Σηματοδότηση επαφής Σύγκρουση με κάποιο εμπόδιο ή έναν τοίχο Επαφή της αρπάγης ρομποτικού βραχίονα με κάποιο αντικείμενο

Transcript

1

2

3 Σηματοδότηση επαφής Σύγκρουση με κάποιο εμπόδιο ή έναν τοίχο Επαφή της αρπάγης ρομποτικού βραχίονα με κάποιο αντικείμενο Σηματοδότηση τερματικής κατάστασης (limit sensing) Όταν κάποιος μηχανισμός φτάσει στο τέλος της διαδρομής του κλείνει κάποιος διακόπτης, ο οποίος σηματοδοτεί τον τερματισμό παροχής στο κινητήρα Κωδικοποίηση περιστροφικής κίνησης (shaft encoding) Άξονες εφοδιασμένοι με διακόπτες επαφής παρέχουν πληροφορία για την ταχύτητα κίνησης τους Σηματοδότηση θέσης αναφοράς Άλλες χρήσεις Ως απαριθμητές βημάτων, όταν τοποθετούνται στο πέλμα σε ρομπότ που η κίνηση τους βασίζεται σε τεχνητά «πόδια»

4 Oι μικροδιακόπτες επιλογής, παρέχουν τρεις ακροδέκτες C - common NC - normally closed (επαφή "κανονικά κλειστή") NO - normally open (επαφη "κανονικά ανοιχτή") C NC NO Συνδεσμολογία διάταξης Normally Open Συνδεσμολογία διάταξης Normally Closed

5 Oι απλοί διακόπτες έχουν δυο ακροδέκτες, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους, επιτρέποντας τη διέλευση του ρεύματος, όταν υπάρξει μηχανική επαφή στο κινούμενο μέρος του διακόπτη Yπάρχουν και απλοί διακόπτες ανάστροφης κατάστασης, όπου το κύκλωμα ανοίγει όταν ενεργοποιούνται Συνδεσμολογία απλού διακόπτη επαφής

6 Πρόκειται για διατάξεις των οποίων η ωμική αντίσταση μεταβάλλεται όταν κάμπτονται προς μια κατεύθυνση Σε ευθεία διάταξη, η αντίσταση είναι 10KΩ. Kαθώς αυξάνεται η γωνία κάμψης, αυξάνεται και η αντίσταση (γύρω στα 35KΩ στις 90 ) Πολύ χαμηλό κόστος (~15 Euros) Aρκετά ευπαθής κατασκευή

7 Στην απλή συνδεσμολογία, η μετρούμενη τάση είναι V s =~0Volt σε έντονο φως, και V s =~5Volt για σκοτεινό περιβάλλον +5V 47K Eάν μας ενδιαφέρει να ελέγχουμε για την ύπαρξη φωτός σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση χωρίς να επηρεάζεται η μέτρηση από το φως του περιβάλλοντα χώρου, χρησιμοποιούμε οπτική απομόνωση για το αισθητήριο V s +5V R 1 R 2 V s Χρησιμοποιώντας διαφορική συνδεσμολογία φωτοκυτταρων σε διάταξη διαιρέτη τάσης, έχουμε ένδειξη για το ποια πλευρά στη διάταξη δέχεται περισσότερο φως R 1

8 Τα αισθητήρια ανακλαστικότητας αποτελούν συνδυασμό ενός πομπού υπέρυθρης ακτινοβολίας (infrared LED) και ενός φωτοτρανζίστορ ανίχνευσης υπερύθρων Tο φωτοτρανζίστορ ανιχνεύει την εκπεμπόμενη από το LED ακτινοβολία καθώς αύτη ανακλάται σε κάποια επιφάνεια Mπορούμε επομένως να υλοποιήσουμε εύκολα ένα απλό αισθητήριο προσέγγισης, που παρέχει boolean πληροφορία για την ύπαρξη ή όχι αντικειμένου στην κατεύθυνση εκπομπής του LED Aνιχνευτης IR Xρήσιμο για την ανίχνευση αντικειμένων, τη παρακολούθηση επιφάνειας/γραμμής κ.ο.κ. IR LED

9 Προκειμένου να αυξηθεί η ευαισθησία του ανιχνευτή στην ανακλώμενη ακτινοβολία, χρησιμοποιείται διαμόρφωση συχνότητας (frequency modulation) για το σήμα μέτρησης Tο LED εκπομπής υπερύθρων στέλνει παλμούς υψηλής (32-45 KHz) συχνότητας O ανιχνευτής υπερύθρων έχει κατασκευαστεί προκειμένου να είναι ευαίσθητος (demodulator) στη λήψη σημάτων αυτής της συχνότητας H συχνότητα διαμόρφωσης έχει επιλεγεί προκειμένου να είναι αρκετά υψηλότερη από αυτήν άλλων πηγών IR ακτινοβολίας (λάμπες φθορισμού, ηλιακό φως κλπ) που θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη μέτρηση

