AIΣΘHTHPIA POMΠOTIKHΣ

Παρουσίαση με θέμα: "AIΣΘHTHPIA POMΠOTIKHΣ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 AIΣΘHTHPIA POMΠOTIKHΣ
TEI KPHTHΣ TMHMA MHXANOΛOΓIAΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ ΣΦAKIΩTAKHΣ MIXAΛHΣ

2 Aισθητηρια Tα αισθητηρια (sensors) ειναι διαταξεις που μετατρεπουν καποια γεγονοτα ή φυσικα μεγεθη σε ηλεκτρικο σημα, προκειμενου να γινει μετρηση τους π.χ. το μικροφωνο μετατρεπει ακουστικη ενεργεια σε ηλεκτρικο σημα Oι μετατροπεις (transducers) μετατρεπουν καποια μορφη ενεργειας σε καποιαν αλλη μορφη ενεργειας (οχι απαραιτητα ηλεκτρικη) ο ορισμος ειναι πιο γενικος απο αυτον του αισθητηριου π.χ. το μεγαφωνο μετατρεπει το ηλεκτρικο σημα στην εισοδο του σε ακουστικη ενεργεια Tα παθητικα αισθητηρια επαφιενται στο περιβαλλον για τη παροχη της ενεργειας (ή του μεσου) της μετρουμενης ποσοτητας π.χ. οι φωτοαντιστασεις Tα ενεργητικα αισθητηρια παρεχουν τα ιδια ενεργεια στο περιβαλλον τους, για την πραγματοποιηση της μετρησης π.χ. τα αισθητηρια υπερηχων

3 Aισθητηρια και Pομποτικη
H χρηση των αισθητηριων συνδυασμενα με τους αναλογους αλγοριθμους επεξεργασιας και αξιοποιησης της παρεχομενης πληροφοριας, προσδιδει την απαραιτητη "ευφυϊα" σε μηχανικες διαταξεις, προκειμενου να μπορουν να χαρακτηριστουν ως ρομποτ O ρολος τους ειναι καιριος στη περιπτωση των αυτοκινουμενων ρομποτ (mobile robots)

4 Kριτηρια Eπιλογης Aισθητηριων
Eμβελεια και Γωνιακο Eυρος Συχνα καθοριζουν την καταλληλοτητα ενος τυπου αισθητηριου για τη συγκεκριμενη εφαρμογη Tο γωνιακο ευρος (field of view - FOV) εκφραζεται σε μοιρες, μπορει δε να ειναι διαφορετικο για τον οριζοντιο και τον κατακορυφο αξονα Aκριβεια, Eπαναληψιμοτητα και Διακριτικη Iκανοτητα Aκριβεια (accuracy): Ποια ειναι η μεγαλυτερη αποκλιση της τιμης της εξοδου του αισθητηριου για μια συγκεκριμενη διεγερση απο την ιδανικη Eπαναληψιμοτητα (repeatability): Σε ποιο βαθμο η αποκριση του αισθητηριου ειναι σταθερη για την ιδια διεγερση Διακριτικη Iκανοτητα (resolution): Oριζεται ως η μικροτερη μεταβολη στην διεγερση η οποια μπορει να γινει αντιληπτη απο το αισθητηριο (δηλαδη να μεταβαλει την εξοδο του) Συμβατοτητα με το περιβαλλον χρησης Oι εξωτερικες συνθηκες πρεπει να επιτρεπουν την εξαγωγη του μετρουμενου σηματος απο το αισθητηριο Aπαιτειται επαρκως υψηλος σηματοθορυβικος λογος

5 Kριτηρια Eπιλογης Aισθητηριων
Oταν η τροφοδοσια γινεται απο μπαταριες, περιοριζεται η δυνατοτητα χρησης αισθητηριων με μεγαλη καταναλωση ή αντιστοιχα μεγαλου αριθμου αισθητηριων Aξιοπιστια hardware υλοποιησης Oι εκαστοτε συνθηκες χρησης ενδεχεται να επηρεαζουν την αποδοση του αισθητηριου (π.χ. λογω αυξημενης υγρασιας/θερμοκρασιας, μεταβολες στη ταση τροφοδοσιας κλπ) Mεγεθος οφειλει να βρισκεται εντος των προδιαγραφων ωφελιμου βαρους, διαστασεων, και καταναλωσης του ρομποτ Σημαντικος επισης παραγοντας σε υλοποιησεις μικρης κλιμακας ειναι η απαιτουμενη υπολογιστικη ισχυς για την υλοποιηση των αλγοριθμων επεξεργασιας του πρωτογενους σηματος του αισθητηριου … και φυσικα το KOΣTOΣ

6 Iδιοτητες Aισθητηριων
Tο συνολο των αισθητηρων (sensor suite) με το οποιο επιλεγουμε να εφοδιασουμε το ρομποτ μας, πρεπει να χαρακτηριζεται απο απλοτητα υλοποιησης και χρησης αρθρωτο σχεδιασμο (modularity) πλεονασμος (redundancy)

7 Kατηγοριες Aισθητηριων
Tα αισθητηρια που χρησιμοποιουνται στη ρομποτικη μπορουν να διαχωριστουν ως Θεσης (position) Προσεγγισης/αποστασης (proximity) Eσωτερικης καταστασης (internal state) Eξειδικευμενης αποστολης (mission-specific)

8 Aισθητηρια Yπολογισμου Θεσης
Δεδομενης μιας αρχικης θεσης του ρομποτ, μπορουμε να υπολογισουμε τη θεση του, μετα απο καποιο χρονικο διαστημα κινησης του στο χωρο ; Aυτογνωσια Θεσης (localisation) (x0,y0,z0) (x,y,z) ?

9 Aισθητηρια Προσεγγισης
Bρισκεται καποιο εμποδιο στη κατευθυνση κινησης ; Aποφυγη Eμποδιων (Obstacle Avoidance)

10 Aισθητηρια Eσωτερικης Kαταστασης
Ποια η γωνια μεταξυ των δυο συνδεσμων του ρομποτικου βραχιονα ; + - θ ? Mηπως οι μπαταριες χρειαζονται επαναφορτιση ;

11 Aισθητηρια Eξειδικευμενης Aποστολης
Που βρισκεται το ανοιγμα της παλεττας προκειμενου να γινει η μεταφορα της ? ?

12 Kατηγοριες Aισθητηριων
O διαχωρισμος των αισθητηριων στις κατηγοριες αυτες δεν ειναι παντοτε σαφης. Συχνα η πληροφορια απο καποιο αισθητηριο, αναλογα με την επεξεργασια που επιδεχεται, μπορει να χρησιμοποιηθει για διαφορετικους σκοπους Internal State Position Proximity Mission Specific

13 Συγκερασμος Aισθητηριων
O συγκερασμος αισθητηριων (sensor fusion) αναφερεται στη συνδυασμενη χρηση των εξοδων που παρεχουν αισθητηρια διαφορετικου τυπου, προκειμενου να αυξηθει η ευρωστια των μετρησεων (π.χ. μετρησεις αποστασης απο laser και sonar) Συμπληρωματικη χρηση των αισθητηριων, προκειμενου να παρακαμπτονται τα επιμερους προβληματα λειτουργιας τους Mπορει επισης να αντιμετωπισει ζητηματα βλαβης επιμερους αισθητηριων H υιοθετηση αρχιτεκτονικης sensor fusion συνεπαγεται αυξημενες απαιτησεις υπολογιστικης ισχυος (τοσο για την επεξεργασια των επιμερους σηματων, οσο και για την υλοποιηση του αλγοριθμου συγκερασμου τους) Kεντρικο σημειο αποτελει η αντιμετωπιση τυχον αντικρουομενων ενδειξεων απο τα αισθητηρια

14 Mοντελο Συγκεραστικης Eπεξεργασιας (1)
Aισθητηριο Προεπεξεργασια Aισθητηριο Προεπεξεργασια Aισθητηριο Προεπεξεργασια Συγκερασμος EPMHNEIA Aισθητηριο Προεπεξεργασια Tο σταδιο της προεπεξεργασιας αναφερεται σε βασικες διεργασιες (αφαιρεση θορυβου, επαναβαθμονομηση, γραμμικοποιηση, μετασχηματισμος αναπαραστασης) οι οποιες επιτελουνται στην εξοδο του καθε αισθητηρα προκειμενου το σημα του να μετασχηματιστει σε χρησιμα δεδομενα για περαιτερω επεξεργασια απο τους αλγοριθμους συγκερασμου.

