Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12

8/2/2019 Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12

http://slidepdf.com/reader/full/mr-predavanje-04-nevizualni-senzori-2011-12 1/36

Autorska prava © Ivan Petrović. Sva prava pridržana. 1

4. Senzori za mobilne robote






Propriocepcijski senzori za

estimaciju gibanja MR-a

• Odometrijski senzori - omogućuju izračunavanjepoložaja MR-a (''Dead Reckoning'‘) : inkrementalni enkoderi,

apsolutni enkoderi, akcelerometri, senzori zasnovani na Dopplerovu efektu, ...

• Orijentacijski senzori – određuju orijentaciju MR-a u

odnosu na magnetsku ili zemljopisnu os Zemlje: žiroskopi,kompasi, žirokompasi.




rešetka

svjetlosni izvor

osjetilosvjetlosti

dekoder

• Relativna pozicija – signali daju

podatak o promjeni pozicijeenkodera

B

A

A

B

B kasni za A

- Moguća

detekcija smjera

vrtnje

Inkrementalni optičkienkoder

Odometrijski senzori




Odometrijski senzori• Binarni niz čini riječ koja opisuje apsolutnu poziciju

enkodera unutar jednog okreta

Apsolutni optički enkoder




Inercijalni senzori -Akcelerometri

• Načelo rada: “seizmički slog” – masa mslobodno klizi po šini u smjeru ubrzanja:

• Sekundarna osjetila –

rastezne trake:





Senzori zasnovani naDopplerovu efektu

'c v

f f c

±=

'c

f f c v

=

• Dopplerov efekt:

a) S i O miruju

b) S miruje O se giba

c) O miruje S se giba











Orijentacijski senzori

• Precesija žiroskopa:

• Newtonov zakon gibanja za vrtnju: Vremenska promjena kutnog momenta gibanja oko neke osi

jednaka je momentu primijenjenom oko te osi.

Mehanički žiroskopi

M

J Ω

ω =




• Sagnacov efekt (1913. godine):Dvije svjetlosne zrake koje ulaze u rotirajući optički prsten

u točki A imaju različita vremena prolaska punoga kruga.

Optički žiroskopiOrijentacijski senzori




• Tehnologija jednomodalnih optičkih vlakana.• Iz dobije se razlika u fazi između CW i CCW

zraka:

• Povećanje osjetljivosti FOG-a:

“Fiber” optički žiroskopi(FOG)

Jednostavniji i jeftinji

Orijentacijski senzori






Percepcijski senzori MR-a

• Uglavnom radijacijski senzori, koji su korisni za:planiranje putanje robota, estimaciju pozicije robota,detekciju i izbjegavanje prepreka, prepoznavanje objekata,pretraživanje i pregledavanje prostora, daljinskoupravljanje robotom, manipulaciju predmetima itd.

• Glavne su odlike:percepcija širokog prostora, unaprijedno dobivanje

informacije, izbjegavanje kontakta.

• Nedostaci: računska složenost obradbe informacija, problemi

radijacijskog načela rada i problemi interpretacijepercepcijskih informacija.




Klasifikacije radijacijskih senzora

• Izvor zračenja: Pasivni – koriste ambijentalno zračenje (radijaciju) Aktivni – emitiraju vlastito zračenje

• Predstavljanje informacija o sceni: Slikom – generiraju sliku prostora Točkom (pikslom) – generiraju jedan piksl

• Način pretraživanja scene: Skenirajući – pretražuju scenu gibanjem Neskenirajući – imaju ugrađeno polje senzora




Klasifikacije radijacijskih senzora

• Domet: ''Blizinski'' – binarni senzori za detektiranje i

izbjegavanje prepreka u neposrednoj blizini ''Daljinski'' – mjere udaljenost do prepreke ili je

određuju posredno iz slike

• Tehnika određivanja udaljenosti: triangulacija vrijeme putovanja zrake sažimanje scene

interferometrija• Vrsta zračenja:

elektromagnetsko zvučno




Mjerenje vremena putovanja zrake

• Većina senzora za mjerenje udaljenosti koristi ovutehniku mjerenja udaljenosti.• Svjetlosna zraka: v = c = 0.3 m/ns• Zvučna zraka: v = 0.3 m/ms

• Udaljenost d koju zraka prijeđe: d=vt .• Dakle, udaljenost do prepreke iznosi: R=d /2 = vt /2.• Tri su osnovna načina mjerenja vremena putovanja

zrake:Mjerenje vremena putovanja generiranog impulsaMjerenje faznog pomaka između odlazećeg i dolazećeg

signalaMjerenje razlike frekvencija odlazećeg i dolazećeg signala




Mjerenje vremena

putovanja zrake

• Time-of-Flight Range Sensors (TOF rangesensors)

Mjerenje vremena putovanjegeneriranog impulsa




Mjerenje vremena

putovanja zrakeMjerenje faznog pomaka između

odlazećeg i dolazećeg signala




Mjerenje vremena

putovanja zrake

• Problem nejednoznačnosti:

• Nejednoznačnost se pojavljuje kada ∆Φ prijeđe iznos 2π . => fazni pomak se može jednozančno odrediti samo do

• Rješenje: Sukcesivno slanje dvaju signala različitihmodulacijskih frekvencija.

