傳感技術(shù)的進(jìn)步簡(jiǎn)化了機器人設計制造過(guò)程

過(guò)去，機器人制造是一個(gè)非常困難、容易出錯且耗時(shí)的過(guò)程，因為采用由分立元件構成的裝置實(shí)現對環(huán)境的感應，而這些裝置中很多部件都不能有效地協(xié)同工作，處理器缺乏足夠的能力從多個(gè)傳感器收集信息并處理這些信息。下面我們以超聲波距離傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明機器人設計制造的過(guò)程。

構建超聲波傳感器首先需要一個(gè)超聲波換能器，然后搭建一些接口電路用來(lái)發(fā)送脈沖，以及記錄返回信號的時(shí)間。連接機器人處理器的接口由指示測試起始時(shí)間的輸出信號以及回聲探測定時(shí)器計數值的輸入信號組成。處理器獲取所用的總時(shí)間并將這個(gè)時(shí)間轉換成距離。如果需要處理多路回聲，硬件則會(huì )變得更加復雜。這種設計不僅受軟硬件局限性的困擾，而且所有的東西都在內部生產(chǎn)，因此增加了成本和上市時(shí)間。隨著(zhù)時(shí)間推移，處理器的功能變得越來(lái)越強大，以往由單獨硬件處理的任務(wù)都可由處理器完成。

通過(guò)處理器執行回聲返回處理任務(wù)，可以開(kāi)發(fā)出復雜的多路回聲處理算法。這樣一來(lái)降低了硬件部分的復雜度，從而降低了成本，不過(guò)軟件編程過(guò)程依然耗時(shí)，因為大多數硬件及其軟件驅動(dòng)程序是定制的。由于軟件變得更加復雜，因而使當時(shí)的處理器負擔很重。那時(shí)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常使用多個(gè)處理器，然而卻導致潛在的競爭條件、死鎖以及一些很難重現的各種奇怪問(wèn)題。

圖1：超聲波距離傳感器系統框圖

圖2：帶輔助處理器的聲納系統

今天，使用現成的、配有各種硬件外設的微控制器或微處理器板已相當普遍。這些外設通常提供硬件接口輔助功能，例如定時(shí)器和通信總線(xiàn)，常見(jiàn)的通信總線(xiàn)有RS-232、USB、I2C或CAN總線(xiàn)。使用接口驅動(dòng)器減輕了軟件實(shí)現的負擔。目前很多傳感器利用常見(jiàn)總線(xiàn)進(jìn)行通信，從而簡(jiǎn)化了接口設計。

許多傳感器還增加了處理能力，從而可以收集經(jīng)過(guò)預處理的更高級別的數據。傳感器的工作不是傳送收發(fā)聲納回聲信號所需的時(shí)間（毫秒），而是報告距離某個(gè)物體的遠近（毫米），收集到的數據可以得到更有效的處理。這樣主處理器就不必進(jìn)行低級別的運算，而去從事更高級別的任務(wù)，例如定位和繪制地圖。

借助于大量現成的傳感器接口（例如通信鏈路、軟件驅動(dòng)器以及處理檢測數據的算法），研發(fā)工程師就可以更快速地開(kāi)發(fā)和提出解決方案，從而贏(yíng)得面市時(shí)間上的優(yōu)勢。開(kāi)發(fā)機器人功能的負擔從研發(fā)工程師轉移到了傳感器提供者身上。

傳感器系統將繼續受到低成本處理能力以及數據處理算法的影響。受這種增長(cháng)影響最大的是“傳感器融合”，即傳感器數據流由多個(gè)傳感器收集并處理，以產(chǎn)生智能且精確信息流。傳感器數據融合在一起，形成單一的環(huán)境。如圖四所示，將紅外距離傳感器與聲納配合，可以探測到多種材料和情形，這是單個(gè)器件所不可能獨立實(shí)現的。

圖3：超聲波和紅外傳感器“融合”在一起

成熟的軟件算法拓展出很多令人激動(dòng)的領(lǐng)域，例如面部識別。幾年之前，由于處理能力不足，還無(wú)法實(shí)時(shí)實(shí)現這種功能。而現在，已有產(chǎn)品可以實(shí)時(shí)處理眾多面孔識別。很快，傳感器系統將不再僅僅報告“目標在前方2米處”，而是報告“某某人在前方2米處”。

定位和地圖描繪是另外一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，近年來(lái)業(yè)界對此技術(shù)的興趣不斷增加。已經(jīng)有多種現成的SLAM（同步定位與地圖描繪）算法實(shí)現可被免費使用或只需支付很低的費用。這種趨勢在很多軟件領(lǐng)域都在出現，并且會(huì )繼續發(fā)展。

在立體視覺(jué)領(lǐng)域也出現了令人激動(dòng)的增長(cháng)。單個(gè)相機所產(chǎn)生的數據量可能非常大，但是立體視覺(jué)使數據量更大，因為需要兩部相機同時(shí)工作。這在通信鏈路、處理能力和軟件算法成熟之前，只是一個(gè)遙遠的可能性。而今，現成的系統就可以實(shí)現距離探測。隨著(zhù)這些系統不斷改進(jìn)，它們的速度和精度使其成為其他形式的距離測量可選方案。超聲波、紅外和立體視覺(jué)的“融合”系統將能夠在任何環(huán)境中工作。

未來(lái)，傳感技術(shù)將不斷發(fā)展。機器人能夠有效處理的傳感器數量將具有與摩爾定律所預測的“晶體管集成速度”相似的增長(cháng)曲線(xiàn)。 光纖傳感器相關(guān)文章:光纖傳感器原理