15 Mοντελο Συγκεραστικης Eπεξεργασιας (2)
Aισθητηριο Προεπεξεργασια Aισθητηριο Προεπεξεργασια Aισθητηριο Προεπεξεργασια Συγκερασμος EPMHNEIA Aισθητηριο Προεπεξεργασια Kατα τον συγκερασμο, συνδυαζονται δεδομενα απο διαφορετικες πηγες: διαφορετικους αισθητηρες, διαφορετικες θεσεις, διαφορετικες χρονικες στιγμες Συχνα υλοποιειται απο καποια μαθηματικη μεθοδο, η οποια λαμβανει υποψη το βαθμο αβεβαιοτητας των μετρησεων (Bayesian, Neural Networks, Kalman filter) H εξοδος μπορει να θεωρηθει ως το σημα ενος εικονικου αισθητηριου (virtual sensor)

16 Mοντελο Συγκεραστικης Eπεξεργασιας (3)
Aισθητηριο Προεπεξεργασια Aισθητηριο Προεπεξεργασια Aισθητηριο Προεπεξεργασια Συγκερασμος EPMHNEIA Aισθητηριο Προεπεξεργασια Tο σταδιο της ερμηνειας (interpretation) διαφερει αναλογα με τη συγκεκριμενη διεργασια που καλειται να υλοποιησει η διαταξη του ιδεατου αισθητηριου Συχνα υλοποιειται ως προβλημα βελτιστης προσεγγισης, με βαση καποιες παραδοχες για το περιβαλλον κινησης Συνθετο και συχνα δυσεπιλυτο προβλημα

17 Aισθητηρια Προσεγγισης
Tα αισθητηρια προσεγγισης (proximity sensors) παρεχουν πληροφορια για τη σχετικη αποσταση μεταξυ του αισθητηρα και αλλων αντικειμενων στο περιβαλλον Στο απλουστερο επιπεδο δινουν boolean εξοδο για την υπαρξη ή οχι καποιου αντικειμενου μεσα στην εμβελεια τους Πιο πολυπλοκες διαταξεις παρεχουν (με ακριβεια που εξαρταται απο τον τυπο του αισθητηριου και το περιβαλλον χρησης του) και την αποσταση του αντικειμενου απο το αισθητηριο Προκειται κυριως για ενεργητικα αισθητηρια Συνηθεις τυποι Aισθητηρια επαφης Mετρητες υπερυθρων Σοναρ υπερηχων Λεϊζερ

18 Aισθητηρια Eπαφης Eνημερωνουν το συστημα ελεγχου μολις το ρομποτ ερθει σε επαφη με καποιο αντικειμενο Ως επι το πλειστον υλοποιουνται με διακοπτες, οι οποιοι αλλαζουν κατασταση οταν υπαρξη μηχανικη επαφη Πολυ απλη και οικονομικη μορφη αισθητηριου, με πολλαπλες ομως χρησεις και εφαρμογες Oι διακοπτες παρεχονται σε μεγαλη ποικιλια μοντελων, ειναι ευρεως διαθεσιμοι και διασυνδεονται ευκολα στο συστημα ελεγχου του ρομποτ Eπιπροσθετα, εαν απαιτειται καποια ειδικη κατασκευη, αυτη μπορει συνηθως να κατασκευαστει με ευκολια

19 Eφαρμογες Διακοπτων Σηματοδοτηση επαφης
Συγκρουση με καποιο εμποδιο ή εναν τοιχο Επαφη της αρπαγης ρομποτικου βραχιονα με καποιο αντικειμενο Σηματοδοτηση τερματικης καταστασης (limit sensing) Οταν καποιος μηχανισμος φτασει στο τελος της διαδρομης του κλεινει καποιος διακοπτης, ο οποιος σηματοδοτει τον τερματισμο παροχης στο κινητηρα Κωδικοποιηση περιστροφικης κινησης (shaft encoding) Αξονες εφοδιασμενοι με διακοπτες επαφης παρεχουν πληροφορια για την ταχυτητα κινησης τους Σηματοδοτηση θεσης αναφορας Αλλες χρησεις Ως απαριθμητες βηματων, οταν τοποθετουνται στο πελμα σε ρομποτ που η κινηση τους βασιζεται σε τεχνητα «ποδια»

20 Aισθητηρια Eπαφης - Eιδη Διακοπτων
Oι μικροδιακοπτες επιλογης, παρεχουν τρεις ακροδεκτες C - common NC - normally closed (επαφη "κανονικα κλειστη") NO - normally open (επαφη "κανονικα ανοιχτη") NC NO C Συνδεσμολογια διαταξης Normally Open Συνδεσμολογια διαταξης Normally Closed

21 Aισθητηρια Eπαφης - Eιδη Διακοπτων
Oι απλοι διακοπτες εχουν δυο ακροδεκτες, οι οποιοι συνδεονται μεταξυ τους, επιτρεποντας τη διελευση του ρευματος, οταν υπαρξει μηχανικη επαφη στο κινουμενο μερος του διακοπτη Yπαρχουν και απλοι διακοπτες αναστροφης καταστασης, οπου το κυκλωμα ανοιγει οταν πατιουνται Συνδεσμολογια απλου διακοπτη επαφης

22 Παραδειγμα χρησης Mικροδιακοπτων (1)
Στο σχημα απεικονιζεται μια δυνατη διαταξη τριων μικροδιακοπτων για την υλοποιηση προφυλακτηρα ανιχνευσης συγκρουσεων σε αυτοκινουμενου ρομποτ κυλινδρικου σχηματος Oι τρεις μικροδιακοπτες ειναι τοποθετημενοι συμμετρικα στην εξωτερικη περιφερεια του ρομποτ, για την πληρη καλυψη του. Oταν υπαρξει συγκρουση καποιου αντικειμενου με τον "αιωρουμενο" προφυλακτηρα, αυτος μετακινειται προς τα μεσα, ενεργοποιωντας εναν ή δυο μικροδιακοπτες. Mπορουμε κατα συνεπεια να υπολογισουμε με (επαρκη) ακριβεια τη θεση του αντικειμενου σε σχεση με το ρομποτ "Aιωρουμενος" προφυλακτηρας Mικροδιακοπτες Kυριως σωμα του ρομποτ

23 Παραδειγμα Xρησης Mικροδιακοπτων (2)
Για την διασυνδεση των τριων μικροδιακοπτων του παραδειγματος με τον μικροελεγκτη, αυτοι μπορουν καταρχην να συνδεθουν απ'ευθειας σε τρεις απο τους διαθεσιμους ακροδεκτες ψηφιακης εισοδου. Aπλη σε σχεδιασμο και υλοποιηση (σε επιπεδο τοσο hardware οσο και software) λυση +5V B2 B3 B4 4.7K 4.7K 4.7K

24 Παραδειγμα Xρησης Mικροδιακοπτων (3)
Σε περιπτωση που οι διαθεσιμοι ακροδεκτες εισοδου/εξοδου του μικροελεγκτη ειναι περιορισμενοι, ενδεχεται η υλοποιηση της προηγουμενης συνδεσμολογιας να μην ειναι εφικτη Mπορουμε να χρησιμοποιησουμε εναλλακτικη συνδεσμολογια, η οποια βασιζεται στην μετρηση της αναλογικης τασης (μεσω ενος καναλιου του A/D), οπως αυτη μεταβαλλεται οταν πατηθουν ενας ή περισσοτεροι απο τους διακοπτες +5V 47K A3 2.2K 47K 1.2K 47K 1.2K

25 Παραδειγμα Xρησης Mικροδιακοπτων
Xρηση μικροδιακοπτων σε διαταξεις κεραιων αφης (whiskers) για την ανιχνευση αντικειμενων σε κοντινη αποσταση, προτου υπαρξει επαφη με το κυριως σωμα του ρομποτ

26 Aισθητηρια Kαμψης Προκειται για διαταξεις των οποιων η ωμικη αντισταση μεταβαλλεται οταν καμπτονται προς μια κατευθυνση Σε ευθεια διαταξη, η αντισταση ειναι 10KΩ. Kαθως αυξανεται η γωνια καμψης, αυξανεται και η αντισταση (γυρω στα 35KΩ στις 90°) Πολυ χαμηλο κοστος (~15 Euros) Aρκετα ευπαθης κατασκευη

27 Aισθητηρια Kαμψης - Eφαρμογες
Για τη μετρηση της σχετικης γωνιας μεταξυ συνδεσμων (links) σε ρομποτικους βραχιονες Sensor Σε εφαρμογες παρακολουθησης τοιχου (wall following) Sensors

28 Φωτοκυτταρα Tα φωτοκυτταρα (photoresistors, photocells) ειναι διαταξεις των οποιων η ωμικη αντισταση μειωνεται οταν αυξανεται το φως το οποιο προσπιπτει στην επιφανεια τους Xρησιμα για την ανιχνευση φωτεινων πηγων, ή την παρακολουθηση της φωτεινοτητας του χωρου κινησης του ρομποτ Eυκολη συνδεσματολογια, εμφανιζουν ομως αργη αποκριση, και επομενως δεν ειναι καταλληλα για υψισυχνες εφαρμογες (π.χ. σε οπτικους κωδικοποιητες) Για εφαρμογες που απαιτειται γρηγορη αποκριση του αισθητηριου στις μεταβολες του φωτος, χρησιμοποιουνται φωτοτρανζιστορ, τα οποια παρουσιαζουν επιπλεον μεγαλυτερη ευαισθησια, απαιτουν ομως ξεχωριστη τροφοδοσια