10 Eξέλιξη των απλών IR αισθητήριων ανακλαστικότητας αποτελούν τα αισθητήρια της σειράς GP2Dxx της Sharp Kύριο χαρακτηριστικό τους είναι η δυνατότητα μέτρησης της απόστασης των αντικειμένων που ανιχνεύονται Mαζί με IR LED, ενσωματώνουν σε μια ολοκληρωμένη συσκευή έναν ανιχνευτή θέσης (PSD - position sensitive detector) συνδυαζόμενο με φακό εστίασης H έξοδος τους δεν επηρεάζεται από τον περιβάλλοντα φωτισμό, αλλά ούτε και από το χρώμα του αντικειμένου που ανιχνεύεται Άλλα πλεονεκτήματα συμπαγές μέγεθος μικρή κατανάλωση ρεύματος ποικιλία από διαθέσιμες εξόδους

11 Bασίζεται στον τριγωνισμό (triangulation) και τη χρήση ανιχνευτή θέσης PSD (position sensitive detector) Tο IR LED εκπέμπει παλμικό σήμα μέτρησης, όπως στα απλά αισθητήρια υπερύθρων. Ανάκλαση του σήματος σε κάποιο αντικείμενο, ανιχνεύεται στο PSD του αισθητηρίου Δημιουργείται έτσι ένα τρίγωνο μεταξύ του πομπού, του σημείου πρόσπτωσης και του ανιχνευτή ANTIKEIMENO H γωνία επιστροφής εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ του αντικειμένου και του αισθητηρίου ANTIKEIMENO Σημειο Προσπτωσης

12 H γωνία επιστροφής εξαρτάται από την απόσταση μεταξύ του αντικειμένου και του αισθητηρίου O ανιχνευτής διαθέτει ένα φακό εστίασης, ο οποίος κατευθύνει το ανακλώμενο σήμα στο PSD Aνάλογα με το ποιο τμήμα της διάταξης αυτής ενεργοποιείται, μπορούμε να υπολογίσουμε τη γωνία επιστροφής, άρα και την απόσταση του αντικειμένου

13 Tο σημείο πρόσπτωσης του ανακλώμενου σήματος στον ανιχνευτή μεταβάλλεται ανάλογα με την απόσταση του αντικειμένου από το αισθητήριο

14 Παρέχονται διάφορα μοντέλα, με διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας και διασύνδεσης, προκειμένου να μπορούν να καλύψουν καλύτερα τις ανάγκες ποικιλίας εφαρμογών MONTEΛO ΕΞΟΔΟΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑ GP2D15 Boolean (0 ή 1) κατωφλι 24 cm ΕΝΑΡΞΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ συνεχεις μετρήσεις ανα ~38ms KATANAΛΩΣH 8-bit τιμη μεσω με εξωτερικο παλμο GP2D02 σειριακης θυρας 10-80cm ~25mA ~2μA Boolean, σε σχεση Κατωφλι GP2D05 με κατωφλι απόστασης με εξωτερικο παλμο ~25mA ~2μA απόστασης 10-80cm GP2D12 αναλογικη έξοδος 0-3V 10-80cm συνεχεις μετρήσεις ανα ~38ms ON συνεχης ~25mA συνεχης ~25mA OFF

15 Η ανίχνευση της φυσικής θέσης και της κίνησης των αντικειμένων έχει ζωτική σημασία, αφού οι περισσότερες κατασκευές και διατάξεις διαθέτουν κινητά μηχανικά μέρη. Ανάλογα επομένως με τη φύση της εφαρμογής μας πρέπει να χρησιμοποιήσουμε αισθητήρες που να ανιχνεύουν κάποιο από τα ακόλουθα μεγέθη: Θέση Προσέγγιση Μετατόπιση (ευθύγραμμη ή περιστροφική) Ταχύτητα ή επιτάχυνση

16 Οι επαγωγικοί αισθητήρες μετατόπισης στηρίζονται σε ένα μετασχηματιστή, του οποίου ο πυρήνας σιδήρου συνδέεται στο εξεταζόμενο αντικείμενο. Όταν μετατοπίζεται το αντικείμενο, μετατοπίζεται και ο πυρήνας. Το δευτερεύον του μετασχηματιστή αποτελείται από δύο ίδια πηνία, συνδεδεμένα σε σειρά, τα οποία βρίσκονται σε επαγωγική σύζευξη με το πρωτεύον του μετασχηματιστή, με τη βοήθεια του πυρήνα σιδήρου.

17 Η γενική μορφή των σημάτων αναφοράς (στο πρωτεύον) και εξόδου είναι: V αναφ =V I ημ(ωt) και V = V 1 V 2 = V O ημ(ωt + φ) Η διάταξη αυτή ονομάζεται γραμμικός μεταβλητός διαφορικός μετασχηματιστής (linear variable differential transformer, LVDT) και παράγεται ως εμπορικό προϊόν για τη μέτρηση θέσεων και γραμμικών μετατοπίσεων.

