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Sensores para micro-robots Contenido Introducción
Curso de Verano Diseño y construcción de un micro-robot micro micro-robot Sensores para micro-robots José Manuel Pastor García Contenido Introducción Tecnologías y tipos de sensores Sensores de presencia Sensores de distancia Sensores de posición Aplicaciones Introducción Objetivos: • Control del movimiento • Detección del entorno Obstáculos Marcas Otros robots • Seguridad Tipos de robots Base fija: Articulados Móviles con patas: • Una pata • Mamíferos: Bípedos Cuatro patas ¿Cómo se controla su movimiento? • Reptiles • Insectos Móviles con ruedas • • • • Dos ruedas Tres ruedas Cuatro ruedas + ruedas, orugas … Competiciones de Micro -Robots Micro-Robots Sumo Rastreadores Velocidad Laberinto Bomberos Fútbol Prueba libre ¿Cuál será su característica más importante? ¿Qué percepción necesitan? ¿Qué es percepción? Captar información Sensor • Un elemento eléctrico/mecánico/químico capaz de convertir una característica del entorno en una medida cuantitativa Cada sensor se basa en un principio de transducción: conversión de la energía de una forma a otra Sentidos y órganos humanos Visión: ojos (óptico, luz) Oído: oídos (acústico, sonido) Tacto: piel (mecánico, calor, textura, ...) Olor: nariz (química, vapores) Gusto: lengua (química, líquidos) Extensión del rango de percepción humano Visión fuera del espectro visible Visión activa Sonidos fuera del rango de los 20 Hz – 20 kHz Análisis químicos que sustituyan el gusto o el olfato Radiación: α, β, γ-rays, neutrones, etc. • Cámara de Infrarrojos, visión nocturna • Medición con radar, sonar, láser, ... • Medición con ultrasonidos • Nariz electrónica Transducción a magnitud eléctrica Termistor: temperatura-resistencia Electroquímica: química-tensión Fotoeléctrica: intensidad de luz-corriente Piro-eléctrica: radiación térmica-tensión Humedad: humedad-capacitancia Longitud (LVDT: Linear variable differential transformers): posición-inductancia Micrófono: presión del sonido-tensión Fusión e Integración Sensorial Hombre: un órgano Ùun sentido? • No necesariamente Balance: orejas Tacto: lengua Temperatura: piel Robot: • Fusión Sensorial: Combina lecturas de distintos sensores en una estructura de datos uniforme • Integración Sensorial: Usa la información de distintos snesores para hacer algo útil Fusión sensorial Un sensor no es suficiente habitualmente • • • • Los sensores proporcionan medidas con ruido La precisión esta limitada No son totalmente fiables La información que proporcionan del entorno es limitada e incompleta, único punto de vista • La elección de un sensor puede resultar más cara que la combinación de dos o más sensores más baratos Procesamiento Sensor Preprocesado Sensor Preprocesado Sensor Preprocesado Sensor Preprocesado Fusión Detección Interpretación Percepción Preprocesado Coloquialmente - ‘limpieza’ de las lecturas del sensor antes de usarlas • Reducción del ruido - filtrado • Re-calibración • Operaciones básicas - ej. detección de bordes en visión • Suele ser único para cada sensor • Transforma la representación de los datos • En ocasiones se realiza mediante una electrónica de acondicionamiento de señal Fusión de datos sensoriales Combina datos de diferentes fuentes • Medidas de diferentes sensores • Medidas en diferentes posiciones • Medidas en diferentes momentos Suele usar técnicas matemáticas que tienen en cuenta la incertidumbre en la fuente de los datos • Métodos Bayesianos discretos • Redes de Neuronas • Filtro de Kalman