Что такое датчик в робототехнике
Какие бывают датчики для роботов?
Датчики играют в робототехнике одну из важнейших ролей. При помощи различных сенсоров робот ощущает окружающую среду и может ориентироваться в ней. По аналогии с живым организмом — это органы чувств. Даже обычный самодельный робот не может полноценно функционировать без простейших датчиков. В этой статье мы подробно рассмотрим все виды датчиков, которые можно установить на робота, и полезность их применения.
Тактильные сенсоры
Тактильные сенсоры наделяют робота возможностью реагировать на контакты (силы), возникающие между ним и другими объектами в рабочей зоне. Обычно этими датчиками оснащают промышленные манипуляторы, а также роботов с медицинским применением. Машины, оснащенные тактильными сенсорами, эффективно справляются с операциями сборки и контроля, то есть функциями, требующими учитывать тонкости работы.
Разрабатывая современных гуманоидных роботов, производители оснащают их этими сенсорами, чтобы сделать машины ещё более «одушевленными», способными воспринимать информацию об окружающем мире буквально на ощупь.
Оптические датчики
При построении робота просто не обойтись без оптических датчиков. С помощью них аппарат будет «видеть» все вокруг. Эти сенсоры работают с помощью фоторезистора. Датчик отражения (излучатель и приемник) позволяет определять белые или черные участки на поверхности, что позволяет, к примеру, колесному роботу двигаться по нарисованной линии или определить близость препятствия. Источником света часто служит инфракрасный светодиод с линзой, а детектором — фотодиод или фототранзистор.
Отдельного внимания заслуживают видеокамеры. По сути, это глаза робота. Этот тип датчиков на сегодняшний широко используется благодаря росту технологий в сфере обработки изображений. Как понимаете, кроме роботов, применений видеокамерам достаточно: системы авторизации, распознавания образов, обнаружения движения в случае охранной деятельности и т.п.
Звуковые датчики
Эти датчики служат для безопасного передвижения роботов в пространстве за счет измерения расстояния до препятствия от нескольких сантиметров до нескольких метров. К ним относятся микрофон (позволяет фиксировать звук, голос и шум), дальномеры, которые представляют собой датчики, измеряющие расстояние до ближайших объектов и другие ультразвуковые сенсоры. УЗ особенно широко используются практически во всех отраслях робототехники.
Работа ультразвукового датчика основана на принципе эхолокации. Вот как это работает: динамик прибора издает УЗ импульс на определенной частоте и замеряет время до момента его возвращения на микрофон. Звуковые локаторы излучают направленные звуковые волны, которые отражаются от объектов, и часть этого звука снова поступает в датчик. При этом время поступления и интенсивность такого возвратного сигнала несут информацию о расстоянии до ближайших объектов.
Для автономных подводных аппаратов преимущественно используются технологии подводных гидролокаторов, а на земле звуковые локаторы в основном используются для предотвращения столкновений лишь в ближайших окрестностях, поскольку эти датчики характеризуются ограниченным диапазоном.
К числу других устройств, альтернативных по отношению к звуковым локаторам, относятся радары, лазеры и лидары. Вместо звука, в этом типе дальномеров используется отраженный от препятствия лазерный луч. Эти датчики получили более широкое применение в разработке автономных автомобилей, так как позволяют транспортному средству более эффективно справляться с дорожным движением.
Датчики положения
Этот вид датчиков используется в основном в беспилотных транспортных средствах, промышленных роботах, а также устройствах, требующих самобалансировки. К датчикам положения относятся GPS (система глобального позиционирования), ориентиры (исполняют роль маяка), гироскопы (определение угла вращения) и акселерометры. GPS – это спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение робота в пространстве. GPS позволяет беспилотным наземным, воздушным и водным транспортным средствам находить свой маршрут и без труда двигаться от одной точки к другой.
Гироскопы в робототехнике также распространенная вещь. Они отвечают за балансировку и стабилизацию любого устройства. А за счет того, что эта деталь относительно недорогая, её можно установить в любой самодельный робот.
Датчики наклона
Данные сенсоры используются в роботах, где нужно контролировать наклон, для поддержания равновесия и во избежание переворота аппарата на неровной поверхности. Существуют как с аналоговыми, так и с цифровыми интерфейсами.
Инфракрасные датчики
Самый доступный и простой вид датчиков, которые применяются в роботах для определения приближения. Инфракрасный датчик самостоятельно посылает инфракрасные волны и, поймав отраженный сигнал, определяет наличие препятствия перед собой.
