Snímače pre použitie v robotike

Transcript

1 Snímače pre použitie v robotike Snímače možno rozdeliť podľa nasledovných kritérií: -meranie elektrických veličín (napätie, prúd, výkon...) -meranie mechanických veličín (uhlová/lineárna rýchlosť, uhlové/lineárne posunutie resp. vzdialenosť, moment/sila, zrýchlenie) -meranie iných veličiny (teplota, tlak, vlhkosť, radiácia, chemické receptory...) Iné rozdelenie: -snímače vnútorných veličín (robot sníma napr. veličiny charakterizuúce stav svoich pohonov a význačných mechanických častí ednotlivých článkov manipulátora, podvozku...) -snímače vonkaších veličín (snímanie interakcie robota s okolím resp. snímanie vlastností samotného okolia) Delenie podľa miery ovplyvňovania okolia: -pasívne snímače (napr. stereovízny kamerový systém, mikrofón) -aktívne snímače (napr. laserový diaľkomer na báze triangulácie, SONAR) Delenie podľa charakteru interakcie s meraným obektom: - kontaktné (silovomomentové snímače, koncový spínač, kontaktný v nárazníkoch) - bezkontaktné (optické snímače, ultrazvukové snímače, indukčné a kapacitné...) Senzorické systémy živých organizmov Ľudské zmysly: Zrak oči svetlo nm Sluch uši - zvuk 20 Hz 20 khz Hmat koža mechanické a tepelné podnety Čuch nos chemické vlastnosti plynných látok Chuť azyk chemické vlastnosti tekutých látok Ústro rovnováhy (súčasť vnútorného ucha) + stovky snímačov vnútorných veličín na všetkých úrovniach zabezpečuúcich látkovú výmenu, bo s infekciami, udržiavanie teploty, pohyb vnútorných orgánov a svalov Iné zmysly živých organizmov: sonar u netopierov, delfínov a veľrýb kompas u holubov snímače hĺbky ponoru u vodných živočíchov tykadlá chrobákov / myšacie fúzy

2 Snímače pre použitie v robotike Snímače vnútorných veličín: -snímanie napätia a prúdu (meranie stavu batérií, meranie veličín v elektrických motoroch resp. výkonových meničoch). Snímanie prúdov možno použiť a pri meraní interakcie robota s okolím (nepriame meranie síl a momentov) -snímanie uhlove a lineárne rýchlosti pohybu v ednotlivých stupňoch voľnosti (typicky ide o meranie na výstupnom hriadeli motora) -snímanie natočenia alebo posunu v ednotlivých stupňoch voľnosti (na motore alebo v prípade rotačného pohybu a za prevodovkou) -koncové spínače ednotlivých osí slúžiace na detekciu dosiahnutia kraných polôh pre účely havariného zastavenia pohonov v prípade poruchy riadenia polohy v príslušnom stupni voľnosti -inerčné snímače určuúce parametre pohybu zvoleného bodu konštrukcie robota voči absolútnym súradniciam (meranie zrýchlenia a zmeny orientácie) -sklonomer: snímač meraúci sklonu voči vektoru gravitačného zrýchlenia -kompas: snímač meraúci natočenie voči magnetickému poľu Zeme -snímače iných veličín: teplota vo vnútri robota, tlak v prípade pneumatických alebo hydraulických pohonov Snímače pre použitie v robotike Snímače vonkaších veličín: -2D/3D vizuálny systém na detekciu polohy a tvaru predmetu manipulácie v prípade manipulátorov, resp. navigáciu a vyhýbanie sa prekážkam v prípade mobilných robotov (špeciálne použitie: visual servoing meranie orientácie a vzdialenosti koncového bodu robota voči predmetu manipulácie za účelom riadenia pohonov robota). -zednodušené varianty D vizuálneho systému na meranie vzdialenosti od predmetov v okolí v určenom smere (laserový diaľkomer) -ultrazvukový snímač na meranie vzdialenosti od predmetov (prekážok) v okolí v určenom smere -proximitné snímače na detekciu predmetov v blízkom okolí robota (infračervené, indukčné resp. a dotykové mechanické snímače v nárazníkoch robota alebo taktilný snímač typu myšacie fúzy ) -silovomomentové snímače na detekciu síl a momentov pri interakcii robota s eho okolím (typicky s predmetom manipulácie) -snímače iných veličín, ktoré maú súvis s nasadením robota na ich meranie v neznámom alebo nebezpečnom prostredí (meranie radiácie v zamorenom prostredí, prieskum cudzích kozmických telies), hlasovú komunikáciu s operátorom (mikrofón, mikrofónne pole) a pod.