Produce un conjunto de datos mezclados (como si se tratara de un ‘sensor virtual’) Interpretación Específica de cada tarea Habitualmente utiliza información a-priori del problema para encontrar una mejor solución “Tricky“ Clasificaciones Estado interno (proprioception) v.s. Estado externo (exteroceptive) • Realimentación de parámetros internos del robot, ej. nivel de baterías, posición, velocidad, ángulos articulaciones, etc, • Observación del entorno, objetos, etc. Activos v.s. pasivos Contacto v.s. sin-contacto Visuales v.s. no-visuales • Emiten energía al entorno, ej., radar, sonar • Reciben la energía de forma pasiva, ej., cámara • Percepción basada en visión y procesamiento de imágenes Digitales v.s. analógicos Tipos de sensores Presencia y/o distancia Posición (lineal o angular) • Contacto, inductivo, capacitivo, óptico, ultrasonido, láser • Analógicos Potenciómetros Resolver, Sincro LVDT, Inductosyn • Digitales Encoders absolutos Encoders incrementales Regla óptica Orientación: Posición absoluta • Brújula, giróscopo, inclinómetro, etc. • GPS, balizas activas, RF o ultrasonidos, balizas pasivas Dinamo tacométrica Acelerómetros, células de carga Sensores de visión: Cámaras Velocidad: Aceleración, fuerza, carga: Caracterización del comportamiento de los sensores Parámetros básicos: • Rango dinámico: Máximo valor / mínimo valor medible Decibelios: 20 log (max./min.) • Rango • Resolución Sensor analógico: mínimo valor medible • Linealidad Dentro del rango • Ancho de banda Comportamiento real • Sensibilidad • Cross-sensitivity Sensibilidad a parámetros externos. • Error, precisión • Repetibilidad • Errores aleatorios Caracterización del comportamiento de los sensores Sensores Usados en Robots Gas Sensor Gyro Accelerometer Pendulum Resistive Piezo Bend Sensor Tilt Sensors Metal Detector Resistive Bend Sensors Gieger-Muller Radiation Sensor UV Detector Pyroelectric Detector CDS Cell Digital Infrared Ranging Resistive Light Sensor Limit Switch Touch Switch Mechanical Tilt Sensors Pressure Switch Miniature Polaroid Sensor IR Sensor w/lens IR Pin Diode Thyristor Magnetic Sensor IR Reflection Sensor Magnetic Reed Switch IR Amplifier Sensor IRDA Transceiver Radio Shack IR Modulator Lite-On IR Remote Receiver Receiver Remote Receiver Hall Effect Magnetic Field Sensors Polaroid Sensor Board Solar Cell Compass Compass Piezo Ultrasonic Transducers Sensores Usados en Robots Sensores Táctiles Sensores Resistivos Sensores de Infrarrojos Sensores de Ultrasonidos Sensores Inerciales (miden la segunda derivada de la posición) Sensores de Orientación Sensores láser Visión, GPS, … • Sensores deformación, potenciómetros, fotocélulas, ... • Reflexión, proximidad, distancia… • Acelerómetros, giróscopos, • Brújula, Inclinómetro Sensores de contacto Electromecánicos (fines de carrera) ¿Aplicaciones? Sensores de proximidad. Inductivos Sensores de proximidad. Inductivos Ejemplos de aplicación Sensores de proximidad. Inductivos Ejemplos de aplicación Sensores de proximidad. Efecto Hall, reed)) Hall, Lengüeta (reed ((reed) Sensores magnéticos Alimentación. Vdc 4.5 Min.