I sensori. I metodi di misura per la robotica mobile odometria: usa degli encoder per misurare la rotazione delle ruote e lorientamento della sterzata

I sensori

I metodi di misura per la robotica mobile

odometria: usa degli encoder per misurare la rotazione delle ruote e l’orientamento della sterzata. L’odometria ha il vantaggio, di essere totalmente autosufficiente ed è sempre in grado di fornire al veicolo una stima della sua posizione. Lo svantaggio dell’odometria è che, essendo basata su operazioni di integrazione, l’errore di posizione può crescere indefinitamente se non vengono utilizzate delle tecniche di correzione alternative.

navigazione inerziale: usa i giroscopi del veicolo ed gli accelerometri per misurare la velocità di rotazione delle ruote e l’accelerazione; le misure vengono quindi integrate (una o due volte) per ottenere la posizione. Anche i sistemi di navigazione inerziali hanno il vantaggio di essere totalmente autosufficienti; d'altra parte anche per i sensori inerziali, ogni errore costante, anche piccolo, può aumentare indefinitamente per effetto

dell’integrazione effettuata sulle misurazioni.

Metodi di misura della posizione relativa:Metodi di misura della posizione relativa:

beacon (fari) attivi: questo metodo consente di stimare la posizione assoluta del robot misurando la direzione di incidenza di tre o più fasci di luce o di onde radio trasmessi attivamente. La posizione dei trasmettitori deve ovviamente essere nota.landmarks (punti di riferimento) artificiali e naturali: vengono sistemati dei landmarks artificiali in posizioni note. Essi tipicamente sono progettati per essere riconoscibili anche in condizioni ambientali avverse. Come con il metodo dei beacon, anche in questo caso devono essere sempre "visibili” almeno tre landmarks per permettere una stima della posizione. Il posizionamento con i landmarks ha il vantaggio che gli errori di posizione sono sempre limitati; lo svantaggio è che nella navigazione outdoor non sempre è possibile riconoscere i landmarks esterni e misurarne in tempo reale la posizione.

Metodi di misura della posizione assoluta:Metodi di misura della posizione assoluta:


model matching: l’informazione acquisita dai sensori del veicolo viene confrontata con una mappa (o modello del mondo) dell’ambiente. Se le caratteristiche della mappa basata sui sensori coincidono con quelle del modello del mondo, allora si può stimare la posizione assoluta del veicolo. Il posizionamento basato sulle mappe prevede spesso l’aggiornamento dinamico delle mappe globali basate sulle nuove osservazioni dei sensori e l’integrazione delle mappe locali in mappe globali per coprire le aree mai esplorate.


Vanno sotto questo nome quei dispositivi sostanzialmente costituiti da un solo elemento (in genere, ma non necessariamente, fisicamente omogeneo) in cui, sfruttando le alterazioni (variazioni di lunghezza, di resistenza elettrica, ecc.) provocate su di esso dalla grandezza di ingresso (cioè dalla grandezza da misurare), si ottiene una grandezza di uscita di tipo diverso rispetto alla grandezza di ingresso stessa; se l'uscita che così si ottiene non è direttamente utilizzabile, essa può essere ulteriormente trasformata per mezzo di un altro sensore o di un trasduttore in modo da ottenere una sua buona visualizzazione (monitoraggio) oppure in modo da trasformarla in una grandezza omogenea con una di quelle (quasi sempre di tipo elettrico) che fungono da supporto fisico alle manipolazioni simboliche utilizzate per il controllo e il monitoraggio automatici

del sistema in cui è inserito il sensore. Es. Il termometro

SensoriSensori

Definizioni

Definizioni

Col nome di trasduttori si indicano quei dispositivi complessi in cui si ottengono grandezze di uscita di tipo diverso da quelle di ingresso sfruttando le interazioni tra le parti che li compongono; le grandezze di uscita sono, in genere, tali da permettere una buona visualizzazione diretta (trasduttori di misura) ovvero sono omogenee con le grandezze (quasi sempre di tipo elettrico) che fungono da supporto fisico alle manipolazioni simboliche utilizzate per il controllo e il monitoraggio automatici del sistema in cui è inserito il trasduttore. Esempi di trasduttori sono la dinamo tachimetrica, il potenziometro, l'encoder, il resolver ecc.