18 SOund NΑvigation and Ranging Τα αισθητήρια ηχοβολισμού αναπτύχτηκαν αρχικά για υποβρύχια χρήση H αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στην εκπομπή και λήψη υπερήχων, απαντάται δε και στη φύση, στον ηχοεντοπισμό που χρησιμοποιούν δελφίνια και νυχτερίδες Τα αισθητήρια υπερήχων χρησιμοποιούνται σε σειρά εφαρμογών και στη βιομηχανία (μέτρηση αποστάσεων, διαστασιομέτρηση, μέτρηση στάθμης κλπ.)

19 Τα sonar λειτουργούν με βάση την αρχή υπολογισμού χρόνου πτήσης (time of flight TOF) Αρχικά, ο ακουστικός μετατροπέας εκπέμπει ένα σύντομο σήμα υπερήχων (στη περιοχή των 50kHz) Το σήμα ανακλάται σε κάποιο εμπόδιο, επιστρέφει πίσω, όπου και ανιχνεύεται από κάποια διάταξη δέκτη Η απόσταση του αντικειμένου υπολογίζεται ως D/2, όπου D = c*t D : συνολικό μήκος διαδρομής c : ταχύτητα διάδοσης ήχου (~340 m/s) t : συνολικός χρόνος από την εκπομπή μέχρι την λήψη

20 Η αρχή λειτουργίας σχηματικά

21 Στη πράξη, τα αισθητήρια υπερήχων παρουσιάζουν αρκετά προβλήματα και περιορισμούς: Kωνικού σχήματος δέσμη του σήματος μέτρησης, με σημαντικό γωνιακό εύρος (10-30 ) Προβλήματα ανακλάσεων σε κοινές επιφάνειες Σχετικα αργή ταχύτητα διάδοσης π.χ. απαιτούνται 200 msec για τη διάσχιση 60 (=2x30) μέτρων Παρόλα αυτά, η χρήση τους σε εφαρμογές ρομποτικών βραχιόνων είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη, καθώς σε συνδυασμό με την επαρκή ακρίβεια χαρακτηρίζονται από: χαμηλό κόστος απλή χρήση, ιδιαίτερα σε σχέση με τις διατιθέμενες ολοκληρωμένες μονάδες μικρό μέγεθος αξιόπιστη λειτουργία

22 Αναπτύχτηκε από την Polaroid για χρήση σε σύστημα αυτόματης εστίασης φωτογραφικής μηχανής (auto focus) H μαζική παραγωγή της συγκεκριμένης διάταξης μείωσε σημαντικά το κόστος, και αποτελούν τα πιο διαδεδομένα συστήματα υπολογισμού απόστασης, με ευρεία χρήση σε εφαρμογές ρομποτικής (και όχι μονο) Αποτελείται από Εναν ηλεκτρακουστικό μετατροπέα, ο οποίος χρησιμοποιείται τόσο ως πομπός όσο και ως δέκτης (transceiver) Ολοκληρωμένο κύκλωμα ελεγκτή με όλα τα απαραίτητα ηλεκτρονικά Ο ελεγκτής παρέχει αυτόματα αυξανόμενη ενίσχυση στο σήμα του δέκτη, προκειμένου να αντισταθμίζεται η απώλεια ενέργειας στο ακουστικό σήμα συναρτήσει της διανυθείσας απόστασης

23 Η διαδικασία της μέτρησης συνοπτικά Tο κύκλωμα έλεγχου ενεργοποιεί την εκπομπή της ακολουθίας των παλμών μέτρησης Mόλις σηματοδοτηθεί το πέρας εκπομπής, ο ελεγκτής θέτει τον μετατροπέα σε κατάσταση δέκτη, προκειμένου να ανιχνευτεί η ανάκλαση του σήματος To σήμα στον δέκτη ενισχύεται σταδιακά, προκειμένου να αντισταθμιστεί η μείωση της ηχητικής ενέργειας συναρτήσει του τετραγώνου της απόστασης Yπέρβαση κάποιου κατωφλίου στάθμης στο σήμα του δέκτη καταγράφεται ως προερχόμενο από ανάκλαση σε κάποιο αντικείμενο, οπότε υπολογίζουμε την απόσταση με βάση τον χρόνο που έχει παρέλθει

24 Η χρήση ενός μόνο μετατροπέα είναι δυνατόν να δημιουργήσει προβλήματα κωδωνισμού (ringing): Με το πέρας της εκπομπής των παλμών μέτρησης, κατάλοιπες δονήσεις ενδέχεται να ανιχνευτούν ως σήμα ανάκλασης, δίνοντας λανθασμένα μικρή μέτρηση Για να αντιμετωπιστεί η πιθανότητα αύτη, η ενίσχυση του σήματος που λαμβάνει ο ανιχνευτής είναι αρχικά πολύ μικρή, προκειμένου να μην καταγράφονται οι (μικρού πλάτους συνήθως) κατάλοιπες δονήσεις ως σήμα

25 INIT TRANSMIT 16 παλμοι (50 Hz) BLANKING ECHO t Διάγραμμα χρονισμού για το Polaroid 6500, στην απλούστερη δυνατή συνδεσμολογία, για ανίχνευση μονής ανάκλασης, και κάνοντας χρήση της αμαύρωσης

