WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI KATEDRA AUTOMATYKI. Sensoryka robotów. Dr inż. Mariusz Dąbkowski

Transkrypt

1 WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI KATEDRA AUTOMATYKI Sensoryka robotów Dr inż. Mariusz Dąbkowski

2 Podział układów sensorycznych używanych w robotyce Obecności i zbliżenia Sonar Radar Czujnik laserowy Sensor podczerwieni Czujnik podczerwieni Prędkości Prądnica tachometryczna Układ obrotowo-impulsowy Zmysłów Dotyku Czujniki stykowe Czujniki siły Sztuczna skóra

3 Podział układów sensorycznych używanych w robotyce Wzroku Optyczne Systemy rozpoznawania obrazów Położenia i przemieszczenia Potencjometr Selsyn przelicznikowy (rezolwer) Induktosyn Przetwornik obrotowo-impulsowy (enkoder) Liniał kreskowy Tarcza kodowa Liniał kodowy

4 Zależność prędkości fali akustycznej od temperatury ( T ) c = 13, T 273

5 Zależność długości fali akustycznej od jej częstotliwości λ = c f

6 α α Tłumienie fali akustycznej w zależności od częstotliwości i wilgotności ( f ) = 0,01 f dla f < 50kHz ( f ) = 0,022 f 0,6 dla f 50, 300 khz

7 Tłumienie fali akustycznej w zależności od częstotliwości i wilgotności

8 Trójwymiarowa powierzchnia wiązki ultradźwięków D λ K. W.

9 Dwuwymiarowy przekrój przez wiązkę ultradźwięków D λ K. W.

10 Pomiar odległości od ściany EL f (R) = SPL(R 0 ) 20log(R/R 0 ) α f R [db/1μp] gdzie: EL f (R) poziom echa dla częstotliwości f R odległość od przeszkody SPL(R 0 ) (Sound Pressure Level) poziom ciśnienia dźwięku czujnika dla odległości referencyjnej R 0 SPL(R 0 ) = 20log(p) p [μp] α f współczynnik tłumienia dźwięku w ośrodku dla częstotliwości f

11 Pomiar odległości od przedmiotów okrągłych EL f (R) = SPL(R 0 ) 40log(R/R 0 ) 2α f R + TS gdzie: TS (Target Strength) poziom odbicia od celu

12 Błąd pomiaru wprowadzany przez zmiany temperatury Błąd bezwzględny err Rin (R) = R [1/ 0 C] err Rft (R) = R [1/ 0 C] Błąd względny err Rin (ΔR) = ΔR [1/ 0 C] err Rft (Δ R) = ΔR [1/ 0 C]

13 Zasięg sensorów w zależności od obiektu i częstotliwości fali

14 Budowa czujnika

15 Budowa układu pomiarowego

16 Przykład czujnika przemysłowego UM A-HP firmy SELS Strefa działania Strefa martwa Częstotliwość fali ultradźwiękowej Rozdzielczość Powtarzalność Wpływ temperatury Czas opóźnienia sygnału analogowego mm mm ok. 120 khz 1 mm ±3 mm 0,17 %/K 130 ms

17 Radio Detection And Ranging Wykorzystuje fale radiowe λ [mm], f [GHz] Równanie zasięgu radaru (źródło fal w tym samym miejscu co odbiornik) P 0 = P G n n A σ ( 4π ) R L gdzie: P n moc nadajnika G n zysk anteny nadawczej A o skuteczna apertura (powierzchnia) anteny odbiorczej σ skuteczna powierzchnia odbicia R odległość pomiędzy radarem a celem L współczynnik tłumienia na trasie sygnału radar-cel

18 Wykorzystują fale odługości λ [nm] Czujnik impulsowy W dalmierzach impulsowych mierzony jest czas od momentu wyjścia konkretnego impulsu do jego powrotu. 1 D = v τ 2 Dokładność: τ = 2D = = 0, v () 6 [] s

19 Czujnik fazowy W dalmierzach fazowych mierzone jest przesunięcie fazowe pomiędzy falami: wyjściową i odbitą D = λ Δϕ w 2 2π y gdzie: 2D Δϕ w y = ω v

20 Wykorzystują fale o długości λ 780 [nm] 3 [mm] Czujniki aktywne Prąd zasilania Sensor zbliżenia i Ścieżka światła Przedmiot Napięcie wyczuwalne 1 [m] Czujniki pasywne Wielopolowy element fotooptyczny reagujący na promieniowanie podczerwone Wykrywanie ludzi systemy alarmowe

21 1 źródło światła 2 układ optyczny 3 fotodioda 4 układ optyczny odbiorczy 5 strefa rozpoznawania obiektów

22 Prądnica tachometryczna Najbardziej rozpowszechnione prądnice prądu stałego m V U = K Zalety Brak błędów fazowych PT n Wysoka liniowość i stromość charakterystyk wyjściowych Brak napięcia wzbudzenia w prądnicach z magnesami trwałymi Niewystępowanie SEM przy nieruchomym tworniku Wady Obecność styków ślizgowych Zmniejszenie niezawodności Pulsacje napięcia wyjściowego (szczególnie przy małych prędkościach) Iskrzenie, zakłócenia radioelektryczne Błąd do kilku procent, K PT = obr min

