1

SENZORI

Universitatea Tehnica “Gh. Asachi” Iasi2006 - 2007

• SENZORI PENTRU ROATA/MOTOR– ENCODERE OPTICE INCREMENTALE– Un encoder optic produce un numar se semnale dreptunghiulare la fiecare rotatie a

arborelui in miscare. Acesta consta dintr-o sursa de lumina, o grila cu fante fixa, un disc cu fante ce se roteste odata cu arborele, si un receptor de lumina fix.

A

B A leads B

2

SENZORI PENTRU ROATA/MOTOR

Encodere Optice Absolute

Gray Code

• Se folosesc atunci cand nu este permisa pierderea pozitiei de referinta.• Gray codes: numai un bit poate fi schimbat, o data.• Informatia este transferata in forma paralela (sunt necesare multe fire).

000

001

011

010

110

111

101

100

000

001

010

011

100

101

110

111

Binary

3

SENZORI PENTRU ROATA/MOTOR

Alti senzori pentru odometrie

• Resolvere

• Potentiometre

= rezistentevariabile

Au statorul cu doua infasurari, pozitionate la un unghi de 90 grade. Tensiunea de iesire esteproportionala cu sin sau cos de unghiul rotorului.

4

Sensori sensibili la indoire• Resistenta = 10k to 35k• Atunci cand banda este indoita, rezistentaelectrica creste

Potentiometre• Pot fi utilizate ca senzori de pozitie (liniarisau rotativi) • Pot fi achizitionate cu usurinta, se monteazausor

Senzori de lumina (fotorezistente)• Sunt buni pentru detectareadirectiei/prezentei luminii• Rezistenta lor variaza neliniar• Raspuns lent la modificarea luminii

SENSORI REZISTIVI

Resistive Bend Sensor

Photocell

Potentiometer

R este mica atunci cand lumina esteputernica

5

Sensor

• Masurararea unghiuluidintre doua elementearticulate

• Detectarea coliziunii(prezentei) cu peretele(peretelui)

• Senzor de greutate

Sensors

Sensor

SENSORI REZISTIVIAplicatii

6

SENZORI INFRAROSU

• Intensity based infrared– Sunt senzori reflectivi– Usor de implementat– Sensibili la lumina mediului ambiant

• Modulated Infrared– Sunt senzori de proximitate– Necesita un semnal infrarosu modulat– Nu sunt sensibili la lumina mediului ambiant

• Infrared Ranging– Sunt senzori de distanta– Masoara distante scurte– Sensibili la lumina mediului ambiant, la culoarea si reflectivitatea

obiectelor

7

Senzori bazati pe intensitatea fasciculului IR

time

volta

ge

time

volta

ge

Increase in ambient light raises DC bias

Break-Beam sensor

Reflective Sensor

8

Sensori IR reflectivi

• Senzori reflectivi: – Emiterul este un LED infrarosu, receptorul este o fotodioda/un

fototranzistor– Cu cat fototranzistorul este mai luminat, cu atat trece mai mult curent

prin acesta

• Aplicatii:– Detectarea obiectelor, – Urmarirea unui contur trasat pe suprafata de lucru a robotului, urmarirea

unui perete– Encodere optice

• Dezavantaje:– Sensibile la lumina ambianta– Sensibile la reflectivitatea obiectelor– Sensibile la marimea distantei dintre senzor si obiect

9

Senzori IR modulati

• Modulare si demodulare– Se bazeaza pe trimiterea unui fascicul de lumina intermitenta,

cu o anumita frecventa– Demodulatorul este reglat la frecventa luminii intermitente

(32kHz~45kHz)– Lumina poate fi detectata chiar daca este foarte slaba– Sunt mai putin sensibili la lumina mediului ambiant si

reflectivitatea obiectelor– Se utilizeaza in majoritatea sistemelor de comanda la distanta,

senzori de proximitate, etc.

Negative true logic:

Detect = 0v

No detect = 5v

10

Senzori IR de proximitate

• Sunt senzori de proximitate: – Necesita un LED IR modulat, un modul detector cu un decodor de

modulatie incorporat– Curentul ce trece prin LED-ul IR trebuie limitat (se leaga o rezistenta in

serie cu acesta)– Distanta de detectare variaza in functie de tipul obiectului (de la alb

stralucitor la negru opac)– Insensibili la lumina mediului ambiant

• Aplicatii:– Masurarea grosolana a distantei– Evitarea obstacolelor– Urmarirea unui perete sau a unei linii

limiter demodulatorbandpass filteramplifier

comparatorintegrator

11

Senzori IR de distanta

• Principiu de operare:– Emitator IR emitter + lentile de focalizare + detector senzitiv de

pozitie

Localizarea spotului pe detector corespundedistantei pana la obiect.

