1. 传感器基础与分类：机器人常用传感器概述
做机器人这么多年，我始终觉得传感器就是机器人的「五官」。没有它们，再牛的算法也是瞎子摸象。今天咱们就来聊聊这些「五官」到底长什么样，怎么挑，怎么用。
1.1 激光雷达（LiDAR）
激光雷达，说白了就是「用光来测距」。它发射激光束，碰到物体反射回来，通过时间差算出距离。我最早接触激光雷达是在做AGV小车的时候，那会儿还是单线的，转一圈只能扫一个平面。
核心指标：
- 线数：16线、32线、64线、128线。线数越多，点云越密，但价格也翻倍涨。
- 测距范围：一般10m到200m不等。室内用10-30m足够，室外无人车至少得100m。
- 精度：±2cm算不错了，±1cm是高端货。
- 角分辨率：0.1°到0.5°。分辨率越高，看得越清楚。
避坑指南：我曾经在室外项目里选了个室内用的激光雷达，结果大太阳底下直接「瞎了」——环境光太强，接收器饱和了。后来才明白，室外必须选带抗强光干扰的型号。
1.2 IMU（惯性测量单元）
IMU包含加速度计和陀螺仪，有的还带磁力计。它不依赖外部信号，完全靠自己感知运动。你想想看，在隧道里GPS没信号的时候，全靠IMU撑着。
关键参数：
- 加速度计量程：±2g到±16g。机器人一般用±4g或±8g。
- 陀螺仪量程：±250°/s到±2000°/s。普通移动机器人±500°/s够用。
- 零偏稳定性：这个指标很关键。好的IMU零偏漂移小于10°/h，差的能飘到100°/h以上。
- 输出频率：100Hz到1000Hz。高频IMU能捕捉到更细微的震动。
个人经验：我习惯在IMU上贴一层减震海绵。别小看这个细节，能有效滤掉电机带来的高频振动噪声。实测数据干净很多。
1.3 摄像头
摄像头是机器人「看世界」的主要方式。单目、双目、RGB-D，各有各的玩法。我个人觉得，双目摄像头在深度估计上比单目靠谱得多，但计算量也大。
选型要点：
- 分辨率：640×480够做视觉SLAM，1920×1080适合目标检测。
- 帧率：30fps是底线，60fps更流畅。做动态物体追踪建议60fps以上。
- 视场角（FOV）：水平60°-120°。FOV越大，看到的范围越广，但边缘畸变也越严重。
- 感光芯片：CMOS是主流，CCD在低光环境下表现更好但贵。
注意：摄像头对光照非常敏感。我曾在仓库项目里遇到灯光频闪问题，画面一帧亮一帧暗，算法直接崩溃。后来加了全局快门摄像头才解决。
1.4 编码器
编码器装在电机轴上，用来测角度和速度。增量式和绝对式两种。增量式便宜但断电丢位置，绝对式贵但一开机就知道自己在哪。
性能指标：
| 参数 | 说明 | 常见范围 |
|---|---|---|
| 分辨率 | 每圈脉冲数 | 500-5000 PPR |
| 输出类型 | ABZ相、SSI、BiSS | ABZ最常用 |
| 最大转速 | 电气响应极限 | 3000-6000 RPM |
避坑指南：我曾经在选编码器时忽略了「防护等级」。结果在粉尘环境里，编码器进灰，脉冲信号乱跳。后来统一换成IP67的，再没出过问题。
1.5 超声波传感器
超声波靠声波反射测距。它不怕光照，不怕透明物体，但怕软性材料（比如海绵会吸声）。我一般在近距离避障和液位检测上用超声波。
关键参数：
- 测距范围：2cm到5m。太近有盲区，太远精度下降。
- 精度：±1cm到±3cm。比激光雷达差，但够用。
- 波束角：15°到60°。波束角越小，方向性越好。
- 工作频率：40kHz最常见。频率越高，分辨率越高，但衰减也快。
个人经验：超声波传感器之间会互相干扰。我习惯给它们做「时分复用」——轮流发射，避免串扰。代码里加个简单的延时就行。
1.6 GPS（全球定位系统）
室外导航离不开GPS。普通GPS精度3-5米，RTK差分GPS能到厘米级。但GPS有个致命弱点——室内和隧道里完全不能用。
选型指标：
- 定位精度：单点2.5m CEP，差分0.1m CEP。
- 更新率：1Hz到20Hz。移动机器人建议5Hz以上。
- 冷启动时间：26s到60s。越短越好。
- 多星座支持：GPS+GLONASS+北斗+Galileo。支持越多，信号越稳。
注意：城市峡谷和高架桥下GPS信号会严重衰减。我做过一个项目，机器人在高架桥下定位直接飘了十几米。后来加了IMU+轮速计做融合，才稳住。
1.7 传感器选型原则与性能指标
选传感器不是越贵越好，而是「够用就好」。我总结了几条原则：
- 环境适配：室内用激光雷达+IMU+编码器，室外加GPS，黑暗环境加超声波或红外。
- 精度匹配：控制系统的精度要比传感器精度低一个数量级。比如电机控制需要0.1°精度，编码器至少得0.01°。
- 冗余设计：关键传感器至少两套。我习惯用IMU+轮速计做航位推算，激光雷达做修正。
- 成本控制：工业级传感器比消费级贵5-10倍。如果项目对可靠性要求没那么高，消费级完全够用。
- 接口兼容：UART、I2C、SPI、CAN、以太网。选主控支持的接口，别给自己找麻烦。
核心指标速查表：
| 传感器 | 核心指标 | 典型值 | 注意事项 |
|---|---|---|---|
| 激光雷达 | 线数、测距范围、精度 | 16线/30m/±2cm | 怕强光、怕灰尘 |
| IMU | 零偏稳定性、量程 | 10°/h、±8g | 有温漂、需标定 |
| 摄像头 | 分辨率、帧率、FOV | 1080p/30fps/90° | 怕暗、怕频闪 |
| 编码器 | 分辨率、输出类型 | 1000 PPR/ABZ | 怕灰尘、怕震动 |
| 超声波 | 测距范围、波束角 | 3m/30° | 怕软材料、有盲区 |
| GPS | 定位精度、更新率 | 2.5m/10Hz | 室内无效、怕遮挡 |
嗯，传感器这块内容不少。但记住一句话：没有完美的传感器，只有合适的组合。下一章咱们聊聊传感器融合的具体方法，到时候我会拿实际项目里的数据给大家演示。
最后一个小技巧：我习惯在选型阶段就做「传感器矩阵」——把每个传感器的优缺点、适用场景、成本列成表格，然后对着项目需求打勾。这样选出来的方案，基本不会出大问题。