sensores de robots
TRANSCRIPT
Hardware y sensores de robots
El ROMEO-4R: Universidad de Sevilla
Simulación 3D e interfaz Matlab
Virtual Reality Toolbox
Simulación 3D
Robotic Studio: Visual Simulation Environment
Sojourner
Justificación de Sistemas CAD
Retos de experimentos en robots:• Hardware puede ser caro• Dificultades en reparación y puesta a punto• A menudo existe un único prototipo: limita uso y experimentos
Ventajas de la simulación:• Acceso más general• Costo reducido • Puede evaluarse si un diseño de robot es el más adecuado• Ausencia de datos ruidosos
Sistema de dirección
Universidad de Sevilla: ROMEO 3R
Sistemas de dirección
Robot Universidad Central Florida (UCF) Robot Austin
Detalle Robot Austin
• Motor sin escobillas: Quicksilver 34HC-1 I-Grade• Alimentación: 12-48V DC• Encoder integrado de 16000 pulsos/rev• Factor de reducción: 10:1
Sistema de frenos
Robot Austin:•Actuador linear BUG (Ultramotion)
Robot Caltech:• 4 pistones 0-15 posiciones
Sistemas integrados
Espíritu de Berlin:• Aceleración y freno
Espíritu de Berlin:• Control de dirección
Drive-by-wire: Las acciones del conductor se convierten a señales electrónicas que se transmiten para el control de los servos EMC_AEVIT
E-Stop
Robot StanfordRobot Universidad de Utah
Interruptores
Computador central (vibraciones)
Robot Universidad de Cornell (2005)
Fuente de alimentación
Robot Austin:•12V del alternador del vehículo•24V 150A de alternador adicional•Por espacio: Batería en compartimiento del vehículo
Fuente de alimentación (II)
Robot: Victor Tango(Escape Hybrid)• Utiliza voltage de la batería híbrida
MIT: Generador
Berlin: Inversor 12V-1600W (230V)+ 2 baterías en maletero
Partes del Sojourner
Computador central
Baterías
Sensores
Cámara
Diseñadores del Sojourner
Conectores y baterías
Alimentación del hardware: Baterías, 24V Alimentación de motores: Baterías, 36V
Conectores
1.- Rápida reparación del sistema
2.- Reducen fallos
3.- Facilitan la implementación del sistema detector de fallos
4.- Reducen cantidad de cables exteriores
5.- Aumenta la fiabilidad del sistema
Otras consideracionesSoftware diagnóstico
1.- Diagnóstico por Software2.- Diagnóstico por Hardware3.- Preferiblemente almacenado en ROM
Otras consideraciones
Uso de cables apantallados para la protección de señales débiles frente a la interferenciaPares trenzados para anular las interferencias electromagnéticasMantener alejadas las zonas por la que circula señales débiles de las fuentes de alimentaciónAmplificar las señales débiles cerca de las fuentes de señal (reduce ruído)
Ejemplo de módulos
Sensores
• Adquieren información del entorno
• Sensor: Dispositivo eléctrico, mecánico o químico que convierte un atributo del entorno a una magnitud cuantitativa
• Se basan en el principio de conversión de un tipo de energía en otra
Órganos sensoriales humanos
• Visión: ojos (óptica, luz)– CCD
• Audición: oídos (sonido,acústica)– Micrófono
• Táctil: piel (mecánica, calor)– Presión, fuerza, temperatura
• Olor: nariz (química fase vapor)– Nariz electrónica
• Sabor: lengua (química fase líquida)
Clasificación de sensores
• Sensores internos: Miden variables internas del robot– Nivel de la batería– Ángulo de las articulaciones– Velocidades de los servos, etc.
