Sensorização e Sensores - UMinho

Robótica Médica 1Cristina P Santos- Dept Electrónica IndustrialUniv. Minho

Sensorização e Sensores

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Consultas

Dr. John (Jizhong) XiaoDepartment of Electrical EngineeringCity College of New [email protected]. To Robotics: Sensing and Sensors, Steven Stancliff

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Agenda

Quais os requisitos básicos dum sistema robótico?

Sensorização

Sensores na Robótica

IR

Ultrasónicos, Laser

Inerciais

Visão

Referências

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Quais os requisitos básicos dos robôs?

Como se aperceber?Como controlar?Como gerar acções?

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Sistema Robótico

Sistema Robótico: Movimento, Sensorização, Controlo

Sistema de Movimento: inclui mecanismosque funcionam como o braço humanoSistema de Sensorização: utiliza váriossensores para recolher informação do robô e do ambiente que o rodeiaSistema de Controlo: comanda o movimentopara efectuar tarefas de acordo com a informação sensorial recolhida

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Sistema RobóticoRequer um ou mais dos seguintes elementos

Estrutura Mecânica: para suportar todo o restoModelo cinemáticoModelo dinâmico

Actuação: necessária para o moverEléctricos, pneumáticos, hidráulicos, músculos artificiais

Sistema de computação a bordo e controladoresSensorização: para observarComunicaçõesInterface com o utilizadorEnergia: para dar potênciaDescrição: como fazer a tarefaSistema de locomoção

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Arquitectura de Sistemas Robóticos

Sensoresambiente

Planeamento

movimento

ControladorEstruturaMecânica

Sensor Configuração

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Combinando todos estes elementos obtém-se um sistema que pode

SENTIR

PLANEAR

ACTUAR

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Sistema Mecânico

Requisitos Mecânicos: muito dependentes da tarefa a executarProjecto do sistema robótico: muitodependente da tarefa mas inclui:

ChassisPropulsãoSuspensãolocomoção

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Actuadores

Fornecem potênciaFornecida pelo sistema de energiaDependem dos requisitosExemplos:

Motores eléctricosQuímicaHidráulicaPneumática

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ActuadoresPneumáticos:

Simples, baixa manutençãoLeves, menos carosRuidososDificeis de controlar continuamente

Hidráulicos:Elevada razão potência/pesoRuidososInfluenciados termicamente

EléctricosSem atrasos para o controloSilenciosos, limpos, segurosRazão baixa potência/pesoElevada velocidade rotação+baixo binário -> engrenagens

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Energia

Fontes dependem da aplicaçãoEléctrica (AC/DC)BateriasSolarDiesel ou gásQuímica

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Controlo

Permitem a execução de uma tarefa: transferemcomandos para movimentosPodem ser analógicos ou digitaisSincronização com eventos externosLeitura de dados sensoriais e início de aquisiçãoSupervisão constante de dados operacionais e movimentoIncluem controlo

de Velocidadede Posiçãode Trajectóriade Ambiente

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Hardware de Controlo

CPUMemóriaMódulos de controlo de posiçãoComponentes I/O: analógicos ou digitaisPotência

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Programação

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CortexPensar sobre objectivos face àinformação

“Meio do cérebro”Converter dados sensoriaispara informação

Coluna vertebral e “cérebrobaixo”Aptidões e respostas

A Inteligência e o Sistema nervoso Central

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A resposta da engenharia

Resulta de métodos/tradições de Teoria do ControloFoca-se na plataforma, leis de controlo internas

Nervos, coluna vertebral, feedback proprioceptivoModelo físico preciso da situaçãoComo executar uma acção versus porque fazê-la

ExemplosBraços robóticos, automação industrialPilotos AutomáticosRobôs Humanóides

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Automação? Autonomia?Automação

Execução de acções ou sequências precisas, repetitivasem ambientes controlados ou bem compreendidosPré-programado

AutonomiaGeração e execução de acções de forma a cumprir um objectivo ou uma missãoPodem ocorrer eventos não-modelados ou ambientes, querequerem que o sistema se adapte dinamicamente e re-planeie.Adaptativo

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Porquê sentir?

Porque não programar o robô para que execute as suastarefas sem sensors?