В режиме «маяк», данный датчик посылает постоянные сигналы, по которым робот сможет определять примерное направление и удаленность маяка. Это позволяет запрограммировать робота таким образом, чтобы он всегда следовал в сторону этого маяка. Низкая стоимость этого датчика позволяет устанавливать его практически на все самодельные роботы, и таким образом, оснащать их способностью уходить от препятствий.
Датчики температуры
Мы рассмотрели все самые основные сенсоры, которые используются в робототехнике и позволяют роботу быть более ловким, маневренным и производительным.
Типы датчиков для робототехники, описание. Обзор для различных платформ
Роботизированное устройство не сможет функционировать без поступления необходимой информации об окружающем расположении объектов, с которыми оно должно взаимодействовать. Источниками такой информации служат разнообразные датчики, передающие данные на контроллер — «мозг» — робота, который обрабатывает поступающие сигналы и «принимает решение» о дальнейших действиях.
Рассмотрим датчики, применяемые в некоторых известных детских конструкторах для измерения различных физических величин.
Электронные помощники для платформы LEGO Mindstorms Education EV3
В набор одной из самых популярных конструкторских платформ входит 5 сенсоров, поставляющих необходимые данные:
Инструмент, дающий «зрение» системе
Первый по списку сенсор дает возможность различать наличие или отсутствие света, а также, 7 оттенков цветов (белый, черный, синий, красный, зеленый, коричневый, желтый). Постоянный опрос происходит с частотой в 1000Гц.
Устройство действует как два компонента в одном — датчик освещенности (фоторезистор) и трехцветный, излучающий красный, зеленый и синий свет светодиод. Оно полностью совместимо с программным обеспечением EV3.
В функцию сенсора входит измерение частоты различных волн, отражающихся от поверхности исследуемого предмета. Для этих целей объект освещается тремя цветами с последующим измерением частоты отраженного света, благодаря чему формируется понятие о цвете предмета.
Данные датчики могут найти применение в сфере сортировки изделий, переработки и других отраслях промышленности.
Чувствительные датчики
Два следующих компонента платформы LEGO Mindstorms Education — аналоговые датчики, определяющие наличие касания на специальную кнопку, встроенную в прибор, и силу нажатия. В новом исполнении устройства могут подсчитывать количество тактильных срабатываний.
Аналоговые датчики выдают постоянный усиленный токовый сигнал, который преобразуется из измеряемой физической величины. В датчике используются конденсаторы, емкость которых изменяется при соприкосновении с препятствием, что регистрируется электронной схемой, посылающей сигнал в процессор платформы.
У данного вида сенсоров могут использоваться и пьезоэлектрические материалы, выдающие при деформации небольшой электрический ток или изменяющие сопротивление.
Спектр использования сенсоров очень широк: от поиска и обнаружения предметов, до нахождения роботом выхода из различной незнакомой обстановки, в том числе из лабиринта.
Датчик, измеряющий расстояние
Третий датчик, которым оснащена платформа LEGO, является ультразвуковым устройством, измеряющим расстояние до объекта при помощи отраженных ультразвуковых волн. Данное устройство имеет функцию улавливания сигнала датчиков других роботов (режим сонара), что дает платформе возможность «слуха».
Сенсор может измерять расстояние до предмета: от 0,03м до 2,5м с точностью +-1см. Частота опроса сигналом: 1000Гц при дискретности шкалы измерения в 1 мм. Имеется LED подсветка, помогающая определить режим работы датчика.
Принцип действия основан на измерении электронной схемой промежутка времени между отправленным ультразвуковым сигналом и приемным. Несложно вычислить расстояние, если известно время и скорость распространения звука в окружающей среде.
Сфера применения ультразвуковых датчиков многообразна. Их используют в машиностроении, сельском хозяйстве, в любых автоматизированных производствах, где необходимо четкое измерение расстояния до предмета.
Датчики для определения положения в пространстве
Последним чувствительным элементом в линейке датчиков конструктора LEGO Mindstorms Education EV3 является гироскоп. Для того чтобы робот мог правильно передвигаться, не падая, и совершать поступательные и вращательные движения, в конструкторе предусмотрен гироскопический датчик. С его помощью робот может балансировать, например, на 2 колесах.
Прибор измеряет изменение угла вращения на закрепленной конструкции. Сверху нанесены 2 красные стрелки, показывающие рабочую плоскость датчика.
Частота опроса датчика: 1000Гц. Погрешность: +-3° на 90° измеряемого угла поворота. Максимальный определяемый угол в режиме гироскопа: 440°.