Modulated IR light

12

Senzori IR de distanta

• Senzor IR de tip Sharp GP2D02– Raza de actiune: 10cm (4") ~ 80cm (30").– Precizie moderata in masurarea distantei– Insensibil la lumina mediului ambiant– Insensibil la culoarea si reflectivitatea obiectului– Aplicatii: masurarea distantei, urmarirea unui

perete / a unei linii, etc.

13

Senzori pentrumasurare distanta

(Ultrasonici, Laser)

14

SENZORI ULTRASONICI

Pentru măsurarea distanţelor, a vitezei de deplasare, în cazul structurilor robotice avansate se folosesccircuite specializate care folosesc unde ultrasonice (direcţionale) sau raze laser. Principiul de funcţionare al senzorilor ultrasonici constă în trimiterea unor pachete de unde ultrasonice şi măsurareatimpului în care unda reflectată (ecoul) se întoarce. Distanţa de la emiţător (robot) până la obiectul din spaţiul de lucru se poate calcula, cunoscînd viteza de propagare v0 a undelor ultrasonice în aer:

unde Dt reprezintă timpul scurs de la trimiterea pachetului până la recepţionarea undei reflectate.Viteza de propagare a sunetului în aer, în condiţii normale de presiune, la 20°C, este de

343m/s, variind cu presiunea, temperatura şi compoziţia aerului. Se poate observa că pachetul de unde ultrasonice trimis este într-o primă fază recepţionat ca semnal de tip ecou local de către senzor, măsurarea semnalului recepţionat fiind făcută doar după trecerea unui timp mort (blanking) t0; în funcţie de suprafaţa expusă a obiectului/obstacolului întâlnit de către unda ultrasonică, la receptor se vor întoarce pe lângă unda reflectată directă şi un număr de unde parazite, rejecţia acestora făcându-se după algoritmi diverşi (cel mai important fiind cel al amplitudinii semnalului recepţionat).

2tvD 0Δ=

15

Ţinând seama şi de variaţiile parametrilor de mediu, metoda de măsură oferă o precizie în intervalul 98÷99,1%, pentru un domeniu de măsură mergînd de la 10 cm până la aproximativ 10m. Frecvenţa uzuală a generatorului ultrasonic (realizat în general pe baza efectului piezoelectric) se încadrează în intervalul 40-200KHz; pentru creşterea preciziei de măsură, uzual, unda directă se îngustează prin mijloace mecanice, conul având o deschidere de 10-20°.

16

Având în vedere complexitatea mediului înconjurător şi precizia necesară roboţilor autonomi pentru deplasarea în condiţii reale de mediu, în practică, se preferă utilizarea unui număr de senzori ultrasonici fiecare fiind poziţionat pe o anumită direcţie (fig.3). Utilizarea unui sistem de senzori aduce pe lângă avantajele evidente, probleme suplimentare de proiectare, cum ar fi spre exemplu problema rejecţiei semnalelor parazite (unde parazite date de reflexia semnalelor emiţătoarelor adiacente) şi creşterea complexităţii structurii robotice. Evitarearăspunsului fals şi determinarea eronată a distanţelor se poate face prin diferite metode:- îngustarea conului de emisie şi poziţionareaexactă a emiţătoarelor ultrasonice;- folosirea senzorilor la momente de timp diferite (fiecare senzor este activat secvenţial) ;- utilizarea unor frecvenţe de lucru diferite, receptoarele ultrasonice asigurând rejecţia semnalelor parazite, perturbatoare, prin filtrare ;- codificarea semnalului ultrasonic (ataşarea unui cod numeric) cu dezavantajul creşterii complexităţii echipamentului.

17

Caracteristica uzuală reală a unui senzor ultrasonic -prezentată în fig.4– pune în evidenţă atenuarea caracteristicii pe direcţia principală de lucru (con de 10°), precum şi prezenţa unor lobi secundari cu atenuare mărită; practic alegerea unghiurilor de poziţionare a senzorilor ultrasonici multipli pentru o anumită structură robotică trebuie să ţină seama de distribuţia spaţială a atenuării senzorilor, dispunerea acestora fiind făcută în zonele cu atenuare maximă (în afara lobilor de recepţie) pentru o rejecţie maximă a semnalelor parazite.

