分辨出两个点）
有些小伙伴就会想，如果用上述两种测距传感器，我往左侧发射信号，但是障碍在右侧怎么办？聪明的人类想到一个绝妙的办法，那就是——多安装几个，往各个方向都发射信号就好了。大概像这样：
假装发射信号
惯性测量单元（IMU）
机器人可以躲避前方的障碍，却躲不过脚下的坎坷。如果人类被石头绊了一跤，会马上调整重心，重新站稳，那机器人要如何知道自己目前的姿态，以调整出想要的新姿势呢？
姿态调节不好的机器人
这时，就用到惯性测量单元，这是个可以测量物体三轴角速度和三轴加速度的装置。三轴是指三个方向，也就是测出三个方向角速度和加速度。对于不同应用，三轴表示的方向也会不同。
例如，三轴角速度是在欧拉角坐标系上三个方向的角速度。
欧拉角坐标系 roll 是耳朵贴肩膀、pitch 是点头、yaw 是摇头
三轴加速度是在直线立体坐标系中的三个方向的加速度。
直线立体坐标系 x 是左右，y 是前后，z 是上下
如果两个坐标系合体，铛铛～就变成了六轴，是不是惊喜又意外！
一个典型的 IMU 会包含三轴加速度计（测加速度）和三轴陀螺仪（测角速度），也有些会加入三轴磁力计（测磁场大小，获得磁场指向），其中涉及到了两种坐标系，这就是六轴传感器。
由三轴陀螺仪和三轴加速度计组合而成
得到了加速度和角速度还不够，机器人依然是一脸懵逼，不知道自己的姿态（姿态指欧拉角坐标系的三个角度），这时就需要输出这些物理量，让下一级处理器进行姿态解算，就能得到自己目前的姿态了。生活中，手机的重力感应、计步器手环等等，都需要检测和解算姿态。
重力感应
具体的解算方式比较繁杂，推荐阅读两个简单的姿态解算例子（复制链接至浏览器）： 1、Arduino 教程——MPU6050 的数据获取、分析与处理： https://zhuanlan.zhihu.com/devymex/20082486 2、如何使用 MPU9250 获取实时运动数据： https://create.arduino.cc/projecthub/30503/using-the-mpu9250-to-get-real-time-motion-data-08f011
图像传感器
现在机器人终于可以自如地在路上行走，不用担心它撞墙或者被绊倒了，但这时机器人就像拄着拐杖的盲人，无法看到物体，我们需要让它的眼睛（摄像头）能够感知光线，这就用到了图像传感器。以前提到的视觉识别算法，都是需要摄像头感知光线然后输出图像才能完成的。
镜头中的图像传感器
图像传感器可以把收集到的光信号转化成电信号，比较常见的有感光耦合原件 （CCD）和互补式金属氧化物半导体有源像素传感器（CMOS）。这里的 CCD 就是红外传感器里的检测器。
光信号转化成电信号
CCD 图像传感器
CCD 图像传感器是一个基于模拟信号的设备。传感器上有很多光敏电容排成队伍，图像或者光信号通过透镜，投影到光敏电容的阵列上，每个电容都会积累一定的电荷，入射光越强，电荷越多。
电容阵列积累电荷
接受光线后，每个电容就会把自己的电荷传给相邻的下一个电容，电荷会被传到最后一个电容，最后一个电容就把电荷传给电荷放大器，电荷就被转化为电压信号。只要循环这个过程，控制回路可以把整个阵列中的电荷转化为一系列的电压信号。电压信号会被下一级处理器转换为数字信号。
CCD 图像传感器的原理
CMOS 图像传感器
CMOS 图像传感器是一类利用 CMOS 半导体的有源像素传感器。它身上有很多光电二极管，每个二极管附近都有对应的电路，直接将光信号转换成电压信号，不需要一个一个地传递电荷。同样，下一级处理器也会将电压信号转换为数字信号。
CMOS 图像传感器的原理
两种图像传感器比较，CCD 图像传感器灵敏度更高，也更加具有抗噪声的能力。但由于工艺上的限制，CCD 上的敏感元件和信号处理电路处在不同的电路中，不像 CMOS 能将整个图像系统集成在一块芯片上，所以体积更大和功耗更大。
图像传感器
传感器的应用
如今，传感器的运用已经非常广泛，我们需要在特定的环境下合理选择传感器。
例如无人机的自动避障功能，一般不使用红外测距传感器和超声波测距传感器，因为红外线会被黑色物体吸收，会穿过透明物体，而超声波会被海绵等物体吸收，容易被桨叶气流干扰。
一般使用图像传感器，让两个平行的摄像头进行拍摄，根据两幅图像之间的视觉差异，经过一系列复杂的算法来计算出特定点的距离。
两个摄像头避障
除了避障，无人机还需要精确地测量自己的高度，所以会在底部安装超声波距离传感器，辅助它在一定范围内完成精确的高度测量。
两个超声波距离传感器
如果看了这么多期智囊团，技术已经过硬，想拼装出一台无人机，就需要对无人机的姿态进行精确的测量，才能控制它，这其中就会用到惯性测量单元。
◆◆◆
机器人的智能化离不开传感器的发展，随着工艺的提升，传感器也越来越小型化、多用化和智能化。本文只是介绍了几种最常见的传感器，相信随着发展，会出现更先进的传感器，为我们的生活带来更多便利。
本期作者
新加坡南洋理工大学 许悦聪 深圳职业技术学院 RoboMaster 战队顾问 没事爱造无人机，热爱机器学习的博士生 ``
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