Mjerenje faznog pomaka izmeđuodlazećeg i dolazećeg signala

R

• Fazni pomak između signaladobiva se njihovim množenjem, iusrednjavanjem umnoška prekovelikog broja perioda.

• Rezultat množenja daje:

2 ( ) 4cos cos cos

x n Rπ λ π

λ λ

+ ∆Φ = =

max2 R λ =




Mjerenje vremena

putovanja zrake

• Frekvencijska modulacija periodičkim trokutastim signalomkoji povećava i smanjuje noseću frekvenciju oko srednjefrekvencije f

0:

Mjerenje razlike frekvencijaodlazećeg i dolazećeg signala

0( ) f t f at = +

2

( ) ( )beat

aR

f f t f t T a T c= − + = =




Ultrazvučni senzori udaljenosti

• Poteškoće pri njihovojprimjeni:velika širina zrakemala brzina zvuka – spor odziv bočni snopovi zraka jako gušenje signalaminimalna udaljenost koja se

može mjeriti relativno velikaograničena maksimalna

udaljenost spekularne refleksijevišestruke refleksije ambijentalna interferencija

• I pak se često koriste jer su: iznimno jeftini, jednostavni,

lagani,male potrošnje te izvrsni za izbjegavanje

prepreka.

Sonar -SOund NAvigation and Ranging




Ultrazvučni senzori

udaljenosti

• Zvučnik imikrofon u istomkućištu, obično

piezoelektričkiefekt.

Načelo rada




• Minimalna mjerljiva udaljenost:Ovisi o trajanju slanja impulsa (tipično 1 ms) i

frekvencijskom opsegu metalne dijafragme / piezoeletričkog kristala (tipično 1 ms).

Za ove tipične vrijednosti dobije se minimalnaudaljenost oko 60 cm (330 m/s · 0.002 s).• Frekvencija uzorkovanja:Određena je brzinom zvuka i maksimalnim dometom -

za domet od 20 m iznosi oko 8 Hz: (330[m/s]/40[m]=8,25 [Hz]), kod upotrebe više senzora zbogsprečavanja interferencije frekvencija uzorkovanja je

još manja

KarakteristikeUltrazvučni senzori

udaljenosti




• Kutna preciznostStožasti oblik glavne zrake sonara

Karakteristike

-30°

-60°

0°

30°

60°

Amplitude [dB]

measurement cone


udaljenosti




• Problem “pomiješanih piksela”:

Zaobljavanje kutova.• Ovo je posljedica efekta integracije intenziteta zrake preko

čitavog prostora refleksije zrake.


udaljenosti




• Problem spekularnih refleksija:

Rayleighov uvjet za

spekularnu refleksiju

Karakteristike

• Nema povratnog signala:


udaljenosti




• Višestruke refleksije:

• Neki komercijalni sonari:


udaljenosti




Laserski senzori udaljenosti




Laserski senzori udaljenosti

• Mjeri se fazni pomak (tehnički najjednostavniji), vrijeme putovanja, razlikafrekvencija

• Mehanički mehanizam s zakretnim zrcalom

2D ili 3D mjerenja

Phase Measurement

Target

D

L

Transmitter

Transmitted Beam

Reflected Beam

P

λ π

θ

22 +=+=′ L D L Dλ = c/f θ

π

λ

4= D

θ

L ki i




• Odlike: Visoka sjajnost, mala širina zrake, velikaspektralna razlučivost

• Preciznost:

Glavni izvor pogreške je slabljenje povratnog signala sudaljenosti i s upadnim kutom. U nekim laserskimsenzorima provodi se kompenzacija.

KarakteristikeLaserski senzori

udaljenosti

L ki i




• Efekt pomiješanih piksela:Zbog konačne širine zrake može nastupiti netočnostmjerenja udaljenosti na rubovima, što ovisi o relativnojudaljenosti (r2-r1), trenutačnom vidnom polju, refleksijskimsvojstvima površina prepreka.

Problem se može djelomično samo riješiti primjenommedijan filtra.

KarakteristikeLaserski senzori

udaljenosti

L ki i




Laserski senzori

udaljenosti

• Utjecaj okolišnih uvjeta na ponovljivost mjerenjaudaljenosti:

• Spekularne refleksije:

Karakteristike

voda, led, ...




Ostali percepcijski

senzori

• Radari:mapiranje prostora s niskom rezolucijom, izbjegavanje prepreka, aktivni orijentiri u prostoru.Problemi:

• velika širina zrake - slično kao kod sonara,• apsorpcija signala

• IR senzori: Infracrveno zračenje.Za izbjegavanje vrlo bliskih prepreka (do 0.5 m)Problem: osjetljivi na dnevnu svjetlost.

Radari i IR senzori

Ostali percepcijski



A t k © I P t ić S id ž 36

Ostali percepcijski

senzori

• Pri izboru kamere važne su sljedeće specifikacije:Analogna / digitalna kameraKutna rezolucija (retci i stupci)Brzina procesiranja u pikselima/okvirimaKolor / crno-bijela kamera

• Leća kamere obično je zaseban modul. Važnespecifikacije leće su:Žarišna udaljenost (određuje širinu vidnog polja)Fokusiranje ručno/automatskiDistorzija leće i kako je korigirati.

• Pri primjeni kamera za robotski vid koriste sealgoritmi računalnog vida => posebno predavanje.

CCD kamere

Documents

Mr Predavanje 04 Nevizualni Senzori 2011 12