3 Snímanie uhlove rýchlosti a natočenia Analógové snímače: - tachodynamo/tachogenerátor: JS alebo synchrónny motorček s PM v generatorickom zapoení - potenciometer (rotačný a lineárny variant): kontaktné problémy, životnosť, vplyv teploty - LVDT snímače Číslicové snímače: - inkrementálny optoelektronický snímač (rotačný a lineárny variant) - absolútny optoelektronický snímač polohy (kódový kotúč-pravítko) - indukčné snímače: selsyn-induktosyn Indukčný snímač lineárneho posunutia (LVDT) Linear variable differential transformer U out U in primárne vinutie Dx Dx = k. U out dvoica sekundárnych vinutí k citlivosť snímača

4 Inkrementálny optoelektronický snímač Snímanie rýchlosti: vyhodnocovanie frekvencie (na meranie väčších rýchlostí) alebo periódy impulzov zo snímača (nízke rýchlosti) Snímanie polohy: počítanie impulzov vo vratnom čítači. Problematika určenia absolútne polohy! Problémy: rozlíšenie smeru a štvornásobenie počtu impulzov. Inkrementálny optoelektronický snímač x tvarovač x 2 tvarovač n.l+l/4 L x 2 MKO MKO x + & Rozlíšenie smeru + = x.x 2 - & - = x 2. Štvornásobenie počtu impulzov Ďalšie 3 spôsoby zapoenia: = x. x2, - = x2. x, - = x. x, 2 = x. x2 = x2. x = x. x 2 x 2 Po logickom sčítaní všetkých 4 signálov: x

5 Absolútny optoelektronický snímač Problém logických hazardov pri zmene hodnoty vo viacerých rádoch súčasne. Riešenia: snímače v tvare U alebo V, Grayov kód. Viacotáčkové varianty Základné riešenie Ak e v i-tom ráde 0, Berie sa v i+.ráde informácia z pravého snímačaa naopak Usporiadanie snímačov v tvare V Kódový kotúč Ak e v nanižšom ráde 0, Berú sa informácie so snímačov vpravo a naopak Usporiadanie snímačov v tvare U Aplikácia Grayovho kódu Dekad Binárne Grayov Indukčný snímač selsyn / induktosyn u u2 n.l+l/4 L 2 rôzne spôsoby zapoenia: u 3 Existue lineárny a rotačný variant, dnes už takmer výlučne na báze vinutia realizovaného na doske plošných spoov s dvomi fázami v statorovom vinutí. - fázový menič (stator e napáaný 2 harmonickými napätiami u a u 2 posunutými o 90 (sin/cos), informácia o natočení-posunutí sa získava z fázového posunutia výstupného signálu z rotorového vinutia u 3 voči statorovým napätiam. - rozkladač (rezolver): rotor napáame harmonickým napätím u 3 a informáciu získavame riešením goniometricke úlohy zo vzáomného pomeru amplitúd oboch napätí zo statorového vinutia u a u 2

6 Indukčný snímač selsyn / induktosyn Zapoenie typu fázový menič Generátor impulzov Referenčný čítač u šírkanbitov Zdro sin/cos u 2 Selsyn/ induktosyn U U U 2 3 = U.sinwt = U.coswt = U. k. n 2 A = 2p zápis Pamäť Tvarovač ( sinwt.cos - coswt.sin) = U. k.sin( wt - ) A u 3 Indukčný snímač selsyn / induktosyn Zapoenie typu rozkladač (rezolver): sin u 3 = U.sinwt u u v v v = U. k.sinwt.cos = U. k.sinwt.sin = U. k.sinwt.cos.siny = U. k.sinwt.sin.cosy -v = U. k.sin Æ 0 fiy = wt. ( sin.cosy - cos.siny ) = U. k.sinwt.sin( -y ) ( -y ) v 3 v = U. k.sin 2 Generátor refer.napätia u 3 Selsyn/ induktosyn u u 2 Násob. prevodník Násob. prevodník cos v v 2 Odčítačka + bodovápamäť v 3 Prevodník U/f Vratný čítač y