• Sensores externos: Carácterísticas del entorno– Presencia de obstáculos (sónares, infrarrojos..)– Imagen del entorno– Mapa para la navegación (láser)
Sensores del PUMA 560
V
Puente deWheastone
Variables:•Posición•Velocidad
Sensores en algunos robots
controlador
cámara para tele operación emisora
rueda de dirección
panel de mandos
sónares
estructura de soporte
baterías
cámara de control con con posicionadorposicionador
controlador
cámara para tele operación emisora
rueda de dirección
panel de mandos
sónares
estructura de soporte
baterías
cámara de control con con posicionadorposicionador
• Comunicaciones: Control remoto
• Resistivos: Posición, deformación, peso
Sensores en algunos robots (II)
Sensores
Elastómetro: Incremento de la densidad
Fuerza aplicada
• Sensores táctiles:
Sensores en algunos robots (III)
CapacidadCarga
Fuerza
Elastómetro
Dieléctrico
Placas
Elastómetro
Elastómetrotransparente
Fibra transmisora
Fibra receptora
Ópticos
Capacitivos
Cargasde
esfuerzo
• Sensores ultrasónicos: Medición de distancias a través del tiempo que transcurre entre la transmisión y recepción de una onda ultrasónica (onda de presión, entre 40-500Khz)
• Micrófonos de alta frecuencia
Sensores en algunos robots (IV)
Distancia (cm)
Ángulo de percepción
Espectro electromagnético
Ondas de radio (parte del espectro)
Longitud de onda: Distancia entre dos picosFrecuencia: Número de ondas por segundo
AM: 750KHz, 400mFM: 100MHz, 3m
Onda larga:
Barcos
Onda media:
AM,radiodifusión
Onda corta:
Policía,aviones
VHF:FM,
modelosradiocontrol
UHF:Televisión
Microondas:Celulares,TV satélite,
cocina
460MHz
Comunicaciones (Radio-Modem)
Cámaras infrarrojas
AnimalesRescate Bomberos Incendios
forestales
• Basados en intensidad
• Modulados (proximidad)
• Barrido (distancia)
Sensores en algunos robots (V): Infrarrojos
• Sensores inerciales: Segunda derivada de la posición– Acelerómetros– Giróscopos
• Sensores de orientación:– Compás– Inclinómetro
• Sensores láser, Visión, GPS...
Sensores en algunos robots (VI)
Comunicaciones: Conducción espacial remota
Radio-Modem (Sojourner)
Radio Modem
Enlace con la tierra
Enlace con la tierradurante el viaje
Enlace con el rover
Características del radio-modem
Características: Modulación- demodulación FM (analógico-digital)Frecuencia central: 459.7 MHzAncho de banda: 25KHzInterfase con computador: RS232 – TTLTensión alimentación: 9VTasa máxima de transferencia: 9600 (2600 efectivo)Radio modem en Estación base es idéntica, pero a 24V
Teleoperación:Radio-Modem
Interior Exterior
2.4GHz 180m 5Km
900MHz
450m 11Km
Sensores resistivos: Desplazamientos lineales y giros
10-15K
• Baja resistencia cuando hay gran
iluminación
• Interfaz: Puente de Wheastone
Sensores resistivos: Fotocélulas
RR
RVV ssal
24
)(
Sensores tactiles: Resistivos
Área activaExtremidad
Miden la fuerza aplicada
Sensores tactiles
Examinar mamas de forma remota
Romper huevos
Arreglo de sensores tactiles
Atención multiplexada a cada sensor:Semejante a la atención a un teclado
Sónares en Robots
Sónares
Mide distancia calculando el tiempo de rebote de la ondaUtilizados en cámaras para autofoco al objeto más próximoFrecuencia de 50kHz, no le afecta el ruido ambienteGenera corriente (4-20mA): 4mA distancias más cortasDistancias aproximadas (Siemens):
Corto alcance: 400-3000 milímetros (3RG6125-3BF00 )Largo alcance: 600-6000 milímetros (3RG6124-3BF00 )
Se combinan de corto y largo alcance
Sónar SRF-04
•Se le genera un pulso de disparo•El sensor genera 8 períodos con frecuencia de 40 KHz•Se devuelve el Eco, su ancho es proporcional a la distancia del obstáculo (distancias de hasta 10m)
Fusión sensorial de sónares
Creación de mapas usando sensores ultrasónicos
chair
Robot
chair
Doorway
Scan moving from left to right