18

Trebuie însă avut în vedere şi faptul că obiectele din mediul de lucru pot aveaproprietăţi de reflexie a sunetelor diferite (coeficienţi de absorbţie diferiţi), în unele cazuriamplitudinea undei reflectate având valori extrem de mici, nedetectabile. O limitare importantă înutilizarea senzorilor ultrasonici pentru măsurarea distanţelor în cazul roboţilor autonomi estedată de viteza de eşantionare scăzută, viteză limitată de timpul de “zbor” al undei ultrasonice. Spre exemplu pentru măsurarea unei distante de 3m, pentru viteza normală de deplasare a sunetului în aer de 343m/s rezultă un timp de zbor de

care limitează frecvenţa de eşantionare la aproximativ 50Hz. Suplimentar dacă se folosesc un număr sporit de senzori pentru extinderea zonei de măsură, senzori accesaţi secvenţial, frecvenţa scade suplimentar (împărţindu-se la numărul de senzori), fapt care poate pune probleme în condiţii reale în care obiectele din spaţiul de lucru se pot deplasa cu viteze diferite, variabile.

ms20s/m343

m32t ≈=Δ

19

Senzorul SRF04 (Sonic Range Finder) a fost proiectat pentru a fi folosit la fel de uşor ca şi sonarul Polaroid; acesta necesită un impuls de declanşare scurt şi returnează un semnal de tip ecou. Pentru a determina distanţa până la obstacol, controlerul va trebui să analizeze intervalul de timp în care ecoul va fi returnat. Conexiunile pentru SRF04 sunt prezentate în fig. 5; acestea sunt în numar de 5 şi sunt dispuse după cum urmează: doi pini asigură alimentarea senzorului, un pin este dedicat trimiterii impulsului declanşator, un pin este utilizat pentru returnarea ecoului, iar un pin este lăsat “în aer” (pinul “Do Not Connect” sau “Mode”).

20

Sensori ultrasonici• Sistem ultrasonic polaroid

– Raza de actiune: 150mm - 35 feet Ultrasonic transducerElectronic board

21

Noise Issues

22

Laser Ranger Finder• Dezavantajul timpului de zbor mare pentru unda ultrasonică, datorat vitezei relative scăzute de

propagare a sunetului în aer, poate fi depăşit prin utilizarea ca suport informaţional a razei laser. • Viteza de deplasare a undelor luminoase este mult superioară (aprox. 300000Km/s – mai exact

299792458 m/s) aducând şi avantajul unui con de dispersie extrem de scăzut, raza laser putând parcurge distanţe liniare mari fără pierderi importante de intensitate.

• Principiul de măsură folosit pentru măsurarea distanţelor poate fi acelaşi utilizat în cazul senzorilor ultrasonici, măsurarea timpului de zbor al unui impuls laser, cu observaţia că datorită vitezei foarte mari de propagare a luminii, sistemul de măsură trebuie să poată detecta mărimi de timp de ordinul nano-picosecundelor (spre exemplu timpul de zbor pentru o distanţă de 10m este de aproximativ 67ns, adică:

ns7.66s107.66)s/m299792458/(m102t 9 =⋅=⋅=Δ −

23

• Datorită problemelor deosebite puse de această abordare (frecvenţa de eşantionare a unui circuit capabil să măsoare aceste valori de timp fiind de ordinul zecilor de gigahertzi) se preferă utilizarea metodei de măsură a diferenţei de fază între raza laser directă şi cea reflectată.

• Pe baza schemei de principiu prezentate în fig.1 se trimite o rază laser asupra obiectului faţă de care se doreşte efectuarea măsurării; simultan, prin intermediul oglinzii dicroice, poziţionate la 45° faţă de direcţia razei laser, blocului optic de măsură îi sunt furnizate două raze – raza directă şi raza reflectată.

• Diferenţa de fază între cele două unde luminoase, care apare datorită lungimii diferite a traseului parcurs de raza directă şi cea reflectată, va reprezenta practic o mărime proporţională cu distanţa până la acel obiect.

24

• Distanţele parcurse de raza laser în cele două cazuri vor fi (conform fig.2):

• Emiţătorul trimite o rază laser modulată în amplitudine, lungimea de undă a razei fiind în intervalul 700-800nm. Întrucât obiectul asupra căruia se efectuează măsurătoarea are de cele mai multe ori o suprafaţă neregulată, cu coeficient de reflexie variabil, la nivelul acestuia raza laser suferă un proces de dispersie, intensitatea razei reflectate fiind mult diminuată (fiind necesar ulterior o amplificare – limitare corespunzătoare a intensităţii celor două raze luminoase).