7 Snímače koncových polôh -kontaktné snímače na báze mikrospínačov -optoelektronické spínače -magnetické spínače (napr. s využitím Hallove sondy) Snímanie deformácie - tenzometer Tenzometer snímač na meranie deformácie, ktoré možno následne využiť napr. pre snímanie tlaku a pod. Pracue na princípe zmeny odporu pri zmene dĺžky, typicky symetricky v oboch smeroch. Strain gauge R+ F R- F Materiály pre výrobu: Konštantán (NiCu), Karma (NiCr), isoelastická zliatina Zliatina typu A a P Zliatina typu K Zliatina typu D

8 R U výst U nap Vyhodnotenie zmeny odporu pomocou Wheatstoneovho mostíka R Pasívny odpor alebo nezaťažený tenzometer toho istého typu kvôli zníženiu chýb vplyvom teploty Vplyv odporu prívodných vodičov možno obdobne ako v prípade odporového snímača teploty (RTD) obmedziť 3-vodičovým zapoením R+ R U výst = U U 4R + 2 nap 4R U nap U nap U nap U nap R R+ R R R - R R - R+ U výst U výst U výst U výst U výst R + = U nap R R+ R U nap U výst = U U nap U 2 2 výst = U nap U 2R + 2R 4R - 2R 2R R + R R+ výst = U nap R R - Viacosové silovomomentové snímače Využíva sa magnetoelastický princíp alebo tenzometrické snímače (strain gauge). Meranie e realizované v -6 osiach v zápästí robota umožňue riadiť silové pôsobenie nástroa na predmet manipulácie/obrábania (brúsenie, vŕtanie, leštenie). Iné použitie: navádzanie robota pomocou silového pôsobenia rukou. Obdobné technológie možno použiť na meranie a riadenie prítlačných síl v čeľustiach chápadiel.

9 Snímač typu myšacie fúzy whisker Snímanie na rôznych princípoch snímanie deformácie resp. vyhodnotenie zmeny frekvencie kmitania fúzu pri kontakte s prekážkou. Pri kĺzaní konca fúzu po povrchu sa dá dokonca identifikovať eho textúra. Piezoelektrický akcelerometer Piezoelektrický snímač vysoký frekvenčný rozsah (5-50 KHz) a dynamický rozsah ( g) ale a pomerne vysoká cena -nevýhodou e, že tento typ snímača neprenáša statický signál, takže sa s ním nedá merať gravitačné zrýchlenie resp. sa nedá používať pri dlhodobeších prechodných deoch

10 Micro Electro Mechanical System Polovodičový MEMS akcelerometer Polovodičový MEMS (Micro Electro Mechanical System) snímač e vhodný na meranie menších hodnôt zrýchlenia, e veľmi lacný. Výhodnou vlastnosťou e schopnosť merania a konštantných resp. pomaly sa meniacich hodnôt zrýchlenia a kombinácia 2 takýchto snímačov sa dá použiť na konštrukciu sklonomeru. Vyrábaú sa snímače meraúce v, 2 alebo 3 osiach. Polovodičový MEMS akcelerometer Vnútorná štruktúra 2-osového akcelerometra ADXL202 fy Analog Devices Parametre: 2-osový snímač, PWM výstup, frekvenčný rozsah 6 khz, dynamický rozsah ±2g, rozlíšenie 2 mg, rozmery 5x5x2 mm, spotreba < 0,6 ma

11 Použitie MEMS akcelerometra ako sklonomeru a x =g.sin( q) os x q a z =g.cosq ( ) Ê ax q = arcsiná Ëg ˆ Ê U = arcsiná Ë U x g -U -U 0g 0g ˆ g os z - meranie e korektné len v rozsahu ±90 Pri meraní v celom rozsahu 360 treba použiť a znamienko signálu v osi z, ak treba merať všeobecný sklon v dvoch smeroch (klopenie a klonenie), treba použiť 3-osový snímač. Týmto spôsobom nevieme zmerať bočenie... Polovodičový MEMS gyroskop Angular Rate Sensor HST ESP Segway nedotáčavosť pretáčavosť Gyroskopy fy Bosch pracuú na báze snímania náklonu vibruúceho disku okolo osi z. Pri rotácii okolo osi kolme na os z dochádza ku vzniku Coriolisových síl, ktoré spôsobuú naklápanie disku voči rovine podložky a toto e snímané snímané kapacitnými snímačmi. Výstupný signál e úmerný uhlove rýchlosti otáčania. Typické parametre: rozsah ±250 /s, frekv. rozsah do 30 Hz, napáanie 5 V / 20 ma