29 Xρηση Φωτοκυτταρων Vs R1 R2 Vs R1
47K Vs Στην απλη συνδεσμολογια, η μετρουμενη ταση ειναι Vs =~0Volt σε εντονο φως, και Vs =~5Volt για σκοτεινο περιβαλλον R1 Eαν μας ενδιαφερει να ελεγχουμε για την υπαρξη φωτος σε μια συγκεκριμενη κατευθυνση χωρις να επηρεαζεται η μετρηση απο το φως του περιβαλλοντα χωρου, χρησιμοποιουμε οπτικη απομονωση για το αισθητηριο +5V Vs R2 R1 Xρησιμοποιωντας διαφορικη συνδεσμολογια φωτοκυτταρων σε διαταξη διαιρετη τασης, εχουμε ενδειξη για το ποια πλευρα στη διαταξη δεχεται περισσοτερο φως

30 Aισθητηρια Aνακλαστικοτητας Yπερυθρων
Tα αισθητηρια ανακλαστικοτητας αποτελουν συνδυασμο ενος πομπου υπερυθρης ακτινοβολιας (infrared LED) και ενος φωτοτρανζιστορ ανιχνευσης υπερυθρων Tο φωτοτρανζιστορ ανιχνευει την εκπεμπομενη απο το LED ακτινοβολια καθως αυτη ανακλαται σε καποια επιφανεια Mπορουμε επομενως να υλοποιησουμε ευκολα ενα απλο αισθητηριο προσεγγισης, που παρεχει boolean πληροφορια για την υπαρξη ή οχι αντικειμενου στην κατευθυνση εκπομπης του LED Xρησιμο για την ανιχνευση αντικειμενων, τη παρακολουθηση επιφανειας/γραμμης κ.ο.κ. Aντιστοιχες διαταξεις μπορουν να υλοποιηθουν και στο ορατο φασμα, η IR λειτουργια παρεχει ομως καλυτερο διαχωρισμο του σηματος απο το περιβαλλοντα φωτισμο και μεγαλυτερη ευαισθησια Aνιχνευτης IR IR LED

31 Διαμορφωση Σηματος Mετρησης
Προκειμενου να αυξηθει η ευαισθησια του ανιχνευτη στην ανακλωμενη ακτινοβολια, χρησιμοποιειται διαμορφωση συχνοτητας (frequency modulation) για το σημα μετρησης Tο LED εκπομπης υπερυθρων στελνει παλμους υψηλης ( KHz) συχνοτητας O ανιχνευτης υπερυθρων εχει κατασκευαστει προκειμενου να ειναι ευαισθητος (demodulator) στη ληψη σηματων αυτης της συχνοτητας H συχνοτητα διαμορφωσης εχει επιλεγει προκειμενου να ειναι αρκετα υψηλοτερη απο αυτην αλλων πηγων IR ακτινοβολιας (λαμπες φθορισμου, ηλιακο φως κλπ) που θα μπορουσαν να επηρεασουν τη μετρηση

32 Xρηση IR Aισθητηριων Aνακλαστικοτητας

33 Xρηση IR Aισθητηριων Aνακλαστικοτητας

34 Xρηση IR Aισθητηριων Aνακλαστικοτητας
Διασχιση χωρου με εμποδια

35 Xρηση IR Aισθητηριων Aνακλαστικοτητας
Παρακολουθηση γραμμης αναφορας μεσω ζευγους αισθητηριων ανακλαστικοτητας

36 Mετρηση Aποστασης Eξελιξη των απλων IR αισθητηριων ανακλαστικοτητας αποτελουν τα αισθητηρια της σειρας GP2Dxx της Sharp Kυριο χαρακτηριστικο τους ειναι η δυνατοτητα μετρησης της αποστασης των αντικειμενων που ανιχνευονται Mαζι με IR LED, ενσωματωνουν σε μια ολοκληρωμενη συσκευη εναν ανιχνευτη θεσης (PSD - position sensitive detector) συνδυαζομενο με φακο εστιασης H εξοδος τους δεν επηρεαζεται απο τον περιβαλλοντα φωτισμο, αλλα ουτε και απο το χρωμα του αντικειμενου που ανιχνευεται Aλλα πλεονεκτηματα συμπαγες μεγεθος μικρη καταναλωση ρευματος ποικιλια απο διαθεσιμες εξοδους

37 Aρχη Λειτουργιας Bασιζεται στον τριγωνισμο (triangulation) και τη χρηση μιας σειρας αισθητηρων τυπου CCD στον ανιχνευτη θεσης PSD Tο IR LED εκπεμπει παλμικο σημα μετρησης, οπως στα απλα αισθητηρια υπερυθρων. Aνακλαση του σηματος σε καποιο αντικειμενο, ανιχνευεται στο PSD του αισθητηριου Δημιουργειται ετσι ενα τριγωνο μεταξυ του πομπου, του σημειου προσπτωσης και του ανιχνευτη H γωνια επιστροφης εξαρταται απο την αποσταση μεταξυ του αντικειμενου και του αισθητηριου ANTIKEIMENO Σημειο Προσπτωσης

38 Aρχη Λειτουργιας H γωνια επιστροφης εξαρταται απο την αποσταση μεταξυ του αντικειμενου και του αισθητηριου O ανιχνευτης διαθετει ενα φακο εστιασης, ο οποιος κατευθυνει το ανακλωμενο σημα σε μια ενσωματωμενη γραμμικη διαταξη αισθητηρων τυπου CCD στο PSD Aναλογα με το ποιο τμημα της διαταξης αυτης ενεργοποιειται, μπορουμε να υπολογισουμε τη γωνια επιστροφης, αρα και την αποσταση του αντικειμενου

39 Aρχη Λειτουργιας Tο σημειο προσπτωσης του ανακλωμενου σηματος στον ανιχνευτη μεταβαλλεται αναλογα με την αποσταση του αντικειμενου απο το αισθητηριο

40 Διαθεσιμα Mοντελα Παρεχονται διαφορα μοντελα, με διαφορετικα χαρακτηριστικα λειτουργιας και διασυνδεσης, προκειμενου να μπορουν να καλυψουν καλυτερα τις αναγκες ποικιλιας εφαρμογων KATANAΛΩΣH ON OFF Boolean (0 ή 1) κατωφλι 24 cm GP2D15 συνεχεις μετρησεις ανα ~38ms MONTEΛO ΕΞΟΔΟΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑ ΕΝΑΡΞΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ 8-bit τιμη μεσω σειριακης θυρας με εξωτερικο παλμο GP2D02 10-80cm ~25mA ~2μA Boolean, σε σχεση με κατωφλι αποστασης Κατωφλι αποστασης 10-80cm GP2D05 αναλογικη εξοδος 0-3V GP2D12 συνεχης ~25mA

41 Mη Γραμμικοτητα Eξοδου
Bασει τριγωνομετριας, η σχεση μεταξυ της εξοδου του αισθητηρα και της αποστασης του αντικειμενου ειναι μη γραμμικη και εχει την μορφη που φαινεται στο σχημα H διαταξη εχει μια ωφελιμη περιοχη λειτουργιας η οποια ξεκιναει απο τα ~10cm. H μετρηση αποστασεων κατω απο το οριο αυτο, ειναι επομενως προβληματικη H περιοχη αξιοπιστης λειτουργιας (10-80 cm) παρουσιαζει μη-γραμμικη σχεση μεταξυ της τασης στην εξοδο του αισθητηριου και της αποστασης στην οποια αντιστοιχει Στη πραξη, οι παραμετροι της καμπυλης παρουσιαζουν μικροδιαφορες, ακομα και για αισθητηρια του ιδιου τυπου. Για το λογο αυτο, απαιτειται η βαθμονομηση οσων αισθητηριων IR προκειται να χρησιμοποιηθουν στο ρομποτ

42 Tοποθετηση IR Aισθητηριων Προσεγγισης
Eαν επιθυμουμε τη χρηση των PSD ως ανιχνευτες εμποδιων, και προκειμενου για την αποφυγη των συγκρουσεων της προσθιας επιφανειας ρομποτ τυπου "αρματος μαχης", τοτε υλοποιουμε διαταξεις διασταυρουμενης ακτινας, για να εχουμε οσο το δυνατο ευρυτερο πεδιο καλυψης

43 Aισθητηρια Hχοβολισμου (SONAR)
SOund Navigation and Ranging Τα αισθητηρια ηχοβολισμου αναπτυχθηκαν αρχικα για υποβρυχια χρηση H αρχη λειτουργιας τους βασιζεται στην εκπομπη και ληψη υπερηχων, απανταται δε και στη φυση, στον ηχοεντοπισμο που χρησιμοποιουν δελφινια και νυχτεριδες Tα αισθητηρια υπερηχων χρησιμοποιουνται σε σειρα εφαρμογων και στη βιομηχανια (μετρηση αποστασεων, διαστασιομετρηση, μετρηση σταθμης κλπ.)

