José Manuel Pastor García José Manuel Pastor García Curso de Verano Diseño y construcción de un micro-robot Curso de Verano Curso de Verano Diseño y construcción de un micro Diseño y construcción de un micro- robot robot Sensores para micro-robots Contenido Contenido Contenido Introducción Tecnologías y tipos de sensores Sensores de presencia Sensores de distancia Sensores de posición Aplicaciones Introducción Introducción Introducción Objetivos: • Control del movimiento • Detección del entorno Obstáculos Marcas Otros robots • Seguridad
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José Manuel Pastor GarcíaJosé Manuel Pastor García
Curso de VeranoDiseño y construcción de un micro-robot
Curso de VeranoCurso de VeranoDiseño y construcción de un microDiseño y construcción de un micro--robotrobot
Sensores para micro-robots
ContenidoContenidoContenido
IntroducciónTecnologías y tipos de sensoresSensores de presenciaSensores de distanciaSensores de posiciónAplicaciones
IntroducciónIntroducciónIntroducción
Objetivos:• Control del movimiento• Detección del entorno
ObstáculosMarcasOtros robots
• Seguridad
Tipos de robotsTipos de robotsTipos de robots
Base fija: ArticuladosMóviles con patas:• Una pata• Mamíferos:
BípedosCuatro patas
• Reptiles • Insectos
Móviles con ruedas• Dos ruedas• Tres ruedas• Cuatro ruedas• + ruedas, orugas …
¿Cómo se controlasu movimiento?
Competiciones de Micro-RobotsCompeticiones de MicroCompeticiones de Micro--RobotsRobots
Extensión del rango de percepción Extensión del rango de percepción humanohumano
Visión fuera del espectro visible• Cámara de Infrarrojos, visión nocturna
Visión activa• Medición con radar, sonar, láser, ...
Sonidos fuera del rango de los 20 Hz – 20 kHz• Medición con ultrasonidos
Análisis químicos que sustituyan el gusto o el olfato• Nariz electrónica
Radiación: α, β, γ-rays, neutrones, etc.
Transducción a magnitud eléctricaTransducción a magnitud eléctricaTransducción a magnitud eléctrica
Termistor: temperatura-resistenciaElectroquímica: química-tensiónFotoeléctrica: intensidad de luz-corrientePiro-eléctrica: radiación térmica-tensiónHumedad: humedad-capacitanciaLongitud (LVDT: Linear variable differentialtransformers): posición-inductanciaMicrófono: presión del sonido-tensión
Fusión e Integración SensorialFusión e Integración SensorialFusión e Integración Sensorial
Hombre: un órgano un sentido?• No necesariamente
Balance: orejasTacto: lenguaTemperatura: piel
Robot: • Fusión Sensorial:
Combina lecturas de distintos sensores en una estructura de datos uniforme
• Integración Sensorial:Usa la información de distintos snesores para hacer algo útil
Fusión sensorialFusión sensorialFusión sensorial
Un sensor no es suficiente habitualmente• Los sensores proporcionan medidas con ruido• La precisión esta limitada• No son totalmente fiables• La información que proporcionan del entorno
es limitada e incompleta, único punto de vista• La elección de un sensor puede resultar más
cara que la combinación de dos o más sensores más baratos
ProcesamientoProcesamientoProcesamiento
Fusión Interpretación
Sensor
Sensor
Sensor
Sensor
Detección Percepción
Preprocesado
Preprocesado
Preprocesado
Preprocesado
PreprocesadoPreprocesadoPreprocesado
Coloquialmente - ‘limpieza’ de las lecturas del sensor antes de usarlas• Reducción del ruido - filtrado• Re-calibración• Operaciones básicas - ej. detección de bordes
en visión• Suele ser único para cada sensor• Transforma la representación de los datos • En ocasiones se realiza mediante una
electrónica de acondicionamiento de señal
Fusión de datos sensorialesFusión de datos sensorialesFusión de datos sensoriales
Combina datos de diferentes fuentes• Medidas de diferentes sensores• Medidas en diferentes posiciones• Medidas en diferentes momentos
Suele usar técnicas matemáticas que tienen en cuenta la incertidumbre en la fuente de los datos• Métodos Bayesianos discretos• Redes de Neuronas• Filtro de Kalman
Produce un conjunto de datos mezclados (como si se tratara de un ‘sensor virtual’)
InterpretaciónInterpretaciónInterpretación
Específica de cada tareaHabitualmente utiliza información a-priori del problema para encontrar una mejor solución “Tricky“
Clasificaciones Clasificaciones Clasificaciones
Estado interno (proprioception) v.s. Estado externo (exteroceptive)• Realimentación de parámetros internos del robot, ej.
