Senzori igraju jednu od najvažnijih uloga u robotici. Uz pomoć raznih senzora, robot "osjeća" sebe i svijet. To su organi čula - oči, uši, koža za robote.
Senzori se često nazivaju uža klasa brojila - senzori blizine, ali često termini senzor i senzor se koriste jednostavno kao sinonimi.
Robot je, po definiciji, mašina sposobna za interakciju sa svojim okruženjem. Ako je pokretno, ako se ne kreće u apsolutno ograničenom prostoru i nije pripremljeno za to, mora biti u stanju da prilagodi svoje pokrete i svoje radnje interakcije na osnovu fizičke karakteristike okolinu u kojoj se nalazi i objekte koji se u njima nalaze.
Procjena kretanja sa senzorima
Da bi postigli ovu prilagodljivost, prva stvar koju roboti trebaju je poznavanje okoline. Znati okruženježiva bića imaju senzorni sistem. Roboti ne mogu biti manji: moraju imati senzore koji im omogućavaju da znaju gdje su, gdje se nalaze, u kakvim su fizičkim uslovima, gdje bi trebali komunicirati, svoje fizički parametri itd.
Uzmimo definiciju:
Senzor, senzor (od engleskog senzora) je termin za upravljačke sisteme, primarni pretvarač, element mjernog, signalnog, regulacionog ili kontrolnog uređaja sistema koji kontrolisanu vrijednost pretvara u signal pogodan za upotrebu.
Procjena kretanja sa senzorima
Hajde da napravimo eksperiment.
Kombinovanje i povezivanje IR senzora
Za to se koriste različite vrste senzora, sa puno sofisticiranosti i sofisticiranosti, od sasvim jednostavnih do drugih sa visoki nivo hardverska složenost i još složenije programiranje. detaljne informacije o senzorima za robote. Postoje mnogi uređaji dizajnirani da uzimaju eksterne informacije o fizičkoj veličini i pretvaraju ih u elektronsku vrijednost koja se može unijeti u kontrolni krug tako da robot može kvantificirati i na odgovarajući način reagirati.
Uzmimo malog mobilnog robota (na primjer, robot-usisivač) i postavimo mu zadatak: potrebno je proći kroz stazu koja ponavlja kvadrat sa stranicom od 4 metra i vratiti se na početnu tačku. Koliko dobro možemo raditi s podacima kilometraže koje dobijemo od senzora kotača?
Da li se senzor sastoji od nekog elementa koji je osjetljiv na fizičku veličinu, kao što je intenzitet ili boja svjetlosti, temperatura, pritisak, magnetizam, vlažnost? i mora biti sposoban, po svojim karakteristikama ili pomoću posrednih uređaja, da to pretvori fizička količina u električnoj promjeni koja se može uvesti u kolo koje ga koristi direktno, ili u prethodnoj fazi, što joj uvjetuje, tako da se konačno može koristiti za kontrolu robota.
Fizičke veličine koje je potrebno izmjeriti kako bi robot imao određena znanja o okolini. Razne vrste senzori ili senzori. Reflektori i presretači. Sa sličnim optičkim elementima, odnosno emiter-prijemnik, postoje „prorezani“ senzori, gdje se između emitera i prijemnika ugrađuje direktan snop sa prostorom između njih koji može biti zauzet objektom.
Slika koju ćemo vidjeti najvjerovatnije će izgledati otprilike ovako:
Robot će, kao da "unosi". Razlog za ovakvo ponašanje može biti:
- greška u početnom poravnanju u odnosu na ose u fiksnom koordinatnom sistemu (u početku smo postavili robota "krivo");
- proklizavanje kotača;
- neispravna kalibracija;
- razlike između pravi karakteristike lijevog i desnog motora;
- drugi faktori.
Naravno, ako koristimo motorne enkodere koji imaju visoku tačnost i sinkroniziraju oba motora, onda će se situacija vjerovatno popraviti, ali ponavljanjem našeg eksperimenta više puta nećemo moći svaki put dobiti idealnu putanju kretanja.
Naziva se i fotootpornikom ili fotootpornikom. Fotoćelije ili fotonaponske ćelije. Direktna konverzija svjetlosti u električnu energiju na atomskom nivou naziva se fotonaponska generacija. Neki materijali imaju svojstvo poznato kao fotoelektrični efekat, zbog čega apsorbuju fotone svjetlosti i emituju elektrone. Kada se ovi emitovani slobodni elektroni zarobe, rezultat je struja, koji se može koristiti kao energija za strujna kola.
