какие датчики влияют на движение роботов

Использование датчиков при разработке робота

Робот принимает информацию от внешней среды через датчики. По аналогии с живым организмом — это органы чувств. По аналогии с персональным компьютером — устройства ввода. Выбор датчиков для использования при разработке робота отдельный этап. Расскажу кратко о их типах и предназначении в этой статье.

Датчики соударений
Представляет из себя в основном простые кнопки на размыкание\замыкание. Очень простая реализация и легкость подключения данного типа датчика, доступны начинающим разработчикам. При использовании с микроконтроллерами требует обработки с задержкой, для фильтрации эффекта дребезга контактов(описать отдельно).

Датчики наклона
Используется в роботах, где соответственно нужно контролировать наклон, для поддержания равновесия и во избежание переворота модели на не ровной поверхности(например горы). Существуют как с аналоговыми, так и с цифровыми интерфейсами. Результат — значение градуса наклона.

Оптические датчики
В этом типе датчиков используется физические свойства полупроводника при световом влиянии. Фоторезистор меняет сопротивление, имеем результат степени освещенности. Фотодиод в отличии от фоторезистора имеет более быстрое время срабатывания. Датчик отражения(излучатель и приемник) позволяет определять белые или черные участки на поверхности, что позволяет ему двигаться по нарисованной линии или определить близость препятствия. Сюда входят пироэлектрические датчики, которые позволяют обнаружить и измерить тепло исходящие от огня, человека или животных, благодаря инфракрасному излучению.

Видеокамеры
Этот тип датчиков на сегодняшний очень хорошо начинает использоваться благодаря росту технологий в сфере обработки изображений. Можно было добавить их к оптическим датчикам, но я посчитал это отдельным типом из-за сложности и богатства возможностей. Это настоящие глаза робота. Применений ему достаточно: системы авторизации, распознавания образов, обнаружения движения и т.п.

Звуковые датчики
Это и распознавание речи(полу-решенная задача на сегодняшний день, требуется значимые ресурсы для обработки и анализа) или просто частот звука(хлопок, свист). При высокой частоте звука высока точность определения направления на его источник. Также при использовании ультразвуковых датчиков возможно измерить расстояния до препятствия от нескольких сантиметров до 11 метров.

Датчики положения
К датчикам положения относятся GPS(система глобального позиционирования), ориентиры(исполняют роль маяка), гироскопы(определение угла вращения).

Электромагнитные датчики
Всем известный геркон простейший пример такого типа датчика. Также для измерения магнитной силы используется эффект Холла.

На этом заканчиваю, но хочу заметить это далеко не все датчики, которые могут использоваться при разработке робота. Такие, датчики как температуры, давления, тока, напряжения были даже не затронуты. Например, датчик температуры можно использовать для контроля за температурой движущихся частей или полупроводниковых компонентов, требуемых принудительного охлаждения. Также, при совмещении нескольких основных типов датчиков, получаются более сложные системы или группы датчиков.

Источник

Датчики препятствия: как роботы ориентируются в пространстве

Одна голова хорошо, а две лучше

При разработке первых прототипов роботов Promobot в качестве датчиков препятствия использовались покупные готовые модули ультразвуковых датчиков.

Принцип работы ультразвуковых датчиков достаточно прост: микроконтроллер посылает на источник сигнала несколько пучков с частотой десятки кГц, отраженный от объекта сигнал попадает на приемник и в результате совпадения частоты отраженного сигнала и частоты резонанса приемника на выходе приемника появляется напряжение. При этом время, пройденное между излучением сигнала и появлением напряжения на приемнике, преобразуется в пройденное ультразвуковым сигналом расстояние.

Тестирование датчиков показало, что ультразвуковой сигнал измерения имеет несколько критичных недостатков:

После тестирования было принято решение разработать собственный модуль датчика расстояния, который бы включал дополнительный сигнал измерения, а именно ИК-излучение. Принцип работы ИК-сигнала измерения схож с ультразвуковым сигналом, только вместо звука — свет. Однако данный вид измерения также не лишен недостатков. Это почти полное поглощение сигнала черными матовыми объектами; некорректное детектирование объектов из стекла; сильная чувствительность к прямым солнечным лучам; меньшее, по сравнению с ультразвуком, максимальное измеряемое расстояние.