nivel de baterías, posición, velocidad, ángulos articulaciones, etc,
• Observación del entorno, objetos, etc.Activos v.s. pasivos• Emiten energía al entorno, ej., radar, sonar• Reciben la energía de forma pasiva, ej., cámara
Contacto v.s. sin-contactoVisuales v.s. no-visuales• Percepción basada en visión y procesamiento de
imágenesDigitales v.s. analógicos
Tipos de sensoresTipos de Tipos de sensoressensoresPresencia y/o distancia• Contacto, inductivo, capacitivo, óptico, ultrasonido, láser
Sensibles al InfraRojo• Detección de presencia/proximidad
Emisores: LEDs Infrarrojos (baratos)Baja resolución – usados para detección de obstáculos no para medidas precisas, operan en un rango pequeño
• Detección de diferencia de temperatura y construcción de imágenes
Sensores de detección de personasAplicación para visión nocturna
Sensores de InfrarrojosSensoresSensores de Infrarrojosde Infrarrojos
Basados en Intensidad• Sensores reflexivos• Fáciles de construir• Susceptibles a la luz ambiente
Modulados• Sensores de proximidad• Requiere señal modulada• Insensibles a la luz ambiente
Barrido• Sensores de distancia• Rangos de medida cortos• Insensible a la luz ambiente, color y reflexividad del
objeto
Sensores IR ReflexivosSensoresSensores IR IR ReflexivosReflexivos
Sensor reflexivo: • LED emisor IR + detector fotodiodo/fototransistor• Fototransitor: a más luz más corriente• La luz infrarroja es reflejada en una superficie
Aplicaciones:• Detección de objetos, • Seguimiento de líneas o paredes, • Encoder óptico
Inconvenientes:• Sensible a la luz ambiente • Susceptible a la reflexividad de los objetos
Sensores de presencia/proximidadÓpticos
SensoresSensores de presencia/proximidadde presencia/proximidadÓpticosÓpticos
Ejemplos de aplicación
Sensores IR ModuladosSensoresSensores IR IR ModuladosModuladosModulación y demodulación• Demodulador es sintonizado a la frecuencia específica de los
flashes de luz (32kHz~45kHz)• Flashes pueden ser detectados aunque sean muy estrechos• Menos susceptible a la luz ambiente y reflexión de los objetos• Utilizado en la mayoría de las unidades de control remoto
Lógica negativa:
Detecta = 0v
No detecta = 5v
Sensores de proximidad IRSensoresSensores de proximidad IRde proximidad IR
Sensores de proximidad: • Requiere un LED IR modulado• Rango de detección: varia según los objetos (blancos y brillantes, oscuros)
Aplicaciones:• Medidor de distancias (poco precisión)• Evitar obstáculos• Seguimiento de paredes o líneas
limitador demoduladorFiltro pasabandaamplificador
comparadorintegrador
Sensores de Distancia IRSensoresSensores de de DistanciaDistancia IRIR
Principio básico de operación:• IR emisor + lentes focalización + detector de posición
Modulated IR light
Sensores IR de DistanciaSensoresSensores IR de IR de DistanciaDistancia
Sharp GP2D02 IR Ranger• Rango: 10cm (4") ~ 80cm (30").• Moderadamente fiable• Inmune a la luz ambiente• Insensible al color y reflexividad del objeto• Aplicaciones: medida de distancias,
seguimiento de contornos, …
Sensores de proximidad/distancia.Sensor de Infrarrojos
SensoresSensores de proximidad/distancia.de proximidad/distancia.SensorSensor de Infrarrojosde Infrarrojos
Este detector de obstáculos por infrarrojos, permite a los robots hacer una navegación básica evitando los obstáculos. • El circuito utiliza dos emisores de infrarrojos modulados y un
receptor de IR amplificado, que permite captar las señales reflejadas por los objetos a una distancia de entre 20 y 65 cm.