Гироскоп состоит из поплавка, вращающегося по вертикальной оси относительно трех систем координат (3 внутренние круглые рамки, независимо вращающиеся друг от друга). При изменении направления движения поплавка относительно рамок датчик передает в контроллер робота данные о пространственном положении конструкции относительно силы тяжести.
Датчик присутствует только в комплекте образовательных конструкторов, но его можно дополнительно купить отдельно.
Датчики, используемые в конструкторах HUNA
Данный производитель имеет разнообразную по возрастной категории линейку конструкторов. Среди них выделяются наборы Class 3 Full Kit и MRT3 (1+2+3+4). Это платформы не ограничены возрастными рамками пользователя (от младших школьников до старшеклассников). Они включают в себя набор сенсоров:
По сравнению с конструктором LEGO Mindstorms Education EV3, отсутствует функция различия цветов, гироскоп и ультразвуковой измеритель расстояния.
Сенсоры платформы VEX IQ
Конструкторы американского производителя VEX Robotics очень популярны в мире и принимают участие в соревнованиях по робототехнике. В состав набора «Супер Кит» входит 7 датчиков:
В данной платформе имеем набор сенсоров, аналогичных LEGO Mindstorms Education EV3 плюс последние два датчика.
Важно: Любая из перечисленных платформ станет хорошим началом для постижения азов робототехники детьми. Наличие большего или меньшего количества вспомогательной электроники повлияет не на процесс качественного обучения школьников, а главным образом — на цену самого изделия.
Об авторе: Шевцова Алиса, инженер-конструктор по робототехнике.
Спасибо за Вашу оценку. Если хотите, чтобы Ваше имя
стало известно автору, войдите на сайт как пользователь
и нажмите Спасибо еще раз. Ваше имя появится на этой стрнице.
Что такое датчик?
Что такое датчики и зачем они нужны
При изучении робототехники возникает вопрос – что такое датчики? Датчики еще часто называю сенсорами.
Датчики — это детекторы, которые имеют возможность измерять некоторые физические качества, такие как давление или свет.
Датчик после этого будет преобразовывать измерение в сигнал, который может быть передан для анализа. Большинство датчиков, используемых сегодня существует для того, чтобы иметь возможность общаться с электронным устройством, которое будет делать измерения и записи.
датчик что это
Наличие датчиков обязательно для всех систем автоматизации. Именно датчики позволяют создать робота, который может реагировать на изменение различных параметров окружающей среды. Получая информацию от датчиков, робот выполняет различные действия согласно заложенной в него программе.
Можно сказать, что наличие датчиков и обратной связи с ними, отличает робота от автоматизированного устройства. Изучая робототехнику можно быстро узнать, что такое датчик и как использовать различные типы датчиков.
Сегодня вы сможете найти датчики в широком диапазоне различных устройств, которые вы используете регулярно. Сенсорный экран, который у вас есть на телефоне.
экран смартфона
Ультразвуковые датчики для открытия дверей в торговых центрах, герконовые датчики для систем сигнализации и множество других. Датчики являются очень распространенной частью повседневной жизни.
Введение в датчики
Мир полон сенсоров. В нашей повседневной жизни мы сталкиваемся с автоматизацией во всех видах деятельности. Автоматизация включает включение света и вентилятора, с использованием мобильных телефонов. Управление телевизором с помощью мобильных приложений.
Регулировки температуры в помещении. Обеспечение пожарной безопасности при помощи детекторов дыма и т.д. Все это делается с помощью датчиков. В наши дни любой встроенный системный продукт имеет встроенные датчики. Есть множество приложений, таких как мобильные управляемые камеры видеонаблюдения.
Приложения мониторинга и прогнозирования погоды и т. д. Датчики играют очень важную роль в профилактике и обнаружении заболеваний в здравоохранении. Поэтому, прежде чем проектировать датчик, использующий приложение, мы должны понять, что такое датчик, что именно делает датчик и сколько типов датчиков доступны.
Что такое датчик?
Датчик определяется как устройство или модуль, который помогает обнаружить любые изменения в физической величине такой как давление, сила или электрическая величина, как ток или любой другой вид энергии. После наблюдать изменениями, датчик посылает обнаруженный входной сигнал к микроконтроллеру или микропроцессору.
микроконтроллер
Наконец, датчик выдает считываемый выходной сигнал, который может быть либо оптическим, либо электрическим, либо любой формой сигнала, соответствующей изменению входного сигнала. В любой измерительной системе большую роль играют датчики.
