機器人傳感技術

朱大奇，男，1964年11月生，上海理工大学沪江学者特聘教授、博士生导师，机器人工程系主任，上海市“水下工程检测”技术创新服务平台主任，上海市“智能海事搜救与水下机器人”工程技术研究中心主任，上海领军人才、上海优秀学术带头人，国务院特殊津贴专家，长期从事水下机器人及其应用、智能信息处理与故障诊断研究。先后主持国家863计划与国家重点研发计划课题2项，主持国家自然科学基金重点项目2项，主持国家自然科学基金面上项目5项；主持包括上海市科委重大（重点）项目等省部级课题20项以上。以第一或通讯作者发表IEEE顶级期刊论文15篇、ESI高被引及热点论文10篇，出版《水下机器人故障诊断与容错控制技术》《人工神经网络原理及应用》《单片机原理及应用》专著教材5部，授权国家发明专利15项；获中国航海学会科技成果一等奖1项（第一完成人），上海市科技进步二等奖4项（第一完成人3项，第二完成人1项）。自主研发的“智海金枪鱼”AUV和“海寻”号ROV系统已在企业定制生产。

第1章　機器人傳感技術概述 1

1.1　傳感技術基礎 1

1.1.1　傳感器概述 1

1.1.2　傳感器的應用與發展 2

1.2　傳感器的一般特性 5

1.2.1　傳感器的靜態特性 5

1.2.2　傳感器的動態特性 10

1.3　機器人技術基礎 13

1.3.1　機器人基礎知識 13

1.3.2　機器人發展歷史 14

1.4　機器人傳感技術 16

1.4.1　機器人傳感器 16

1.4.2　機器人傳感器分類 17

1.5　思考題 19

第2章　機器人位移傳感器 20

2.1　電位器式傳感器 20

2.1.1　線繞式電位器 20

2.1.2　非線繞式電位器 22

2.1.3　電位器式傳感器的應用 23

2.2　電感式傳感器 23

2.2.1　自感式傳感器 24

2.2.2　互感式傳感器 30

2.2.3　電渦流傳感器 33

2.3　電容式傳感器 38

2.3.1　電容式傳感器的工作原理 39

2.3.2　電容式傳感器的測量原理 45

2.4　思考題 52

第3章　機器人速度與姿態傳感器 54

3.1　速度傳感器 54

3.1.1　測速發電機 54

3.1.2　多普勒測速雷達 62

3.2　姿態傳感器 64

3.2.1　機械陀螺儀 64

3.2.2　光學陀螺儀 65

3.2.3　微機電系統陀螺儀 71

3.3　思考題 73

第4章　機器人力與加速度傳感器 74

4.1　應變式傳感器 74

4.1.1　應變式傳感器的工作原理 74

4.1.2　應變片的結構與特性 76

4.1.3　應變式傳感器的測量原理 77

4.1.4　應變片的溫度誤差及補償 80

4.1.5　應變式傳感器的應用 83

4.2　壓電式傳感器 85

4.2.1　壓電效應 86

4.2.2　壓電材料 87

4.2.3　壓電式傳感器的測量原理 89

4.2.4　壓電式傳感器的應用 93

4.3　其他力/加速度傳感器 94

4.3.1　電容式力/加速度傳感器的應用 94

4.3.2　電感式力/加速度傳感器的應用 96

4.3.3　光纖光柵式力傳感器的應用 97

4.4　思考題 98

第5章　機器人導航定位系統 99

5.1　慣性導航系統 99

5.2　全球導航衛星系統 100

5.2.1　GPS的組成 100

5.2.2　GPS定位的基本原理 102

5.3　水下聲學定位系統 104

5.3.1　聲吶系統 104

5.3.2　長基線定位系統 112

5.3.3　短基線定位系統 114

5.3.4　超短基線定位系統 114

5.4　思考題 116

第6章　機器人溫度傳感器 117

6.1　熱電偶溫度傳感器 117

6.1.1　熱電偶測溫原理 117

6.1.2　熱電偶的種類與結構組成 120

6.1.3　熱電偶的使用與冷端補償 122

6.2　熱電阻溫度傳感器 124

6.2.1　熱電阻測溫原理 124

6.2.2　熱電阻的類型 125

6.2.3　熱電阻的使用 126

6.3　半導體溫度傳感器 127

6.3.1　熱敏電阻 127

6.3.2　集成溫度傳感器 128

6.4　思考題 130

第7章　視覺傳感器 131

7.1　光視覺成像傳感器 131

7.1.1　透視相機 131

7.1.2　傳感器 134

7.2　聲吶成像傳感器 139

7.2.1　側掃聲吶 139

7.2.2　合成孔徑聲吶 141

7.2.3　前視聲吶 142

7.2.4　多波束測深聲吶 144

7.3　思考題 145

第8章　觸覺與接近覺傳感器 146

8.1　觸覺傳感器 146

8.1.1　壓阻式觸覺傳感器 146

8.1.2　壓容式觸覺傳感器 147

8.1.3　壓電式觸覺傳感器 147

8.1.4　摩擦電式觸覺傳感器 148

8.1.5　觸覺傳感器的關鍵參數 148

8.2　接近覺傳感器 149

8.2.1　感應式接近覺傳感器 149

8.2.2　電容式接近覺傳感器 151

8.2.3　紅外光電式傳感器 154

8.2.4　超聲波傳感器 156

8.2.5　激光傳感器 159

8.3　思考題 161

第9章　味覺、嗅覺與聽覺傳感器 162

9.1　仿生嗅覺與味覺傳感器 162

9.1.1　人工嗅覺與味覺系統 162

9.1.2　嗅覺與味覺傳感技術分類 163

9.1.3　仿生嗅覺與味覺傳感器應用 166

9.2　聽覺傳感器 167

9.2.1　聲波的特性 167

9.2.2　聽覺傳感器的工作原理 169

9.2.3　語音識別系統 172

9.3　思考題 175

第10章　智能傳感器 176

10.1　智能傳感器的定義與特點 176

10.2　智能傳感器的體系結構 176

10.3　智能傳感器的功能實現 179

10.4　智能熱電阻溫度檢測傳感器 185

10.5　思考題 196

第11章　多傳感器信息融合 197

11.1　多傳感器信息融合技術 197

11.2　多傳感器信息融合方法 200

11.2.1　模糊信息融合方法 200

11.2.2　神經網絡信息融合方法 201

11.2.3　D-S證據理論信息融合方法 209

11.3　多傳感器信息融合應用 211

11.3.1　多傳感器信息融合故障識別 211

11.3.2　多傳感器信息融合機器人環境感知與地圖構建 215

11.4　思考題 225

附錄 226

參考文獻 240