12 Polovodičový kompas Indukcia magnetického poľa Zeme má hodnotu cca 50 μt a klesá... Ako kompas (snímač hodnoty azimutu) môžu pracovať 2 ľubovoľné (navzáom kolmé) snímače magnetického poľa (pracuúce na báze magneticke indukcie, Hallovho avu alebo magnetorezistívnom princípe Ê H a = arctan Á Ë H y x ˆ Poloha užného magnetického pólu Poruchové vplyvy: zmena inklinácie (sklon vektora magnetického poľa Zeme voči horizontálne rovine) v závislosti od zemepisne šírky a posun magnetického pólu voči zemepisnému (deklinácia) Príklad integrovaného kompasu KMZ52 fy Philips. Pracue na princípe zmeny odporu citlivých prvkov vyrobených zo zliatiny permalloy zapoených do mostíka. Rozlíšenie 0,, presnosť 3-4. LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Laserový diaľkomer na princípe triangulácie Range finder D = h tanq q = pfc. rpc pfc poradie obrazového bodu, kde dopadá lúč rpc prepočet uhla/rozteč obrazových bodov Priímač líniový PSD alebo CCD prvok Vysielač laserová dióda s výkonom niekoľko mw Rozsah desiatky cm až niekoľko m, teoretická presnosť e daná rozlíšením snímača

13 Laserový diaľkomer na princípe merania doby letu lúča LIDAR LIght Detection And Ranging resp. metóda TOF Time Of Flight Snímače určené na meranie väčších vzdialeností desiatky metrov až kilometre, v prípade použitia kútových odrážačov a vzdialenosť umelých družíc Zeme či Mesiaca... Rýchlosť svetla m/s km tam a späť svetlo preletí za 6,7 μs... Impulzná metóda umožňue vzhľadom na malé časy oneskorenia presné meranie len pre veľké vzdialenosti Vylepšenie a pre menšie vzdialenosti meranie pomocou kontinuálneho modulovaného lúča: - amplitúdová (harmonická) modulácia s meraním fázového posunu spätného lúča voči vysielanému - frekvenčná modulácia s meraním frekvenčného posunu spätného lúča voči vysielanému Výhoda metódy súososť vyslaného a priatého lúča, nevhodné pre meranie malých vzdialeností Vizuálne systémy V robotike slúžia na nasledovné účely: -tvorba mapy prostredia, navigácia -identifikácia obektov v bližšom a vzdialenešom okolí -vnímanie vlastností obektov -inšpekcia kvality resp. kvantity výrobkov

14 Vizuálne systémy Aplikácie v priemysle kontrola kvality (prítomnosť obektov, vlastnosti obektov, inšpekcia kvality povrchu) textové OCR resp. čítanie čiarového kódu navigácia mobilných robotov resp. manipulátorov Fázy spracovania obrazu Vizuálne systémy -získanie obrazu (grabbing) pomocou CCD alebo CMOS snímača -predspracovanie obrazu (napr. kompenzácia rôznych optických skreslení) -spracovanie obrazu na rôznych úrovniach (modifikácia histogramu, aplikácia masky, prahovanie, rôzne druhy filtrácie na odstránenie šumu, resp. zaostrenie obrazu, detekciahrán, rozpoznanie hraníc obektov, identifikácia a popis obektov) -interpretácia obrazu (sémantická analýza a popis scény, porozumenie scéne, aplikácia algoritmov UI)

15 Ultrazvukový snímač - SONAR Impulzná metóda určenia vzdialenosti: c. Dt d = 2 c -rýchlosť šírenia zvuku Δt oneskorenie odrazeného impulzu -3 - ( +,83.0 )(. + 2,2. h ) 4 c = c0. T 0 SOund Navigation And Ranging c 0 -rýchlosť šírenia zvuku pri 0 C a 0% vlhkosti (cca 33,5 m/s) T teplota v C, η relatívna vlhkosť vzduchu v % Meranie v rozsahu od 0 cm do niekoľkých metrov s presnosťou až mm pri malých vzdialenostiach. Vysielač a snímač na báze piezokeramického meniča, typická frekvencia khz (v niektorých aplikáciách až do 500 khz - s rastúcou frekvenciou rastie útlm!), problém so šírkou hlavného laloka ± 5 uhlových stupňov a viac resp. s existenciou bočných lalokov + problémy s kolísaním rýchlosti šírenia zvuku (vplyv teploty, tlaku resp. nadmorske výšky, vlhkosti vzduchu a tiež eho prúdenia) Mikrofón mikrofónne pole Kondenzátorový typ Dynamický typ MEMS konštrukcia