Incerteza

Mundo dinâmico

Detecção/correcção

de erros

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O que é sentir?Coleccionar informação sobre o mundoSensor – equipamento eléctrico/mecânico/químico quemapeia um atributo ambiental numa medida quantitativaCada sensor é baseado num príncipio de transdução– conversão da energia duma forma para outra

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Sensorização

Sensores medem aspectos relevantes do sistema durante programação e execução do movimento e convertem-nos para sinais a processar pelo sistemaFactores chave na precisãoRobustosAnalógicos/digitaisRelativos/absolutos

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Motivação

Sensorização está directamente relacionado com agir, pelo q é preciso conhecer sensoresQue sensores existem?

Ultrasónicos e cameras são os favoritosLaser está a avançar na popularidade

Como descrever os sensores (atributos)?Como decidir quais escolher e usar numa aplicação?

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Sensores Humanos e órgãos

Sensores:Visão (olhos)

Audição (ouvidos)

Gustação (língua)

Olfacto (nariz)

Tacto (pele)

O que é sentido:Ondas EM (óptica, luz)

Ondas Pressão (acústica, som)

Químicos - sabor

Químicos - odor

Pressão Contacto (mecânica, calor)

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Sensores Humanos e Órgãos

Sensores

Termocepção (pele)

Nociception (pele, juntas e órgãos)

Equilibriocepção (ouvidos)

Propriocepção (músculos, juntas)

O que é sentido:

Calor

Dor

Equilíbrio

Consciência do corpo

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Sensores Animais

Magnetoception (aves)

Electrocepção (tubarões, etc.)

Ecolocão (morcegos, etc.)

Gradientes de Pressão (peixes)

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Sensores Robóticos

O q “sentem”:Visão

Audição

Gustação

Olfacto

Tacto

Termocepção

Nociception

Sensores:Camera

Microfone

Sensores químicos

Sensores químicos

Sensores de contacto

Thermopares

?

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Sensores de robôs

O que sentem:Equilibriocepção

Propriocepção

Magnetocepção

Electrocepção

Ecolocação

Gradientes de Pressão

Sensores:Acelerómetros

Codificadores

Magnetómetros

Sensores de tensão

Sonares

Arrays de sensores de pressão?

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Extensão de gamas e modalidades

Visão fora do espectro RGBCamera de Infravermelhos, ver à noite

Visão ActivaMedidas de Radar e gamas ópticas (laser)

Ouvir fora das gamas 20 Hz – 20 kHzGamas ultrasónicas

Análises químicas além de sabor e cheiroRadiações: α, β, raios γ, etc

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Como classificar os sensores?Ângulo de vista, gama: cobre a área “certa”?Precisão e repetibilidade: trabalha bem?Resposta no domínio alvo: quão bem trabalha nestedomínio?Consumo: Consome as baterias demasiado rápido?Fiablidade: é vulnerável?Tamanho: sempre um problema!Complexidade Computacional: consegue ser processadosuficientemente rápido?Interpretação da fiablidade: acredita na informação do sensor?

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Desafios da Robótica:IncertezaInerente

Ambiente imprevisívelSensores limitados e ruidososOs robôs são limitados e ruidososModelos simplificados e imprecisos

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Fontes e efeitos da Incerteza/ruídoFontes de ruído sensorial:

Resolução dos sensores limitadaReflexão dos sensores/absorçãoFracas condições ambientais

Fontes de ruído dos “effectors” dos robôsFricçãoDeslizamentoVariação dos níveis de bateria

ImpactosDificuldades na interpretação dos dados sensoriaisA mesma acção tem resultados diferentesInformação incompleta para tomadas de decisão

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Questões fundamentais na robótica?