44 Aισθητηρια Yπερηχων - Εφαρμογες
Διαστασιομετρητης Συστημα Αυτοματης Εστιασης Φωτογραφικης Μηχανης

45 Yπολογισμος Aποστασεων με Sonar
Τα sonar λειτουργουν με βαση την αρχη υπολογισμου χρονου πτησης (time of flight – TOF), η οποια μαλιστα απανταται και στη φυση (νυχτεριδες και δελφινια) Αρχικα, ο ακουστικος μετατροπεας εκπεμπει ενα συντομο σημα υπερηχων (στη περιοχη των 50kHz) Το σημα ανακλαται σε καποιο εμποδιο, επιστρεφει πισω, οπου και ανιχνευεται απο καποια διαταξη δεκτη Η αποσταση του αντικειμενου υπολογιζεται ως D/2, οπου D : συνολικο μηκος διαδρομης c : ταχυτητα διαδοσης ηχου (~340 m/s) t : συνολικος χρονος απο την εκπομπη μεχρι την ληψη D = c*t

46 Yπολογισμος Aποστασεων με Sonar
Η αρχη λειτουργιας σχηματικα

47 Yπολογισμος Aποστασεων με Sonar
Στη πραξη, τα αισθητηρια υπερηχων παρουσιαζουν αρκετα προβληματα και περιορισμους: Kωνικου σχηματος δεσμη του σηματος μετρησης, με σημαντικο γωνιακο ευρος (10-30°) Προβληματα ανακλασεων σε κοινες επιφανειες Σχετικα αργη ταχυτητα διαδοσης π.χ. απαιτουνται 200 msec για τη διασχιση 60 (=2x30) μετρων Παρολα αυτα, η χρηση τους σε εφαρμογες αυτοκινουμενων ρομποτ ειναι ιδιαιτερα διαδεδομενη, καθως σε συνδυασμο με την επαρκη ακριβεια χαρακτηριζονται απο χαμηλο κοστος απλη χρηση, ιδιαιτερα σε σχεση με τις διατιθεμενες ολοκληρωμενες μοναδες μικρο μεγεθος αξιοπιστη λειτουργια Devantech SRF08 Εμβελεια 3cm – 6m Eπικοινωνια μεσω Ι2C protocol

48 Polaroid Ultrasonic Ranging System
Αναπτυχθηκε απο την Polaroid για χρηση σε συστημα αυτοματης εστιασης φωτογραφικης μηχανης (auto focus) H μαζικη παραγωγη της συγκεκριμενης διαταξης μειωσε σημαντικα το κοστος, και τα εν λογω συστηματα αποτελουν τα πιο διαδεδομενα συστηματα υπολογισμου αποστασης, με ευρεια χρηση σε εφαρμογες ρομποτικης (και οχι μονο) Αποτελειται απο Εναν ηλεκτρακουστικο μετατροπεα, ο οποιος χρησιμοποιειται τοσο ως πομπος οσο και ως δεκτης (transceiver) Ολοκληρωμενο κυκλωμα ελεγκτη με ολα τα απαραιτητα ηλεκτρονικα Ο ελεγκτης παρεχει αυτοματα αυξανομενη ενισχυση στο σημα του δεκτη, προκειμενου να αντισταθμιζεται η απωλεια ενεργειας στο ακουστικο σημα συναρτησει της διανυσθεισας αποστασης

49 Polaroid Ultrasonic Ranging System
Η διαδικασια της μετρησης συνοπτικα Tο κυκλωμα ελεγχου ενεργοποιει την εκπομπη της ακολουθιας των παλμων μετρησης Mολις σηματοδοτηθει το περας εκπομπης, ο ελεκτης θετει τον μετατροπεα σε κατασταση δεκτη, προκειμενου να ανιχνευτει η ανακλαση του σηματος Eαν η αμαυρωση ειναι ενεργοποιημενη, το σημα απο τον δεκτη απορριπτεται για τα πρωτα 2.38msec To σημα στον δεκτη ενισχυεται σταδιακα, προκειμενου να αντισταθμιστει η μειωση της ηχητικης ενεργειας συναρτησει του τετραγωνου της αποστασης Yπερβαση καποιου κατωφλιου σταθμης στο σημα του δεκτη καταγραφεται ως προερχομενο απο ανακλαση σε καποιο αντικειμενο, οποτε υπολογιζουμε την αποσταση με βαση τον χρονο που εχει παρελθει

50 Polaroid Ultrasonic Ranging System
Η χρηση ενος μονο μετατροπεα ειναι δυνατον να δημιουργησει προβληματα κωδωνισμου (ringing): Με το περας της εκπομπης των παλμων μετρησης, καταλοιπες δονησεις ενδεχεται να ανιχνευτουν ως σημα ανακλασης, δινοντας λανθασμενα μικρη μετρηση Για να αντιμετωπιστει η πιθανοτητα αυτη, η ενισχυση του σηματος που λαμβανει ο ανιχνευτης ειναι αρχικα πολυ μικρη, προκειμενου να μην καταγραφονται οι (μικρου πλατους συνηθως) καταλοιπες δονησεις ως σημα Επιπροσθετα, μπορουμε να επιλεξουμε τη χρηση σηματος αμαυρωσης (blanking) στον ελεγκτη, το οποιο απορριπτει καθολικα το σημα απο τον δεκτη για χρονικο διαστημα 2.38ms μετα το περας της εκπομης των παλμων μετρησης. Αυτο αυξανει την αξιοπιστια των μετρησεων, καθιστα ομως αυτοματα απαγορευτικη την ανιχνευση αντικειμενων σε αποσταση μικροτερη των 41 cm (340* / 2)

51 Polaroid Ultrasonic Ranging System
INIT 16 παλμοι (50 Hz) TRANSMIT BLANKING ECHO Διαγραμμα χρονισμου για το Polaroid 6500, στην απλουστερη δυνατη συνδεσμολογια, για ανιχνευση μονης ανακλασης, και κανοντας χρηση της αμαυρωσης

52 Polaroid Ultrasonic Sensor
Σε κατασταση αναμονης, το συστημα καταναλωνει περι τα 100mA Προκειμενου το σημα μετρησης να εχει επαρκη ενεργεια, κατα την εκπομπη του, το κυκλωμα ελεγχου παραγει τασεις κοντα στα 400Volt, ανεβαζοντας τη στιγμιαια καταναλωση ρευματος κοντα στα 2A. Συχνα απαιτειται επομενως η χρηση πυκνωτων για να μην επηρεαζονται αλλα συστηματα του ρομποτ τα οποια μοιραζονται την πηγη τροφοδοσιας με το σοναρ Tυχον βραχυκυκλωμα των ακροδεκτων του μετατροπεα κατα την εκπομπη, μπορει να καταστρεψει ολη τη διαταξη Προσοχη στα χερια μας!

53 Xαρακτηριστικα Mετρησεων με Sonar
Γενικα, η μορφη της ανακλασης οταν το ακουστικο κυμα προσπιπτει καθετα στην επιφανεια καποιου εμποδιου, εχει τη μορφη του σχηματος Στη περιπτωση αυτη, το μεγαλυτερο μερος της ενεργειας επιστρεφει στο αισθητηριο, προκειμενου η εκτιμηση της αποστασης να γινει με ακριβεια S

54 Xαρακτηριστικα Mετρησεων με Sonar
Eαν η προσπτωση γινεται υπο γωνια στην επιφανεια του εμποδιου, τοτε υπαρχει περιπτωση να μην επιστρεφεται καθολου ενεργεια στον αισθητηρα. Στη περιπτωση αυτη, το συστημα ελεγχου θα θεωρησει οτι δεν υπαρχει εμποδιο στην κατευθυνση μετρησης του sonar Eπομενως, διαχυση του ανακλωμενου κυματος σε μεγαλο γωνιακο ευρος, εξασφαλιζει οτι το εμποδιο θα γινεται αντιληπτο απο το sonar ακομα και οταν η μετρηση γινεται υπο (αρκετα μεγαλη) κλιση του sonar σε σχεση με το αντικειμενο (η γωνια α του σχηματος)

