Sistemul senzorial al robotilor

Marian Poboroniuc

Note de curs

Perceptia senzoriala ?

• Inregistrarea informatiei despre mediulinconjurator

• Senzor – un dispozitiv electric/ mecanic/ chimic care transforma un atribut al mediului inconjurator intr-o masuratoarecantitativa

• Fiecare senzor (traductor) realizeaza oconversie intre doua forme de energie

Perceptia senzoriala umanasi organe senzoriale

• Vaz: ochi (optica, lumina)

• Auz: urechi (acustica, sunete)

• Pipait: piele (mecanica, caldura)

• Miros: nas (vapori-faza chimica)

• Gust: limba (lichid-faza chimica)

Extensie domeniu de masura si modalitati

• Vedere in afara spectrumului RGB– Camere de vederi in infrarosu – pe timp de

noapte

• Viziune Activa– RADAR si masuratori optice (LASER)

• Percepere sunete in afara domeniului20 Hz – 20 kHz – Domeniu de masura in ultrasunete

• Analize chimice altele decit celeobtinute prin gust si miros

• Radiatie.

Traductoare

• Termistor: temperatura -> rezistenta

• Electrochimic: proprietati chimice -> tensiune

• Fotocurent: intensitate lumina -> curent

• Piroelectric: radiatie termica -> tensiune

• Umiditate: umiditate -> capacitate electrica

• Lungime : pozitie -> inductanta

• Microfon: presiune sunet -> <parametruelectric>

Fuziune Senzoriala si Integrare

• Om: Un organ o masuratoare?– Nu este o afirmatie adevarata intotdeauna

• Echilibru: urechile

• Pipait: limba

• Temperatura: piele

• Robot: – Fuziune Senzoriala :

• Combina informatiile provenite de la mai multi senzori intr-o structura de date (uniforma).

– Integrare Senzoriala :• Utilizarea informatiilor provenite de la mai multi

senzori pentru a realiza o actiune dorita

Fuziune Senzoriala• De obicei un senzor nu este de

ajuns– Senzorii reali prezinta zgomot de

masura– Precizie limitata– Probleme de fiabilitate– Percepere limitata a mediului

inconjurator•Returneaza o descriere incompleta a mediului inconjurator

– Senzorul necesar ar putea fi scump –combinarea a doi senzori ieftini poateconduce la o solutie mai ieftina

Procesare Generala

Fuziune Interpretare

Senzor

Senzor

Senzor

Senzor

Sesizare Perceptie

Preprocesare

Preprocesare

Preprocesare

Preprocesare

Preprocesare

• Prelucrarea informatiei senzoriale obtinute de senzor inainte de a o utiliza

• Reducere zgomot masura -> filtrare

• Recalibrare

• Prelucrari de baza - exp. detectare contur in viziunea artificiala

• Particularizata pentru fiecare senzor

• Modifica (transforma) reprezentarea datelor

Senzor/ Fuziune Date• Combina datele obtinute de la diverse surse

– masuratori de la diversi senzori

– masuratori din diverse pozitii

– masuratori la diverse momente de timp

• Cel mai adesea este o metoda matematica care tine cont de incertitudinile inerente prezente in datele de intrare– Metode discrete

– Retele neuronale

– Filtre Kalman

• Produce un set de date

Clasificare Senzori• Stare Interna (proprioceptivi) - Stare

Externa (exteroceptivi)– masuratori ai parametrilor interni ai robotului

exp. nivel baterie, positie roata, unghiarticulatie, etc,

– Observatii asupra mediului, obiectelor etc.• Activi - inactivi

– emitatori de energie catre mediu, exp., radar, sonar

– Receptioneaza energie in mod pasiv pentru a extrage date, exp., camera video

• Cu contact – fara contact• In domeniul vizibil – in domeniul invizibil

– Sesizare bazata pe viziune artificiala, procesare imagini, camere video

– Senzori in infrarosu

Senzori utilizati pentruroboti

Celula solara

Senzor de distanta in

infrarosu, digital

Compas

Comutator atingere

Comutator Presiune

Comutator limita

cursa

Comutator magnetic

Senzor Magnetic

Senzor Polaroid Miniatura

Placa Senzor Polaroid

Traductoare piezo cu ultrasunete

Senzor Piroelectric

Termistor

Senzor Gaz

Senzor Radiatie

Gieger-Muller

Senzor piezoelectric tip banda

Senzori rezistivi de indoire

Senzori mecanici de inclinare

Senzor de inclinare rezistiv

Celula CDS

Senzor rezistiv - lumina

Efect Hall

Senzori de cimp

magnetic

Compas

Senzor IRDA

Senzor - Amplificator IR

Receptor modulare IR Receptor IR Receptor radio

IR Senzor

GyroAccelerometru

Emitator IR

Dioda IR

Detector UV

Detector Metale

Senzori utilizati la roboti• Rezistivi

– Senzori de incovoiere, potentiometre, fotocelule rezistive, ...