Nakon pažljive kalibracije, pokušavajući uzeti u obzir razlike u karakteristikama stvarnog uređaja od teorijskih parametara, vidjet ćemo da se robot, u prosjeku, vraća na početnu tačku, ali i dalje postoji širenje. Nismo mogli isključiti faktore koji su izvan naše kontrole (promjenjivo proklizavanje kotača, neravne karakteristike površine po kojoj se robot kreće, čak utiču i tokovi zraka!). Kalibracijom smo eliminisali sistematsku grešku, ali je i dalje postojala nulta srednja greška.
Očigledno, ova ista energija se može koristiti za otkrivanje i mjerenje svjetlosti. Glavna karakteristika ovog kola je da ima niz ćelija sa fotosenzitivnošću usklađenih u fizičko-električnom uređaju, što omogućava "pakovanje" veliki broj osjetljive elemente na maloj površini i obrađuju veliku količinu informacija o slici na relativno jednostavan način, bez potrebe za velikim vezama i upravljačkim krugovima.
Nije potrebno mnogo širiti na ove komponente, vrlo česte u industriji i veoma korišćene u elektronskoj opremi i automatizaciji. Naravno, zbirka slika koju predstavljamo na lijevoj strani će biti dovoljna. U industriji postoji širok spektar transmitera pritiska, od kojih je većina orijentisana na merenje pritiska tečnosti na membrani. U robotici će možda biti potrebno izvršiti mjerenja na hidrauličnim tekućinama, iako će dostupni senzori tlaka vjerojatnije biti korisni kao senzori sile uz odgovarajuću prilagodbu.
Za takve slučajne greške možemo konstruisati probabilistički model. Kao model u realnim fizičkim sistemima, normalna distribucija (ili, kako je još nazivaju, Gausova distribucija) je dobro prilagođena.
Što se robot dalje kreće duž putanje, to će stvarna pozicija robota jače odstupiti u jednom ili drugom smjeru od idealne putanje - varijansa greške će se povećati. Kao rezultat toga, nemoguće je precizno integrirati kretanje našeg robota koristeći podatke kilometraže.
Ovo je potpuno ravan element ugrađen u fleksibilan štampana ploča sa tankim zidom. Ovaj ravni oblik olakšava postavljanje sonde između dva mehanička dijela našeg sistema i mjerenje primijenjene sile bez ometanja dinamike ispitivanja. Primjena sile na osjetljivo aktivno područje senzora rezultira promjenom električnog otpora senzorskog elementa u funkciji obrnuto proporcionalnoj primijenjenoj sili. Upotreba mikrofona u robotu može se naći u dvije primjene: prvo, unutar sistema za mjerenje udaljenosti u kojem mikrofon hvata zvukove koji dolaze od istog robota nakon što se odbijaju od prepreka ispred, recimo, sonarnog sistema; I drugo, mikrofon za hvatanje ambijentalnog zvuka i korištenje na neki način, kao što je primanje naredbi putem riječi ili tonova i, malo naprednije, određivanje smjera tih zvukova.
pravi model Kretanje robota mora uzeti u obzir da putanja duž koje se robot kreće zavisi od nesigurnih smetnji, postoji „šum kretanja“. Da bismo objasnili ovu buku, prepisujemo jednačine koje sam dao
za pravolinijsko kretanje na udaljenosti u obliku
i za rotaciono kretanje sa rotacijom za ugao
Primjena induktivnog senzora
Očigledno je da sada, kada govore o robotima za špijuniranje, govore o mikrofonima koji bi uključili surround zvuk i prenijeli ga na udaljenu lokaciju. Ultrasonic Rangers. Ultrazvučni mjerači udaljenosti koji se koriste u robotima su u osnovi sonarni sistem. U mjernom modulu, emiter ispaljuje niz ultrazvučnih impulsa i čeka na odbijanje mjerenjem vremena između emisije i povratka, što rezultira udaljenosti između emitera i odbijenog objekta.
Infracrveni mjerači udaljenosti. Metoda detekcije za ove senzore je triangulacija. Za senzore koji isporučuju nivo analognog izlaza za označavanje udaljenosti, vrijednost nije linearna u odnosu na izmjerenu udaljenost i mora se koristiti tabela konverzije.
