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

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Robótica Inteligente. Tema 3: Sensores L. Enrique Sucar Alberto Reyes ITESM Cuernavaca. Sensores. Introducción Tipos –cantidad física: Luz Fuerza Sonido Posición y orientación Tipos –función: Proximidad y rango Tactil Estado interno. Introducción. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Robótica Inteligente

Robótica Inteligente

Tema 3: Sensores

L. Enrique Sucar

Alberto Reyes

ITESM Cuernavaca

Page 2: Robótica Inteligente

Sensores

• Introducción• Tipos –cantidad física:

– Luz– Fuerza– Sonido– Posición y orientación

• Tipos –función:– Proximidad y rango– Tactil– Estado interno

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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

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Consideraciones generales

• Campo de vista

• Rango de operación

• Exactitud y resolución

• Velocidad (operación en tiempo real)

• Requerimientos computacionales

• Potencia, peso y tamaño

• Robustez (redundancia)

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Consideraciones generales

• Los sensores reales son ruidosos

• Los sensores regresan una descripción incompleta del ambiente

• No hay un modelo completo de los sensores

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Sensitividad

• Grado de cambio de la señal de salida del sensor en función del cambio de la señal física medida:

r / r = S [x / x]

r – señal del sensorx – cantidad medidaS – sensitividad

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Rango

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Tipos – cantidad física:

LuzFuerzaSonido

Posición y orientación

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Sensores de Luz

• Perciben la luz, ya sea en el rango visible o en el infrarrojo

• Tipos:– Fotoceldas

– Fotoresistencias

– Fototransisitores

– Fotodiodos

– Laser

– Cámasras

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Fotoresistencias

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Fototransistores

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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

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Cámaras

• Tipos de luz:– Visible– Infrarroja

• Cámaras:– Manocromáticas / color– Analógicas / digitales– Pasivos / activos (puntos, línea láser)

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Sensores de fuerza

• Micro-interruptores

• “bigotes”

• Acelerómetros

• Sensores de curvatura

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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

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Sensores de posición y orientación

• Odometría– Encoders– Incrementales / absolutos

• Navegación inercial– Giroscopios – Inclinación– Acelerómetros

• Brújula

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Tipos – función:

Proximidad y rangoTáctil

Estado interno

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Sensores de proximidad

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

– Infrarrojos

• Lejanos– Sonares– Láser

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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

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Infrarojos

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Infrarojos

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Infrarojos

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Infrarojos

Page 31: Robótica Inteligente

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

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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

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Arreglos de Sonares

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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

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Telémetro laser

Page 40: Robótica Inteligente

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

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Apuntador laser con cámara

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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

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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

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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

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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)

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Modelo del Sensor

r

e

ruido

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Referencias

• [Jones, Flynn] – Cap 5

• [Dudek y Jenkin] – Cap 2

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

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Actividades

• Hacer prácticas de sensores en el laboratorio virtual

• Seleccionar categoría:– Rescate (lego)– Pirámide (abierta)– Laberinto (abierta)

• Seleccionar plataforma:– Lego– Híbrida (Lego + PDA)