• El sensor de infrarrojos se conecta con el microcontrolador principal mediante 2 salidas y 1 entrada digital.
• Alimentación 7-12V sin regular o 5 V regulados. Consumo medio 8 mA.
Encoder construido con IREncoderEncoder construido con IRconstruido con IR
Sensores de proximidad/distancia.Ópticos
SensoresSensores de proximidad/distancia.de proximidad/distancia.ÓpticosÓpticos
Telémetros por triangulación óptica
Sensores de proximidad/distancia.Ópticos
SensoresSensores de proximidad/distancia.de proximidad/distancia.ÓpticosÓpticos
Telémetros láser
Sensores de deformación• Resistencia = 10k a 35k• La resistencia aumenta con la deformación
Potenciómetros• Pueden usarse como sensor de posición• Fáciles de encontrar y montar
Fotocélulas• Bueno para detectar dirección/presencia de la luz• Resistencias no lineales• Respuesta lenta
BrújulaBalizas activasGlobal Positioning Systems (GPS)Navegación con marcas (naturales o artificiales)Posicionamiento basado en mapas
Causas de la acumulación de errores
CausasCausas de la de la acumulaciónacumulación de de erroreserrores
Errores sistemáticos:a) Diámetros de las ruedas
desigualesb) Diámetro real distinto del
nominalc) Desalineamiento de las ruedasd) Resolución limitada, …
Errores no sistemáticos:• Suelos irregulares• Objetos inesperados en el suelo• Deslizamientos: suelo
resbaladizo; aceleraciones bruscas, derrapajes, perdida de contacto con el suelo
Sensores usados en navegaciónSensoresSensores usados en navegaciónusados en navegación
Sensores internos• Odometría (monitorización
del movimiento de las ruedas)
Encoders,Potenciómetros,Tacómetros, …
• Sensores Inerciales (miden la segunda derivada de la posición)
Giróscopos,Acelerómetros, …
Sensores externos• Brújula• Ultrasonidos• Láser• Radar• Visión• Global Positioning
System (GPS)
ENCODERSENCODERSENCODERS
CARACTERISTICAS• Basados en tecnología óptica• Suministran información digital
TIPOS DE ENCODERS• Encoders relativo• Encoders absoluto• Reglas ópticas
Circuito
decodificador
• Posición relativa
¿ calibracion ?
¿ direccion ?
¿ resolucion ?
rejilla
emisor
Encoder relativoEncoderEncoder relativorelativo
sensor
A
B
Encoder relativoEncoderEncoder relativorelativo
Encoder relativoEncoderEncoder relativorelativo
Encoder absolutoEncoderEncoder absolutoabsoluto
Encoder absolutoEncoderEncoder absolutoabsoluto
Encoder absolutoEncoderEncoder absolutoabsoluto
0123456789
# Binary0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
0000
0001
0011
0010
0110
0111
0101
0100
1100
1101
Código GrayCódigo Código GrayGray
• La alta resolución resulta cara
something simpler ?
