ROBÓTICA SENSORES. Prof a. Dra. GIOVANA TRIPOLONI TANGERINO Tecnologia em Automação Industrial

Transcrição

1 SP CAMPUS PIRACICABA ROBÓTICA Prof a. Dra. GIOVANA TRIPOLONI TANGERINO Tecnologia em Automação Industrial SENSORES

2 Posição Potenciômetro - São geralmente usados a fim de fornecer a posição de articulações e elos. - Baixo custo, baixa segurança (ruído e desgaste)

3 Posição TDVL Transformador Diferencial Variável Linear É um transformador cujo núcleo se move com a distância medida e que gera uma tensão variável analógica como resultado desse deslocamento. Saída linear e proporcional à posição de entrada do núcleo.

4 Posição Resolvedores Semelhantes ao TDVL, mas medem movimento angular. Também é um transformador.

5 Posição Sensores de efeito Hall Efeito Hall: a tensão de saída de um condutor que transporta uma corrente varia quando na presença de um campo magnético. A tensão de saída do sensor varia quando um ímã permanente ou uma bobina que produz um fluxo magnético estão próximos do sensor. Saída analógica. Usado na detecção da posição de rotores de ímã permanente em motores CC sem escovas.

6 Posição e movimento Encoders ópticos Medida de velocidade angular e posição do motor Um feixe de luz direcionado a um fotodetector é periodicamente interrompido por um padrão opaco/transparente codificado em disco rotativo acoplado ao eixo a ser medido Especificações: Resolução: medida em ciclos por revolução (CPR). Encoder típico em robótica móvel: CPR. Industrialmente, pode-se encontrar encoders com CPR. Tipos: Largura de banda: fator crítico, o encoder deve ser rápido o suficiente para contar na velocidade de rotação esperada. incremental absoluto.

7 Encoder incremental Mede a velocidade rotacional e pode inferir posição relativa. Baixo custo Ex.: encoder de quadratura

8 Encoder incremental de quadratura aumenta a resolução do encoder e permite verificar o sentido de rotação verificar descida do pulso A quando B=1 Configurações: Duas fileiras de canais (A e B) defasados de 90º. segundo par emissor-receptor defasado a 90º.

9 Encoder incremental de quadratura

10 Encoder absoluto Mede posição angular e infere velocidade Ao invés de fluxos de bits em série, provê uma palavra (bits em paralelo) com um padrão único para cada posição angular. Utilizado quando a referência da posição é imprescindível. Mais caros

11 Encoder absoluto Saída binária

12 Encoder absoluto Código Gray: Apenas uma variação de bit por vez

13 Encoder absoluto Decimal code Rotation range (deg.) Binary code Gray code

14 Sensor de proximidade indutivo Detecção de metais a curtas distâncias Aço, latão, alumínio, cobre Muito empregado industrialmente na detecção de metais ferrosos e nãoferrosos Ignora outras tipos de objetos Pouca influência da direção dos objetos Alcance a distâncias da ordem de alguns milímetros a poucos centrimetros. Frequências de resposta usual da ordem de 1kHz

15 Sensor de proximidade indutivo Princípio: geram um campo de RF oscilatório (100kHz a 1Mhz) em torno de uma bobina enrolada sobre um núcleo de ferrite. Quando um objeto metálico entra no campo projetado pelo sensor, correntes são induzidas na superfície do objeto. Essas correntes produzem um campo magnético secundário que incide sobre um oscilador A impedância da bobina do oscilador se altera, resultando em uma alteração da frequência de oscilação, que é convertida para um sinal de saída proporcional à distância do alvo. Monitorar a amplitude de saía oscilatória com um detector de limiar cria uma chave de proximidade indutiva com uma saída digital on/off

16 Sensor de proximidade indutivo

17 Sensor de proximidade capacitivo Muito similar ao indutivo, mas pode detectar materiais dielétricos além de metais (papel, vidro, roupas, líquido) Produzem campo eletrostático ao invés de magnético Ótima resolução, curtas distâncias (tipicamente da ordem de 5mm) Como alguns materiais têm constantes dielétricas muito menores do que outras, o sensor pode ser calibrado para ver através de alguns deles (ex. vidro e água) São sensíveis inclusive à sujeira, limitando suas aplicações em alguns casos Aplicações típicas: sensoriamento de nível de materiais (líquidos, pó, etc.), Detecção de produtos Comutação típica da ordem de 10Hz a 100Hz.