23 Przetwornik obrotowo-impulsowy = s rad t C N POM e 1 2π ω + = + = s m t e t t D e t t t v e D v e Di i Di i Di i i Vi Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ Δ 2 1 Błąd metody + = + = s rad t e t t e t t t e e i i i i i i i i α α α ω Δ Δ Δα Δ Δ Δω Δ Δα Δω Δ 2 1 [ ] [ ] s t rad e dla s rad e i i 05 0,, 180, = = = π Δ Δ α ω [ ] [ ] s t m e dla s m e Di Vi 05 0,, 0,00144, = = = Δ Δ np.: np.:

24 Czujniki stykowe Łączniki stykowe (drogowe) element generujący sygnał elektryczny (hydrauliczny, mechaniczny) w wyniku przesunięcia względem niego kołka, zderzaka lub magnesu trwałego Czujniki sił i naprężeń Tensometry rezystancyjne zmiana rezystancji przetwornika metalowego pod wpływem sił naprężeń Przetworniki zmieniające siłę na przesunięcie mechaniczne mieszki sprężyste

25 Przetworniki magnetoelektryczne zmiana kierunku wektorów magnetyzacji pod wpływem naprężeń oddziałujących na ferromagnetyk w formie walca zmiana sprzężenia magnetycznego między uzwojeniami wtórnym a pierwotnym

26 Sztuczna skóra

27 Sztuczna skóra

28 Sztuczna skóra

29 Optyczne Wykorzystuje się układ soczewek skupiających do dokonywania przy jego użyciu transformaty Fouriera Cyfrowe Komputerowe przetwarzanie obrazu przy użyciu metod matematycznych: statystyki, teorii podejmowania decyzji, teorii informacji Bioniczne Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych

30 Schemat blokowy układu wizyjnego robotów Kamera A/C Lokalizacja obiektu Poszukiwanie gradient Blok wstępnego przetwarzania Aproksymacja konturu Blok wydzielania i analizy Obliczanie parametrów Transformacja linii Model obiektu Identyfikacja obiektu Blok identyfikacji obiektu Do układu sterowania robota

31 Blok wstępnego przetwarzania obrazu Przetworzenie analogowego zapisu obrazu na cyfrowy Lokalizacja obiektu w obrazie f(1,1) f(m,n) S 1 S 2 S 4 S 3 Wydzielenie zmian jaskrawości w obrazie oknie Aproksymacja konturów obiektu

32 Blok wydzielania i analizy cech obiektu Określenie wyróżników zapewniających jednoznaczne rozpoznanie obiektu spośród skończonego zbioru wzorców Pod uwagę bierze się: Powierzchnię rzutu obiektu S Obwód rzutu obiektu L Współczynniki kompaktowości wyrażone wzorami w 1 = L S 2, w 2 2 L = 4πS 2, w 3 4πS = 2 L Moment bezwładności powierzchni obrazu względem środka ciężkości tej powierzchni Odległości między charakterystycznymi punktami obrazu Występowanie lub brak odcinków prostych albo okręgów w obwiedniach obrazu 2

33 Blok identyfikacji i klasyfikacji Porównanie wyróżników obiektu badanego z wyróżnikami obiektu wzorcowego Współczynnik poprawnej identyfikacji M ( q) = 1 dla Pq Pqm < d 0 w przeciwnym ( q) przypadku gdzie: P q q ty parametr analizowanego obiektu P qm q ty parametr obiektu wzorcowego d (q) maksymalna różnica pomiędzy q tymi parametrami obiektów: badanego i wzorcowego

34 U = U 0 ϕ 360 O

35 1 stojan 2 wirnik U W = KU sin t 0 ( ω ϕ )

36 1 liniał z uzwojeniem wtórnym 2 suwak z uzwojeniami pierwotnymi 3 warstwa izolacyjna 4 folia miedziana 5 zespół przesuwny

37 a) uzwojenia stojana b) uzwojenia wirnika

38 1,2 pola widzenia fotoelementów 3,8 fotoelementy 4 przysłona z dwoma parami prążków 5 oświetlacz 6 obrotowa tarcza kreskowa 7 przebiegi wyjściowych sygnałów elektrycznych

39 Błąd metody Układ odometrii 2πN ΔD = r = cm N[ m] Ce gdzie: N liczba impulsów pochodzących z licznika, C e liczba impulsów licznika dla jednego pełnego obrotu koła (co odpowiada liczbie otworów na tarczy), r promień koła, c m współczynnik konwersji impulsów enkodera na liniowe przesunięcie. Δ e = π α i 180 Δ = Δβ [ rad] Δβ Δβ i i i 2i 1i Di O eβi ΔeD1i + ΔeD2i + Δel1 = ΔeD1i + ΔeD2i + Δel1 = 0,0088 rad = 0, ΔD1i ΔD2i Δl1 2l1 2l1 2l1 l1 2Πr ΔeD1 i, D2i = Δeαir = = 0, Δ ΔD Δe + ΔD Δe [ m] 1 = Δe i i edi = D1i D2i D1i D2i D1i D2i ΔD1 i ΔD2i Δe 1 = Δe = Δe ΔD ΔD Δe

40 Przetwornik z podwójną liczbą fotoelementów (Heidenhain) 1 żarówka 6 wałek napędowy 2 układ optyczny 7 fotoelement 3 przysłona 8 układ 4 prążki pojedynczych impulsów (1 na obrót) elektroniczny 5 tarcza kreskowa

41 1 żarówka 2 układ optyczny 3 przysłona 4 prążki pojedynczych impulsów (bazowych) 5 liniał kreskowy 6 fotoelement 7 układ elektroniczny

42 1 fotoelement 2 żarówka 3 kondensor

43

44