Encoder absolutoEncoderEncoder absolutoabsoluto
Encoder linealesEncoderEncoder linealeslineales
REGLA OPTICA
RESOLVERRESOLVER
RESOLVERRESOLVERRESOLVER
V1 = V sen(ωt) sen θV2 = V sen(ωt) cos θ
RESOLVERRESOLVERRESOLVER
RESOLVERRESOLVERRESOLVER
CONVERTIDOR R/D
SINCRO-RESOLVERSINCROSINCRO--RESOLVERRESOLVER
Las bobinas fijas forman un triángulo trifásico en estrella:• V13 = √3 V cos(ωt) sen q• V32 = √3 V cos(ωt) cos (q +120º)• V21 = √3 V cos(ωt) cos (q +240º)
Comparación entre sensores de Comparación entre sensores de posición angularposición angular
Robustez Rango Resolución Estabilidadmecánica dinámico térmica
Encoder mala media buena buenaResolver buena buena buena buenaPotenciometro regular mala mala mala
Sensores linealesde posición
Sensores linealesSensores linealesde posiciónde posición
LVDT Inductosyn
Sensor de posiciónTransductor de cable
SensorSensor de posiciónde posiciónTransductor de cableTransductor de cable
Los transductores de cable• Convierten desplazamiento lineal en señal eléctrica proporcional• Al enrollar el cable de arrastre en un tambor mecanizado con
alta precisión, un sensor angular (como pueden ser: potenciómetro, encoder, sincro, tacogenerador etc. ) fijado a dicho tambor nos dará la señal eléctrica, con resoluciones de hasta 0,05 mm y una linealidad del 0,1% ó 0,05%.
• Un muelle mantiene la tensión del cable de arrastre constante. • EL montaje del transductor de cable es muy simple y no
necesita de alineación.
Medición de distancia Medición de distancia Medición de distancia
Basados en el Tiempo de VueloLos pulsos medidos suelen ser generados por ultrasonidos, RF y fuentes de energía óptica.• D = v * t• D = distancia• v = velocidad de propagación de la onda• t = tiempo transcurrido
Sensores Basados en SonidoSensoresSensores Basados en SonidoBasados en Sonido
SONAR: Sound Navigation and Ranging
• El sonido rebota en los objetos• La medida del tiempo de reflexión mide la
distancia• La medida del cambio de frecuencia – da la
velocidad relativa del objeto (efecto Doppler)• Murciélagos y delfines lo utilizan con
excelentes resultados• Los robots los usan con peores resultados
Sensores de proximidad/distancia.Sonar
SensoresSensores de proximidad/distancia.de proximidad/distancia.SonarSonar
Telémetros de ultrasonidos (sonar)
Sensores de UltrasonidosSensoresSensores de de UltrasonidosUltrasonidosPrincipio básico de operación:• Emite una ráfaga de US (50kHz), (oído humano: 20Hz to 20kHz) • Mide el tiempo transcurrido hasta detectar el eco.• Determina la distancia al objeto más próximo en esa dirección
Sensores de UltrasonidosSensoresSensores de de UltrasonidosUltrasonidos
La distancia es precisa pero no el ángulo de detección, 30º de incertidumbre.Rango típico: 20 cm. – 30 m.Problema: el tiempo de propagación en distancias por encima de 30 metros (v=340 m/s )
Giróscopos • Mide la velocidad de rotación• Aplicaciones:
Sensores de direcciónFull Inertial Navigation Systems
Acelerómetros • Mide las aceleraciones • Aplicaciones:
Sensores de choque, Análisis de vibraciones, ...