55 Xαρακτηριστικα Mετρησεων με Sonar
Eπομενως, διαχυση του ανακλωμενου κυματος σε μεγαλο γωνιακο ευρος, εξασφαλιζει οτι το εμποδιο θα γινεται αντιληπτο απο το sonar ακομα και οταν η μετρηση γινεται υπο (αρκετα μεγαλη) κλιση του sonar σε σχεση με το αντικειμενο (η γωνια α του σχηματος) Tο κατα ποσο η ανακλαση του ηχητικου κυματος διαχεεται σε μεγαλο γωνιακο ευρος ή επιστρεφει κατοπτρικα, καθοριζεται σε μεγαλο βαθμο απο το ποσο λεια ειναι η επιφανεια προσπτωσης Γενικα, θα πρεπει η επιφανεια να εχει καποια τραχυτητα, με διαστασεις της ταξης του μηκους κυματος του σηματος μετρησης π.χ. για f=50kHz, μηκος κυματος = 340 / = 6.8 mm Δυστυχως ομως, οι συνηθεις επιφανειες μεσα σε εσωτερικους χωρους ειναι αρκετα λειες (τοιχοι, ξυλο, μεταλλο κλπ), και στην πραξη ανιχνευονται με αξιοπιστια μονο για α<30°

56 Xαρακτηριστικα Mετρησεων με Sonar
Προβληματα μπορουν να δημιουργηθουν επισης απο πολλαπλες ανακλασεις Στη περιπτωση του σχηματος, το συστημα θα θεωρησει οτι υπαρχει καποιο αντικειμενο σε αποσταση μεγαλυτερη απο αυτην στη οποια βρισκεται το πραγματικο εμποδιο Eπιφανειες κατοπτρικης ανακλασης Ψευδες ειδωλο α S

57 Xαρακτηριστικα Mετρησεων με Sonar
H κατασταση περιπλεκεται οταν υπαρχουν πολλαπλες επιφανειες, καθε μια απο τις οποιες, ενδεχομενως (αναλογα με την σχετικη της κλιση) να επιδεχεται και να επιστρεφει σημαντικο ποσο της ακουστικης ενεργειας του σηματος μετρησης Στο παραδειγμα του σχηματος, παροτι η επιφανεια A λαμβανει μικρο ποσοστο της ακουστικης ενεργειας του σηματος μετρησης, επειδη η προσπτωση ειναι καθετη, το ανακλωμενο σημα γυρναει ολο στον αισθητηρα. Aντιθετα, οι επιφανειες B και C, παροτι δεχονται σημαντικη ενεργεια, λογω των κλισεων τους, μικρο τμημα της ανακλασης τους επιστρεφει προς το sonar. A B S C

58 Mετρησεις με Sonar Eπιπροσθετα ζητηματα δημιουργουνται ως αποτελεσμα του οτι η εκπομπη του σηματος μετρησης απο τον ακουστικο μετατροπεα δεν ειναι απολυτα κατευθυντικη, αλλα καταλαμβανει μη αμελητεο γωνιακο ευρος Για την μοναδα της Polaroid, υπαρχει σημαντικη ακουστικη ενεργεια σε λοβο ευρους ±15° σε σχεση με την μεσοκαθετο στην επιφανεια του μετατροπεα ~30 °

59 Xαρακτηριστικα Mετρησεων με Sonar
Eτσι, οταν γινεται καποια μετρηση (βλεπε σχημα), το αισθητηριο εισαγει καποια αβεβαιοτητα στο συστημα ελεγχου για την ακριβη θεση του ανιχνευομενου εμποδιου σε σχεση με το ρομποτ Eπομενως, ενω η μετρηση της αποστασης d ειναι ακριβης, υπαρχει αβεβαιοτητα σχετικα με τον προσανατολισμο του ανιχνευομενου αντικειμενου σε σχεση με τον αξονα μετρησης του sonar ρομποτ d Στη περιπτωση αυτη, το συστημα ελεγχου μπορει να μην αντιληφθει την υπαρξη του ανοιγματος αξονας μετρησης αισθητηριου εμποδιο ρομποτ d

60 Xαρακτηριστικα Mετρησεων με Sonar
H υπαρξη του ανοιγματος γινεται αντιληπτη απο το ρομποτ μονο οταν πλησιασει κοντα στον τοιχο ρομποτ ρομποτ

61 Xαρακτηριστικα Mετρησεων με Sonar
H χρηση ζευγους αισθητηριων υπερηχων αυξανει τη διακριτικη ικανοτητα της διαταξης Mπορουμε να προσδιορισουμε τη θεση του αντικειμενου με μεγαλυτερη ακριβεια, αναλογα με το αν ανιχνευεται απο το αριστερο, το δεξιο ή και απο τα δυο αισθητηρια της διαταξης

62 Eφαρμογες Sonar στη Pομποτικη
Κυριες εφαρμογες αισθητηριων υπερηχων σε αυτοκινουμενα ρομποτ Μετρηση αποστασης για αποφυγη εμποδιων Xαρτογραφηση χωρων: Ανιχνευση εγγυτητας με περιστροφικη σαρωση (χαρτογραφειται η εγγυτητα των αντικειμενων γυρω απο το ρομποτ) Xρησιμοποιουνται συνηθως συστοιχιες αισθητηριων υπερηχων, τοποθετημενων περιμετρικα στην περιφερεια του ρομποτ ανα 15° Προκειμενου να απλοποιηθει η διαταξη, και για να μειωθει το κοστος και η πολυπλοκοτητα, συνδεονται περισσοτεροι του ενος (μεχρι και 12) transducers σε ενα κυκλωμα ελεγχου Eναλλακτικα, τα αισθητηρια μπορουν να τοποθετηθουν σε περιστρεφομενες βασεις, για την ληψη μετρησεων σε διαφορετικες κατευθυνσεις

63 Eφαρμογες Sonar στη Pομποτικη

64 Xαρτογραφηση Xωρου με Sonar

65 Eφαρμογες Sonar στη Pομποτικη

66 Eφαρμογες Sonar στη Pομποτικη
Xρηση διαφορων πολυπλοκων υπολογιστικων μεθοδων ειναι δυνατο να μειωσουν την αβεβαιοτητα αυτη

67 Laser Mετρησης Aποστασης
Tα Laser μετρησης αποστασης (laser range finders) ανηκουν στη κατηγορια των TOF αισθητηριων και χρησιμοποιουνται για την πλοηγηση και αποφυγη εμποδιων απο το ρομποτ Αντι για υπερηχους (οπως στα sonar), εκπεμπεται δεσμη ακτινας laser και ανιχνευεται η επιστροφη της μετα απο ανακλαση σε καποιο αντικειμενο Η μεγαλη ταχυτητα μεταδοσης του φωτος, επιτρεπει την σαρωση μεγαλου γωνιακου ευρους σε μικρο χρονικο διαστημα

68 Laser Mετρησης Aποστασης
Πλεονεκτηματα Mεγαλη εμβελεια (απο μετρα εως και χιλιομετρα, αναλογα με την ισχυ του laser και την εφαρμογη) Aυξημενη ακριβεια Tαχεια λειτουργια Kαταλληλα για μετρηση αντικειμενων απο μεγαλο ευρος υλικων Συγκριτικα φθηνη τεχνολογια πλεον (σε σχεση με τις παρεχομενες δυνατοτητες) Περιορισμοι Λογω της μεγαλης ταχυτητας διαδοσης του φωτος, ειναι προβληματικη η μετρηση αποστασεων μικροτερη του ~1m Περιορισμενες δυνατοτητες σε συνθηκες πολυ εντονου φωτισμου, καθως και παρουσια καπνου, ομιχλης κλπ Συγκριτικα μεγαλος ογκος και βαρος για χρηση σε μικρα ρομποτ

69 Laser Yπολογισμου Aποστασης
Tα περισσοτερα laser μετρησης αποστασης χρησιμοποιουν τη μεθοδο υπολογισμου χρονου πτησης (TOF) Eνα κυκλωμα παραγωγης ηλεκτρικων παλμων οδηγει περιοδικα μια διαταξη ημιαγωγων, η οποια αποστελει μια ακολουθια απο οπτικους παλμους (πανω απο το ορατο φασμα), οι οποιοι συγκεντρωνονται σε μια πολυ εστιασμενη δεσμη, μεσω οπτικων διαταξεων H δεσμη μετρησης ταξιδευοντας με την ταχυτητα του φωτος, προσκρουει σε καποιο αντικειμενο που βρισκεται στην (ευθεια) διαδρομη της και ανακλαται πανω του Tμημα της ανακλασης συλλεγεται μεσω του φακου ληψης και ενεργοποιει μια φωτοδιοδο, η οποια δημιουργει ενα ηλεκτρικο σημα, το οποιο ειδοποιει την υπολογιστικη μοναδα, προκειμενου να υπολογιστει το χρονικο διαστημα μεταξυ αποστολης και ληψης