18 Sensor de proximidade capacitivo Princípio: quando o objeto está próximo, ocorre alteração nas características do dielétrico, alterando a capacitância. Alterar a capacitância em um oscilador leva a uma alteração na amplitude da oscilação do circuito, que pode ser detectada. Essa alteração é transformada em tensão utilizando circuito elétrico. Dependem da constante dielétrica do objeto quanto maior o dielétrico, mais fácil é detectar o objeto

19 EXERCÍCIO 1) Explique o funcionamento de um encoder incremental. 2) Explique o funcionamento de um encoder absoluto.

20 Localização Bússula digital Permite determinar a orientação absoluta em relação ao campo magnético terrestre

21 Localização IR Beacon (farol infravermelho) Usados aos pares Permitem determinar a orientação de um deles em relação ao outro Cada dispositivo tem 4 emissores e 4 receptores de IV determinando 4 direções (N, S, E, W) Quando um dispositivo muda a sua orientação em relação ao outro,

22 Localização GNSS - Global Navigation Satellite Systems Sistema de Satélites para Navegação Global GPS: EUA (24 satélites) GLONASS: Rússia GALILEO: Europa COMPASS: China GPS inicialmente desenvolvida para uso militar a partir da década de 70

23 Localização GNSS - Global Navigation Satellite Systems Cada satélite transmite continuamente dados que indicam sua localização e o tempo (relógios atômicos de altíssima precisão) Quando um receptor lê a transmissão de dois ou mais satélites, a diferença do tempo (ns) informa ao receptor sua distância relativa a cada satélite. 4 satélites são necessários para identificar a posição O 4º faz a correção do tempo pois o receptor não tem um relógio de precisão Utilizado em ambiente externo

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25 GPS - Global Positioning System Fontes de erro: de 50m a 100 m Disponibilidade seletiva: erro aleatório inserido pelo departamento de defesa dos EUA retirado em 2000 alterado aleatoriamente entre 15 e 100 metros Relógio do satélite Relógio do receptor Órbita dos satélites Refração e reflexão na atmosfera Mudança de densidade da ionosfera (meio de transmissão do sinal) Sistemas de correção: DGPS (Diferential Global Positioning System): erro de 3 a 6 metros usa satélites geoestacionários Correção em tempo real Caro RTK: estação fixa ou móvel com sinal de correção: erro de 5 a 6 cm

26 Disponibilidade seletiva Com: provocava um erro grande, com dispersão de 95% dos pontos dentro de um raio de 45 metros. Sem: essa dispersão caiu para um raio de 6,3 metros com 95% dos pontos.

27 Sensores de Luz Visível e IV Utilidade: detecção de intensidade de luz, sensores de presença, codificadores ópticos, sensores táteis; Funcionamento: 1) Reagem à intensidade da luz projetada sobre eles, alterando sua resistência elétrica. Se a intensidade da luz é zero, a resistência está no máximo. À medida que aumenta a intensidade da luz, a resistência diminui e a corrente aumenta 2) Fototransistor: na presença de certa intensidade de luz, vai ligar; caso contrário, será desligado. Usado em conjunto com fonte de luz LED. Sensores de luz visível: sensíveis à gama de luz visível Sensores de infravermelho (IV): sensíveis à faixa do infravermelho (invisível)

28 Medidas de distância (som e luz) Principais princípios de medição: Triangulação tempo de voo (ou tempo decorrido)

29 Ondas e energia Sons e cores são energia se propagando na forma de ondas Ondas sonoras (mecânicas): só pode se propagar através da matéria: gases (ar), líquidos e sólidos, mas não no vácuo. Velocidade: 344 m/s a 20º, em condições normais de pressão e no nível do mar Ondas eletromagnéticas: não necessita de meio de transmissão para se propagar Velocidade da luz: Km/s (luz do sol leva 7 min para chegar na Terra) V = λf f = 1 T

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32 Tempo de voo Velocidade = distância / tempo d = V t 2 Emissor/ receptor Modo eco d Sensores de som: ultrassom Sensores de luz: requerem eletrônica de velocidade extremamente alta ( km/s) e alta resolução

33 Triangulação tan β = d l 1 Receptor tan α = d l 2 l 1 β L = l 1 + l 2 L l 2 α d = L tan α tan β tan α + tan β Emissor d

34 Sensor Sonar Príncípio: tempo de voo da onda sonora. Um transmissor emite sinais acústicos com uma frequência típica de 50kHz (ultra-sons). O ecos são capturados por um circuito receptor Vantagens: Baixo custo Leves e pequenos Baixo consumo energético Mais preciso que o sensor IV Desvantagens: Atenuação do sinal Reflexão especular do sinal Cross talk Limites mínimos e máximo na medição Efeito das condições atmosféricas Baixa velocidade do som