Совместная работа двух типов измерений успешно компенсирует недостатки друг друга. В итоге был разработан модуль датчика расстояния, удовлетворяющий всем требованиям для корректного функционирования робота.

Также одной из особенностей разработанного модуля датчика расстояния является световая индикация детектирования объекта. На плате установлен RGB светодиод, по цвету свечения которого можно понять, что датчик получил расстояние до объекта меньше программно установленного значения. Это позволяет в реальном времени понимать как и что «видит» робот.

Датчиков много не бывает

Для уверенной работы и передвижения робота в самом непредсказуемом окружении мы установили в его шасси 16 датчиков препятствий, что дало нам круговой обзор в 360 градусов без наличия «мертвых» зон. Корпус шасси робота разделен на 4 сектора, в которые установлены датчики расстояния. Датчики разделены на отдельные сектора и помещены в части корпуса шасси робота.

Опрос датчиков происходит последовательно: сначала в него отправляется команда для излучения сигналов измерения, после этого датчик переходит в режим ожидания отраженных сигналов. По прошествию таймаута (времени, необходимого для преодоления ультразвуковой волной расстояния 200 см туда и обратно) посылается запрос на получение результата измерения.

Для устранения «ловли» датчиком расстояния чужого отраженного сигнала каждый следующий датчик для опроса располагается в противоположной стороне от предыдущего.

7 раз отмерь

Как уже было сказано, каждый из типов измерения расстояния до препятствий имеет свои недостатки. В частности, ультразвуковые волны могут отражаться от сложных поверхностей (округлые формы, расположение объекта к датчику под острым углом) не перпендикулярно датчику расстояния, в результате чего робот не «видит» препятствие. Для решения проблемы был применен специальный алгоритм «1+2»: один датчик генерирует сигнал измерения расстояния и ждет отраженный, при этом два соседних также ждут этот отраженный сигнал. Если произошло некорректное отражение сигнала измерения, то, скорее всего, отраженный сигнал зафиксирует один из двух соседних датчиков. Отраженный сигнал через разные промежутки времени может вернуться во все три датчика, в таком случае мы получаем три вероятных расстояния до препятствия. Финальным результатом будет наименьшее значение расстояния из трех.

Источник

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.

Источник

Как работают сенсоры роботов-пылесосов

Содержание

Содержание

Наблюдение за работой робота-пылесоса — довольно медитативное и умиротворяющее занятие. Но время от времени у пытливых умов появляется вопрос: «Как роботу удается ориентироваться в пространстве и преодолевать возникающие на его пути препятствия?» Давайте разбираться!

Несмотря на огромное количество мифов о работе робота-пылесоса, этот девайс по праву занимает свое место в наших домах, а все благодаря той легкости и скорости, с которой он выполняет уборку. Его эффективность во многом зависит от количества и типа электронных сенсоров, установленных на борту. В зависимости от модели, робот-пылесос использует от 6 до 15 датчиков, включенных в различные системы.

Назначение датчиков — построение карты объекта, ориентирование в пространстве и обеспечение безопасности девайса. Данные, получаемые с сенсоров, обрабатывает управляющая программа. Ориентируясь на полученные значения параметров, применяются те или иные сценарии, непосредственно влияющие на действия робота-уборщика.

Только слаженная работа всех систем обеспечивает работу пылесоса.

Система позиционирования

Основная система любого робота-пылесоса, отвечающая за построение карты убираемой территории и определение точного местоположения электронного уборщика внутри помещения.

В основе работы системы лежит метод SLAM (Simultaneous Localization And Mapping), основная идея которого — построение ситуационной карты и локализация объекта в пространстве. Это происходит следующим образом. Сканер, установленный на объекте, проверяет пространство вокруг и по отклику своих датчиков составляет карту местности.