-16 Max. Corriente Max. mA 25 Salida en colector abierto Resistencia de carga Ohms 4.7K Distancia detección Min. mm 8 Espectro Electromagnético Espectro Visible 700 nm 400 nm Sensores Basados en Espectro EM Radio y Micro-ondas • RADAR: Radio Detection and Ranging • Microwave Radar: insensible a nubes Luz Coherente • Todos los fotones tienen la misma fase y longitud de onda • LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation • LASER RADAR: LADAR Sensores Basados en Espectro EM Sensibles a la luz • Ojos, cámaras, fotocélulas, etc. • Principio de funcionamiento CCD - charge coupled devices (cámaras digitales) Efecto fotoeléctrico Sensibles al InfraRojo • Detección de presencia/proximidad Emisores: LEDs Infrarrojos (baratos) Baja resolución – usados para detección de obstáculos no para medidas precisas, operan en un rango pequeño • Detección de diferencia de temperatura y construcción de imágenes Sensores de detección de personas Aplicación para visión nocturna Sensores de Infrarrojos Basados en Intensidad • Sensores reflexivos • Fáciles de construir • Susceptibles a la luz ambiente Modulados • Sensores de proximidad • Requiere señal modulada • Insensibles a la luz ambiente Barrido • Sensores de distancia • Rangos de medida cortos • Insensible a la luz ambiente, color y reflexividad del objeto Sensores IR Reflexivos Sensor reflexivo: • LED emisor IR + detector fotodiodo/fototransistor • Fototransitor: a más luz más corriente • La luz infrarroja es reflejada en una superficie Aplicaciones: • Detección de objetos, • Seguimiento de líneas o paredes, • Encoder óptico Inconvenientes: • Sensible a la luz ambiente • Susceptible a la reflexividad de los objetos Sensores de presencia/proximidad Ópticos Ejemplos de aplicación Sensores IR Modulados Modulación y demodulación • Demodulador es sintonizado a la frecuencia específica de los flashes de luz (32kHz~45kHz) • Flashes pueden ser detectados aunque sean muy estrechos • Menos susceptible a la luz ambiente y reflexión de los objetos • Utilizado en la mayoría de las unidades de control remoto Lógica negativa: Detecta = 0v No detecta = 5v Sensores de proximidad IR amplificador Filtro pasabanda limitador demodulador integrador comparador Sensores de proximidad: • Requiere un LED IR modulado • Rango de detección: varia según los objetos (blancos y brillantes, oscuros) Aplicaciones: • Medidor de distancias (poco precisión) • Evitar obstáculos • Seguimiento de paredes o líneas Sensores de Distancia IR Principio básico de operación: • IR emisor + lentes focalización + detector de posición Modulated IR light Sensores IR de Distancia Sharp GP2D02 IR Ranger • • • • • Rango: 10cm (4") ~ 80cm (30"). Moderadamente fiable Inmune a la luz ambiente Insensible al color y reflexividad del objeto Aplicaciones: medida de distancias, seguimiento de contornos, … Sensores de proximidad/distancia. Sensor de Infrarrojos Este detector de obstáculos por infrarrojos, permite a los robots hacer una navegación básica evitando los obstáculos. • El circuito utiliza dos emisores de infrarrojos modulados y un receptor de IR amplificado, que permite captar las señales reflejadas por los objetos a una distancia de entre 20 y 65 cm. • El sensor de infrarrojos se conecta con el microcontrolador principal mediante 2 salidas y 1 entrada digital. • Alimentación 7-12V sin regular o 5 V regulados. Consumo medio 8 mA. Encoder construido con IR Sensores de proximidad/distancia. Ópticos Telémetros por triangulación óptica Sensores de proximidad/distancia. Ópticos Telémetros láser Sensores Resistivos Sensores de deformación • Resistencia = 10k a 35k • La resistencia aumenta con la deformación Potenciómetros • Pueden usarse como sensor de posición • Fáciles de encontrar y montar Fotocélulas • Bueno para detectar dirección/presencia de la luz • Resistencias no lineales • Respuesta lenta Aplicaciones Sensor Medida del giro de una articulación Detección de obstáculos Sensor de carga Sensors Sensor Conexió ón de sensores resistivos