35 Ex.:Ultrasonic Ranging Module HC-SR04 Amazon: U$5,25 Ali xpress: U$10,90

36 Radares Ondas de rádio ( km/s) Radio Detection and Rangig Usados para localização de objetos a longa distância. Sensores radar usam Ondas Contínuas de Freqüência Modulada (FMCW) para detectar com confiabilidade alvos fixos ou móveis, tais como carros, trens, caminhões e carga em condições atmosféricas extremas. O radar é constituído de uma antena transmissora e receptora de sinais de alta frequência, a transmissão ocorre através de pulsos eletromagnéticos de alta potência, curto período e feixe curto. Esse feixe ao ser propagado se alarga, ganhando a forma de um cone até atingir o alvo que está sendo monitorado. Após atingir o alvo, o sinal é então refletido e a antena passa a ser receptora de sinais. Com a velocidade de propagação do pulso e o tempo gasto para o eco chegar, é possível calcular com exata precisão a localização do objeto. Uso militar no exército, aeronáutica, marinha; em metereologia, na ciência localizando objetos espaciais em órbita terrestre, como satélites

37 Sensor Laser Monocromático Vantagens Velocidade superior Grande precisão (10mm) Resolução angular superior Desvantagens Consumo de energia elevado Custo elevado (U$100 a U$400)

38 Sensor Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) Aplicação de luz pelo efeito da emissão estimulada da radiação A energia do laser não existe na natureza e é produzida a partir de algum tipo de fonte de energia, que estimula um grande número de elétrons em repouso, os quais são capazes de produzir fótons de luz e este processo desencadeia uma ação repetida de emissão de energia gerando uma luz intensa Características: Raios colimados: todos os raios na mesma direção (alvo preciso) Luz monocromática: corresponde a um comprimento de onda do espectro eletromagnético Raios coerentes: todos os raios da luz do laser caminham paralelos no tempo e no espaço

39 Sensor Laser A seleção do tipo de sensor é determinada pela superfície do objeto a ser examinado. Superfícies lisa/reflexivas: reflexão especular Superfícies difusão: reflexão difusa Para superfícies com rugosidade maior que o comprimento de onda da luz incidente, ocorre reflexão difusa O comprimento de onda da luz infravermelha é da ordem de 824 nm Apenas superfícies extremamente polidas nas apresentam reflexão difusa

40 Sensor Laser Sensores de triangulação: Transmissor, receptor e processador eletrônico Receptor/detector PSD (position-sensing detectors) Detectores de matriz (array) pixalizados

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42 Exemplo

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44 LIDAR Light Detection and Ranging Semelhante ao radar, mas usa luz em vez de ondas de rádio Um feixe de luz (laser ou infravermelho) é disparado em direção ao alvo, e as propriedades da luz refletida são medidas para determinação da distância e/ou outras informações sobre um alvo distante. Para coletar informações em uma base contínua, milhares de pulsos de luz são refletidos por um espelho rotativo. Em um sistema desenvolvido pela Velodyne Lidar Inc., um conjunto com 64 emissores de laser emitem milhares de pulsos por segundo, enquanto a unidade gira entre 5 e 15 Hz. Ele pode coletar dados sobre o ambiente em 360 graus de azimute e 27 graus de elevação, com um alcance de 120 metros

45 Carro autônomo

46 Navegação

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48 Fusão sensorial Objetivo: reduzir os problemas de informação Imprecisa Incompleta Errônea Vantagens: Desvantagens: Robustez Complexibilidade e instabilidade Aumento da precisão Sinais heterogéneos Redução de ambiguidade Sincronização Aumento da confiança Ruiído Poder computacional

49 Fusão sensorial Pode ser feita a partir de Sensores diferentes Posições e tempos diferentes A informação poderá ser: Redundante (obtida a partir da mesma posição) Complementaria (obtida de posições diferentes ou de sensores diferentes) Incerta (os dados têm uma resolução espacial e precisão limitadas) Incompleta (não chega a ser obtida) Tipo de fusão sensorial: Complementária (fusão de dados sensoriais incompletos para criar um modelo mais completo) Competitiva (fusão de dados incertos para diminuir a incerteza) Cooperativa (os dados de um sensor dependem dos dados de outro sensor)

50 Fusão sensorial Métodos matemáticos que têm em conta a incerteza da informação sensorial: Filtro de Kalman Métodos bayesianos Redes neurais

51 LINKS Velodyne Lidar Olhar digital Base dos sensores laser por triangulação

52 BIBLIOGRAFIA NIKU Saeed B. Introdução à Robótica - Análise, Controle, Aplicações. 2a ed. LTC Editora ROSÁRIO, J.M. Princípios de Mecatrônica. São Paulo: Prentice Hall, 2005.