• Lungimea de undă a razei laser modulate poate fi scrisă în funcţie de frecvenţa de modulare şi viteza de deplasare sub forma:

• unde c – viteza luminii şi f frecvenţa semnalului modulator.

D2LL2LDLLD

2102

201

+++=+=

fc

=λ

25

• De aici se poate obţine, egalând distanţele parcurse de cele două raze, raza directă şi raza reflectată, expresia:

• şi înlocuind :

• Cum pentru o frecvenţă uzuală a semnalului modulator de 5Mhz lungimea de undă corespunzătoare este de aproximativ 60m:

21 D2

D =πλ

θ+

πλ

θ++2

LL 10

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−

πλ

θ= 21 LL22

1D

m60MHz5

s/km300000fc

===λ

26

• se poate uşor observa că distantele L1, L2 sunt neglijabile (aproximativ 5-10 mm funcţie de soluţia constructivă aleasă), distanţa până la obiectul din spaţiul de lucru fiind dată de expresia:

•• cu θ diferenţa de fază măsurată în grade (fig.3).

• Figura 3. Defazajul între unda direct şi cea reflectată•

πλ

θ=4

D

27

Laser Ranger Finder

• Datorită directivităţii deosebite şi dispersiei practic nule a razei laser precizia de măsură este deosebită, ponderea semnalului perturbator (datorat reflexiilor – difuziilor parazite) fiind practic nulă.

• Trebuie avut în vedere şi faptul că pentru materiale cu coeficienţi de reflexive diferiţi intensitatea razei reflectate poate varia destul de mult, şi cum principiul de măsură se bazează pe diferenţa de fază, orice modificare apărută în raportul amplitudinilor celor două semnale, direct şi reflectat, poate influenţa acurateţea măsurătorii.

28

• Datorită simplităţii şi preciziei de măsură metoda este folosită în robotică şi pentru trasarea hărţii spaţiului înconjurător, lucru extrem de util în analiza şi generarea traiectoriei de mişcare în spaţii complet necunoscute Principial se foloseşte o schemă uşor modificată, la care sistemul cu oglinda dicroică devine mobil (rotativ), executând mişcări de rotaţie complete de 360°. Informaţiile obţinute sunt memorate, pe baza lor putându-se crea o hartă 2D a spaţiului înconjurător (fig.4).

• Figura 4. Exemplu de hartă 2D obţinută de sistemul rotativ

29

• Sistem de măsurare o poziţiei cu laser NAV300NAV300 este un sistem de măsurare electro-optic care scanează perimetrul unui mediu înconjurător dintr-un plan cu ajutorul fasciculelor laser (fig.5).

• Figura 5. Senzorul de măsurare a poziţiei NAV300

30

Inertial Sensors

• Gyroscopes – Measure the rate of rotation independent of the

coordinate frame – Common applications:

• Heading sensors, Full Inertial Navigation systems (INS)

• Accelerometers – Measure accelerations with respect to an inertial

frame – Common applications:

• Tilt sensor in static applications, Vibration Analysis, Full INS Systems

31

Accelerometers

• They measure the inertia force generated when a mass is affected by a change in velocity.

• This force may change – The tension of a string – The deflection of a beam – The vibrating frequency of a mass

32

Accelerometer• Main elements of an accelerometer: 1. Mass 2. Suspension mechanism 3. Sensing element

High quality accelerometers include a servo loop to improve the linearity of the sensor.

kxdtdxc

tdxdmF ++= 2

2

33

Gyroscopes • These devices return a signal proportional to the

rotational velocity. • There is a large variety of gyroscopes that are

based on different principles

34

Global Positioning System (GPS)

Space Segment

http://www.cnde.iastate.edu/staff/swormley/gps/gps.html

24 satellites (+several spares)

broadcast time, identity, orbital parameters (latitude, longitude, altitude)

35

Global Positioning System (GPS)

Space Segment

http://www.cnde.iastate.edu/staff/swormley/gps/gps.html

24 satellites (+several spares)

broadcast time, identity, orbital parameters (latitude, longitude, altitude)

36

Noise Issues• Real sensors are noisy• Origins: natural phenomena + less-than-

ideal engineering• Consequences: limited accuracy and

precision of measurements• Filtering:

– software: averaging, signal processing algorithm

– hardware tricky: capacitor

37

Thank you!

See you next week!