直接这样进行积分，而是将速率陀螺的输出与三轴加速度
(a)
(b)
计和电子罗盘的输出配合使用。
角速率陀螺的敏感轴示意
8
(2)加速度计
加速度计测量的是线加速度，包括重力加速度，因此在
物体质量准确已知的情况下，也可用作测量作用于物体的
合外力。当与加速度计固连的机体静止或低速运动时，加
速度测得的是重力加速度。
标转换矩阵 Rbe 。
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角速率和由加速度计与电 子罗盘解算出的姿态角进 行互补滤波的结构图
上图中，b 是陀螺仪测得的角速度，通过 Rbe 将其转换为在惯性坐标 系中的表示e 。角度估计值 与e 和ref (由加速度计和电子罗盘解 算出的姿态角)之间存在如下关系：
=
s
s
K
(e
s
)
s
K K
ref
=(1
12
(1)基于外部相机的运动捕捉系统 VICON和Optitrack系统均是在环境中固定安装经过校准
的高精度、快速相机系统（通常由6个、8个、12个甚至24 个相机组成），并在运动物体上贴上红外敏感标记。通过 软件控制相机同步取图，可实现对贴有标记的目标的准确 定位和跟踪。定位精度高，适用于室内定位。
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角位置和角速度测量——增量码盘
角位置测量普遍采用光电码盘，按编码方式的不同码盘可 分为绝对式码盘和和增量式码盘 • 绝对式码盘沿径向从内到外被分为多个码道，每个码道与
二进制输出的一位对应。在码盘的一侧装有光源，另一侧 对应每个码道装有一个光敏元。在码盘处于不同的转角位 置时，各光敏元根据是否受到光照输出高或低电平，形成 二进制输出，读数即对应码盘当前的绝对位置。
第2章 机器人感知
2.1 机器人的运动感知 2.2 机器人视觉 2.3 机器人语音
1
机器人的传感器通常分作两类：内部传感器和外部传感器 • 内部传感器用于测量机器人本体的运动状态，包括测量
关节角度或轮子走过的距离的码盘或轮式里程计、测量 自身旋转角速度和线性加速度的惯性测量单元等。 • 外部传感器用于环境及与环境交互的测量, 后者包括获取 外界图像的相机、获取外部声音信息的声音传感器、测 量到卫星距离来实现定位的GPS、进行距离扫描的激光雷 达等。
G(s))(e
s
)
G(s)ref
其中 G(s)= K 。显然，上式将低通滤波器 G(s) 作用于由加速度计 sK
和电子罗盘解算出的姿态角，将与其互补的滤波器 (1 G(s)) 作用于
由速率陀螺的输出变换后直接积分得到的姿态角，并将二者结合到
一起得到姿态角的估计值 。
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2.1.2机器人运动导航
机器人运动导航的首要问题是知道“自己在什么位置”。
5
绝对式码盘的输出
正转与反转时增量式码盘输出的 A相和B相脉冲的相位关系
相对式码盘的输出
当码盘正转时，A相脉冲波波形滞后π/2相角。C码道 在码盘转动一周时只对应一个脉冲输出 ，给计数系统提供一个初始的零位信号
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姿态测量——惯性测量单元
1.运动导航感知系统
测量机器人位置的方法可以分为两类：。 • 一是确定机器人的绝对地理坐标，即经纬度，如基于GPS
或北斗导航系统的定位，差分GPS定位精度可以达到厘米 级。但对GPS或北斗定位的影响因素很多，天气、高楼或 数目遮挡都可能使定位数据漂移甚至失效。 • 二是测量机器人与周围环境的相对位置，如基于外部相机 的运动捕捉系统定位、基于无线信标的UWB定位、基于环 境扫描的激光雷达定位、基于视觉的定位等。
常用于无固定基座的机器人或其它移动体的姿态测量。 惯性测量单元通常由三个正交的单轴加速度计和三个正交 的单轴速率陀螺组成，加速度计检测物体沿着三个轴向的 线加速度，而陀螺检测物体关于三个轴的旋转角速率。有 些还包含电子罗盘(三轴磁力计)。
(1)速率陀螺 速率陀螺的输出是关于（速率陀螺模块固连的）机体坐
2
2.1 机器人的运动感知
机器人的运动感知可以通过内部和外部两类传感器实 • 内部感知通过直接测量机器人本体的运动状态感知运动
变化， • 外部感知通过机器人自身携带的外部传感器或外置的传
感器测量机器人相对于环境的变化。
2.1.1 机器人运动定位
两类典型的内部运动传感器： • 关节位置和速度传感器，也可用作轮式里程计 • 用于移动机器人姿态测量的惯性测量单元
绝对式码盘(a)和增 量式码盘(b)示意图
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• 增量式码盘由A、B两个码道和用于确定基准位置的C码道 组成。A码道和B码道由数目相等、分布均匀的透光和不透 光的扇形区组成，在位置上相互错开半个扇形区；C码道 只有一个扇形区。同样在码盘的一侧装有光源，另一侧对 应A、B、C码道各装有一个光敏元。当关节转动带动码盘 旋转时，A、B码道对应的输出为相位相差90°的脉冲信号 ，分别称作A相脉冲和B相脉冲。在等速运动时对应A、B码 道的测量信号是等宽脉冲信号，转速越快，脉冲的频率越 高，因此可通过对A相脉冲或B相脉冲进行计数测量码盘转 过的角度，而脉冲的频率则代表了转速。 此外，还可根据A相脉冲波形和B相脉冲波形的相位关系来 判断码盘转动的方向。
存在较大高频噪声；而速率陀螺仪的动态响应很好，但是存 在零漂，也就是测量数据带有低频噪声。因此，在实际使用 中，往往通过数据融合，将加速度计数据中的高频噪声与陀 螺仪数据中的低频噪声滤掉，从而获取良好的姿态角数据。
值得注意的是，加速度计和数字罗盘通过重力投影与地磁
通量解算出的姿态角参考值是在惯性坐标系 E 下的，而陀螺 仪测得的角速度是机体坐标系 B 下的测量值，因此要引入坐
当机体静止加速度计测得的近似为重力加速度；物体的姿
态变化后，重力加速度在三个正交轴上的投影。
偏航角度需要用
g
3g
2
检测地磁场方向
1g
2
的电子罗盘测量。
(a)机体水平且静止
(b)机体关于俯仰轴旋转-30°
旋转前后加速度计对应的三轴朝向
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(3)姿态解算——互补滤波 加速度计的静态特性相对良好，但容易受到震动等影响，
标系的三个轴的旋转角速率，机体坐标系是动坐标系。一 般安装情况下，三轴陀螺测量俯仰(pitch)轴、横滚(roll) 轴和偏航(yaw)轴角速率。
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理想情况下，将速率陀螺的输出经过坐标变换转换为惯
性坐标系下的欧拉角速度后，在已知初始状态的前提下，
可以通过积分获得当前的姿态角。但由于速率陀螺的输出
存在噪声和零漂，尤其是对于廉价的速率陀螺，往往不能