Chap5 Sensors and Actuators¶
Overview of Sensors and Actuators¶
传感器是测量物理量的一种装置，执行器（作动器）是改变物理量的装置
Sensor & Actuator
- Sensor
- A sensor is a device that measures a physical quantity
- Cameras( 相机 )、Accelerometers( 加速度计 )、Gyroscopes( 陀螺仪 )、Barometer( 气压计 )、Strain gauges( 应力仪 )、Magnetometers( 磁力计 )、Radar/Lidar( 雷达 / 激光雷达 )
- Actuator
- An actuator is a device that modifies a physical quantity
- Solenoids( 电磁阀 )、Valves( 阀门 )、Loudspeakers、LCD( 液晶显示屏 )、LED( 发光二极管 )
传感器
- 磁力仪
- 功用：测量磁场强度和方向
- 原理：霍尔效应
- 加速度计
- 功用：导航、定向、跌落检测、图像稳定、气囊系统
- 原理：弹簧 - 质量 - 阻尼系统、牛顿定律
- 难点：区分倾斜和加速度、振动干扰、弹簧或阻尼器的非线性特性、二次积分获取位置
- 陀螺仪
- 功用：测量方向变化
- 原理：萨格纳克效应
- 应变仪
- 功用：测量物体表面应变
MPU6050：InvenSense 公司的芯片，集成加速度计和陀螺仪，同时检测三轴角速度和三轴加速度
Inertial Navigation Systems( 惯性导航系统 ): GPS for initialization and periodic correction、three axis gyroscope measures orientation、three axis accelerometer double integrated for position after correction for orientation
Design Issues¶
Design Issues
- Calibration- 标定 / 校准
- Relating measurements to the physical phenomenon
- Can dramatically increase manufacturing costs
- Nonlinearity- 非线性
- Measurements may not be proportional to physical phenomenon
- Correction may be required
- Feedback can be used to keep operating point in the linear region
- Sampling- 采样
- Aliasing( 混叠 )
- Missed events
- Noise- 噪声
- Analog signal conditioning( 模拟信号调节 )
- Digital filtering( 数字滤波 )
- Introduces latency( 引入延迟 )
- Failures- 错误
- Redundancy( 冗余 )(sensor fusion problem)
Nonlinearity¶
线性与仿射模型
传感器可以由一个仿射函数进行近似建模。假设传感器在 t 时刻给出物理量 x(t) 的值为 f(x(t))
Linear model( 线性函数 )：\(f(x(t))=ax(t)\)
Affine model( 仿射函数 )：\(f(x(t))=ax(t)+b\)
a: sensitivity( 灵敏度 ), b: bias( 偏置 )
传感器的量程（range）有限，测量范围范围外的物理量会出现饱和（saturate
仿射模型可扩展为
动态范围
数字传感器无法区分物理量的两个间距极近的数值
传感器的精度（presicion）p 是传感器读数可区分的物理量的两个值之间的最小绝对差
动态范围（Dynamic Range）定义为
动态范围通常以分贝（decibels，dB）为单位进行测量
Sampling¶
Noies¶
Faults in Sensors¶
Marzullo's Algorithm
马祖诺传感器融合算法：
- 公理：若传感器无故障，其区间包含真实值
- 观察：真实值必定处于无故障传感器区间的重叠区域
- 共识（融合）区间（用于在 n 个传感器中容忍 f 个故障
） ：选择包含所有“n−f 个传感器区间重叠部分”的区间
Schmid and Schossmaier's Method
马祖诺算法会产生极大的不连续性（不连续问题：如果有传感器的测量值区间发生略微变化，可能导致最后的判定结果有跳变）
考察 n 个传感器有 f 个故障的情况，选择区间是从 (f+1) 个最大的下界到 (f+1) 个最小的上界，这个选择在满足连续性条件下是最优的
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