Robótica Inteligente

1. Robótica Inteligente Tema 3: Sensores y Actuadores L. Enrique Sucar Marco López ITESM Cuernavaca

2. Sensores • Introducción • Tipos –cantidad física: • Luz • Fuerza • Sonido • Posición y orientación • Tipos –función: • Proximidad y rango • Tactil • Estado interno

3. 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

5. Consideraciones generales • Campo de vista • Rango de operación • Exactitud y resolución • Velocidad (operación en tiempo real) • Requerimientos computacionales • Potencia, peso y tamaño • Robustez (redundancia)

6. 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 sensor x – cantidad medida S – sensitividad

7. Rango

8. Sensores de Luz • Perciben la luz, ya sea en el rango visible o en el infrarrojo • Tipos: • Fotoceldas • Fotoresistencias • Fototransisitores • Fotodiodos • Laser • Cámasras

9. Fotoresistencias

10. Fototransistores

11. 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

12. Cámaras • Tipos de luz: • Visible • Infrarroja • Cámaras: • Manocromáticas / color • Analógicas / digitales • Pasivos / activos (puntos, línea láser)

13. Sensores de fuerza • Micro-interruptores • “bigotes” • Acelerómetros • Sensores de curvatura

16. 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

18. Sensores de posición y orientación • Odometría • Encoders • Incrementales / absolutos • Navegación inercial • Giroscopios • Inclinación • Acelerómetros • Brújula

22. Sensores de proximidad Permiten inferir la distancia a objetos en el ambiente: • Cercanos: • Infrarojos • Lejanos • Sonares • Laser

23. 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

24. Infrarojos

25. Infrarojos

26. Infrarojos

27. Infrarojos

28. 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

33. 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

34. 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

35. Telémetro laser

36. 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

37. Apuntador laser con cámara

38. 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

39. 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

40. 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

47. Referencias • [Jones, Flynn] – Cap 5 • [Dudek y Jenkin] – Cap 2 • H.R. Everett, “Sensors for mobile robots”, A K Peters, 1995.

48. 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)