Фактически, датчики являются первым элементом в структурной схеме измерительной системы, который вступает в непосредственный контакт с переменными для получения действительного выхода. Теперь вы знаете, что такое датчик и что на самом деле означает датчик.
Классификация датчиков
Активный датчик
Что такое активные датчик – это тип датчиков, который производит выходной сигнал с помощью внешнего источника возбуждения.
Собственные физические свойства датчика изменяются в зависимости от применяемого внешнего воздействия. Например, тензометрический датчик.
При нажатии на такой датчик воздействие преобразуется в электрический сигнал и сигнал передается в считывающее устройство.
Пассивный датчик
Пассивные датчики тип датчиков, который производит выходной сигнал без помощи внешнего источника возбуждения.
Им не нужны никакие дополнительные токи или напряжения. Например, термопара, которая генерирует значение напряжения, соответствующее приложенному теплу.
датчик температуры
Она не требует никакого внешнего электропитания.
Также датчики подразделяются на
Аналоговые
Что такое аналоговый датчик – это сенсор, который производит непрерывный сигнал относительно времени с аналоговым выходом.
Сформированный аналоговый выходной сигнал пропорционален измеряемому им входному сигналу. Как правило, аналоговое напряжение лежит в диапазоне от 0 до 10 В или в качестве выходного сигнала используется ток.
Примерами физических параметров для непрерывных сигналов могут служить температура, усилие, давление, смещение и др. Например, аналоговый датчик линии Arduino.
Цифровые
Цифровые датчики-это те, которые производят дискретные выходные сигналы.
Дискретные сигналы будут не непрерывными во времени и могут быть представлены в “битах” для последовательной передачи и в “байтах” для параллельной передачи. Измеряемая величина будет представлена в цифровом формате. Цифровой выход может быть в форме логики 1 или логики 0 (включено-выключено).
Цифровой датчик состоит из датчика, кабеля и передатчика. Измеренный сигнал преобразован в цифровой сигнал внутри датчика самого без любого внешнего компонента. Кабель используется для передачи на большие расстояния. Примером цифрового датчика может служить энкодер.
энкодеры
Он включает в себя цифровой светодиод и фотодиод, используемый для получения цифрового сигнала для измерения скорости вращающегося вала. Диск прикреплен к вращающемуся валу. Вращающийся вал имеет по окружности прозрачные пазы. Когда вал вращается со скоростью, диск также вращается вместе с ним.
принцип работы энкодера
Сигнал от светодиода проходит через паз и фиксируется фотодиодом. Выходным сигналом будет логическая 1 или логический 0. Выходные данные отображаются на ЖК-дисплее после прохождения через счетчик.
В настоящее время есть огромное количество датчиков для различных целей и каждый год датчики становятся все совершеннее. Сейчас все больше становится программируемых датчиков, которые можно калибровать и программировать на различные виды измерений.
Обычно в комплекте с этими датчиками идет достаточно подробная инструкция со схемами подключения, способами настройки и программирования датчиков.
Обзор полезного набора датчиков для Arduino
Что такое датчик в робототехнике
Датчики играют в робототехнике одну из важнейших ролей. При помощи различных датчиков робот «чувствует» себя самого и окружающий мир. Это органы чувств — глаза, уши, кожа для роботов.
Датчик, сенсор (от англ. sensor) — термин систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.
Оценка движения при помощи датчиков
Давайте проведем эксперимент.
Движение робота по квадратному пути
Возьмем небольшого мобильного робота (например, робот-пылесос) и поставим перед ним задачу: необходимо пройти путь, повторяющий квадрат со стороной 4 метра и вернуться в исходную точку. Насколько хорошо мы сможем оценивать движение робота, используя данные одометрии, которые мы получаем с колесных датчиков?
Картина, которую мы увидим, скорее всего, будет выглядеть примерно следующим образом:
Занос робота от идеальной траектории движения
Робота будет, как будто, «заносить». Причиной такого поведения могут являться:
Конечно, если будем использовать моторные энкодеры, которые обладают высокой точностью и синхронизируем оба мотора, то ситуация, наверное, улучшится, но, многократно повторяя свой эксперимент, мы не сможем каждый раз получать идеальную траекторию движения.
После проведения тщательной калибровки, попытавшись, тем самым учесть отличия характеристик реального устройства от теоретических параметров, мы увидим, что робот, в среднем, возвращается в исходную точку, но разброс все еще имеется. Мы не смогли исключить неконтроллируемые нами факторы (переменную пробуксовку колес, неравномерность свойств поверхности, по которой движется робот, даже потоки воздуха влияют!). Проведя калибровку, мы устранили систематическую ошибку, но все еще осталась ошибка с нулевым средним.
