Robótica Inteligente

Tema 3: Sensores y Actuadores

L. Enrique Sucar

Marco López

ITESM Cuernavaca

Sensores

• Introducción• Tipos –cantidad física:

– 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)

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 sensorx – cantidad medidaS – sensitividad

Rango

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 laser en una secuencia de impulsos cortos

• Se mide el tiempo en que tarda en regresar la luz reflejada por el objeto

• Se calcula la distania al objeto• Ejemplo: láser Sick:

– 360 lecturas cada ½ grado – 180 grados– Cada 1/10 de segundo– Alcance de 50m con resolución de 5cm

Cámaras

• Tipos de luz:– Visible– Infrarroja

• Cámaras:– 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 pelicula 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

Sensores de proximidad

Permiten inferir la distancia a objetos en elambiente:• Cercanos:

– Infrarojos

• Lejanos– Sonares– Laser

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

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

Referencias

• [Jones, Flynn] – Cap 5

• [Dudek y Jenkin] – Cap 2

• H.R. Everett, “Sensors for mobile robots”, A K Peters, 1995.

Actividades

• Analizar para tu proyecto cuáles sensores son los más adecuados y su ubicación – entregar un reporte por equipo

• Termina de armar tu robot con los sensores (Lego o PPRK)