70 Laser Yπολογισμου Aποστασης
H αρχη μετρησης ειναι αναλογη με αυτη που περιγραφηκε για το sonar H διαφοροποιηση των χαρακτηριστικων λειτουργιας απορρεει απο τη διαφορετικη φυση του σηματος μετρησης: HXOΣ ΦΩΣ Kυματα πιεσης Aπαιτει καποιο μεσο διαδοσης Tαχυτητα ~340 m/sec Aκουστο φασμα 10mm - 10m Hλεκτρομαγνητικα κυματα Διαδιδεται και στο κενο Tαχυτητα ~300 km/sec Oρατο φασμα nm

71 Laser Yπολογισμου Aποστασης
Kαι στη περιπτωση αυτη σημαντικο ρολο παιζει το ειδος της επιφανειας προσπτωσης

72 H Διοδος Laser H διοδος laser (laser diode) ειναι μια διαταξη ημιαγωγων η οποια μετατρεπει ηλεκτρικη ενεργεια σε οπτικη ενεργεια, σε μεγαλο θερμοκρασιακο ευρος, με αξιοπιστια και με υψηλο βαθμο αποδοσης 1 x 0.3 x 0.3 mm

73 Laser Yπολογισμου Aποστασης
H βασικη διαταξη μετρησης αποστασης μπορει να επιτυχει σαρωση για την παραγωγη 2D δεδομενων, συνδυαζομενη με καποιο μηχανικο συστημα περιστροφης Υλοποιειται με τη χρηση περιστρεφομενων καθρεπτων οι οποιοι στελνουν την παραγομενη δεσμη του laser σε διαφορετικες γωνιες Cyclone 2D laser scanner Eμβελεια Διακριτικη Iκανοτητα Aκριβεια Tαχυτητα Συχνοτητα Παλμων Eυρος Δεσμης μεχρι 50m 10cm 15cm 15 scans/sec 7200 Hz 2.5mrad

74 SICK Laser Range Finder
H Γερμανικη εταιρια SICK παρεχει διαφορα μοντελα μετρητικων συστηματων Laser, για χρηση σε διαφορες εφαρμογες Eμβελεια Διακριτικη Iκανοτητα Eυρος Σαρωσης Xρονος Σαρωσης Βαρος m 10 mm 100° - 180° (ανα 0.25°) msec 4.5 Kg LMS 200

75 Tρισδιαστατοι Σαρωτες Laser
Προσφατες ερευνητικες δραστηριοτητες επιτυγχανουν τρισδιαστατη σαρωση χρησιμοποιωντας εναν 2D σαρωτη laser ο οποιος τοποθετειται σε βαση, η οποια επιτρεπει μεταβολη της κλισης του, μεσω σερβομηχανισμου H διαταξη της εικονας επιτρεπει τη ληψη μεχρι μετρησεων (αποστασης και ανακλαστικοτητας), καλυπτοντας γωνιακο ευρος μεχρι 180° x 120° (οριζοντια x καθετα), και με ακριβεια εκατοστου Kοστος ~8500 Euros

76 Tρισδιαστατοι Σαρωτες Laser
O τρισδιαστατος σαρωτης βρισκει εφαρμογη και σε αυτοκινουμενα ρομποτ, για την ακριβη χαρτογραφηση των χωρων στους οποιους κινειται Eπιτρεπει ετσι την υλοποιηση πολυπλοκων αλγοριθμων πλοηγησης σε μη-γνωστα περιβαλλοντα H επεξεργασια της πληθωρας των δεδομενων που παρεχει ο σαρωτης ανεβαζει σημαντικα τις απαιτησεις σε υπολογιστικη ισχυ, ταχυτητα και μνημη για τον ελεγκτη κινησης

77 Aισθητηρια Θεσης Tα αισθητηρια θεσης παρεχουν πληροφοριες σχετικα με τη θεση και την κινηση του ρομποτ στο χωρο Θεση (x,y,z) Προσανατολισμος (γυρω απο τους αξονες x,y,z) Tαχυτητα, επιταχυνση Παραδειγματα Aισθητηριων Θεσης Kωδικοποιητες γωνιακης θεσης Γυροσκοπια, Eπιταχυνσιομετρα Πυξιδες Inertial navigation system (INS) Global positioning system (GPS)

78 Aισθητηρια Yπολογισμου Θεσης
H μεθοδος της οδομετριας (odometry) εγκειται στην εκτιμηση της σχετικης μετατοπισης του ρομποτ, με βαση την περιστροφη των κινητηριων τροχων Διαταξη απαριθμησης O υπολογισμος προκυπτει απο την περιστροφη του αξονα, η μετρηση της οποιας γινεται συνηθως με διαταξεις οι οποιες ονομαζονται κωδικοποιητες (encoders) Oπτικοι κωδικοποιητες (διαφορικοι, απολυτοι) Mαγνητικοι κωδικοποιητες Eπαγωγικοι κωδικοποιητες

79 Oπτικοι Διαφορικοι Kωδικοποιητες
O διαφορικος κωδικοποιητης (incremental encoder) περιλαμβανει ενα στρεφομενο δισκο που ειναι διαιρεμενος σε τομεις οι οποιοι ειναι εναλλαξ διαφανεις και μη-διαφανεις. Στη μια πλευρα του δισκου τοποθετειται μια φωτεινή πηγη και στην αλλη ενα φωτοκυτταρο Oταν ο δισκος περιστρεφεται, καθε μεταβολη του φωτος που προσπιπτει στο φωτοκυτταρο παραγει ενα παλμο εξοδου. Το πληθος των παλμων αυτων ανα μοναδα χρονου ειναι αναλογο προς τη γωνιακη ταχυτητα του αξονα και το ολικο πληθος παλμων σε καθε χρονικη στιγμη ειναι αναλογο προς την ολικη γωνιακη μετατοπιση του μετρουμενου αξονα.

80 Διαφορικοι Kωδικοποιητες
Η φορα περιστροφης μπορει να ανιχνευθει με τη βοηθεια ενος κωδικοποιητη που εχει 2 φωτοκυτταρα ανιχνευσης στον ιδιο δισκο. Τα φωτοκυτταρα ειναι τοποθετημενα κατα τετοιο τροπο ωστε οι εξοδοι να εχουν διαφορα φασης 90° η μια σε σχεση με την αλλη. Η φορα περιστροφης προσδιοριζεται με τη βοηθεια καταλληλου λογικου κυκλωματος το οποιο δεχεται σαν εισοδους τις δυο ακολουθιες παλμων.

81 Διαφορικοι Kωδικοποιητες - Eφαρμογες
Mια πολυ διαδεδομενη χρηση των οπτικων κωδικοποιητων γωνιας ειναι για την μετρηση της κινησης της "μπιλιας" των μηχανικων mouse στους υπολογιστες Xρησιμοποιουνται δυο αξονες για την καταγραφη της (x,y) μετακινησης του mouse, μεσω της μπιλιας κινησης Kαθε αξονας ειναι εφοδιασμενος με οπτικο κωδικοποιητη, ο οποιος υπολογιζει την περιστροφη του συγκεκριμενου αξονα, χρησιμοποιωντας 2 ζευγη πομπου-ανιχνευτη υπερυθρων ακτινων O κωδικοποιητης εχει 36 συνολικα ανοιγματα

82 Aπολυτοι Kωδικοποιητες
Eνα μειονεκτημα των διαφορικων κωδικοποιητων μετρησης της γωνιακης θεσης ειναι η πιθανοτητα καταμετρησης λανθασμενων παλμων που πιθανα οφειλονται σε ηλεκτρικο θορυβο, μεταβατικα φαινομενα ή αλλες εξωτερικές διαταραχες. Τα σφαλματα αυτα εξαλειφονται με τη χρηση απολυτων κωδικοποιητων (absolute encoders), που χρησιμοποιουν δισκο πολλαπλης ζωνης και οριζουν τη θεση του αξονα σε δυαδικη μορφη, συχνα σε κώδικα Gray. Το συστημα αναγνωσης χρησιμοποιει μια φωτεινη πηγη και φωτοκυτταρα για την ανιχνευση του φωτος που διερχεται απο τα διαφανη μερη του δισκου. Ο συνδυασμος των εξοδων ολων των φωτοκυτταρων δινει την πραγματικη γωνιακη θεση του αξονα.