26 Σε κατάσταση αναμονής, το σύστημα καταναλώνει περί τα 100mA Προκειμένου το σήμα μέτρησης να έχει επαρκή ενέργεια, κατά την εκπομπή του, το κύκλωμα έλεγχου παράγει τάσεις κοντά στα 400Volt, ανεβάζοντας τη στιγμιαία κατανάλωση ρεύματος κοντά στα 2A. Συχνά απαιτείται επομένως η χρήση πυκνωτών για να μην επηρεάζονται άλλα συστήματα του ρομπότ τα όποια μοιράζονται την πηγή τροφοδοσίας με το σοναρ Τυχόν βραχυκύκλωμα των ακροδεκτών του μετατροπέα κατά την εκπομπή, μπορεί να καταστρέψει όλη τη διάταξη

27 Προκειμένου να είναι δυνατή η μέτρηση της απόστασης κάποιου αντικειμένου με το sonar θα πρέπει ένα σημαντικό ποσοστό της ανακλανώμενης ενέργειας να επιστρέφει στον μετατροπέα ανίχνευσης Γενικά, η μορφή της ανάκλασης όταν το ακουστικό κύμα προσπίπτει κάθετα στην επιφάνεια κάποιου εμποδίου, έχει τη μορφή του σχήματος Στην περίπτωση αυτή, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας επιστρέφει στο αισθητήριο, προκειμένου η εκτίμηση της απόστασης να γίνει με ακρίβεια. S

28 S α Eάν η πρόσπτωση γίνεται υπό γωνία στην επιφάνεια του εμποδίου, τότε υπάρχει περίπτωση να μην επιστρέφεται καθόλου ενέργεια στον αισθητήρα. Στην περίπτωση αυτή, το σύστημα ελέγχου θα θεωρήσει ότι δεν υπάρχει εμπόδιο στην κατεύθυνση μέτρησης του sonar. Eπομένως, διάχυση του ανακλώμενου κύματος σε μεγάλο γωνιακό εύρος, εξασφαλίζει οτι το εμπόδιο θα γίνεται αντιληπτό από το sonar ακόμα και όταν η μέτρηση γίνεται υπό (αρκετά μεγάλη) κλίση του sonar σε σχέση με το αντικείμενο (η γωνία α του σχήματος).

29 Tο κατά πόσο η ανάκλαση του ηχητικού κύματος διαχέεται σε μεγάλο γωνιακό εύρος ή επιστρέφει κατοπτρικά, καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από το πόσο λεία είναι η επιφάνεια πρόσπτωσης Γενικά, θα πρέπει η επιφάνεια να έχει κάποια τραχύτητα, με διαστάσεις της τάξης του μήκους κύματος του σήματος μέτρησης π.χ. για f=50khz, μήκος κύματος = 340 / = 6.8 mm Δυστυχώς όμως, οι συνήθεις επιφάνειες μέσα σε εσωτερικούς χώρους είναι αρκετά λείες (τοίχοι, ξύλο, μέταλλο κλπ), και στην πράξη ανιχνεύονται με αξιοπιστία μόνο για α<30

30 Προβλήματα μπορούν να δημιουργηθούν επίσης από πολλαπλές ανακλάσεις Στην περίπτωση του σχήματος, το σύστημα θα θεωρήσει ότι υπάρχει κάποιο αντικείμενο σε απόσταση μεγαλύτερη από αυτήν στην οποία βρίσκεται το πραγματικό εμπόδιο Επιφάνειες κατοπτρικής ανάκλασης S α Ψευδές είδωλο

31 H κατάσταση περιπλέκεται όταν υπάρχουν πολλαπλές επιφάνειες, κάθε μια από τις οποίες, ενδεχομένως (ανάλογα με την σχετική της κλίση) να επιδέχεται και να επιστρέφει σημαντικό ποσό της ακουστικής ενέργειας του σήματος μέτρησης A Στο παράδειγμα του σχήματος, παρότι η επιφάνεια A λαμβάνει μικρό ποσοστό της ακουστικής ενέργειας του σήματος μέτρησης, επειδή η πρόσπτωση είναι κάθετη, το ανακλώμενο σήμα γυρνάει όλο στον αισθητήρα. Αντίθετα, οι επιφάνειες B και C, παρότι δέχονται σημαντική ενέργεια, λόγω των κλίσεων τους, μικρό τμήμα της ανάκλασης τους επιστρέφει προς το sonar. B S C

32 H ύπαρξη του ανοίγματος γίνεται αντιληπτή από το ρομπότ μόνο όταν πλησιάσει κοντά στον τοίχο ρομπότ ρομπότ

33 H χρήση ζεύγους αισθητήριων υπερήχων αυξάνει τη διακριτική ικανότητα της διάταξης Mπορούμε να προσδιορίσουμε τη θέση του αντικειμένου με μεγαλύτερη ακρίβεια, ανάλογα με το αν ανιχνεύεται από το αριστερό, το δεξιό ή και από τα δυο αισθητήρια της διάταξης