Giróscopos Giróscopos Giróscopos
Devuelven una señal proporcional a la velocidad de rotaciónHay una gran variedad basados en diferentes principios
Giróscopos Giróscopos Giróscopos
Acelerómetros Acelerómetros Acelerómetros
Mide la fuerza de inercia generada cuando una masa es afectada por un cambio de velocidad. Esta fuerza puede variar:• La tensión de un muelle • La deformación de un elemento• La frecuencia de vibración de una masa
AcelerómetrosAcelerómetrosAcelerómetros
Elementos: 1.Masa 2.Mecanismo de Suspensión 3.Sensor
Los de alta calidad incluyen realimentación para mejorar la linealidad
kxdtdxc
tdxdmF ++= 2
2
Sensores de aceleraciónSensoresSensores de aceleraciónde aceleración
Reactancia/capacidadvariable
Sensores de aceleración SensoresSensores de aceleración de aceleración
Microsistemas electromecánicos (MEMS)
Sensores de aceleración SensoresSensores de aceleración de aceleración
Galgas extensiométricas
Piezoléctrico
AcelerómetrosAcelerómetrosAcelerómetros
Los Piezorresistivos tamaño y peso mínimo y alta sensibilidad. La gama con elemento sensible de substrato de silicio pueden tener una ganancia de hasta 100mV/g, con peso menor a 0,5g y un ancho de banda entre 0..150Hz y 0..10kHz.
• No necesitan de electrónica sofisticada• Características: rangos: entre 0..±2g hasta 0..±5000g
precisión: < 1% F.E. • Aplicaciones típicas: biodinámica crash test y ensayos en
automóvil ensayos en vuelo y control medidas en bogieen sector del ferrocarril, test en túneles de viento , etc.
Los Capacitivos son de "bajo coste". • Opción: salida PWM, pensada para fabricantes que
quieren integrar un acelerómetro en su producto• Carcterísiticas: Rangos: entre 0..±3g hasta 0..±100g
Precisión: hasta 0,001 g, Ancho de banda: 0..160Hz hasta 10..1.500Hz
• Aplicaciones típicas: sistemas de alarma y seguridad, ensayos en vehículos, mediciones sísmicas, ...
Sensores de fuerza SensoresSensores de fuerza de fuerza
CÉLULAS DE CARGA MINIATURA Y ULTRAMINIATURA • Aplicaciones: automoción, medicina, ensayos en
aeronáutica, etc.• Existen modelos con un espesor mínimo de hasta
2 mm• También existen células de carga de muy bajo
rango, con resoluciones tan bajas como 10 mN.
CÉLULAS DE CARGA INDUSTRIALES• Modelos de bajo perfil, especialmente robustas,
para aplicaciones industriales severas y ensayos de fatiga de hasta 500 t.
• También existen células para ambientes explosivos, modelos para control de esfuerzo en tornillos, sistemas de pesaje de alta velocidad, etc.
Sensores fuerza-parSensoresSensores fuerzafuerza--parparTRANSDUCTORES DE FUERZA 3 EJES.• Diseñados para aplicaciones de I+D mecánico,
permiten medir las 3 fuerzas y 3 momentos de torsión que están actuando en cada momento sobre el punto a estudiar.
• Los rangos de fuerza y par son muy variables. • Aplicaciones típicas: medida de esfuerzos en la
Industria del Automóvil, Aeronáutica, bancos de ensayo y Máquina Herramienta
ELECTRÓNICAS DE CONDICIONAMIENTO• Electrónica integrada en el propio sensor o en el
cable. Permiten alimentar el sensor con una tensión no estabilizada y suministran una señal de salida calibrada de alto nivel (±10 V, 0-5 V, 4-20 mA etc).
• Ventajas: ahorro de espacio y dinero, permitir llevar la señal a grandes distancias sin los problemas de ruido propios de las señales de bajo nivel procedentes de sensores extensiométricos.
Hay ruido en las medidas de los sensoresOrigen: fenómenos naturales + ingenieríano idealConsecuencias: precisión limitadaFiltrado: • software: promediando, algoritmos de
procesamiento de señal• hardware “tricky”: condensadores
Competiciones de Micro-RobotsCompeticiones de MicroCompeticiones de Micro--RobotsRobots