Устранена систематическая ошибка
Для таких случайных ошибок мы можем построить вероятностную модель. В качестве модели в реальных физических системах хорошо подходит нормальное распределение (или как его еще называют — распределение Гаусса).
Чем дальше робот двигаться вдоль пути, тем сильнее реальное положение робота будет отклоняться в ту или иную сторону от идеальной траектории — дисперсия ошибки будет увеличиваться. Вследствие этого, провести точное интегрирование движения нашего робота, используя данные одометрии невозможно.
Реальная модель движения робота должна учитывать, что траектория, по которой двигается робот зависит от неопределенных помех, присутствует «шум движения». Для учета этого шума, уравнения, которые я приводил в предыдущей статье, перепишем
для прямолинейного движения на расстояние
и для вращательного движения с поворотом на угол
В этих уравнениях —,и
— шумовые составляющие с нормальным распределением, которые имеют нулевое среднее. Эти компоненты описывают, насколько реальное движение может отличаться от движения по идеальной траектории. Добавив шумовые составляющие в уравнения, мы не поможем роботу двигаться точнее, но они станут важны позже, когда мы объедимим одометрию с другими измерениями, используя вероятностный подход.
Проприоцептивные датчики
Проприоцептивные датчики — это сенсоры, которые показывают внутреннее состояние системы. В качестве примеров, можно привести моторные энкодеры, а также датчики силовых воздействий. Этот тип датчиков предназначен для улучшения восприятия роботом собственного внутреннего состояния, а также производимого движения.
Все датчики собирают некоторые числовые показания, или, как говорят измерения.
Для проприоцептивных датчиков, измеренное значениеявляется функцией только состояния робота
Состояние робота представляет собой вектор переменных, используемый для описания его текущего состояния (статуса). В случае простого движения на плоскости:
Это вектор линейных координат,и угла повора робота
Измерения, производимые при помощи проприоцептивных датчиков могут зависеть не только от текущего состояния, но и от предыдущих состояний или же от текщей скорости изменения состояния. Например, колесная одометрия дает нам показания, зависящие от разницы между текущим и предыдущим состоянием. Гироскоп выдает показания, зависящие от текущей скорости вращения.
Датчики внешней среды
Без датчиков внешней среды робот движется вслепую. Внешние датчики принимают участие в:
Измерения, производимые датчиками внешней среды, зависят и от состояния роботаи от состояния окружающего его мира
Описать состояние внешнего мира мы можем, например, рядом координат стен, ориентиров.
Состояние может быть либо неопределенным, либо полностью известным.
Вероятностное моделирование датчика
Как и движение робота, измерения которые производят датчики, являются неопределенными. Реальные датчики всегда выдают некоторый разброс значений, измеряют с определенной точностью. В результатах измерений, произведенными тем или иным датчиком всегда присутствует некоторая погрешность.
Мы можем охарактеризовать датчик, построив его математическую модель. Поняв неопределенность, которая присутствует в производимых сенсором измерениях, мы можем построить вероятностную модель измерений. Такая модель будет представлять из себя распределение вероятностей (функцию правдоподобия) вида:
Это распределение имеет вид колоколообразной кривой (вид гауссиана).
Функция правдоподобия показывает, какова вероятность эталонного значения при получении значения
. Используя функцию правдоподобия можно оценить неизвестный параметр при известных результатах (когда используется понятие вероятность, мы, наобоорот, используя значение параметра хотим предсказать результат).
Функция правдоподобия полностью описывает работу датчика.
является функцией и переменных измеренияи эталона
и может быть построена в виде вероятностной поверхности. Например, для датчика расстояния (дальномера), вероятностная поверхность выглядит следующим образом:
Вероятностная модель дальномера
Как же должна выглядеть робастная (устойчивая к шуму) модель датчика?
Чем более пологой является функция правдоподобия, тем больше неопределенности она содержит. Поэтому, чем ярче выражена «пиковость» измерителя, тем меньше неопределенности он содержит в своих показаниях.
Приведу пример. Функция правдоподобия для ультразвукового датчика говорит нам, какова вероятность измерения, полученного датчиком, учитывая, что истинное ожидаемое значение
Устойчивая модель ультразвукового датчика
Это распределение имеет форму узкой гауссовой кривой вокруг ожидаемого значения с некоторым постоянным уровнем
, который отражает фиксированный процент «мусорных измерений».