Датчики играют в робототехнике одну из важнейших ролей. При помощи различных датчиков робот «чувствует» себя самого и окружающий мир. Это органы чувств — глаза, уши, кожа для роботов.
Сенсорами часто называют более узкий класс измерителей - бесконтактные датчики, но зачастую термины датчик и сенсор используются просто как синонимы.
Робот - это, по определению, машина, способная взаимодействовать с окружающей средой. Если он является мобильным, если он не перемещается в абсолютно ограниченном пространстве и не подготовлен к нему, он должен иметь возможность адаптировать свои движения и свои действия взаимодействия на основе физических характеристик среды, в которой она находится, и объектов, которые есть В них.
Оценка движения при помощи датчиков
Чтобы достичь этой приспособляемости, первое, что нужно роботам, - это знание среды. Чтобы знать окружающую среду, у живых существ есть сенсорная система. Роботы не могут быть меньше: у них должны быть датчики, которые позволяют им знать, где они, где они находятся, какие физические условия они стоят, где они должны взаимодействовать, их физические параметры и т.д.
Возьмем определение:
Датчик, сенсор (от англ. sensor) - термин систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.
Оценка движения при помощи датчиков
Давайте проведем эксперимент.
Объединение и подключение ИК-датчиков
Для этого используются различные типы датчиков, с множеством сложности и сложности, от довольно простых до других с высоким уровнем аппаратной сложности и еще более сложным программированием. Подробная информация о датчиках для роботов. Существует множество устройств, предназначенных для восприятия внешней информации физической величины и преобразования ее в электронное значение, которое можно ввести в схему управления, чтобы робот мог количественно оценивать и реагировать соответствующим образом.
Возьмем небольшого мобильного робота (например, робот-пылесос) и поставим перед ним задачу: необходимо пройти путь, повторяющий квадрат со стороной 4 метра и вернуться в исходную точку. Насколько хорошо мы сможем , используя данные одометрии, которые мы получаем с колесных датчиков?
Датчик состоит из некоторого элемента, чувствительного к физической величине, такого как интенсивность или цвет света, температура, давление, магнетизм, влажность? и должен быть способен по своим характеристикам или с помощью промежуточных устройств преобразовывать эту физическую величину в электрическое изменение, которое может быть подано в схему, которая использует его непосредственно, или на предыдущем этапе, который ее условия, так что Наконец, может использоваться для управления роботом.
Физические величины, которые необходимо измерить, чтобы робот имел некоторые знания об окружающей среде. Различные типы датчиков или датчиков. Светоотражающие и перехватчики. С подобными оптическими элементами, то есть излучателем-приемником, имеются «щелевые» датчики, где между излучателем и приемником установлен прямой луч с пространством между ними, которое может быть занято объектом.
Картина, которую мы увидим, скорее всего, будет выглядеть примерно следующим образом:
Робота будет, как будто, «заносить». Причиной такого поведения могут являться:
- ошибка начального выравнивания относительно осей в неподвижной системе координат (мы изначально поставили робота «криво»);
- пробуксовка колес;
- некорректная калибровка;
- отличия между реальными характеристиками левого и правого моторов;
- другие факторы.
Конечно, если будем использовать моторные энкодеры, которые обладают высокой точностью и синхронизируем оба мотора, то ситуация, наверное, улучшится, но, многократно повторяя свой эксперимент, мы не сможем каждый раз получать идеальную траекторию движения.
Его также называют фоторезистором или фоторезистом. Фотоэлементы или фотогальванические элементы. Прямое преобразование света в электричество на атомном уровне называется фотогальванической генерацией. Некоторые материалы обладают свойством, известным как фотоэлектрический эффект, который заставляет их поглощать фотоны света и испускать электроны. Когда эти испускаемые свободные электроны захватываются, результатом является электрический ток, который может использоваться как энергия для силовых цепей.
После проведения тщательной калибровки, попытавшись, тем самым учесть отличия характеристик реального устройства от теоретических параметров, мы увидим, что робот, в среднем, возвращается в исходную точку, но разброс все еще имеется. Мы не смогли исключить неконтроллируемые нами факторы (переменную пробуксовку колес, неравномерность свойств поверхности, по которой движется робот, даже потоки воздуха влияют!). Проведя калибровку, мы устранили систематическую ошибку, но все еще осталась ошибка с нулевым средним.
Очевидно, что эта же энергия может быть использована для обеспечения обнаружения и измерения света. Главной особенностью этой схемы является то, что она имеет массив ячеек со светочувствительностью, выровненными в физико-электрическом устройстве, что позволяет «упаковывать» большое количество чувствительных элементов на маленькую поверхность и обрабатывать большое количество информации об изображении от Относительно простой способ, без необходимости больших ресурсов соединений и схем управления.