LocalizaçãoProcessamento sensorial/percepçãoLidar com a incertezaFusão sensorialAmbientes estruturados/não-estruturadosFocar a atençãoArquitectura de controloTomadas de decisãoNavegaçãoSelecção das acçõesAdaptaçãoEstados escondidosCooperação com outros robôs/comunicação


Sensores Usados na Robótica

34Infrared Ranging

Magnetic Reed Switch

Gas

Radiation

Piezo Bend

Resistive Bend

Pendulum Resistive Tilt

CDS Cell

IR ModulatorReceiver

UV Detector

Metal Detector

Sensores Robóticos – Exemplos

Gyroscope

Compass

PIR

GPS

Magnetometer

Sonar Ranging

RotaryEncoder

Pressure

PyroelectricDetector

Accelerometer

Linear Encoder

Camera

Lever Switch

Laser Rangefinder

Microphone

35Solar Cell

Digital Infrared Ranging

Compass

Touch Switch

Pressure Switch

Limit Switch

Magnetic Reed Switch

Magnetic Sensor

Miniature Polaroid Sensor

Polaroid Sensor Board

Piezo Ultrasonic Transducers

Pyroelectric Detector

Thyristor

Gas Sensor

Gieger-MullerRadiation Sensor

Piezo Bend Sensor

Resistive Bend Sensors

Mechanical Tilt Sensors

Pendulum Resistive Tilt Sensors

CDS Cell Resistive Light Sensor

Hall EffectMagnetic Field

Sensors

Compass

IRDA Transceiver

IR Amplifier Sensor

IR ModulatorReceiverLite-On IR

Remote ReceiverRadio Shack

Remote Receiver

IR Sensor w/lens

GyroAccelerometer

IR ReflectionSensor

IR Pin Diode

UV Detector

Metal Detector

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Sensores Usados na Robótica

Sensores Resistivospotenciómetros, células foto-eléctricas resistivas, ...

Sensores TácteisInterruptores de contacto, bumpers…

Sensores Infra-vermelhosReflectivos, proximidade, de distância…

Sensores de Distância UltrasónicosSensores Inerciais (medem as segundas derivadas da posição)

Acelerómetros, Giroscópios, …Sensores de Orientação

Compassos, InclinómetrosSensores LaserVisão, GPS, …

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Categorização de Estímulos perceptuais

Proprioceptivos: Medidas do movimento relativas àreferência interna do robô (dead-reckoning)Exterocepção: medidas do layout do ambiente e objectos relativos à referência do robôExpropriocepção: medidas da posição de partes do corpo do robô ou deste relativas ao layout do ambiente

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Classificação de SensoresPropriocepção (Estado Interno) v.s. Exterocepção (estadoexterno)

Mede valores internos ao sistema (robô), ex. Nível de bateria, posição das rodas, ângulos das juntas, etc,Observação de ambientes, objectos (sensores de proximidade e visão)

Activo v.s. PassivoEmitem energia para o ambiente, ex., radar, sonarPassivamente recebem energia para observar, ex., camera

Contacto v.s. sem-contactoVisual v.s. não-visual

Sensorização baseada em visão, processamento de imagem, cameras de video

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Sensores ProprioceptivosSensores que fornecem informação do estado interno do robô:

Movimento, Posição (x,y,z), Velocidade, Aceleração, Temperaturae Nível de bateria

Exemplos: Encoders (codificadores), potenciómetros: medem ângulo de viragem através da alteração da resistência ou contagem de pulsos ópticosSistemas de navegação inerciais (INS)Sistemas de Posicionamento Global (GPS) – medem locaçãorelativa ao globoCompassos: medem onde é o NorteGiroscópios: medem taxa angular, magnéticos (anteriormente) e fibra-óptica (actual)

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Activo vs. Passivo (Exemplo)

Sensores ActivosSensor emite uma forma de energia e mede o impacto da mesma para perceber o ambienteEx. Ultrasónicos, laser

Sensores PassivosSensores recebem energia do ambienteEx. Camera

Passivos: consomem menosenergia, mas geralmente ratio sinal-ruído tem problemasActivos: geralmente ambientesmais restritos

StereoCamera

pair

Thermalsensor

Laserranger

Sonars

Bumpsensor

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General Classification (1)

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General Classification (2)

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Sensores de proximidade

Medem distâncias relativas entre os sensores e os objectos do ambientea) Normalmente, activos:b) Sonares (ultrasónicos)c) Laserd) Infra-vermelhos (IR)e) Sensores de tacto e colisão

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Sensores de toque

Whiskers, bumpers etc.Contacto mecânico faz com que

Abra/feche um switchMude a resistência de algum elementoMude a capacitância de algum elementoMude a tensão de uma mola...