34 Τα Laser μέτρησης απόστασης (laser range finders) ανήκουν στη κατηγορία των TOF αισθητήριων και χρησιμοποιούνται για την πλοήγηση και αποφυγή εμποδίων από το ρομπότ Αντί για υπερήχους (όπως στα sonar), εκπέμπεται δέσμη ακτίνας laser και ανιχνεύεται η επιστροφή της μετά από ανάκλαση σε κάποιο αντικείμενο Η μεγάλη ταχύτητα μετάδοσης του φωτός, επιτρέπει την σάρωση μεγάλου γωνιακού εύρους σε μικρό χρονικό διάστημα

35 Πλεονεκτήματα Mεγάλη εμβέλεια (από μέτρα έως και χιλιόμετρα, ανάλογα με την ισχύ του laser και την εφαρμογή) Αυξημένη ακρίβεια Ταχεία λειτουργία Κατάλληλα για μέτρηση αντικειμένων από μεγάλο εύρος υλικών Συγκριτικά φθηνή τεχνολογία πλέον (σε σχέση με τις παρεχόμενες δυνατότητες) Περιορισμοί Λόγω της μεγάλης ταχύτητας διάδοσης του φωτός, είναι προβληματική η μέτρηση αποστάσεων μικρότερη του ~1m Περιορισμένες δυνατότητες σε συνθήκες πολύ έντονου φωτισμού, καθώς και παρουσία καπνού, ομίχλης κλπ Συγκριτικά μεγάλος όγκος και βάρος για χρήση σε μικρά ρομπότ

36 Tα περισσότερα laser μέτρησης απόστασης χρησιμοποιούν τη μέθοδο υπολογισμού χρόνου πτήσης (TOF) Ένα κύκλωμα παραγωγής ηλεκτρικών παλμών οδηγεί περιοδικά μία διάταξη ημιαγωγών, η οποία αποστέλει μία ακολουθία από οπτικούς παλμούς (πάνω από το ορατό φάσμα), οι οποίοι συγκεντρώνονται σε μία πολύ εστιασμένη δέσμη, μέσω οπτικών διατάξεων H δέσμη μέτρησης ταξιδεύοντας με την ταχύτητα του φωτός, προσκρούει σε κάποιο αντικείμενο που βρίσκεται στην (ευθεία) διαδρομή της και ανακλάται πάνω του Tμήμα της ανάκλασης συλλέγεται μέσω του φακού λήψης και ενεργοποιεί μία φωτοδίοδο, η οποία δημιουργεί ένα ηλεκτρικό σήμα, το οποίο ειδοποιεί την υπολογιστική μονάδα, προκειμένου να υπολογιστεί το χρονικό διάστημα μεταξύ αποστολής και λήψης

37 H αρχή μέτρησης είναι ανάλογη με αυτή που περιγράφηκε για το sonar H διαφοροποίηση των χαρακτηριστικών λειτουργίας απορρέει από τη διαφορετική φύση του σήματος μέτρησης: HXOΣ Kύματα πίεσης Απαιτεί κάποιο μέσο διάδοσης Ταχύτητα ~340 m/sec Ακουστό φάσμα 10mm - 10m ΦΩΣ Ηλεκτρομαγνητικά κύματα Διαδίδεται και στο κενό Ταχύτητα ~ km/sec Ορατό φάσμα nm

38 Kαι στην περίπτωση αυτή σημαντικό ρόλο παίζει το είδος της επιφάνειας πρόσπτωσης

39 H δίοδος laser (laser diode) είναι μία διάταξη ημιαγωγών η οποία μετατρέπει ηλεκτρική ενέργεια σε οπτική ενέργεια, σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος, με αξιοπιστία και με υψηλό βαθμό απόδοσης 1 x 0.3 x 0.3 mm

40 H βασική διάταξη μέτρησης απόστασης μπορεί να επιτύχει σάρωση για την παραγωγή 2D δεδομένων, συνδυαζόμενη με κάποιο μηχανικό σύστημα περιστροφής Υλοποιείται με τη χρήση περιστρεφόμενων καθρεπτών οι όποιοι στέλνουν την παραγόμενη δέσμη του laser σε διαφορετικές γωνίες Cyclone 2D laser scanner Εμβέλεια Διακριτική Ικανότητα Ακρίβεια Ταχύτητα Συχνότητα Παλμών Εύρος Δέσμης μεχρι 50m 10cm 15cm 15 scans/sec 7200 Hz 2.5mrad

41 H μέθοδος της οδομετρίας (odometry) έγκειται στην εκτίμηση της σχετικής μετατόπισης του ρομπότ, με βάση την περιστροφή των κινητήριων τροχών Διάταξη απαρίθμησης O υπολογισμός προκύπτει από την περιστροφή του άξονα, η μέτρηση της οποίας γίνεται συνήθως με διατάξεις οι οποίες ονομάζονται κωδικοποιητές (encoders) Οπτικοί κωδικοποιητές (διαφορικοί, απόλυτοι) Μαγνητικοί κωδικοποιητές Επαγωγικοί κωδικοποιητές

42 O διαφορικός κωδικοποιητής (incremental encoder) περιλαμβάνει ένα στρεφόμενο δίσκο που είναι διαιρεμένος σε τομείς οι όποιοι είναι εναλλάξ διαφανείς και μη-διαφανείς. Στη μια πλευρά του δίσκου τοποθετείται μια φωτεινή πηγή και στην άλλη ένα φωτοκύτταρο Ήταν ο δίσκος περιστρέφεται, κάθε μεταβολή του φωτός που προσπίπτει στο φωτοκύτταρο παράγει ένα παλμό εξόδου. Το πλήθος των παλμών αυτών ανά μονάδα χρόνου είναι ανάλογο προς τη γωνιακή ταχύτητα του άξονα και το ολικό πλήθος παλμών σε κάθε χρονική στιγμή είναι ανάλογο προς την ολική γωνιακή μετατόπιση του μετρούμενου άξονα.