Не нужно много распространять на эти компоненты, очень распространенные в отрасли и очень используемые в электронном оборудовании и в автоматизации. Разумеется, коллекция изображений, которые мы представляем слева, будет достаточной. В промышленности существует широкий диапазон датчиков давления, большинство из которых ориентированы на измерение давления жидкости на мембране. В робототехнике может потребоваться провести измерения на гидравлических жидкостях, хотя имеющиеся датчики давления более вероятно будут полезны в качестве датчиков силы с надлежащей адаптацией.
Для таких случайных ошибок мы можем построить вероятностную модель . В качестве модели в реальных физических системах хорошо подходит нормальное распределение (или как его еще называют — распределение Гаусса).
Чем дальше робот двигаться вдоль пути, тем сильнее реальное положение робота будет отклоняться в ту или иную сторону от идеальной траектории — дисперсия ошибки будет увеличиваться. Вследствие этого, провести точное интегрирование движения нашего робота, используя данные одометрии невозможно.
Это полностью плоский элемент, встроенный в гибкую печатную плату с тонкой стенкой. Эта плоская форма позволяет легко установить датчик между двумя частями механики нашей системы и измерить прилагаемую силу, не нарушая динамику испытаний. Применение силы к чувствительной активной области датчика приводит к изменению электрического сопротивления сенсорного элемента в функции, обратно пропорциональной приложенной силе. Использование микрофонов в роботе можно найти в двух приложениях: во-первых, в рамках системы измерения расстояния, в которой микрофон принимает звуки, исходящие от одного и того же робота после того, как они отскакивают в препятствиях спереди, Скажем, сонарная система; И, во-вторых, микрофон для подбора окружающего звука и использовать его в некотором смысле, например, получать заказы через слова или тональные сигналы и, немного более продвинутые, определять направление этих звуков.
Реальная модель движения робота должна учитывать, что траектория, по которой двигается робот зависит от неопределенных помех, присутствует «шум движения». Для учета этого шума, уравнения, которые я приводил в , перепишем
для прямолинейного движения на расстояние в виде
и для вращательного движения с поворотом на угол
Применение индуктивного датчика
Очевидно, что сейчас, когда говорят о роботах для шпионажа, говорят о микрофонах, чтобы включить окружающий звук и передать его на удаленный сайт. Ультразвуковые рейнджеры. Ультразвуковые измерители расстояния, которые используются в роботах, являются, в основном, системой сонара. В измерительном модуле эмиттер запускает ультразвуковую последовательность импульсов и ждет отскока, измеряя время между эмиссией и возвратом, что приводит к расстоянию между эмиттером и объектом, где произошел отскок.
Инфракрасные измерители расстояния. Метод обнаружения этих датчиков осуществляется путем триангуляции. Для датчиков, которые доставляют аналоговый выходной уровень для указания расстояния, значение не является линейным относительно измеренного расстояния, и должна использоваться таблица преобразования.
В этих уравнениях — , и — шумовые составляющие с нормальным распределением, которые имеют нулевое среднее. Эти компоненты описывают, насколько реальное движение может отличаться от движения по идеальной траектории. Добавив шумовые составляющие в уравнения, мы не поможем роботу двигаться точнее, но они станут важны позже, когда мы объедимим одометрию с другими измерениями, используя вероятностный подход .
Акселерометры, датчики вибрации. Акселерометр - это устройство для измерения движения и вибраций, которым подвергается робот, в его динамическом режиме измерения и наклоне в статическом режиме. Из старых механических акселерометров, больших и трудных для сборки, поскольку они включали магниты, пружины и катушки, в это время были переданы интегрированные устройства с чувствительными элементами, созданными на самих микросхемах. Эти датчики, доступные в виде интегральной схемы, обычно используются в экспериментальной робототехнике.
Один из самых известных интегрированных акселерометров - очень маленький, универсальный и доступный. Датчики подвески. Преимущества этого датчика велики, благодаря его малым размерам, надежной интеграции и простоте подключения к микроконтроллерам. Однако существуют другие решения для определения положения вертикали, и мы кратко их перечислим. Рынок предлагает устройства с различными механическими решениями, все из которых основаны на весе, иногда теряющемся, хотя и плавающим в вязкой среде, иногда находящемся на загруженном колесе с одной стороны его окружности, иногда в сфере.
Проприоцептивные датчики
Проприоцептивные датчики — это сенсоры, которые показывают внутреннее состояние системы. В качестве примеров, можно привести моторные энкодеры, а также датчики силовых воздействий. Этот тип датчиков предназначен для улучшения восприятия роботом собственного внутреннего состояния, а также производимого движения.
