感知系統是機器人能夠實現自主化的必須部分。這一章，將介紹一下移動機器人中所采用的傳感器以及如何從傳感器系統中采集所需要的信號。
根據傳感器的作用分，一般傳感器分為：
內部傳感器（體內傳感器）：主要測量機器人內部系統，比如溫度，電機速度，電機載荷，電池電壓等。
外部傳感器（外界傳感器）：主要測量外界環境，比如距離測量，聲音，光線。
根據傳感器的運行方式，可以分為：
被動式傳感器：傳感器本身不發出能量，比如CCD，CMOS攝像頭傳感器，靠捕獲外界光線來獲得信息。
主動式傳感器：傳感器會發出探測信號。比如超聲波，紅外，激光。但是此類傳感器的反射信號會受到很多物質的影響，從而影響準確的信號獲得。同時，信號還狠容易受到干擾，比如相鄰兩個機器人都發出超聲波，這些信號就會產生干擾。
傳感器一般有以下幾個指標：
動態范圍：是指傳感器能檢測的范圍。比如電流傳感器能夠測量1mA－20A的電流，那么這個傳感器的測量范圍就是10log（20/0.001)=43dB.如果傳感器的輸入超出了傳感器的測量范圍，那么傳感器就不會顯示正確的測量值了。比如超聲波傳感器對近距離的物體無法測量。
分辨率：分辨率是指傳感器能測量的最小差異。比如電流傳感器，它的分辨率可能是5mA，也就是說小于5mA的電流差異，它沒法檢測出。當然越高分辨率的傳感器價格就越貴。
線性度：這是一個非常重要的指標來衡量傳感器輸入和輸出的關系。
頻率：是指傳感器的采樣速度。比如一個超聲波傳感器的采樣速度為20HZ，也就是說每秒鐘能掃描20次。
下面介紹一下常用的傳感器：
編碼器：主要用于測量電機的旋轉角度和速度。任何用電機的地方，都可以用編碼器來作為傳感器來獲得電機的輸出。
電子羅盤：可以檢測機器人與地球南北極之間的角度，從而獲得機器人的朝向。但是精度很低。而且任何磁性物體都會造成羅盤失靈，比如揚聲器。所以要配合其它傳感器，比如編碼器一起使用才能獲得比較好的定位效果。主要有hall-effect和flux-gate兩種：
陀螺儀：又分機械陀螺儀和光電陀螺儀。可以檢測絕對朝向。但是目前價格過高，只在飛機上采用。目前最好的光電陀螺儀能提供100KHz的采樣頻率，同時提供0.0001degress/hr的分辨率。但是價格也是同樣昂貴。
GPS系統：這個相比不需要太多的解釋。GPS系統分為標準GPS和差分GPS系統。標準GPS系統能提供15m的誤差定位，而差分GPS系統能提供高達1m內誤差的定位。如果再考慮相位差信號的話，最新的GPS設備能提供精確到10cm的定位坐標。怪不得美國人現在的導彈精確度如此之高。
超聲波傳感器：超聲波傳感器是基于TOF原理。首先發射一組聲波脈沖信號，然后一個積分器就開始計算發射時間。一個返回信號閥值接著就會被設定來接受回波信號，這個閥值會隨著時間的增加而減小，因為回波會隨著距離的增加而發散，從而強度變小。但是在剛發射信號的時候，返回信號的閥值會被設定的很高以防止發射波直接觸發接受器，但是這樣造成一個問題，就是如果檢測的距離很短，在閥值沒有下降之前，返回信號已經到達接收器，這時，接收器會認為這個返回信號是剛發出的信號，從而拒絕接受。超聲波傳感器就會有一個探測盲區，沒法這樣對近距離物體探測。一般超聲波探測器的頻率為40Hz，探測范圍為12c'm－5m，精度為98%-99.1%,分辨率為2cm。同時超聲波是一個20－40度角的面探測，所以可以使用若干個超聲波組成一個超聲波陣列來獲得180度甚至360的探測范圍。 超聲波還有其它幾個缺點，比如交叉感應，掃描頻率低，尤其是使用超聲波陣列的時候，還有回波衰減，折射等問題。不過對于移動機器人來說，超聲波還是目前最廉價和有效的傳感器。
TOF（time of flight):TOF原理就是 距離＝速度×時間，比如聲波傳輸速度是0.3m/ms,如果3m的距離，需要10ms才能到達。然后通過計算這個返回的時間差來確定距離。但是如果是光速的話，光速是0.3m/ns，同樣3m的距離，光只要10ns就到了。這就對檢測元件提出了非常高的要求。這也是激光傳感器價格居高不下的原因
激光傳感器：原理就是一個旋轉得反射鏡，將激光光束或者超聲波按一定間隔反射出去，然后根據旋轉得角度和時間差來得到不同角度得距離值。是用很典型得TOF原理。
不過對于激光傳感器而言，有3種檢測方式：
1）使用脈沖激光，按一定間隔發射激光，然后計算返回時間。這種方法和超聲波一樣，但是激光速度太快，所以對檢測元件要求太高，一般LaserScanner不用這種方式。
2）使用不同頻率得激光，按照一點順序，發射不同頻率得激光，通過檢測返回光束得頻率來得到距離。
3）相位差。多數激光傳感器用得是這種方法。通過檢測發射激光和反射激光得相位差來得到距離。
紅外傳感器：是利用三角測量法。
三角測量法（Triangulation-based):就是把發射器和接受器按照一定距離安裝，然后與被探測的點形成一個三角形的三個頂點，由于發射器和接收器的距離已知，發射角度已知，反射角度也可以被檢測到。因此檢測點到發射器的距離就可以求出。假設發射角度是90度的情況，
D=f(L/x)
L=發射器和接收器的距離
x＝接受波的偏移距離
f（）是函數。
由此可見，D是由1/x決定的，所以用這個測量法可以測得距離非常近的物體，目前最精確可以到1um的分辨率。但是由于D同時也是L的函數，要增加測量距離就必須增大L值。所以不能探測遠距離物體。
但是如果將紅外傳感器和超聲波傳感器同時應用于機器人，就能提供全范圍的探測范圍了，超聲波傳感器的盲區正好可以由紅外傳感器來彌補。
多普勒效應傳感器：主要用于探測移動物體的速度。目前戰斗機上用的雷達就是基于這個原理的。主要用于躲避快速移動障埃物。
多普勒原理（Doppler)：假設發射器以頻率ft發射波，接收器以頻率fr接受波，發射器和接收器之間的相對速度為v。
如果發射器在移動，則
fr=ft/(1+v/c)
如果接收器在移動，則
fr=ft(1+v/c)
通過計算多普勒頻移來得到相對速度v。
f=ft-fr=2*ft*v*cosA/c
f=多普勒頻移
A＝發射波和運動角度差
目前還沒有適合小型移動機器人的相關傳感器出現。
視覺傳感器：攝像頭都是屬于視覺傳感器，目前200元一個的網絡攝像頭也都可以用作機器人的視覺傳感器。
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