Leng
th o
f Ech
o
Silla Long
itud
del e
co
Puerta
Silla
Barrido sónar de izquierda a derecha
Sónares en aplicaciones marinas
Medición de un escáner ultrasónico
Frecuencia Amplitud Precisión
Valores típicos:200 metros o más: 150KHz
50-200 metros: 300KHz20-75 metros: 600KHz
La frecuencia de operación determina la precisión y la
amplitud de la zona de barrido
Sensores infrarrojos basados en intensidad
Aplicaciones del conmutador optoelectrónico
Sensores infrarrojos reflexivos
LED transmisor Fotodiodo o fototransistor
•Luz emitida es infrarroja (no visible)•Aplicaciones : Detección de obstáculos, Seguimiento de líneas, Seguimiento de paredes•Desventajas: Sensibles a luz ambiente y reflectividad de objetos
• Modulación y Demodulación– Fuente intermitente de luz a determinada frecuencia– Un demodulador sintonizado a la frecuencia de
intermitencia (32kHz~45kHz)– Menos susceptible a la luz ambiente y reflexibidad de
los objetos – Usados en la mayoría de sensores de proximidad
Sensores infrarrojos modulados
Sensores infrarrojos (distancia)
Sensor infrarrojo Sharp GP2D02 • Alcance: 10cm ~ 80cm • Immune a la luz ambiente• Resistente a cambios de colores y reflectividad
Sensores para odometría
A
B A adelanta a B
LED
Fotodiodo
Circuíto decodi- ficador
Encoder incrementales
Encoder incrementales
• Características:– A adelanta a B en sentido horario– Z indicador absoluto de una revolución– Pulsos por revolución: Número de pulsos que
genera un canal para girar 360 grados– Resolución real: 360/(4PPR), dos canales
Encoder absoluto
Codificadores absolutos:
Posición determinada por lectura del código, que es única
No pierden la posición cuando se corta la alimentación
Problemática captación de un código a otro en código binario: 0111-1000
Código Gray: Sólo un bit cambia de estado de uno a otro código
Tacómetros
• El PUMA 560 no tiene tacómetros, la velocidad se calcula como incrementos de posición
• Tacómetro: Mide la velocidad rotacional del motor, a través de convertidor frecuencia a voltaje
Velocidad y posición
Tiempo (segundos)
Dis
tanc
ia r
ecor
rida
(met
ros)
Ejemplo de tacómetro y configuración básica
Aceleración
• Concepto: Variación de velocidad con respecto al tiempo
• Unidades: (m/s)/s=m/s2
• “g”: Unidad de aceleración, corresponde a la gravedad de la tierra al nivel del mar
• 1g=9.81m/s2
Aceleración y velocidad
Tiempo (segundos)
Vel
ocid
ad (
met
ros/
segu
ndo)
Acelerómetros angulares
Cada eje (x, y, z) tieneun acelerómetro
LateralFrontal
Superior
Principio de funcionamiento: Se basan en la capacidad diferencial, la aceleración provoca el desplazamiento de una estructura de silicio, cambiandola capacidad, los cambios de capacidad se convierten en cambios de voltaje, proporcionales a la aceleración
Acelerómetro de tres ejes
Analog Devices: ADXL312
Giróscopos
Eje rotor, que mantienesu orientación debido alal momento angular
que genera la masa dela rueda giratoria
Potenciómetros
Miden la velocidad angular (rad/s)
Aplicaciones de acelerómetros y giróscopos
• Mantener balanceado un robot, prótesis
GPS
• Longitud, latitud y altitud (precision de 4-20 metros)• GPS diferencial: 1-3 metros (referencia adicional en tierra)• Son los únicos que brindan la posición absoluta• Posición de GPS en Google Maps (programa)
GPS (Robotics Studio)Dirección Web: Definido por Service uri
Valores adquiridos en Virtual Earth Servicio en MRS
Sensores de orientación: Compás
Existe un campo magnético
terrestre de 0.6 Gauss al aire libre,
del polo sur al norte magnético
El vector de orientación al polo norte es totalmente
horizontal sólo en el ecuador
Esencia de la orientaciónpor compás magnético: Se miden
las componentes del vectorque apunta al campo magnético
terrestre (x,y).