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Electromagnetic SpectrumElectromagnetic SpectrumVisible Spectrum

700 nm 400 nm

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Sensores Baseados no Espectro EM

Radio e micro-ondasRADAR: Radio Detection and RangingMicrowave radar

LuzTodos os fotões têm a mesma fase e comprimento de ondaLASER: Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLASER RADAR: LADAR

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Sensors Baseados no Espectro EM

Sensível à luzOlhos, cameras, foto-células etc.Princípio de operação

CCD - charge coupled devicesEfeitos fotoeléctricos

Sensíveis a IRSensorização de Proximidade Local

Infrared LEDs (baratos, sensorização activa)Usualmente baixa resolução – normalmente usados nadetecção de presença/ausência de obstáculos mais do quedeterminar gamas, operam para pequenas gamas

Sentir diferenças de calor e construir imagensDetecção de HumanosAplicações noturnas de visão


Sensores Infra-vermelhos

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Sensores Infra-vermelhos: TiposBaesados na Intensidade de infra-vermelhos

Sensores ReflectivosFáceis de implementarSusceptíveis à luz ambiente

Infra-vermelhos moduladosSensores de proximidadeRequer modulação do sinal IRInsensíveis à luz ambiente

Gama de Infra-vermelhosSensores de distânciaMedidas de pouca distânciaDependem da luz ambiente, cor e reflexividade do objecto

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Sensor IR ReflectivoSensor IR Reflectivo:

Aplicações:Detecção objectos, Seguimento de linhas, paredesCodificador óptico

Limitações:Susceptível à luz ambienteSusceptível à reflixevidade dos objectosSusceptível à distância entre sensor e objecto

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Sensors IRProximidade:

Gamas de detecção: varia para diferentes objectosInsensível à luz ambienteAplicações: Medidas de distância não-precisas, Evitarobstáculos, Seguimento de linhas, paredes

Distância:Imune à luz ambiente e superfície dos objectosAplicações: medidas da distância, seguimento de paredes, …


Ultrasónicos, Laser

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Tempos de vôo

Tempo de vôoPulsos a medir vêm tipicamente de fontes de energia ultra-sónica, RF e óptica.

D = v * tD = Distância de ir e virv = velocidade de propagação da ondat = tempo passado

Som = 0.3 metros/msecLuz RF = 0.3 metros / ns (Muito difícil medirpequenas distâncias 1-100 meters)

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Ultrasónicos

Física: membrana vibra, emite um som, membrana pára de vibrar, vibra quando recebe um eco

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Sensores UltrasónicosPrincípio básico de operação:

Emitir um bombardeio ultra-sónico (50kHz), (ouvido humano: 20Hz to 20kHz) Medir o tempo que passou até o receptor acusar recepção do eco.Determinar quão longe o objecto mais próximo está do sensor

Morcegos, golfinhos …

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Sensores Ultrasónicos Polaroid

http://www.robotprojects.com/sonar/scd.htm

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Sensores UltrasónicosAplicações:

Medidas de DistânciaMapeamentos: mapeia os objectos próximos ao robô

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Sensores Ultrasónicos

O objecto pode estar localizado em qualquer ponto do arco de 30º (30ºde incerteza).Gamas típicas são da order de vários centímetros a 30 metros.Outro problema: tempo de propagação. O sinal ultrasónico demora 200 msec a viajar 60 metros. ( 30 meters ida e volta@ 340 m/s )

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Modelo do sensor simplificado

Sensores ultrasónicos

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Problemas com esse modelo


61

Problemas com esse modelo


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Problemas e limitações dos UltrasónicosZona morta, não deixa medir objectosMelhor em ambientes externos que internosReflexões especulativas

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Problemas e limitações dos UltrasónicosForeshortening:

Cross-talk: o sonar não pode dizer se o sinalque recebe foi enviado por ele ou por outrossonares

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Problemas e limitações dos Ultrasónicos

Variações na velocidade de propagação, dependendo do meioIncerteza na determinação do tempo de vôoIncerteza nas medidas do circuito necessário para medir os tempos de vôoInteracção da onda incidente com a superfície alvoConsumo:

ElevadoFiabilidade:

Muitos problemas: incerteza no ambienteSensíveis à temperatura e mudanças de pressãoGamas mínimas baixasFiabilidade na interpretação

fraca

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Vantagens e razões da sua utilização

Tamanho: uma moedaComplexidade Computacional: baixa; pouca informaçãoPode cobrir 360ºBaratosRápidosBoa gamaUsados para:

Modelização do mundoEvitar obstáculosEstimar posiçõesDetecção de movimentos

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Questões do ruído

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Exercício:

Um robô com sonares trabalha no seguimento de paredes num átrio de um grande edíficio de escritórios. Funciona erraticamente. Todo o hardware está a operar correctamente e o códigonão foi alterado. O que se passa?Pista: Átrio=Vidro= reflexões especulativasOutros problemas nos escritórios: os biombosacústicos absorvem o som!, ângulos rectosOutra experiência: cadeiras, mesas- pernas, cantos muito finos para a resolução

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Sumário dos Ultrasónicos

Física: sensor activo, funciona com tempos de vôo

Vantagens: gama (?), barato (30 Euros), pequeno

desvantagens: reflexões especulativas, crosstalk, foreshortening, elevado consumo, fraca resolução

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Laser

Gama 2-500 metrosResolução : 10 mmCampo de visão : 100 - 180 grausResolução angular : 0.25 grausTempo de rastreio : 13 - 40 msec.Imunes a pó e fumo

http://www.sick.de/de/products/categories/safety/

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Laser (Sick)Física: plano da luz laser, tempo de vôoÂngulo de visão, gama

N tem camera, mas trabalha como um rastreador de luz. Apenas laser e 1 linha

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CaracterísticasPrecisão e repetibilidade

Resultados ExcelentesBoa RespostaConsumo

Elevado; reduz tempo de bateria para metadeFiabilidade

boaTamanho

GrandeComplexidade Computacional

Não é máFiabilidade de interpretação

Boa

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Sumário: Laser

Plano de 180o

Vantagens: elevada precisão, coberturaDesvantagens: 2D, resistente àminiaturização, custo ($13,000 US)

NASA/CMUNomad robotExploração do ártico em buscade meteoritos


Sensores Inerciais

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O que é um sistema de INS?

Posição (dead reckoning)Orientação (roll, pitch, yaw)VelocidadesAcelerações

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Sampling of INS Applications

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Sensores Inerciais

GiroscópiosMedem taxa de rotação independentemente do eixode coordenadasAplicações comuns:

Sensores Heading, Sistema Navegação Inercial (INS)Acelerómetros

Medem acelerações em relação a um eixo de coordenadas inercialAplicações comuns:

Sensores de Tilt, Análises de Vibração, INS

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Acelerómetros

Medem força inercial gerada quando umamassa é afectada por variações navelocidade. Esta força pode mudar

Tensão numa molaDeflexão de um raioFrequência de vibração duma massa

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AcelerómetroComponentes principais:

1. Massa 2. Mecanismo de Suspensão 3. Elementosensor

Se for de alta qualidade inclúi uma malha servo para melhorarlinearidade do sensor. Integra-se para obter velocidade e posição

kxdtdxc

tdxdmF ++= 2

2

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Acelerómetros

80

GiroscópiosDevolvem sinal proporcional à velocidade de rotação. Podem ser baseados em princípios diferentes

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Giroscópios

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Giroscópios

Efeito Coriolis – “força fictícia”que actua sobre uma corpo a mover-se livremente se observado de um sistema de eixos rotacionais

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Sistema de Posicionamento Global (GPS)

Space Segment

http://www.cnde.iastate.edu/staff/swormley/gps/gps.html

Constelação de 27 satélites em órbitaDesensvolvido pelos militares USPrecisão ~10 mTempo de propagação, identidade, parâmetros orbitais (latitude, longitude, altitude)

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GPS – 2D Trilateration

AB

C Estamos aqui!