16 Mikrofón mikrofónne pole Mikrofónne polia Proximitné snímače Proximitné snímače pracuú na rôznych princípoch: infračervený snímač - meranie intenzity odrazu (IR diódy pracuúce na vlnove dĺžke cca 900 nm) kapacitný snímač zmena kapacity merace elektródy pri priblížení sa k vodivému povrchu indukčný snímač zmena indukčnosti merace cievky v blízkosti feromagnetického (pri nižších frekvenciách) resp. a vodivého povrchu (pri vyšších frekvenciách vírivé prúdy...) Rozsah snímačov rádovo cm až niekoľko 0 cm, použitie ako protikolízne snímače pre mobilné roboty Princíp činnosti infračerveného snímača cca 900 nm Slnečné spektrum Citlivosť kremíkove fotodiódy

17 Meranie polohy mobilných robotov Relatívne meranie polohy založené na integrovaní zmien oproti posledne známe polohe: Štart Odhadpolohy -odometria (Deduced reckoning Dead reckoning) -inerčné meranie (akcelerometer, gyroskop) -Dopplerovské meranie rýchlosti (radarové meranie) Chybaodhadu Absolútne meranie polohy - navigácia na základe určenia polohy voči maákom -triangulácia (aktívna, pasívna) -trilaterácia (GPS) -hyperbolická navigácia (LORAN) -kompas -model matching Fúzia informácií z rôznych snímačov -vyhodnotenie informácií z viacerých snímačov rôzneho typu, z ktorých každý má svoe špecifické obmedzenia (rozsah meraných hodnôt, frekvenčné vlastnosti, vplyv poruchových veličín) a v tomto zmysle sa môžu vzáomne dopĺňať. Príklad: odometria + informácie z inerčných snímačov (akcelerometer a gyroskop) signál z gyroskopu a sklonomer vytvorený z viacosového akcelerometra informácie z laserového diaľkomeru + ultrazvukového snímača pozorovanie kozmických obektov v rôznych oblastiach spektra (IČ/vizuál./RTG) v istom zmysle sem možno zaradiť a prvotnú resp. periodickú kalibráciu relatívnych spôsobov merania pomocou niektorého z absolútnych spôsobov merania (v prípade mobilných robotov, ale napr. a v prípade inicializácie polohy ramien manipulátora meraných inkrementálnymi snímačmi...) v širšom slova zmysle sem patrí a spracovanie údaov z 2 stereo kamier za účelom získania hĺbkove informácie či spracovanie informácií s mikrofónneho poľa za účelom skvalitnenia signálu zo sledovaného zdroa rečníka...) Aplikáciou metód fúzie možno navyše zabezpečiť vylúčenie chybných údaov, identifikáciu poruchy na niektorom zo snímačov resp. do odstránenia poruchy a zabezpečenie snímania zvyšnými, správne funguúcimi snímačmi (napr. identifikácia rýchlosti otáčania motora z elektrických veličín snímaných na motore pri poruche primárneho snímača rýchlosti a pod.)

18 Fúzia informácií z rôznych snímačov Príklad fúzie informácií zo snímačov: -protikolízny radar (pracuúci v rôznych režimoch s rôznym dosahom) -CMOS kamera snímaúca scénu pred automobilom Fúzia informácií z rôznych snímačov Vlastnosti ednotlivých druhov snímačov Ultrazvuk. Infračerv. Laser Vizuálny systém Dosah Rozlišovacia schopnosť Videnie v tme Práca v nepriaznivom počasí Cena samotného snímača Cena vyhodnocovace ednotky Falošné poplachy Tepelná stabilita Citlivosť na znečistenie a vlhkosť Radar Porovnanie vlastností rôznych snímačov pre použitie v protikolíznych systémoch (podľa J.D.Woll: Radar based adaptive cruise control for trucks Automotive Engineering Int., 998)

19 GPS - Global Positioning System Americký navigačný systém dokončený v roku 995. Obsahue 24 satelitov obiehaúcich vo vzdialenosti km nad Zemou obežná doba 2 hodín, 6 rôznych orbitálnych rovín. Na voľnom priestranstve e nad obzorom v každom okamihu 6 satelitov. Od.máa 2000, kedy došlo k pozastaveniu funkcie SA e presnosť cca 0 metrov. Ruská obdoba - Glonass. EU budue vlastnú alternatívu pod názvom GALILEO.