43 Η φορά περιστροφής μπορεί να ανιχνευθεί με τη βοήθεια ενός κωδικοποιητή που έχει 2 φωτοκύτταρα ανίχνευσης στον ίδιο δίσκο. Τα φωτοκύτταρα είναι τοποθετημένα κατά τέτοιο τρόπο ώστε οι έξοδοι να έχουν διαφορά φάσης 90 η μια σε σχέση με την άλλη. Η φορά περιστροφής προσδιορίζεται με τη βοήθεια κατάλληλου λογικού κυκλώματος το οποίο δέχεται σαν εισόδους τις δύο ακολουθίες παλμών.

44 Mία πολύ διαδεδομένη χρήση των οπτικών κωδικοποιητών γωνίας είναι για την μέτρηση της κίνησης της "μπίλιας" των μηχανικών mouse στους υπολογιστές Χρησιμοποιούνται δυο άξονες για την καταγραφή της (x,y) μετακίνησης του mouse, μέσω της μπίλιας κίνησης Kάθε άξονας είναι εφοδιασμένος με οπτικό κωδικοποιητή, ο οποίος υπολογίζει την περιστροφή του συγκεκριμένου άξονα, χρησιμοποιώντας 2 ζεύγη πομπού-ανιχνευτή υπερύθρων ακτινών O κωδικοποιητής έχει 36 συνολικά ανοίγματα

45 Ένα μειονέκτημα των διαφορικών κωδικοποιητών μέτρησης της γωνιακής θέσης ειναι η πιθανότητα καταμέτρησης λανθασμένων παλμών που πιθανά οφείλονται σε ηλεκτρικό θόρυβο, μεταβατικά φαινόμενα ή άλλες εξωτερικές διαταραχές. Τα σφάλματα αυτά εξαλείφονται με τη χρήση απόλυτων κωδικοποιητών (absolute encoders), που χρησιμοποιούν δίσκο πολλαπλής ζώνης και ορίζουν τη θέση του άξονα σε δυαδική μορφή, συχνά σε κώδικα Gray. Το σύστημα ανάγνωσης χρησιμοποιεί μία φωτεινή πηγή και φωτοκύτταρα για την ανίχνευση του φωτός που διέρχεται από τα διαφανή μέρη του δίσκου. Ο συνδυασμός των εξόδων όλων των φωτοκυττάρων δίνει την πραγματική γωνιακή θέση του άξονα.

46 Oι απόλυτοι κωδιοκοποιητές αυξάνουν την πολυπλοκότητα και το κόστος του συστήματος (παράλληλη έξοδος) Xρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές όπου οι περιστροφές εμφανίζονται σχετικά αργα ή/και σπάνια (όπως για την μέτρηση της γωνίας στροφής σε κατευθυντήριους τροχούς) Bρίσκουν επίσης ευρεία εφαρμογή σε συνδέσμους ρομποτικών βραχιόνων Gray coding binary coding

47 Τα γυροσκόπια παρέχουν πληροφορία για τον ρυθμό περιστροφής γύρω από κάποιον άξονα Χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του σχετικού προσανατολισμού του ρομπότ ή/και από το σύστημα έλεγχου ευστάθειας του Συνδυασμός πολλαπλών γυροσκοπίων μπορεί να μας δώσει πληροφορία για περιστροφή γύρω από περισσότερους του ενός άξονες Yπάρχει σειρά υλοποιήσεων, από κατασκευαστές εξαρτημάτων αερομοντελισμού σε αρκετά προσιτό κόστος, με μειωμένη όμως ακρίβεια Tο σημείο στήριξης τους θα πρέπει να είναι ιδιαίτερα σταθερό, προκειμένου να μην υπεισέρχονται σφάλματα στη μέτρηση

48 Υπάρχουν τρεις βασικές κατηγορίες γυροσκοπίων: Γυροσκόπια περιστρεφόμενης μάζας (spinning mass gyro) Οπτικά γυροσκόπια (optical gyroscope) Γυροσκόπια ταλάντωσης (vibrating gyro)