50 mi75 mi

30 mi

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GPS – 3D TrilaterationLocalização de pelo menos 3 satélites (tipicamente 4 ou mais)

Distância entre receptor e cada um dos satélites

Código Pseudo-random é enviadovia ondas-rádio do satélite e receptor

Como a velocidade do sinal rádioé conhecida, o tempo que demoradetermina a distância

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GPS – Melhorias

Algumas fontes de erroAtmosfera da terra atrasa o sinalSinal radio can bounce off objectos largosMau entendimento da localização do satélite

GPS Diferencial(DGPS)Estação com localização conhecida calcula falta de precisão do receptorEnvia sinal de correcção para todosPrecisão ~ 10 m

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Questões de ruídoSensores reais são ruidososOrigens: fenómeno natural + engenharia nãoidealConsequências: precisão limitada das medidasFiltragem:

software: médias, algoritmos de processamentode sinalTruques de hardware: condensadores

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Codificadores

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Técnicas de Navegação Básicas• Posicionamento relativo (Dead-reckoning)

– Informação necessária: incremental (interna)VelocidadeOuvir

– A posição pode ser actualizada relativamente a um ponto de partida– Problemas: Erros de acumulação não limitados

• Posicionamento Absoluto– Informação requerida: absoluta (externa)– Referências Absolutas (paredes, cantos, landmark)– Métodos

Compassos Magnéticos (campo magnético terrestre)Beacons ActivosGPSMarcas de Navegação (referências absolutas: paredes, cantos, marcas artificiais)Posicionamento baseado em mapas

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Sensores usados na navegaçãoDead Reckoning

Odometria (mede o nº de rotações do motor e converte para a distância andada pelo robô- se tamanho das rodas conhecido)

Encoders,Potenciómetros,Tacómetros, …

– Sensores inerciais (medir a segunda derivada da posição)

Giroscópios,Acelerómetros, …

Sensores ExternosCompassosUltrasónicosSensores LaserRadarVisãoSistema PosicionamentoGlobal (GPS)

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Dead ReckoningCausas de erros de acumulação ilimitados:Erros sistemáticos:a) Diâmetros das rodas diferentesb) Médias de ambos os diâmetros

das rodas difere de diâmetrosnominais

c) Rodas desalinhadasd) Resoluções dos encoders

limitadas, amostragem, …Erros não-sistemáticos:a) Percursos irregularesb) Objectos não esperados no chãoc) Deslizamento das rodas devidos

a: chãos escorregadios; sobre-acelerações, viragens rápidas, pontos sem contacto das rodas

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AplicaçõesSensor

Medida do ângulo duma junta

Seguimento de paredes/Detecções de colisões

Sensores de Peso

Sensores

Sensor

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Codificadores – Incrementais

LED Photoemitter

Photodetector

Encoder disk

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• Posição Relativa - calibração ?

- direcção ?

- resolução ?

grating

Emissor luz

Sensor luz

Circuitodescodificação

Codificadores Incrementais Ópticos

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Pergunta 2:

Como aumentar um codificador baseado na grelha (relativo) de forma a detectar a direcção de rotação?

light emitter/detector

Pergunta 1:

Se existem 100 linhas na grelha, qual o menor ângulo de rotação do motor detectável?


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• Posição relativa

grelha

Emissor de luz

sensor luz

Circuito de descodificação

A

B

A

B

A lidera B

- calibração ?

- direcção ?

- resolução ?


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Codificadores Ópticos Incrementais

- direcção

- resolução

grelhaEmissor de luz

Sensor de luz

Circuito descodificador

A

B A lidera B

• Codificadores Incrementais:

• gera pulsos proporcionais à velocidade de rotação do motor.• Direcção pode ser indicada por um codificador de duas fases:

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Codificadores Ópticos Incrementais

A

B A lidera B

• Codificadores Incrementais:

ChA

ChB

DIR

Direcção do motor e codificador de pulsos

99

Codificadores - Incremental

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Codificadores Ópticos Absolutos

Gray Code

• Usados quando não se pode perder a referência.• Códigos Cinzentos: apenas um bit se altera de cada vez (menos incerteza).• A informação é transferida de forma paralela (são requeridos muitos fios).• Mais caros

000

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Binary

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Outros sensores de Odometria• Resolver

• Potentiómetro

= Varia a resistência

Tem dois enrolamentos do estatorposicionados com 90 graus. Tensãode saída proporcional ao seno oucoseno do ângulo do rótor. O rótor éfeito com um terceiro enrolamento, C

102

Pros e contras

DeslizesBaratosCodificadores

Dados a 1 HzNo driftGPS

Erro de acumulação na

integração

Grande selecçãoGiroscópio

Erro de acumulação na

integração

Baratos, pequenos

Acelerómetro

ConPros


Transdução

104

Transdução

O que é que todos estes sensores têm em comum?