U ovim jednačinama, , i su normalno raspoređene komponente buke koje imaju nultu srednju vrijednost. Ove komponente opisuju kako se stvarno kretanje može razlikovati od kretanja duž idealne putanje. Dodavanjem komponenti buke u jednačine nećemo pomoći robotu da se kreće preciznije, ali će one postati važne kasnije kada kombiniramo odometriju s drugim mjerenjima koristeći probabilistički pristup.
Akcelerometri, senzori vibracija. Akcelerometar je uređaj za mjerenje kretanja i vibracija kojima je robot izložen u svom dinamičkom načinu mjerenja i nagiba u svom statičkom načinu rada. Sa starih mehaničkih akcelerometara, velikih i teških za sklapanje jer su uključivali magnete, opruge i zavojnice, u to vrijeme su prebačeni integrirani uređaji sa senzorskim elementima koji su kreirani na samim mikro krugovima. Ovi senzori, dostupni kao integrirano kolo, obično se koriste u eksperimentalnoj robotici.
Jedan od najpoznatijih integrisanih akcelerometara je veoma mali, svestran i pristupačan. senzori ovjesa. Prednosti ovog senzora su velike zbog male veličine, robusne integracije i lakog povezivanja sa mikrokontrolerima. Međutim, postoje i druga rješenja za određivanje položaja vertikale, a mi ćemo ih ukratko navesti. Tržište nudi uređaje sa različitim mehaničkim rješenjima, od kojih su svi bazirani na težini, ponekad izgubljeni, iako plutaju u viskoznom mediju, ponekad se nalaze na opterećenom točku na jednoj strani njegovog obima, ponekad u sferi.
proprioceptivni senzori
Proprioceptivni senzori su senzori koji pokazuju unutrašnje stanje sistema. Primjeri uključuju motorne enkodere i senzore sile. Ova vrsta senzora je dizajnirana da poboljša percepciju unutrašnjeg stanja robota, kao i pokreta.
Postoje čak i senzori zasnovani na kretanju viskoznog fluida i električnog provodnika unutar šupljine. Pokretni dijelovi su u mnogim slučajevima uronjeni u ulje kako bi se spriječilo osciliranje mase klatna. Senzori mogu biti bazirani na kapacitivnim, elektrolitičkim, torzionim, magnetskim i otpornim varijantnim efektima.
Također za mjerenje nagiba, iako u ovom slučaju bez dobijanja međuvrijednosti, već jednostavno sa otvorenim ili zatvorenim kontaktom, postoje ključevi ili kontakti od žive, koji se sastoje od cilindra u kojem se nalaze dva kontakta, i dovoljno žive da može povucite na jedan ili drugi kraj cilindra i zatvorite kontakt.
Svi senzori prikupljaju neka brojčana očitanja, ili kako se kaže mjerenja.
Za proprioceptivne senzore, izmjerena vrijednost je samo funkcija države robot .
Država robot je vektor varijabli koji se koristi za opisivanje njegovog trenutnog stanja (statusa). U slučaju jednostavnog kretanja u ravni:
Žiroskop ili žiroskop temelji se na fizičkom fenomenu poznatom od davnina: kotač se opire promjeni ravni rotacije. To je zbog onoga što se u fizici naziva "principom očuvanja ugaonog momenta". Rotirajući zamašnjaci se često ne viđaju kod eksperimentalnih robota. Obično se koriste mali senzori, poput onih koji se koriste u modelima helikoptera i robotima baziranim na integriranim, čija su "duša" sićušni vibracioni jezici izgrađeni direktno na silikonskom čipu.
Njegova detekcija se zasniva na činjenici da su keramički komadi vibracija podložni izobličenju, koje nastaje Coriolisovim efektom. Termistor je otpornik čija se vrijednost mijenja s temperaturom. Očitavanje temperatura u robotu, kako iznutra tako i izvana, može biti izuzetno važno u zaštiti strujnih kola, motora i strukture od mogućnosti da, kroz trenje, stres, opstrukciju ili mehaničke ekscese bilo koje vrste, dođu do opasnih razina topline.
Ovo je vektor linearnih koordinata i ugao rotacije robota.