TrasduttoriTrasduttori

Si indicano con questo nome quei dispositivi all'interno dei quali avviene una trasfor mazione di energia da un tipo (elettrico, termico, meccanico, ecc.) a un altro e, a differenza di quanto accade in certi tipi di trasduttori, in quantità rilevante.

Definizioni

AttuatoriAttuatori

Un sensore è la parte sensibile di uno strumento di misura capace di rilevare, acquisire ed eventualmente elaborare un segnale significativo per il corretto funzionamento del robot.

Una prima suddivisione:

Sensori interni: riguardano principalmente le variabili di stato proprie della cinematica e dinamica del robot e sono pertanto dedicati alla diagnostica ed al controllo della macchina automatica.

Sensori esterni: sono assimilabili a rilevatori capaci di fornire dati sull'ambiente esterno in cui opera il robot, dotando quest'ultimo di una sorta di "sensorialità".

Sensori per i robot: Definizioni preliminari

Tra i principali sensori dedicati alla robotica si distinguono:

sensori di forza e coppia.

sensori di posizione.

sensori di velocità.

sensori tattili.

sensori visivi.

sensori sonori.

sensori laser.


Caratteristiche principali di un sensoreCaratteristiche principali di un sensore

sensibilità: è definita come la variazione del segnale di uscita rispetto alla variazione del segnale di ingresso

ripetibilità: la capacità dello strumento di riprodurre le letture di uscita quando si applica lo stesso valore del misurando consecutivamente e nelle stesse condizioni ambientali.

x

y


Prontezza: sinonimo di ampiezza della "banda passante" entro cui lo strumento è in grado di operare.

Accuratezza:è definita come la deviazione tra valore atteso e valore misurato.

Accuratezza relativaAccuratezza relativa:

V

VMa

1

M = valore misuratoV= valore atteso

Accuratezza percentualeAccuratezza percentuale:

100% aa


Strumenti numericiStrumenti numerici:

Hanno il vantaggio di fornire in uscita dei valori numerici che possono essere direttamente essere letti dai PC. Inoltre il segnale campionato risulta molto più facile da trattare rispetto a quello analogico.Tuttavia poiché il mondo fisico è analogico vi è la necessità di eseguire la conversione sia per i segnali di ingresso che per quelli di uscita.


Il cuore dello strumento numerico è il convertitore A/D

Caratteristiche salienti:Caratteristiche salienti:Frequenza di campionamento:E’ importante campionare il segnale con frequenza di campionamento adeguata poiché altrimenti non è possibile ricostruire correttamente il segnale.La frequenza deve essere almeno 2 volte più grande della massima frequenza del segnale stesso.


Risoluzione del convertitore:Un convertitore A/D a n bit divide il range in 2 n divisioni.L’ampiezza di ogni divisione, cioè la RISOLUZIONE è data da:

n

Range

2

Es. un convertitore a 3 bit con un range di 10V ha una risoluzione di 10/23 = 1.25 V


Tempo di assestamento:La grandezza di ingresso è un gradino. Ts è il tempo richiesto al convertitore A/D affinché la risposta rimanga in un ben definito range di accuratezza


Sensori: Un primo esempio

Ci viene proposto un motore con un encoder assoluto con un’accuratezza di 0.65 minuti e una risoluzione di 16384 incrementi per rivoluzione.

Quanto vale l’accuratezza percentuale?Di quanti bit dispone l’encoder?Con che precisione posso posizionare l’albero del motore?


Quanto vale l’accuratezza percentuale?

Un minuto = 1/60 di grado 0.65 minuti equivalgono a circa 1/91 di grado

Se l’encoder misura un grado e vado ad eseguire la stessa misura con uno strumento molto più potente vedo che in realtà il valore misurato dall’encoder equivale a 11/91

%9.98100%

989.091

11

1

1)911

1(1

aa

a


Di quanti bit dispone l’encoder?