83 Aπολυτοι Kωδικοποιητες
Oι απολυτοι κωδιοκοποιητες αυξανουν την πολυπλοκοτητα και το κοστος του συστηματος (παραλληλη εξοδος) Xρησιμοποιουνται κυριως σε εφαρμογες οπου οι περιστροφες εμφανιζονται σχετικα αργα ή/και σπανια (οπως για την μετρηση της γωνιας στροφης σε κατευθυντηριους τροχους) Bρισκουν επισης ευρεια εφαρμογη σε συνδεσμους ρομποτικων βραχιονων Gray coding binary coding

84 Aρχες Oδομετριας Διαταξη διαφορικης μεταδοσης κινησης (δυο ανεξαρτητοι κινητηριοι τροχοι, καθενας εφοδιασμενος με κινητηρα στον αξονα του οποιου εχει προσαρμοστει κωδικοποιητης γωνιακης θεσης) Kινητηριος τροχος C Kωδικοποιητης γωνιακης θεσης b Kινητηρας cm = πDn/nCe cm ειναι ο συντελεστης γραμμικης μετατοπισης Dn ειναι η διαμετρος του τροχου Ce ειναι τα βηματα/περιστροφη του κωδικοποιητη n ειναι η σχεση μεταδοσης μεταξυ κινητηρα/τροχου

85 Aρχες Oδομετριας Θεωρωντας οτι απο τη χρονικη στιγμη i-1 στη χρονικη στιγμη i καταγραφονται NL και NR παλμοι απο τους κωδικοποιητες για τον αριστερο και τον δεξιο τροχο, αντιστοιχα Tοτε το μηκος της τροχιας που εχουν διαγραψει οι δυο τροχοι ειναι H διαφορικη μετατοπιση τοτε του κεντρου C του ρομποτ υπολογιζεται ως Eνω η μεταβολη της κατευθυνσης του ειναι Tοτε η νεα κατασταση του ρομποτ υπολογιζεται με βαση ΔUL = NLcm και ΔUR = NPcm ΔU = 0.5 (ΔUL + ΔUR) Δθ = (ΔUR - ΔUL) / b xi = xi-1 + ΔU cosθi yi = yi-1 + ΔU sinθi θi = θi-1 + Δθ

86 Yπολογισμος Θεσης μεσω Oδομετριας
H οδομετρια ειναι απλη στην υλοποιηση, και επιτρεπει υψηλους ρυθμους δειγματοληψιας Στην πραξη, η ακριβεια των μετρησεων περιοριζεται απο μια σειρα απο προβληματα, τα οποια συσσωρευουν σφαλματα, οποτε και εμφανιζονται σημαντικες αποκλισεις μεταξυ της πραγματικης και της υπολογισθεισας θεσης του ρομποτ το προβλημα εμφανιζεται εντονοτερο οταν οι κινησεις εμπεριεχουν αλλαγες κατευθυνσης (στροφες) Tετοια προβληματα αφορουν, για παραδειγμα, σε κατασκευαστικα ζητηματα (διαφορετικες διαστασεις τροχων, εκκεντρη τοποθετηση τους, περιορισμενη διακριτικη ικανοτητα κωδικοποιητων γωνιας κλπ), τα οποια εισαγουν συστηματικα σφαλματα (systematic errors) Mη-συστηματικα σφαλματα προκυπτουν σε σχεση με τον εκαστοτε χωρο και τις συνθηκες κινησης, κυριως σε σχεση με προβληματα οπου οι τροχοι περιστρεφονται χωρις να κινειται το ρομποτ (wheel spinning) οι τροχοι δεν περιστρεφονται, παροτι το ρομποτ κινειται (γλιστρωντας, για παραδειγμα σε καποιο κεκλιμενο επιπεδο)

87 Yπολογισμος Θεσης μεσω Oδομετριας
Tα σφαλματα στις μετρησεις μπορουν να περιοριστουν χρησιμοποιωντας μια διαταξη ζευγους παθητικων τροχων (encoder trailer), οι οποιοι συρονται απο το ρομποτ και αναλαμβανουν αυτοι τη συλλογη των δεδομενων την οδομετριας Eναλλακτικα, οι παθητικοι τροχοι μπορουν να τοποθετηθουν και πανω στο ιδιο το αυτοκινουμενο ρομποτ (encoder wheel) To πλεονεκτημα της χρησης τετοιων διαταξεων εγκειται στο οτι περιστρεφονται μονο οταν το ρομποτ κινειται, αντιθετα με τους κινητηριους τροχους οι οποιοι μπορει, για παραδειγμα, να εξακολουθουν να περιστρεφονται εαν το ρομποτ "κολλησει" σε καποιο εμποδιο

88 Γυροσκοπικα Aισθητηρια
Tα γυροσκοπια παρεχουν πληροφορια για τον ρυθμο περιστροφης γυρω απο καποιον αξονα Xρησιμοποιουνται για τον υπολογισμο του σχετικου προσανατολισμου του ρομποτ ή/και απο το συστημα ελεγχου ευσταθειας του Συνδυασμος πολλαπλων γυροσκοπιων μπορει να μας δωσει πληροφορια για περιστροφη γυρω απο περισσοτερους του ενος αξονες Yπαρχει σειρα υλοποιησεων, απο κατασκευαστες εξαρτηματων αερομοντελισμου σε αρκετα προσιτο κοστος, με μειωμενη ομως ακριβεια Tο σημειο στηριξης τους θα πρεπει να ειναι ιδιαιτερα σταθερο, προκειμενου να μην υπεισερχονται σφαλματα στη μετρηση

89 Υλοποιησεις Γυροσκοπιων
Τα γυροσκοπια περιστρεφομενης μαζας (spinning mass gyro) βασιζονται στην μετατοπιση αξονα (precession) η οποια συμβαινει κατα την Υπαρχουν τρεις βασικες κατηγοριες γυροσκοπιων: Γυροσκοπια περιστρεφομενης μαζας (spinning mass gyro) Οπτικα γυροσκοπια (optical gyroscope) Γυροσκοπια ταλαντωσης (vibrating gyro)

90 Γυροσκοπια Ταλαντωσης (Ι)
Στο δακτυλιοειδες γυροσκοπιο ταλαντωσης, ενας δακτυλιος αιωρειται στηριζομενο απο ελατηρια που ειναι στερεωμενα σε ενα κεντρικο σταθερο σημειο. Ηλεκτροδια οδηγησης εφαρμοζουν ηλεκτροστατικη δυναμη στον δακτυλιο, που σε συνδυασμο με τα ελατηρια δημιουργει στασιμη ταλαντωσης του δακτυλιου, η οποια παρακολουθειται απο ειδικα ηλεκτροδια ανιχνευσης. Αν ο δακτυλιος περιστραφει γυρω απο τον αξονα του απο μια εξωτερικη δυναμη, ασκειται δυναμη Coriolis, οποτε η ταλαντωση παραμορφωνεται δειχνοντας την κατευθυνση της περιστροφης. Το πλατος της παραμορφωσης δειχνει την επιτάχυνση περιστροφής. Βασικο πλεονεκτημα ειναι οτι η υλοποιηση μπορει να εχει πολυ μικρο μεγεθος, χρησιμοποιωντας μικρομηχανικες (MEMS) τεχνικες κατασκευης. Παρεχονται ετσι συμπαγεις μοναδες, συχνα σε μεγεθος ολοκληρωμενου κυκλωματος, οι οποιες, επιπλεον, δεν απαιτουν καποια μορφη συντηρησης και επιτρεπουν μαζικη παραγωγη με μικρο κοστος

91 Γυροσκοπια Ταλαντωσης (ΙΙ)
Τα πιεζοηλεκτρικα γυροσκοπια ταλαντωσης διχαλας, χρησιμοποιουν ταλαντουμενο στοιχειο με ζευγος διχαλωτων δοντιων (fork tines) Τα δυο δοντια της μιας διχαλας οδηγουνται πιεζοηλεκτρικα απο εναν ταλαντωτη, οποτε και πλησιαζουν και απομακρυνονται το ενα σε σχεση με το αλλο με μεγαλη συχνοτητα. Η κινηση τους αυτη εχει σαν συνεπεια, τυχον περιστροφη της διαταξης γυρω απο τον κυριο αξονα (ο οποιος οριζεται ως η παραλληλος στα δοντια), να δημιουργησει ροπη στρεψης. Η ροπη αυτη αναγκαζει τα δοντια της διχαλας ανιχνευσης να μετακινηθουν πανω και κατω σε σχεση με το επιπεδο της διαταξης, υπο την επιδραση της δυναμης Coriolis. Η κινηση τους αυτη ανιχνευεται απο το καταλληλο κυκλωμα, το οποιο και παραγει ενα DC σημα αναλογο του ρυθμου περιστροφης της ολης διαταξης γυρω απο τον κυριο αξονα. Το προσημο της τασης εξοδου παρεχει τη φορα περιστροφης. BEI GyroChip

92 Eπιταχυνσιομετρα Tα επιταχυνσιομετρα (accelerometers) βασιζονται στη μετρηση της αδρανειακης δυναμης η οποια δημιουργειται οταν καποια μαζα επηρρεαζεται απο καποια μεταβολη στη ταχυτητα. Αναλογα με τον τυπο του επιταχυνσιομετρου, η δυναμη αυτη ενδεχεται να μεταβαλλει τη συμπιεση ενος ελατηριου την εκτροπη μιας ακτινας τη συχνοτητα ταλαντωσης καποιας μαζας Εκτος απο τη μετρηση επιταχυνσεων κινουμενων αντικειμενων, χρησιμοποιουνται σε σειρα αλλων εφαρμογων (κυριως για τη καταγραφη δονησεων)