Conexi Conexión V Divisor de tensión: Una resistencia fija y la otra variable R1 Vsense R2 Vsense = R2 V R1 + R2 A/D convertidor micro V + - Umbral binario Comparador: Digital I/O Sensores de posición resistivos. Potenciómetro Resistencia variable • Lineales • Angulares Mono-vuelta Multi-vuelta Potenciometro-Servomotores Potenciometro Potenciometro-Servomotores potenciometro Control directo de posición mediante el ancho de pulso enviado El potenciometro determina el ángulo girado por el eje Modificado para girar de forma continua Técnicas de navegación básicas Posicionamiento relativo (Dead-reckoning) • Información requerida: incremental (interna) Velocidad Dirección • La posición se va recalculando respecto al punto de inicio • Problema: acumulación de errores Posicionamiento absoluto • Información requerida: absoluta (externa) Referencias absolutas (paredes, esquinas, puertas, marcas) • Métodos Brújula Balizas activas Global Positioning Systems (GPS) Navegación con marcas (naturales o artificiales) Posicionamiento basado en mapas Causas de la acumulación de errores Errores sistemáticos: a) b) c) d) Diámetros de las ruedas desiguales Diámetro real distinto del nominal Desalineamiento de las ruedas Resolución limitada, … Errores no sistemáticos: • • • Suelos irregulares Objetos inesperados en el suelo Deslizamientos: suelo resbaladizo; aceleraciones bruscas, derrapajes, perdida de contacto con el suelo Sensores usados en navegación Sensores internos • Odometría (monitorización del movimiento de las ruedas) Encoders, Potenciómetros, Tacómetros, … • Sensores Inerciales (miden la segunda derivada de la posición) Sensores externos • • • • • • Brújula Ultrasonidos Láser Radar Visión Global Positioning System (GPS) Giróscopos, Acelerómetros, … ENCODERS CARACTERISTICAS • Basados en tecnología óptica • Suministran información digital TIPOS DE ENCODERS • Encoders relativo • Encoders absoluto • Reglas ópticas Encoder relativo • Posición relativa sensor emisor rejilla Circuito decodificador ¿ calibracion ? ¿ direccion ? ¿ resolucion ? Encoder relativo A B Encoder relativo Encoder absoluto Encoder absoluto Encoder absoluto Código Gray # Binary 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0000 0000 0001 0001 0010 0011 0011 0010 0100 0110 0101 0111 0110 0101 0111 0100 1000 1100 1001 1101 Encoder absoluto • La alta resolución resulta cara something simpler ? Encoder lineales REGLA OPTICA RESOLVER RESOLVER V1 = V sen(ωt) sen θ V2 = V sen(ωt) cos θ RESOLVER RESOLVER CONVERTIDOR R/D SINCRO -RESOLVER SINCRO-RESOLVER Las bobinas fijas forman un triángulo trifásico en estrella: • V13 = √3 V cos(ωt) sen q • V32 = √3 V cos(ωt) cos (q +120º) • V21 = √3 V cos(ωt) cos (q +240º) Comparación entre sensores de posición angular Robustez mecánica Encoder mala Resolver buena Potenciometro regular Rango dinámico media buena mala Resolución buena buena mala Estabilidad térmica buena buena mala Sensores lineales de posición LVDT Inductosyn Sensor de posición Transductor de cable Los transductores de cable • Convierten desplazamiento lineal en señal eléctrica proporcional • Al enrollar el cable de arrastre en un tambor mecanizado con alta precisión, un sensor angular (como pueden ser: potenciómetro, encoder, sincro, tacogenerador etc. ) fijado a dicho tambor nos dará la señal eléctrica, con resoluciones de hasta 0,05 mm y una linealidad del 0,1% ó 0,05%. • Un muelle mantiene la tensión del cable de arrastre constante. • EL montaje del transductor de cable es muy simple y no necesita de alineación. Medición de