14)16384(log

163842

2

x

x Ricordo che:

14)2(log

)16384(log)16384(log

)(log

)(log)(log

2

e

e

a

ab b

xx

Con che precisione posso posizionare l’albero del motore?

Con una precisione di 1/16384 di giro

Gli Encoder

Un encoder è uno strumento elettromeccanico usato per misurare il moto e la posizione di un meccanismo in movimento ed è in grado di trasformare l’informazione acquisita in una opportuna uscita.

Tipicamente un encoder ottico consiste dei seguenti componenti: una fonte di luce, che può essere una lampada incandescente o un light emitting diode (LED).Un sensore di luce, di solito un foto-transistor. Una struttura in cui si alternano segmenti opachi e trasparenti che viene interposta tra l’emettitore e il ricevitore . Molto spesso tale struttura è un disco, solidale con l’albero motore. Un circuito di condizionamento che sia in grado di ricevere il segnale fornito dal sensore di luce, di processarlo e di fornire in uscita un segnale adeguato.

Esistono principalmente due tipi di encoder ottici: assoluti e incrementali.

Gli Encoder

Passa la luce La luce non passa

Un "led" emette una luce che passa attraverso una ruota forata e raggiunge un elemento fotosensibile (fototransistor).

Il segnale di output è un' "onda quadra" in tensione

Gli Encoder

Gli Encoder incrementali

L’encoder incrementale genera un treno di impulsi in uscita ottenuti dalla rotazione del disco.

La frequenza dell'onda quadra che si ottiene sarà tanto più elevata tanto più il disco ruoterà velocemente.

f =1/T

Un contatore digitale dotato di memoria si occupa di contare i fronti d'onda del segnale dall’inizio della misura, in questo modo è possibile ottenere informazioni sulla distanza percorsa e derivando rispetto al tempo il dato ottenuto è possibile ricavare anche la velocità di rotazione del disco.

Gli encoder incrementali sono di solito utilizzati quando la velocità è il dato più importante da rilevare.


(Esempio)

Gli Encoder incrementali: monodirezionali

Uscita = N impulsi per giro

Gli Encoder incrementali: bidirezionali

Uscita: rotazione oraria Uscita: rotazione anti-oraria


OsservazioniOsservazioni:

Il numero massimo di incisioni N che si possono realizzare dipende dal

diametro del disco.

La risoluzione angolare dipende dal numero di incisioni


OsservazioniOsservazioni:

La velocità angolare può essere ricavata conoscendo quanto è il periodo dell’onda quadra in uscita.

t

La rotazione compiuta dall’albero può essere calcolata contando gli impulsi K ottenuti in uscita

Il riferimento angolare viene perduto se si interrompe l’alimentazione

Gli Encoder assoluti

L’encoder assoluto o a “parola intera” genera un unico segnale digitale per ogni posizione dell’albero. Questa informazione assoluta è normalmente espressa in codice binario. Ciascun bit della parola è rappresentato da una traccia indipendente sul disco dell’encoder, e ogni bit della parola viene trasmesso su un canale indipendente.

A differenza degli encoder incrementali l’informazione letta da un encoder assoluto non è affetta da alcun tipo di errore dipendente dal rumore o da cadute di tensione. Questi sensori sono generalmente usati per generare il feedback sulla posizione di un servomotore.


Dati N settori del disco sono necessarie

)(log2 Nn

piste indipendenti.


Le n piste vengono letteda n rivelatori indipendenti

Da n dipende la

risoluzione angolare


Osservazione:Osservazione:In corrispondenza della zona limite non si consce il valore

assoluto della posizione


Codice GRAYCodice GRAY

Ha la particolarità che tra una parola e l’altra cambia solo un bit


Si evita il problema della cattiva interpretazione


La capacità del cavo limita la frequenza di uscita arrotondando il fronte d’onda delle onde quadre


Gli Encoder: applicazioni

Gli Encoder: applicazioni

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I sensori. I metodi di misura per la robotica mobile odometria: usa degli encoder per misurare la rotazione delle ruote e lorientamento della sterzata