• Senzori tactili

– Comutator cu contact…

• Senzori Infrarosu

– Proximitate, senzori la distanta…

• Senzori la distanta cu ultrasunete

• Senzori inertiali (masura a derivatei a doua a pozitiei)

– Accelerometre, Giroscoape,

• Senzori de orientare

– Compas, Inclinometru

• Senzori LASER de distanta

• Viziune, GPS, …

Senzori Rezistivi

Senzori de incovoiere

• Rezistenta = 10kΩ - 35kΩ

• Rezistenta creste odata cu cresterea

incovoierii

Potentiometre

• senzori de pozitie pentru mecanisme cu

miscare de translatie sau rotatie

• Usor de gasit, usor de montat

Senzor la lumina (Fotocelula)

• Util detectie directie/prezenta lumina

• Rezistenta neliniara

• Viteza de raspuns redusa la modificari ale

intensitatii luminii

Senzori Rezistivi

Senzor rezistiv incovoiere

Fotocelula

Potentiometru

Rezistenta scade odata cu cresterea

intensitatii luminii

Aplicatii

Senzor

• Masura a unghiuluiunei articulatii

• Urmarire zid/ Detectare coliziune

• Senzor de greutate

Senzori

Senzor

Codoare incrementale pentrumotoare

Codoare Incrementale Optice

- directie

- rezolutie

fante

Emitator lumina

Senzor lumina

circuit decodare

A

B A defazat inainte

fata de B

• Codor incremental:

• Genereaza un nr. de impulsuri proportional cu viteza de rotatie.

• Directia poate fi indicata cu un codor cu doua circuite.

Codoare Optice Absolute

Gray Code

• Utilizate atunci cind nu trebuie sa pierdem referinta.

• Coduri Gray: in orice moment se modifica doar un bit ( incertitudine redusa).

• Informatia este transferata in modul parallel (necesare mai multe fire).

000

001

011

010

110

111

101

100

000

001

010

011

100

101

110

111

Binary

Alti senzori utilizati in odometrie

• Rezolver

• Potentiometre

= variaza rezistenta

Are doua infasurari statorice

pozitionate la 90 de grade.

Tensiunea de iesire este o functie

SIN() sau COS() de unghiul

rotorului. Rotorul este format

dintr-o a treia infasurarea,

infasurarea C.

Senzori la distanta(Ultrasonici, Laser)

Senzor la distanta

• Timp de emisie-receptie

• Impulsurile masurate provin in mod uzualde la surse de energie ultrasonora, RF sauoptica.

–D = v * t

–D = distanta dus-intors

–v = viteza de propagare a undei

– t = timp scurs intre emisie si receptie

• Sunet =~ 0.3 metri/msec

• RF/lumina = 0.3 metri / ns (greu de masurat distante scurte 1-100 metri)

Senzori Ultrasonici• Principiu de lucru:

– Emit un tren de ultrasunete (50kHz), (omul audesunete: 20Hz … 20kHz)

– Masoara timpul scurt pina la momentul in care receptorul detecteaza ecoul.

– Determina distanta pina la cel mai apropiat obiect.

D = v * t

D = distanta dus-intors

v = viteza de propagare(340 m/s)

t = timp scurs

Lilieci, delfini,

…

Senzori Inertiali• Giroscoape

– Masoara viteza de rotatie independent de sistemulde coordonate

– Aplicatii uzuale: • Senzori de orientare, Sisteme de navigare complet

inertiale.

• Accelerometre– Masoara acceleratii relativ la un sistem inertial

– Aplicatii uzuale: • Senzor de inclinare in aplicatii statice, Analiza vibratiilor,

Sisteme de navigare complet inertiale

Accelerometre

• Masoara forta de inertie generatade o masa cunoscuta supusa uneimodificari in viteza

• Aceasta forta poate modifica

– Tensiunea unui arc

– Deflexia unei fante

– Frecventa de oscilatie a unei mase

Accelerometre

Accelerometrele de inalta precizie includ o bucla servo pentru a imbunatati liniaritatea senzorului.

kxdt

dxc

td

xdmF

2

2

Giroscoape• Returneaza un semnal proportional cu

viteza de rotatie.

• Exista o mare varietate de giroscoapebazate pe diverse principii de functionare

Vitezade rotatie

Integrare Unghiorientare

Probleme legate de zgomot de masura

• Senzorii reali sint afectati de zgomot

• Origini zgomote: fenomene naturale+ nu sunt ideali d.p.d.v. ingineresc

• Consecinte: precizie limitata a masuratorilor

• Filtrare:

– software: medie, algoritmi de procesare a semnalelor

–Hardware (dificil) : exp.condensator