Существуют даже датчики, основанные на движении вязкой жидкости и проводника электричества внутри полости. Подвижные части во многих случаях погружены в масло, чтобы избежать того, что масса маятника совершает колебательные движения. Датчики могут быть основаны на емкостных, электролитических, крутильных, магнитных и резистивных вариационных эффектах.
Также для измерения наклонности, хотя в этом случае без получения промежуточных значений, а просто с открытым или закрытым контактом, имеются ключи или контакты ртути, которые состоят из цилиндра, в котором есть два контакта, и достаточное количество ртути, которое он может скользить на один конец или другой цилиндр и закрывать контакт.
Все датчики собирают некоторые числовые показания, или, как говорят измерения .
Для проприоцептивных датчиков, измеренное значение является функцией только состояния робота .
Состояние робота представляет собой вектор переменных, используемый для описания его текущего состояния (статуса). В случае простого движения на плоскости:
Гироскоп или гироскоп основаны на физическом явлении, известном долгое время: вращающееся колесо сопротивляется изменению плоскости вращения. Это связано с тем, что в физике называется «принципом сохранения углового момента». Вращающиеся маховики обычно не видны в экспериментальных роботах. Обычно используются небольшие датчики, например, используемые в вертолетных моделях и роботах, основанные на интегрированных, чья «душа» - это крошечные вибрационные языки, построенные непосредственно на кремниевом чипе.
Его обнаружение основано на том факте, что керамические кусочки вибрации подвержены искажению, которое создается эффектом Кориолиса. Термистор представляет собой резистор, значение которого изменяется в зависимости от температуры. Чтение температур в роботе, как внутри, так и снаружи, может быть чрезвычайно важным для защиты цепей, двигателей и конструкции от возможности, что благодаря трению, напряжению, препятствиям или механическим излишествам любого типа Опасные уровни нагрева.
Это вектор линейных координат , и угла повора робота .
Измерения, производимые при помощи проприоцептивных датчиков могут зависеть не только от текущего состояния, но и от предыдущих состояний или же от текщей скорости изменения состояния. Например, колесная одометрия дает нам показания, зависящие от разницы между текущим и предыдущим состоянием. Гироскоп выдает показания, зависящие от текущей скорости вращения.
Его работа основана на том, что в металле, когда температура повышается, электрическое сопротивление увеличивается. В качестве температурного датчика можно использовать обычный полупроводниковый диод. Диод - самый дешевый датчик температуры, который можно найти, и, несмотря на то, что он настолько дешев, он способен производить более чем удовлетворительные результаты. Нужно только сделать хорошую калибровку и поддерживать устойчивый ток возбуждения. Необходимо установить основной ток возбуждения, и лучше использовать источник постоянного тока или резистор, подключенный к стабильному источнику напряжения.
Датчики внешней среды
Без датчиков внешней среды робот движется вслепую. Внешние датчики принимают участие в:
- распознавании мест и объектов, которые уже встречались ранее;
- определении свободного пространства и планирования в нем движения для того, чтобы избежать столкновений с препятствиями;
- взаимодействии с предметами, льдьми и животными;
- создании общего представления об окружающей робота среде.
Измерения, производимые датчиками внешней среды, зависят и от состояния робота и от состояния окружающего его мира .
Элементы управления и меню
Интегральные схемы измерения температуры. Существует широкий спектр интегральных схем датчика температуры. Эти датчики сгруппированы в четыре основные категории: выход напряжения, токовый выход, выход сопротивления и цифровой выход. Существуют датчики, которые, основываясь на обнаружении очень узкого диапазона ультрафиолета, позволяют определить наличие пожара на хорошем расстоянии. С помощью цепей, предоставленных производителем, датчик может обнаружить совпадение в 5 метрах в солнечной комнате.
Обнаружение влажности важно в системе, если она должна быть разработана в средах, которые неизвестны заранее. Чрезмерная влажность может влиять на цепи, а также на механику робота. По этой причине необходимо учитывать множество доступных датчиков влажности, включая емкостные и резистивные датчики, а некоторые из них с разной степенью сложности и производительности.
Датчики играют в робототехнике одну из важнейших ролей. При помощи различных сенсоров робот ощущает окружающую среду и может ориентироваться в ней. По аналогии с живым организмом — это органы чувств. Даже обычный самодельный робот не может полноценно функционировать без простейших датчиков. В этой статье мы подробно рассмотрим все виды датчиков, которые можно установить на робота, и полезность их применения.
Тактильные сенсоры
Тактильные сенсоры наделяют робота возможностью реагировать на контакты (силы), возникающие между ним и другими объектами в рабочей зоне. Обычно этими датчиками оснащают промышленные манипуляторы, а также роботов с медицинским применением. Машины, оснащенные тактильными сенсорами, эффективно справляются с операциями сборки и контроля, то есть функциями, требующими учитывать тонкости работы.