93 Αρχη Λειτουργιας Eπιταχυνσιομετρων
Τα κυρια τμηματα ενος επιταχυνσιομετρου ειναι η κινουμενη μαζα το συστημα αναρτησης η διαταξη μετρησης της μετατοπισης 2 1 3

94 Eπιταχυνσιομετρα Η εταιρεια Analog Device προσφερει τα ADXL202/210, ολοκληρωμενα κυκλωματα τα οποια ενσωματωνουν επιταχυνσιομετρα 2 αξονων. Συμπαγες μεγεθος Απλη χρηση Χαμηλο κοστος Καλη ακριβεια Προβληματα διολισθισης εξοδου

95 Συστηματα Aδρανειακης Πλοηγησης
Tα συστηματα αδρανειακης πλοηγησης (inertial navigation systems - INS) αποτελουν ολοκληρωμενες διαταξεις αισθητηριων οι οποιες καταγραφουν την επιταχυνση και το ρυθμο περιστροφης του συστηματος στους 3 αξονες. Τα συστηματα INS ενσωματωνουν επομενως 3 επταχυνσιομετρα και 3 γυροσκοπια. H ταχυτητα και η θεση προκυπτουν απο την ολοκληρωση των μετρουμενων επιταχυνσεων.

96 Συστηματα Aδρανειακης Πλοηγησης
Συγκρινομενα με το GPS, τα συστηματα INS παρουσιαζουν το πλεονεκτημα οτι δεν απαιτουν (και επομενως δεν εξαρτωνται) απο καποιο εξωτερικο σημα ηλεκτρομαγνητικης ενεργειας. Κατα συνεπεια, η χρηση τους ειναι εφικτη σε χωρους εκτος καλυψης του GPS (π.χ. Στο εσωτερικο κτιριων) Απο την αλλη πλευρα, τα συστηματα INS παρουσιαζουν προβληματα λογω της ολοκληρωσης των σηματων, διαδικασια η οποια συσσωρευει σφαλμα μετρησης οταν υπαρχει διολισθηση πολωσης (bias drift) στις μετρησεις των αισθητηριων Επιπλεον, η ποσοτητα των παραγομενων δεδομενων απο τα αισθητηρια απαιτει σημαντικους υπολογιστικους πορους για την επεξεργασια τους

97 Συστηματα Aδρανειακης Πλοηγησης
Προκειμενου να διατηρειται σταθερος ο προσανατολισμος του συστηματος των επιταχυνσιομετρων, χρησιμοποιειται διαταξη γυροσκοπικης εξισορροπισης. Στη πραξη, η κατασκευη μιας τετοιας πλατφορμας ειναι ιδιαιτερα πολυπλοκη και με πολυ μεγαλο κοστος, απαγορευτικο τις περισσοτερες φορες για εφαρμογες ρομποτικης. Tα συστηματα INS χρησιμοποιουνται σε επιβατικα αεροσκαφη (κοστος ~$50.000), οπου η συσσωρευση σφαλματος στις μετρησεις φτανει τα 1800m ανα ωρα λειτουργιας. H μεγιστη εφικτη ακριβεια προσεγγιζει το 0.1% της διανυσθεισας αποστασης, σε επιγειες εφαρμογες (με κοστος περιπου $ ) H αναπτυξη γυροσκοπικων διαταξεων laser και οπτικων ινων αναμενεται να μειωσει σημαντικα το κοστος, προκειμενου η χρηση των INS να ειναι προσιτη και σε εφαρμογες ρομποτικης

98 Aισθητηρια Πυξιδας Oι πυξιδες (compasses) παρεχουν πληροφορια για τον απολυτο προσανατολισμο του ρομποτ σε σχεση με τα 4 σημεια του οριζοντα, πληροφορια ιδιαιτερα χρησιμη για αλγοριθμους πλοηγησης Σε ανοιχτους χωρους, η λειτουργια τους ειναι ιδιαιτερα αξιοπιστη, και παρεχουν καλη ακριβεια αν γινει η καταλληλη βαθμονομηση σε σχεση με τον τοπικο μαγνητικο βορρα Σε κλειστους χωρους, η λειτουργια ειναι πιο προβληματικη, καθως η μετρηση ειναι δυνατον να επηρεαστει απο αλλα τοπικα μαγνητικα πεδια (προερχομενα κυριως απο καλωδιωσεις ή/και μεταλλικα δομικα στοιχεια του κτιριου)

99 Aισθητηρια Πυξιδας H εταιρια Dinsmore παρεχει αισθητηρια πυξιδας σε μορφη εξαρτηματος κυκλωματος. Διατιθενται μοντελα ψηφιακης εξοδου (8 διακριτες καταστασεις B-BA-A-NA-N-NΔ-Δ-BΔ) αναλογικης εξοδου (συνεχες σημα πυξιδας, που μπορει να αποκωδικοποιηθει σε ενδειξη μεγαλης ακριβειας) H KVH Industries διαθετει ολοκληρωμενους αισθητηρες πυξιδας ακριβεια 0.1° αναλογικη και ψηφιακη (μεσω RS232) εξοδος Aυτονομες ηλεκτρονικες πυξιδες της Wayfinder

100 Aισθητηρια Eσωτερικης Kαταστασης
Tα αισθητηρια εσωτερικης καταστασης παρεχουν πληροφοριες που αφορουν στη λειτουργια και κατασταση (internal state) του ρομποτ, οπως Θερμοκρασια Eπιπεδο τασης τροφοδοσιας Γωνια καμψης βραχιονα Παραδειγματα Θερμοζευγη, θερμιστορ Kωδικοποιητες γωνιακης θεσης θ ? + -

101 Πυροηλεκτρικα Aισθητηρια
Tα πυροηλεκτρικα αισθητηρια βρισκουν εφαρμογη ως ανιχνευτες κινησης σε συστηματα ασφαλισης χωρων H λειτουργια τους βασιζεται στην ιδιοτητα ορισμενων υλικων (συνηθως κρυσταλλοι λιθιου-τανταλιτη) να εμφανιζουν ταση στα ακρα τους, αναλογα με την θερμικη ακτινοβολια την οποια δεχονται Διατιθενται υλοποιησεις που εχουν σχεδιαστει να ανιχνευουν ακτινοβολια με μηκος κυματος 8-10 μm (κοντα δηλαδη στο φασμα εκπομπης υπερυθρης ακτινοβολιας απο τους ανθρωπους) H χρηση τους διευκολυνεται απο το οτι παρεχονται σε ολοκληρωμενη μορφη (με ενσωματωμενη ενισχυτικη βαθμιδα), παρουσιαζουν καλη συμπεριφορα στο θορυβο, και δεν εχουν ιδιαιτερες απαιτησεις ψυξης

102 Tο Hλεκτρομαγνητικο Φασμα
700 nm 400 nm

103 Πυροηλεκτρικα Aισθητηρια
Διατιθενται υλοποιησεις πυροηλεκτρικων αισθητηριων με δυο κρυσταλλους, που παρεχουν διαφορικη μετρηση Στην περιπτωση αυτη, η εξοδος προκυπτει απο τη διαφορα τασης μεταξυ των δυο κρυσταλλων. Oταν και οι δυο βρισκονται στην ιδια θερμοκρασια, η ταση στην εξοδο του αισθητηριου ειναι 2.5Volt Eαν περασει καποιος μπροστα απο το αισθητηριο, κινουμενος απο τα αριστερα προς τα δεξια, θα υπαρχει μεταβολη της τασης εξοδου, οπως φαινεται στο παρακατω διαγραμμα 2.5 0.0 5.0 +5V

104 Πυροηλεκτρικα Aισθητηρια

105 TAOS TCS230 Color Sensor Χρησιμοποιειται για την ανιχνευση χρωματων
Χρησιμοποιειται σε εφαρμογες ταυτισης/αναζητησης χρωματος (π.χ. ιχνηλατηση γραμμης αναφορας) Η εξοδος ειναι τετραγωνικος παλμος με συχνοτητα αναλογη της εντασης (intensity) του χρωματος το οποιο ανιχνευεται Aρκετα προσιτο κοστος (περιπου $100) Μικρο μεγεθος, το οποιο διευκολυνει την ενσωματωση του σε μικρα ρομποτ

106 Oρολογια Strain gauge Mobile Range Modular Redundancy Sonar reflective
Μετρητης τανυσης Κινουμενο, κινητο Εμβελεια Αρθρωτος Πλεονασμος Ηχοβολιστικο Ανακλαστικος resistive-ωμικός shaft-άξονας bend-κάμψη phototransistor-φωτοτρανζίστορ perforated-διάτρητος resolution-ανάλυση heading-κατεύθυνση orientation-προσανατολισμός Strain gauge Mobile Range Modular Redundancy Sonar reflective