Todos transformam o que medem numa propriedadeeléctrica (tensão, corrente, resistência, capacidadeindutância, etc.)

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Transdução

Vários sensores são apenas uma impedância (resistência, capacidade ou indutância) que depende de algumacaracterística do ambiente:

Termistores: temperature resistência

Sensores de humidade: humidade capacidade

Sensores Magneto-resistivos: Campo magnéticoresistência

Photo-condutores: intensidade da luz resistência

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Transdução

Outros sensores são fundamentalmente fontes de tensão:

Sensores Electro-químicos: química tensão

Sensores Fotovoltaicos: intensidade da luz tensão

Outros sensores são fundamentalmente fontes de corrente:

Foto-células: fotões/segundo electrões/segundo

Alguns sensores integram a corrente, devolvendo cargaeléctrica:

CCD: fotões carga

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Pré-processamento

Coloquialmente - ‘limpar’ as leituras dos sensores antes de as usarRedução de ruído - filtragemRe-calibração‘Básicos’ – ex: detecção de contornos em visãoGeralmente único a cada sensorMudar (transformar) representações de dados

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Interface - Hardware

Como fazer o interface de cada um destes sinais a um computador?

TensãoComparar com uma tensão de referência

CorrentePassá-la através de uma resitência referência, e medira tensão na resistência

ResistênciaUsar uma resistência fixa para fazer um divisor de tensão, medir a tensão numa das resistências

109

Interface – Hardware

Interface de mais alto nível.

Sensores Complicados (cameras, GPS, INS, etc.) usualmenteincluem electrónica de processamento e fornecem saídas de mais alto nível (USB, firewire, RS-232, RS-485, ethernet, etc.)

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Interface - Software

Calibração

Para muitos sensores pretende-se calibrar um máximo e um mínimo e/ou um valor de threshold.

Estes valores estão sujeitos a condições do ambiente, tensõesda bateria, ruído, etc.

É necessário pder calibarar o sensor no ambiente em queopera, em tempo real.

111


Condicionamento de Sinal.

Em muitos sensores se se utilizar os valores directamente do hardware obtém-se resultados erráticos.

O acondicionamento de sinal pode ser feito em hardware ousoftware. Falemos de alguns métodos de software.

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Acondicionamento de Sinal – médias.

Com um sensor de luz ou um sensor de gamas, pode-se determinar várias leituras juntas.

Isto reduz erros que estão igualmente distribuídos acima e abaixo do valor verdadeiro.

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Acondicionamento de Sinal– debouncing.Quando um interruptor é premido, os contactos mecânicosvão oscilar brevemente. Os sinais eléctricos resultantesparecem-se com:

estávelestável bouncing

50 μs

Figure from slides for 16-778 Mechatronic Design.

114


Acondicionamento de Sinal – debouncing.O resultado é que o programa pensa que o interruptor doipremido múltiplas vezes.

Uma maneira fácil de fazer o debounce em software éapenas ler o valor do sensor periodicamente, com um período maior do que do período de estabilização do interruptor.

No slide anterior, o período de estabilização do interruptorera de 150ms.

A desvantagem deste método é que reduz as taxas às quais se podem ler alterações reais.

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Outros métodos

Existem muitos outros métodos:

Impedâncias de entrada e saída

Amplificação

Ruído ambiental

Ruído de ADC e DAC

Erros dos sensores e incertezas

Filtragem de dados, fusão sensorial, etc.