Разрабатывая современных гуманоидных роботов, производители оснащают их этими сенсорами, чтобы сделать машины ещё более «одушевленными», способными воспринимать информацию об окружающем мире буквально на ощупь.
Оптические датчики
При построении робота просто не обойтись без оптических датчиков. С помощью них аппарат будет «видеть» все вокруг. Эти сенсоры работают с помощью фоторезистора. Датчик отражения (излучатель и приемник) позволяет определять белые или черные участки на поверхности, что позволяет, к примеру, колесному роботу двигаться по нарисованной линии или определить близость препятствия. Источником света часто служит инфракрасный светодиод с линзой, а детектором — фотодиод или фототранзистор.
Отдельного внимания заслуживают видеокамеры. По сути, это глаза робота. Этот тип датчиков на сегодняшний широко используется благодаря росту технологий в сфере обработки изображений. Как понимаете, кроме роботов, применений видеокамерам достаточно: системы авторизации, распознавания образов, обнаружения движения в случае охранной деятельности и т.п.
Звуковые датчики
Эти датчики служат для безопасного передвижения роботов в пространстве за счет измерения расстояния до препятствия от нескольких сантиметров до нескольких метров. К ним относятся микрофон (позволяет фиксировать звук, голос и шум), дальномеры, которые представляют собой датчики, измеряющие расстояние до ближайших объектов и другие ультразвуковые сенсоры. УЗ особенно широко используются практически во всех отраслях робототехники.
Работа ультразвукового датчика основана на принципе эхолокации. Вот как это работает: динамик прибора издает УЗ импульс на определенной частоте и замеряет время до момента его возвращения на микрофон. Звуковые локаторы излучают направленные звуковые волны, которые отражаются от объектов, и часть этого звука снова поступает в датчик. При этом время поступления и интенсивность такого возвратного сигнала несут информацию о расстоянии до ближайших объектов.
Для автономных подводных аппаратов преимущественно используются технологии подводных гидролокаторов, а на земле звуковые локаторы в основном используются для предотвращения столкновений лишь в ближайших окрестностях, поскольку эти датчики характеризуются ограниченным диапазоном.
К числу других устройств, альтернативных по отношению к звуковым локаторам, относятся радары, лазеры и лидары. Вместо звука, в этом типе дальномеров используется отраженный от препятствия лазерный луч. Эти датчики получили более широкое применение в разработке автономных автомобилей, так как позволяют транспортному средству более эффективно справляться с дорожным движением.
Датчики положения
Этот вид датчиков используется в основном в беспилотных транспортных средствах, промышленных роботах, а также устройствах, требующих самобалансировки. К датчикам положения относятся GPS (система глобального позиционирования), ориентиры (исполняют роль маяка), гироскопы (определение угла вращения) и акселерометры. GPS - это спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение робота в пространстве. GPS позволяет беспилотным наземным, воздушным и водным транспортным средствам находить свой маршрут и без труда двигаться от одной точки к другой.
Гироскопы в робототехнике также распространенная вещь. Они отвечают за балансировку и стабилизацию любого устройства. А за счет того, что эта деталь относительно недорогая, её можно установить в любой самодельный робот.
Акселерометр - это датчик, позволяющий роботу измерять ускорение тела под действием внешних сил. Этот прибор похож на массивное тело, способное передвигаться вдоль некоторой оси и соединено с корпусом прибора пружинами. Если такой прибор толкнуть вправо, то груз сместится по направляющей влево от центра оси.
Датчики наклона
Данные сенсоры используются в роботах, где нужно контролировать наклон, для поддержания равновесия и во избежание переворота аппарата на неровной поверхности. Существуют как с аналоговыми, так и с цифровыми интерфейсами.
Инфракрасные датчики
Самый доступный и простой вид датчиков, которые применяются в роботах для определения приближения. Инфракрасный датчик самостоятельно посылает инфракрасные волны и, поймав отраженный сигнал, определяет наличие препятствия перед собой.
В режиме "маяк", данный датчик посылает постоянные сигналы, по которым робот сможет определять примерное направление и удаленность маяка. Это позволяет запрограммировать робота таким образом, чтобы он всегда следовал в сторону этого маяка. Низкая стоимость этого датчика позволяет устанавливать его практически на все самодельные роботы, и таким образом, оснащать их способностью уходить от препятствий.
Датчики температуры
Датчик температуры - еще один полезный прибор, который часто используется в современных устройствах. Он служит для автоматического измерения температуры в различных средах. Как и в компьютерах, в роботах прибор используется для контролирования температуры процессора и его своевременного охлаждения.
Мы рассмотрели все самые основные сенсоры, которые используются в робототехнике и позволяют роботу быть более ловким, маневренным и производительным.