distancia Basados en el Tiempo de Vuelo Los pulsos medidos suelen ser generados por ultrasonidos, RF y fuentes de energía óptica. • • • • D=v*t D = distancia v = velocidad de propagación de la onda t = tiempo transcurrido Sonido = 0.3 m/ms RF/luz = 0.3 m/ns (Muy difícil medir distancias cortas1-100 metros) Sensores Basados en Sonido SONAR: Sound Navigation and Ranging • El sonido rebota en los objetos • La medida del tiempo de reflexión mide la distancia • La medida del cambio de frecuencia – da la velocidad relativa del objeto (efecto Doppler) • Murciélagos y delfines lo utilizan con excelentes resultados • Los robots los usan con peores resultados Sensores de proximidad/distancia. Sonar Telémetros de ultrasonidos (sonar) Sensores de Ultrasonidos Principio básico de operación: • Emite una ráfaga de US (50kHz), (oído humano: 20Hz to 20kHz) • Mide el tiempo transcurrido hasta detectar el eco. • Determina la distancia al objeto más próximo en esa dirección Sensores de Ultrasonidos La distancia es precisa pero no el ángulo de detección, 30º de incertidumbre. Rango típico: 20 cm. – 30 m. Problema: el tiempo de propagación en distancias por encima de 30 metros (v=340 m/s ) Polaroid Ultrasonic Sensors – Desarrollado para el sistema automático de enfoque de una cámara – Rango: 6 pulgadas a 35 pies (15 cm a 100 m) Transductor: • Frecuencia 50 KHz • Vibraciones residuales pueden ser interpretadas como eco de la señal • Emite una señal de bloqueo de señales residuales los primero 2.38 ms. después de la transmisión http://www.acroname.com/robotics/info/articles/sonar/sonar.html Sensores de ultrasonidos Aplicaciones: • Medida de distancias • Mapeado: Detecta todos los objetos más próximos alrededor del robot Ultrasonidos Polaroid 6500: Ángulo de 7,5º Problemas de ruidos Sensor Laser Rango: 2-500 m. Resolución: 10 mm Campo de visión: 100º - 180º Resolución angular : 0.25º Tiempo de muestreo: 13-40 ms. Muy inmune al polvo y a la niebla http://www.sick.de/de/products/categories/safety/ Sensores Inerciales Giróscopos • Mide la velocidad de rotación • Aplicaciones: Sensores de dirección Full Inertial Navigation Systems Acelerómetros • Mide las aceleraciones • Aplicaciones: Sensores de choque, Análisis de vibraciones, ... Giróscopos Devuelven una señal proporcional a la velocidad de rotación Hay una gran variedad basados en diferentes principios Giróscopos Acelerómetros Mide la fuerza de inercia generada cuando una masa es afectada por un cambio de velocidad. Esta fuerza puede variar: • La tensión de un muelle • La deformación de un elemento • La frecuencia de vibración de una masa Acelerómetros Elementos: 1.Masa 2.Mecanismo de Suspensión F =m 3.Sensor dx d 2x + c + kx dt d 2t Los de alta calidad incluyen realimentación para mejorar la linealidad Sensores de aceleración Reactancia/capacidad variable Sensores de aceleración Microsistemas electromecánicos (MEMS) Sensores de aceleración Piezoléctrico Galgas extensiométricas Acelerómetros Los Piezorresistivos tamaño y peso mínimo y alta sensibilidad. La gama con elemento sensible de substrato de silicio pueden tener una ganancia de hasta 100mV/g, con peso menor a 0,5g y un ancho de banda entre 0..150Hz y 0..10kHz. • • • No necesitan de electrónica sofisticada Características: rangos: entre 0..±2g hasta 0..±5000g precisión: < 1% F.E. Aplicaciones típicas: biodinámica crash test y ensayos en automóvil ensayos en vuelo y control medidas en bogie en sector del ferrocarril, test en túneles de viento , etc. Los Capacitivos son de "bajo coste". • • • Opción: salida PWM, pensada para fabricantes que quieren integrar un acelerómetro en su producto Carcterísiticas: Rangos: entre 0..