Visão por computador

117

Visão por ComputadorFísica: a luz reflectida das superfíciesCampo de visão, gamas: depende das lentes; lentes típicastêm resoluções verticais e horizontais diferentes.(VFOV and HFOV) Precisão & repetibilidade: boaResposta no domínio alvo: depende da fonte de luz, e contraste inerente entre os objectos de interesseConsumo de energia: baixoFiabilidade: boaTamanho: pode ser miniaturizadoCompelxidade Computacional: grandeFiabilidade da Interpretação: boa

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2 Algoritmos de Visão por ComputadorComuns

Segmentação por corSeleccionar uma região de cor e segui-la (ou lembrá-la)

Histogramas de corSeleccionar uma região com uma distribuição de cor e segui-la (ou lembrá-la)

SegmentaçãoVermelho,branco

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Espaços de corRGB (red, green, blue) tem saídas NTSC - Poucoconstantes no “mundo real”H,S,I (hue, saturation, intensity) – teoricamente tem corconstante

Mas n com conversão de RGB para HSIAlternativas SCT

Original image

RGB HSI SCT

Segmentação

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Resumo

Projecto/Escolha de um sensor requer consideraçõescuidadosas

Quase todos os robôs têm propriocepção, mas a exterocepção necessita de servir a tarefa e o ambiente

Os sensores exteroceptivos mais comuns na robótica móvelsão:

UltrasónicosVisão por ComputadorLaser range

A visão por cores é computacionalmente exigente

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Fusão Sensorial e Integração

Humanos: um órgão um sensor?Não necessariamente

Equilíbrio: orelhasToque: línguaTemperatura: pele

Robo: Fusão sensorial:

Combinar leituras de diversos sensores numaestrutura de dados uniforme

Integração Sensorial:Usar informação de diversos sensores para fazeralgo útil

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Fusão Sensorial

Um sensor (geralmente) não é suficienteSensores reais são ruidososPrecisão limitadaNão-fiáveis - Falha/redundânciaPonto de vista limitado do ambiente

Devolve uma descrição incompleta do ambienteO sensor escolhido pode ser caro – pode ser mais barato combinar sensores mais baratos

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Processamento Geral

Fusão Interpretação

Sensor

Sensor

Sensor

Sensor

Sensorização Percepção

Pre-processamento

Pre-processamento

Pre-processamento

Pre-processamento

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Fusão Sensor/DadosCombinas dados de diferentes fontes

Medidas de sensores diferentesMedidas de posições diferentesMedidas em tempos diferentes

Utilizar uma técnica matemática que leva emconsideração incertezas nos dados

Métodos discretos BayesianosRedes neuronaisFiltragem de Kalman

Produz um conjunto de dados fundido (como se existisse apenas um ‘sensor virtual’)

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Interpretação

Específica à tarefaMuitas vezes modelada como um problemade determinar a melhor solução dado algumconhecimento a priori sobre o ambienteNecessita de ‘truques’

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Questões?

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Eu tenho questões para vocês…Descreva diferenças entre sensores activos e passivos, dêexemplos de cada

Defina cada um dos seguintes termos em uma ou duassentenças: propriocepção, exterocepção, expropriocepção, sensore de proximidade, sensor lógico, hue, saturação, imagem, pixel, visão por computador

Descreva os problemas de reflexão especulativas, cross talk, foreshortening, e ilustre essas situações com um plot 2D de superfícies

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Referências

Livros úteisHandbook of Modern Sensors: Physics, Designs and Applications, Fraden.The Art of Electronics, Horowitz & Hill.Sensor and Analyzer Handbook, Norton.Sensor Handbook, Lederer.Information and Measurement, Lesurf.Fundamentals of Optics, Jenkins and White.Sensors for mobile robots: theory and applications, H. R. Everett, A. K. Peters Ltd, C1995, ISBN: 1-56881-048-2Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs and Applications, 2nd edition, Jacob Fraden, AIP Press/Springer, 1996. ISBN 1-56396-538-0.

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Referências

websites:http://www.omega.com/ (sensores)http://www.extech.com/http://www.agilent.com/ (instrumentos, enorme)http://www.keithley.com/ (instrumentos, grande)http://www.tegam.com/ (instrumentos, pequeno)http://www.edsci.com/ (óptica ++)http://www.pacific.net/~brooke/Sensors.html(lista compreensiva de sensores e links)

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Sensorização e Sensores - UMinho