Compás magnético de tres ejes
Honeywell: HMR3000
Unidades de medida inercial (IMU) y Sistemas de navegación inercial (INS)• Unen la aceleración (acelerómetros) y los cambios de
velocidad angular (giróscopos) para establecer la posición en el espacio, a partir de la soluciónde un conjunto de ecuaciones diferenciales
• Dan medida de posición relativa
• Errores acumulativos (igual que odometría)
• Pueden unirse a otros sensores (GPS, compases..) para corregir desviaciones en la posicíón estimada
Procesador de unidad de medida inercialMEMSense: nIMU
GPS + IMU
Crossbow NAV420
Estimación de los seis grados de libertad con la IMU
Aceleración en tres ejes
Corrección del sistemade referencia relativo
a la tierra
Medición deorientación
(magnetómetro)
Posición absoluta(GPS)
Unidad de correción/Filtro de Kalman
PosVel
6 grados de libertadpara navegación
IMU
IMU de Analog DevicesADIS16367
Giróscopo y acelerómetro de tres ejes
Applanix POSLV
Sistema de Medición Inercial+ GPS
Applanix POSLV en un vehículo
Devuelve:• Posición y orientación en tres ejes (6 GDL)• Posición basada en GPS• Distancia recorrida por rotación de rueda
Aplicaciones: Navegación en vehículos no tripulados
UUV UAV UGV
• LIDAR: Light Detection and Ranging
• Sensor optoelectrónico
• Principio de funcionamiento basado en rayo láser reflejado por espejo rotatorio (esquema)
• Mide “tiempo de vuelo”: Intervalo de tiempo desde que se emite la luz a que es reflejada
• Utiliza zona del espectro con longitud de onda inferior al radar, por lo que detecta pequeñas partículas
• Usando el tiempo de vuelo y el ángulo del espejo, se determina la localización del objeto
Escaner láser de proximidad (PSL)
Escaner láser de proximidad (PSL)
• Rango 2-500 metros• Resolución : 10 mm• Ángulo de visión : 100 - 180 grados• Resolución angular : 0.25 grados• Tiempo de barrido : 13 - 40 mseg• Devuelve distancia y ángulo de cada punto
Escáner de barrido láser
Escáner PB-9 (fabricado por Hokuyo Electric)
Rango de detección es de 3 metros, en un ángulo de 162 grados con 91 bloques de resolución
Información disponible
Muestra de posibles trayectorias
Escaner láser de proximidad (PSL)
Interpretación de las celdas: Mapa de celdas ocupadas
Alta probabilidad de obstáculos: celdas agrupadas
P(x,y): Celda ocupada P(x,y): Celda no ocupada
I = imread('celdas_laser.jpg');
imshow(I)
background = imopen(I,strel('disk',15));
I2 = imsubtract(I,background);
level = graythresh(I2);
bw = im2bw(I2,level);
imshow(bw)
Escaner láser de proximidad (PSL)
Interfaz (LM 200)
Telegramas
Respuesta a un Telegrama de
solicitud de envío de datos
Telegramas (LM 200)
Telegrama para verificar conexión con el LIDAR:Status_Chk = uint8([2 0 1 0 49 21 18]);fwrite(s,Status_Chk);Status_Ack = fread(s,161,'uint8');
Telegrama de solicitud de envío de datos:Send_Data = uint8([2 0 2 0 32 36 52 8]);fwrite(s,Send_Data);DataSet = fread(s);
Telegrama para detener el envío de datos:Stop_Data = uint8([2 0 2 0 32 37 53 8]);fwrite(s,Stop_Data);StopData_Ack = fread(s,10,'uint8');
Fuente: Olin Robotics
Dibujo de mapas
Programa en Visual Basic 6Fuente:Interfaz del LM 200
Interfaz con MRS
Ejemplo de Andreas Ulbrich:
•Descripción de la aplicación
Entorno en 3D
Robot: Gator Nation
Techo del vehículo (3600):Equipo Berlin
Cámara CCD
CCD (Charge-Coupled Device)
Cámara CCD: Pieza rectangular de silicio, formado por celdas sensibles a la luz, que representará el valor de un pixel. Se liberan electrones cuando inciden fotones (efecto fotoeléctrico).