±3g hasta 0..±100g Precisión: hasta 0,001 g, Ancho de banda: 0..160Hz hasta 10..1.500Hz Aplicaciones típicas: sistemas de alarma y seguridad, ensayos en vehículos, mediciones sísmicas, ... Sensores de fuerza Piezoeléctrico Reactancia/capacidad variable Galgas extensiométricas Sensores fuerza -par fuerza-par CÉLULAS DE CARGA MINIATURA Y ULTRAMINIATURA • Aplicaciones: automoción, medicina, ensayos en aeronáutica, etc. • Existen modelos con un espesor mínimo de hasta 2 mm • También existen células de carga de muy bajo rango, con resoluciones tan bajas como 10 mN. CÉLULAS DE CARGA INDUSTRIALES • Modelos de bajo perfil, especialmente robustas, para aplicaciones industriales severas y ensayos de fatiga de hasta 500 t. • También existen células para ambientes explosivos, modelos para control de esfuerzo en tornillos, sistemas de pesaje de alta velocidad, etc. Sensores fuerza -par fuerza-par TRANSDUCTORES DE FUERZA 3 EJES. • Diseñados para aplicaciones de I+D mecánico, permiten medir las 3 fuerzas y 3 momentos de torsión que están actuando en cada momento sobre el punto a estudiar. • Los rangos de fuerza y par son muy variables. • Aplicaciones típicas: medida de esfuerzos en la Industria del Automóvil, Aeronáutica, bancos de ensayo y Máquina Herramienta ELECTRÓNICAS DE CONDICIONAMIENTO • Electrónica integrada en el propio sensor o en el cable. Permiten alimentar el sensor con una tensión no estabilizada y suministran una señal de salida calibrada de alto nivel (±10 V, 0-5 V, 4-20 mA etc). • Ventajas: ahorro de espacio y dinero, permitir llevar la señal a grandes distancias sin los problemas de ruido propios de las señales de bajo nivel procedentes de sensores extensiométricos. Gas Sensor Gyro Accelerometer Pendulum Resistive Piezo Bend Sensor Tilt Sensors Metal Detector Resistive Bend Sensors Gieger-Muller Radiation Sensor UV Detector Pyroelectric Detector CDS Cell Digital Infrared Ranging Resistive Light Sensor Limit Switch Touch Switch Mechanical Tilt Sensors Pressure Switch Miniature Polaroid Sensor IR Sensor w/lens IR Pin Diode Thyristor Magnetic Sensor IR Reflection Sensor Magnetic Reed Switch IR Amplifier Sensor IRDA Transceiver Radio Shack IR Modulator Lite-On IR Remote Receiver Receiver Remote Receiver Hall Effect Magnetic Field Sensors Polaroid Sensor Board Solar Cell Compass Compass Piezo Ultrasonic Transducers Sitios Web http://www.omega.com/ (sensores) http://www.extech.com/ (sensores) http://www.agilent.com/ (instrumentos) http://www.keithley.com/ (instrumentos) http://www.tegam.com/ (instrumentos) http://www.edsci.com/ (visión) http://www.pacific.net/~brooke/Sensors.html http://www.sick.com/ (láser) http://www.ifm-electronic.com/ (sens. Industriales) http://www.sensing.es/ (sensores cast.) SR04 Robot Conclusiones Hay ruido en las medidas de los sensores Origen: fenómenos naturales + ingeniería no ideal Consecuencias: precisión limitada Filtrado: • software: promediando, algoritmos de procesamiento de señal • hardware “tricky”: condensadores Competiciones de Micro -Robots Micro-Robots Sumo Rastreadores Velocidad Laberinto Bomberos Fútbol Prueba libre ¿Qué percepción necesitan? Referencias Sensors for mobile robots: theory and applications, H. R. Everett, A. K. Peters Ltd, C1995, ISBN: 1-56881-048-2 Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs and Applications, 2nd edition, Jacob Fraden, AIP Press/Springer, 1996. ISBN 1-56396-538-0. Gracias por su atención