Mjerenja napravljena proprioceptivnim senzorima mogu ovisiti ne samo o trenutnom stanju, već i o prethodnim stanjima ili o trenutnom stanju stopa promjene države. Na primjer, kilometraža kotača nam daje očitanja koja zavise od razlike između trenutnog i prethodnog stanja. Žiroskop daje očitanja ovisno o struji brzina rotacija.
Njegov rad se zasniva na činjenici da u metalu, kada temperatura poraste, električni otpor povećava. As temperaturni senzor možete koristiti konvencionalnu poluvodičku diodu. Dioda je najjeftiniji temperaturni senzor koji možete pronaći i uprkos tome što je toliko jeftin može dati više nego zadovoljavajuće rezultate. Potrebno je samo dobro kalibrirati i održavati stabilnu struju pobude. Potrebno je postaviti glavnu struju pobude, a bolje je koristiti izvor jednosmerna struja ili otpornik spojen na stabilan izvor napona.
Senzori okoline
Bez senzora spoljašnje okruženje robot se kreće slijepo. Vanjski senzori učestvuju u:
- prepoznavanje mjesta i objekata koji su se već sreli;
- određivanje slobodnog prostora i planiranje kretanja u njemu kako bi se izbjegli sudari sa preprekama;
- interakcija sa objektima, ledom i životinjama;
- stvaranje opće ideje o okruženju robota.
Mjerenja koja vrše senzori okoliša zavise i od stanja robota i od stanja svijeta oko njega.
Kontrole i meniji
Integrirana kola za mjerenje temperature. Postoji širok izbor integrisanih kola senzora temperature. Ovi senzori su grupirani u četiri glavne kategorije: naponski izlaz, strujni izlaz, otporni izlaz i digitalni izlaz. Postoje senzori koji, na osnovu detekcije vrlo uskog raspona ultraljubičastog svjetla, mogu otkriti prisustvo požara na dobroj udaljenosti. Sa strujnim krugovima koje je obezbijedio proizvođač, senzor može otkriti podudaranje unutar 5 metara u sunčanoj prostoriji.
Detekcija vlage je važna u sistemu ako treba da bude projektovan u okruženjima koja nisu unapred poznata. Prekomjerna vlaga može utjecati na strujne krugove kao i na mehaniku robota. Iz tog razloga, mnogi dostupni senzori vlage moraju se uzeti u obzir, uključujući kapacitivne i otporne senzore, a neki od njih s različitim stupnjevima sofisticiranosti i performansi.
Senzori igraju jednu od najvažnijih uloga u robotici. Uz pomoć različitih senzora, robot osjeća okolinu i može se kretati u njoj. Po analogiji sa živim organizmom, ovo su organi čula. Čak i običan domaći robot ne može u potpunosti funkcionirati bez najjednostavnijih senzora. U ovom članku ćemo detaljnije pogledati sve vrste senzora koji se mogu instalirati na robota i korisnost njihove upotrebe.
Taktilni senzori
Taktilni senzori daju robotu mogućnost da reagira na kontakte (sile) između njega i drugih objekata u radni prostor. Tipično, ovi senzori su opremljeni industrijskim manipulatorima, kao i robotima s medicinskom primjenom. Mašine opremljene taktilnim senzorima mogu efikasno upravljati operacijama montaže i inspekcije, funkcijama koje zahtijevaju pažnju na suptilnosti rada.
Prilikom razvoja modernih humanoidnih robota, proizvođači ih opremaju ovim senzorima kako bi mašine bile još „življe“, sposobne da percipiraju informacije o svijetu oko sebe doslovno dodirom.
Optički senzori
Prilikom izrade robota jednostavno ne možete bez optičkih senzora. Uz njihovu pomoć, uređaj će "vidjeti" sve oko sebe. Ovi senzori rade sa fotootpornikom. Senzor refleksije (emiter i prijemnik) omogućava vam da odredite bijele ili crne površine na površini, što omogućava, na primjer, robotu na kotačima da se kreće duž nacrtane linije ili odredi blizinu prepreke. Izvor svjetlosti je često infracrvena LED sa sočivom, a detektor je fotodioda ili fototranzistor.
Posebnu pažnju zaslužuju video kamere. U stvari, ovo su oči robota. Ovaj tip senzora se danas široko koristi zbog razvoja tehnologije u oblasti obrade slike. Kao što ste shvatili, osim robota, postoji dovoljno aplikacija za video kamere: sistemi za autorizaciju, prepoznavanje šablona, detekcija pokreta u slučaju sigurnosnih aktivnosti itd.