49 Στο δακτυλιοειδές γυροσκόπιο ταλάντωσης, ένας δακτύλιος αιωρείται στηριζόμενος από ελατήρια που είναι στερεωμένα σε ένα κεντρικό σταθερό σημείο. Ηλεκτρόδια οδήγησης εφαρμόζουν ηλεκτροστατική δύναμη στον δακτύλιο, που σε συνδυασμό με τα ελατήρια δημιουργεί στάσιμη ταλάντωση του δακτύλιου, η οποία παρακολουθείται από ειδικά ηλεκτρόδια ανίχνευσης. Αν ο δακτύλιος περιστραφεί γύρω από τον άξονά του από μια εξωτερική δύναμη, ασκείται δύναμη, οπότε η ταλάντωση παραμορφώνεται δείχνοντας την κατεύθυνση της περιστροφής. Το πλάτος της παραμόρφωσης δειχνει την επιτάχυνση περιστροφής. Βασικό πλεονέκτημα είναι ότι η υλοποίηση μπορεί να έχει πολύ μικρό μέγεθος, χρησιμοποιώντας μικρομηχανικές (MEMS) τεχνικές κατασκευής. Παρέχονται έτσι συμπαγείς μονάδες, συχνά σε μέγεθος ολοκληρωμένου κυκλώματος, οι οποίες, επιπλέον, δεν απαιτούν κάποια μορφή συντήρησης και επιτρέπουν μαζική παραγωγή με μικρό κόστος

50 Τα πιεζοηλεκτρικά γυροσκόπια ταλάντωσης διχάλας, χρησιμοποιούν ταλαντούμενο στοιχείο με ζεύγος διχαλωτών δοντιών (fork tines) Τα δυο δόντια της μιας διχάλας οδηγούνται πιεζοηλεκτρικά από έναν ταλαντωτή, οπότε και πλησιάζουν και απομακρύνονται το ένα σε σχέση με το άλλο με μεγάλη συχνότητα. Η κίνηση τους αύτη έχει σαν συνέπεια, τυχόν περιστροφή της διάταξης γύρω από τον κύριο άξονα (ο οποίος ορίζεται ως η παράλληλος στα δόντια), να δημιουργήσει ροπή στρέψης. Η ροπή αύτη αναγκάζει τα δόντια της διχάλας ανίχνευσης να μετακινηθούν πάνω και κάτω σε σχέση με το επίπεδο της διάταξης, υπό την επίδραση δύναμης. Η κίνηση τους αυτή ανιχνεύεται από το κατάλληλο κύκλωμα, το οποίο και παράγει ένα DC σήμα ανάλογο του ρυθμού περιστροφής της όλης διάταξης γύρω από τον κύριο άξονα. Το πρόσημο της τάσης εξόδου παρέχει τη φορά περιστροφής. BEI GyroChip

51 Τα επιταχυνσιόμετρα (accelerometers) βασίζονται στη μέτρηση της αδρανειακής δύναμης η όποια δημιουργείται όταν κάποια μάζα επηρεάζεται από κάποια μεταβολή στη ταχύτητα. Ανάλογα με τον τύπο του επιταχυνσιόμετρου, η δύναμη αυτή ενδέχεται να μεταβάλλει τη συμπίεση ενός ελατηρίου την εκτροπή μιας ακτίνας τη συχνότητα ταλάντωσης κάποιας μάζας Εκτός από τη μέτρηση επιταχύνσεων κινούμενων αντικειμένων, χρησιμοποιούνται σε σειρά άλλων εφαρμογών (κυρίως για τη καταγραφή δονήσεων)

52 Τα κύρια τμήματα ενός επιταχυνσιόμετρου είναι 1. η κινούμενη μάζα 2. το σύστημα ανάρτησης 3. η διάταξη μέτρησης της μετατόπισης 2 3 1

53 Η εταιρία Analog Devices προσφέρει τα ADXL202/210, ολοκληρωμένα κυκλώματα τα όποια ενσωματώνουν επιταχυνσιόμετρα 2 αξόνων. Συμπαγές μέγεθος Απλή χρήση Χαμηλό κόστος Καλή ακρίβεια

54 Tα συστήματα αδρανειακής πλοήγησης (inertial navigation systems - INS) αποτελούν ολοκληρωμένες διατάξεις αισθητηρίων οι οποίες καταγράφουν την επιτάχυνση και το ρυθμό περιστροφής του συστήματος στους 3 άξονες. Τα συστήματα INS ενσωματώνουν επομένως 3 επταχυνσιόμετρα και 3 γυροσκόπια. H ταχύτητα και η θέση προκύπτουν από την ολοκλήρωση των μετρούμενων επιταχύνσεων.