Aplicaciones Imagen
Aplicaciones Imagen (I)
Cámaras
Identificación y seguimiento
Detección de peatones
Aplicaciones Imagen (II)
Detección de caminos
Reconocimientos de
caracteres
Reconocimientos de
personas
Aplicaciones Imagen (III)
Control de calidad
Spray nasal
Códigos y caracteres
Control de calidad
Aplicaciones Imagen (IV)
Cápsula para análisis
intestinal
Escáner huellas
dactilares
Quemaduras en
pacientes
Aplicaciones Imagen (V)
Referencias para el aterrizaje en Marte del Spirit
Grand Challenge: TormentaSensores para mapas: 1. Escáner Láser SICK LMS 220:
Próximo a la tierra, +/- 90 grados frente al vehículo, 80 metros. Detecta obstáculos
2. Escáner Láser SICK LMS 291-S14 : Techo del vehículo, 10 grados de inclinación al suelo. +/-45 grados, se intersecta en el suelo 10m. Irregularidades
3. Cámara estéreo: Videre Design DCAM, 30 fotos por segundo, 640x480 (gris), rango de visión de 10-80 metros
Tormenta (I)
Cámara Estéreo
Escáneres láser
Medición Inercial(IMU)
GPSDiferencial
Mapa, detección de
obstáculos
Posición
Planificación Controladores
Aceleración
Freno
Curvatura
Grand Challenge: StanleyPosición: Applanix POS LV 420 (Encoder, GPS, IMU)
Localización:SICK LidarLocalización: RIEGL LMS-Q120 Lidar
Radares BOSCH: 5
Grand Challenge: Stanley (I)Percepción: SICK LD-LRS Lidars
Servidores Rackmount: 2 Intel quad-core c/u
Grand Challenge: Stanley (II)
Velodyne HD:
•64 láseres (3600 CV)• 2.50 a -240
• 1.8 e6 puntos/seg• Ancho: 120 m• Precisión < 2 cm• Ethernet 100 MBPS
Percepción: Cámara (Bus IEEE-1394)
Grand Challenge: Carolo
Uso de Radar, Lidar y Laser Scanner
Ibeo Alaska XT (Berlin)
Campo de visión:• 2700 en la horizontal• 3.20 en la vertical (4 rayos láser)
Radar Delphi ACC3 (MIT)
Basada en el efecto Doppler, sólo detecta obstáculos en movimiento: • Campo de visión: 150 en la horizontal• Alcance: 150m
0fvv
vvf
f
r
Control de mobilidad electrónicaComputador para el control de mobilidad
Entradas muestreadas:• Ángulo de curvatura volante• Aceleración/freno• Control manual: E-Stop, luces, etc.• Bus-CAN: Odometría
Salidas:•Panel de Operador:Cambios de marcha, encendido, luces, etc.• Actuador de curvatura del volate• Actuador de Aceleración/freno• Otros controles conductor
Deben existir módulos que admitan interfaz a Ethernet
Sistema de percepción (MIT)
Puntos de paso (DARPA)
Vehículos marinos
Vehículos aéreos