Tema 3: Sensores L. Enrique Sucar Alberto Reyes ITESM Cuernavaca Robótica Inteligente Tema 3: Sensores L. Enrique Sucar Alberto Reyes ITESM Cuernavaca

Sensores Introducción Tipos –cantidad física: Tipos –función: Luz Fuerza Sonido Posición y orientación Tipos –función: Proximidad y rango Tactil Estado interno

Introducción Los sensores permiten al robot percibir su medio ambiente y su estado interno Dos tipos básicos: Sensores de estado interno Sensores de estado externo Desde otro punto de vista se pueden clasificar en: Activos: emiten energía o modifican el ambiente Pasivos: reciben energía pasivamente

Consideraciones generales Campo de vista Rango de operación Exactitud y resolución Velocidad (operación en tiempo real) Requerimientos computacionales Potencia, peso y tamaño Robustez (redundancia)

Consideraciones generales Los sensores reales son ruidosos Los sensores regresan una descripción incompleta del ambiente No hay un modelo completo de los sensores

Sensitividad Grado de cambio de la señal de salida del sensor en función del cambio de la señal física medida: Dr / r = S [Dx / x] r – señal del sensor x – cantidad medida S – sensitividad

Rango

Tipos – cantidad física: Luz Fuerza Sonido Posición y orientación

Sensores de Luz Perciben la luz, ya sea en el rango visible o en el infrarrojo Tipos: Fotoceldas Fotoresistencias Fototransisitores Fotodiodos Laser Cámasras

Fotoresistencias

Fototransistores

Telémetro laser Emite energía láser en una secuencia de impulsos cortos Se mide el tiempo en que tarda en regresar la luz reflejada por el objeto Se calcula la distancia al objeto Ejemplo: láser Sick: 360 lecturas cada ½ grado – 180 grados Cada 1/10 de segundo Alcance de 50 m con resolución de 5 cm

Cámaras Tipos de luz: Cámaras: Visible Infrarroja Manocromáticas / color Analógicas / digitales Pasivos / activos (puntos, línea láser)

Sensores de fuerza Micro-interruptores “bigotes” Acelerómetros Sensores de curvatura

Sonidos Micrófonos – trabajan con frecuencias audibles Sensor de película piezoeléctrica – producen un voltaje cuando hay cambios en la cantidad medida (vibración, temperatura, ...) Sonar – miden el tiempo que tardan en recibir un sonido (no audible) emitido

Sensores de posición y orientación Odometría Encoders Incrementales / absolutos Navegación inercial Giroscopios Inclinación Acelerómetros Brújula

Proximidad y rango Táctil Estado interno Tipos – función: Proximidad y rango Táctil Estado interno

Sensores de proximidad Permiten inferir la distancia a objetos en el ambiente: Cercanos: Infrarrojos Lejanos Sonares Láser

Infrarrojos Mediante la emisión y detección de luz infrarroja permiten la detección de obstáculos cercanos Tipos: binario / distancia Rango: pocos cm a metros Problemas: Interferencia de luz ambiental Depende del color/propiedades de las superficies

Infrarojos

Infrarojos

Infrarojos

Infrarojos

Sonares Detectan obstáculos mediante la emisión de ultrasonido y detección del tiempo de retorno Rango: aprox. 10/20 cm a 5 m Problemas: Patrón de emisión Depende del tipo de superficie Múltiples reflexiones

Arreglos de Sonares Normalmente se combinan varios sonares para tener un rango mayor y redundancia. Algunos arreglos comunes: 1 sonar giratorio Varios sonares al frente 1 anillo de sonares (12, 16, ...) 2 anillos de sonares a diferente altura Sonares apuntando arriba y/o abajo

Arreglos de Sonares

Telémetro laser Otro método para estimar la distancia a obstáculos, con mayor rango y mejor precisión que los sonares Tres métodos alternativos: Triangulación – relación geométrica entre el haz emitido y el haz recibido Tiempo de vuelo – tiempo de regreso del haz Basado en fase – diferencia de fase entre el haz emitido y el haz reflejado

Telémetro laser

Apuntador laser con cámara Una alternativa más económica al telémetro laser es el usar una apuntador láser (punto o línea) combinado con una cámara La distancia al obstáculo se estima en base a la altura del punto o línea en la imagen y relaciones geométricas

Apuntador laser con cámara

Sensores de Contacto Permiten al robot detectar cuando hace contacto con los obstáculos Se usan principalmente para evitar daño al robot como último recurso (también se utilizan en manos robóticas) Dos formas de uso: Como otro sensor que va al computador del robot Conectado directamente al circuito de control de los motores de forma que detenga automáticamente al robot

Sensores de Contacto Principales tipos: Bumpers: microswitches en un arreglo alrededor del robot Materiales que cambian la resistencia o capacitancia al acercarse a un obstáculo “Bigotes” Sensores de Curvatura Medidores de corriente en los motores

Sensores internos Permiten al robot conocer su estado interno. Entre los más comunes están Encoders – permiten determinar la posición absoluta o relativa del robot en función del movimiento de las ruedas (odometría) Brújulas – permiten estimar en forma aproximada la orientación del robot Giroscopios, acelerómetros, GPS Medidores de energía, corriente de motores, temperatura

Modelo del Sensor El modelo de un sensor provee una relación matemática entre la propiedad de interés (e) y la lectura del sensor (r) r = f (e) El modelo debe incluir la relación del dispositivo físico y el ruido debido al sensor mismo (interno) y al medio ambiente (externo)

Modelo del Sensor r ruido e

Referencias [Jones, Flynn] – Cap 5 [Dudek y Jenkin] – Cap 2 H.R. Everett, “Sensors for mobile robots”, A K Peters, 1995.

Actividades Hacer prácticas de sensores en el laboratorio virtual Seleccionar categoría: Rescate (lego) Pirámide (abierta) Laberinto (abierta) Seleccionar plataforma: Lego Híbrida (Lego + PDA)