55 Συγκρινόμενα με το GPS, τα συστήματα INS παρουσιάζουν το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτούν (και επομένως δεν εξαρτώνται) από κάποιο εξωτερικό σήμα ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Κατά συνέπεια, η χρήση τους είναι εφικτή σε χώρους εκτός κάλυψης του GPS (π.χ. στο εσωτερικό κτιρίων) Από την άλλη πλευρά, τα συστήματα INS παρουσιάζουν προβλήματα λόγω της ολοκλήρωσης των σημάτων, διαδικασία η όποια συσσωρεύει σφάλμα μέτρησης στις μετρήσεις των αισθητήριων Επιπλέον, η ποσότητα των παραγόμενων δεδομένων από τα αισθητήρια απαιτεί σημαντικούς υπολογιστικούς πόρους για την επεξεργασία τους

56 Προκειμένου να διατηρείται σταθερός ο προσανατολισμός του συστήματος των επιταχυνσιόμετρων, χρησιμοποιείται διάταξη γυροσκοπικής εξισορρόπισης. Στη πράξη, η κατασκευή μιας τέτοιας πλατφόρμας ειναι ιδιαίτερα πολύπλοκη και με πολύ μεγάλο κόστος, απαγορευτικό τις περισσότερες φορές για εφαρμογές ρομποτικής. Tα συστήματα INS χρησιμοποιούνται σε επιβατικά αεροσκάφη (κοστος ~$50.000), όπου η συσσώρευση σφάλματος στις μετρήσεις φτανει τα 1800m ανα ώρα λειτουργίας. H μέγιστη εφικτή ακρίβεια προσεγγιζει το 0.1% της διανυσθείσας απόστασης, σε επίγειες εφαρμογές (με κόστος περίπου $ ) H ανάπτυξη γυροσκοπικών διατάξεων laser και οπτικών ινών αναμένεται να μειώσει σημαντικά το κόστος, προκειμένου η χρήση των INS να είναι προσιτή και σε εφαρμογές ρομποτικής

57 Oι πυξίδες (compasses) παρέχουν πληροφορία για τον απόλυτο προσανατολισμό του ρομπότ σε σχέση με τα 4 σημεία του ορίζοντα, πληροφορία ιδιαίτερα χρήσιμη για αλγορίθμους πλοήγησης. Σε ανοιχτούς χώρους, η λειτουργία τους είναι ιδιαίτερα αξιόπιστη, και παρέχουν καλή ακρίβεια αν γίνει η κατάλληλη βαθμονόμηση σε σχέση με τον τοπικό μαγνητικό βορρά Σε κλειστούς χώρους, η λειτουργία είναι πιο προβληματική, καθώς η μέτρηση είναι δυνατόν να επηρεαστεί από άλλα τοπικά μαγνητικά πεδία (προερχόμενα κυρίως από καλωδιώσεις ή/και μεταλλικά δομικά στοιχεία του κτιρίου)

58 H εταιρία Dinsmore παρέχει αισθητήρια πυξίδας σε μορφή εξαρτήματος κυκλώματος. Διατίθενται μοντέλα ψηφιακής εξόδου (8 διακριτές καταστάσεις B-BA-A-NA-N-NΔ-Δ-BΔ) αναλογικής εξόδου (συνεχές σήμα πυξίδας, που μπορεί να αποκωδικοποιηθεί σε ένδειξη μεγάλης ακριβείας) H KVH Industries διαθέτει ολοκληρωμένους αισθητήρες πυξίδας ακρίβεια 0.1 αναλογικη και ψηφιακη (μεσω RS232) έξοδος Aυτόνομες ηλεκτρονικές πυξίδες της Wayfinder

59 Τα πυροηλεκτρικά αισθητήρια βρίσκουν εφαρμογή ως ανιχνευτές κίνησης σε συστήματα ασφάλισης χώρων H λειτουργία τους βασίζεται στην ιδιότητα ορισμένων υλικών (συνήθως κρύσταλλοι λιθίου-τανταλίτη) να εμφανίζουν τάση στα άκρα τους, ανάλογα με την θερμική ακτινοβολία την όποια δέχονται Διατίθενται σε υλοποιήσεις που έχουν σχεδιαστεί να ανιχνεύουν ακτινοβολία με μήκος κύματος 8-10 μm (κοντά δηλαδή στο φάσμα εκπομπής υπέρυθρης ακτινοβολίας από τους ανθρώπους) H χρήση τους διευκολύνεται από το ότι παρέχονται σε ολοκληρωμένη μορφή (με ενσωματωμένη ενισχυτική βαθμίδα), παρουσιάζουν καλή συμπεριφορά στο θόρυβο, και δεν έχουν ιδιαίτερες απαιτήσεις ψύξης

60 Διατίθενται υλοποιήσεις πυροηλεκτρικών αισθητήριων με δυο κρυστάλλους, που παρέχουν διαφορική μέτρηση Στην περίπτωση αύτη, η έξοδος προκύπτει από τη διαφορά τάσης μεταξύ των δυο κρυστάλλων. Όταν και οι δυο βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία, η τάση στην έξοδο του αισθητηρίου είναι 2.5Volt Eαν περάσει κάποιος μπροστά από το αισθητήριο, κινούμενος από τα αριστερά προς τα δεξιά, θα υπάρχει μεταβολή της τάσης εξόδου, όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα +5V

61

62 Strain gauge Mobile Range Modular Redundancy Sonar reflective Μετρητής τάνυσης Κινούμενο, κινητό Εμβέλεια Αρθρωτός Πλεονασμός Ηχοβολιστικό Ανακλαστικός resistive-ωμικός shaft-άξονας bend-κάμψη phototransistor-φωτοτρανζίστορ perforated-διάτρητος resolution-ανάλυση heading-κατεύθυνση orientation-προσανατολισμός