Zvučni senzori
Ovi senzori služe za sigurno kretanje robota u prostoru mjerenjem udaljenosti do prepreke od nekoliko centimetara do nekoliko metara. To uključuje mikrofon (omogućava vam snimanje zvuka, glasa i buke), daljinomjere, koji su senzori koji mjere udaljenost do obližnjih objekata i druge. ultrazvučni senzori. US se posebno široko koristi u gotovo svim granama robotike.
Posao ultrazvučni senzor baziran na principu eholokacije. Evo kako to funkcionira: zvučnik uređaja emituje ultrazvučni impuls na određenoj frekvenciji i mjeri vrijeme dok se ne vrati u mikrofon. Lokatori zvuka emituju usmjerene zvučne valove koji se odbijaju od objekata, a dio tog zvuka ponovo ulazi u senzor. U ovom slučaju, vrijeme dolaska i intenzitet takvog povratnog signala nose informaciju o udaljenosti do najbližih objekata.
Kod autonomnih podmornica pretežno se koriste podvodne sonarne tehnologije, dok se na tlu zvučni radari uglavnom koriste za izbjegavanje sudara samo u neposrednoj blizini, budući da ovi senzori imaju ograničen domet.
Drugi alternativni uređaji zvučnim radarima uključuju radare, lasere i lidare. Umjesto zvuka, ovaj tip daljinomjera koristi refleksiju od prepreke. laserski zrak. Ovi senzori su dobili širu prihvaćenost u razvoju autonomnih vozila jer omogućavaju vozilu da efikasnije upravlja saobraćajem.
Senzori položaja
Ovaj tip senzora se uglavnom koristi u bespilotnim vozilima, industrijskim robotima i uređajima koji zahtijevaju samobalansiranje. Senzori položaja uključuju GPS (globalni sistem pozicioniranja), orijentire (koji djeluju kao svjetionik), žiroskope (određivanje ugla rotacije) i akcelerometre. GPS je satelitski sistem navigaciju, koja omogućava mjerenje udaljenosti, vremena i određuje lokaciju robota u prostoru. GPS omogućava bespilotnu zemlju, zrak i vodu vozila pronaći svoju rutu i lako se kretati s jedne tačke na drugu.
Žiroskopi u robotici su također uobičajeni. Oni su odgovorni za balansiranje i stabilizaciju bilo kojeg uređaja. A zbog činjenice da je ovaj dio relativno jeftin, može se ugraditi u bilo koji domaći robot.
Akcelerometar je senzor koji omogućava robotu da mjeri ubrzanje tijela zbog vanjskih sila. Ovaj uređaj je sličan masivnom tijelu koje se može kretati duž određene ose i povezano je s tijelom uređaja oprugama. Ako se takav uređaj gurne udesno, onda će se teret kretati duž vodilice lijevo od centra ose.
Senzori nagiba
Ovi senzori se koriste kod robota gdje je potrebno kontrolirati nagib, održavati ravnotežu i izbjegavati prevrtanje mašine. neravnu površinu. Dostupan sa analognim i digitalnim interfejsima.
infracrveni senzori
Najpristupačniji i najjednostavniji tip senzora koji se koriste u robotima za određivanje blizine. infracrveni senzor samostalno šalje infracrvene valove i, uhvativši reflektirani signal, utvrđuje prisutnost prepreke ispred njega.
U "beacon" modu, ovaj senzor šalje stalne signale, pomoću kojih robot može odrediti približan smjer i udaljenost svjetionika. Ovo vam omogućava da programirate robota na takav način da uvijek prati ovaj svjetionik. Niska cijena ovog senzora omogućava da se instalira na gotovo sve domaći roboti, i tako ih opremiti sposobnošću izbjegavanja prepreka.
Senzori temperature
Senzor temperature je još jedan koristan uređaj koji se često koristi u modernim uređajima. Služi za automatsko mjerenje temperature u različitim okruženjima. Kao iu računarima, i kod robota se uređaj koristi za kontrolu temperature procesora i njegovo pravovremeno hlađenje.
Razmotrili smo sve najosnovnije senzore koji se koriste u robotici i omogućavaju robotu da bude agilniji, manevarski i produktivniji.