В сегмент бытовой техники изобретение пришло из области освоения космоса и близлежащих планет: одними из первых такие радары (точнее, лидары) получили луноходы и марсоходы.

В роботах-пылесосах построение карты необходимо для определения оптимального алгоритма уборки. После составления карты управляющая программа разрабатывает и отдает на исполнение оптимальный маршрут передвижения робота. Мобильный пылесос должен заглянуть даже в самый отдаленный уголок!

В современных роботах-пылесосах построение карты окружающего пространства производят одним из двух типов датчиков.

Лазерное сканирование пространства

Сканирование пространства происходит с помощью лидара (или, как его еще называют, LDS-датчика) — прибора, применяемого для точных измерений в газообразной среде. Распознать LDS-датчик достаточно просто: он представляет собой небольшой выступ в форме шайбы, расположенный на верхней плоскости девайса. Датчик содержит источник и приемник лазерного или светового луча (в маломощных девайсах применяют светодиоды, излучающие потоки света в инфракрасном диапазоне). Для обеспечения кругового обзора LDS-сенсор вращается вокруг своей оси с довольно высокой частотой.

Испускаемый световой луч, встречаясь с препятствиями на своем пути (стены, крупная мебель и т. д.), отражается от них и улавливается приемником лидара. Расстояние до препятствия вычисляется по временной задержке между генерацией и приемом лазерного луча. В большинстве моделей роботов-пылесосов частота вращения датчика, как правило, составляет 5 об/сек, чего вполне достаточно для построения карты и довольно точного вычисления положения пылесоса в помещении.

Работающие по такому же принципу датчики можно встретить и на прототипах беспилотных автомобилей.

LDS-датчик позволяет достаточно точно определять расстояние до стен, крупных предметов и других препятствий. Как правило, в роботах-пылесосах применяются датчики, позволяющие уверенно сканировать пространство на расстоянии до 6 метров.

Основным недостатком такой конструкции является то, что датчик выступает над уровнем верхней плоскости, и добавляет к высоте робота-пылесоса несколько сантиметров. В некоторых случаях это может быть критично, поскольку пылесос просто физически не сможет заехать под низко расположенную полку или пространство под кроватью или шкафом.

Визуальная система навигации

Другим способом навигации является так называемая безлидарная система, основанная на широкоугольной камере.

Вот только камера применяется особая, позволяющая создавать объемные снимки пространства. Иначе такие камеры называют «камерами глубины» или ToF-камерами (Time of Flight, что в буквальном переводе означает «время полета»).

ToF-камеры — новое веяние в сфере мобильных гаджетов. Ими оснащены многие флагманские смартфоны. С помощью такой камеры легко и довольно недорого реализуется механизм распознавания по лицу, обмануть его фотографией человека невозможно.

ToF-камера представляет собой источник света, излучающий в инфракрасном спектре, и светочувствительную матрицу, улавливающую интенсивность отраженного света. Их принцип действия схож с лазерным определением расстояния. Камера рассчитывает время с момента испускания пучка света до момента его фиксации на светочувствительной матрице, вычисляет расстояние до объекта в соответствии с временной задержкой и составляет объемную карту помещения.

Преимуществ у такого метода несколько. Во-первых, уровень освещения не играет определяющей роли. Даже в полумраке сенсору по силам «отрисовать» границы убираемого пространства. Во-вторых, камеру встраивают вровень с верхней поверхностью робота, что позволяет сделать его более компактным, и, следовательно, открыть ему дорогу в труднодоступные места.

Система ориентирования в пространстве

Задача системы ориентирования — минимизация столкновений с препятствиями, возникающими на пути робота-пылесоса.

В отличие от системы позиционирования, сканирующей пространство вокруг пылесоса на несколько метров, датчики ориентирования способны выявить препятствие в пределах одного метра. Как правило, для выявления преград используют датчики двух типов: ультразвуковые и инфракрасные.

Принцип их действия схож. В обеих конструкциях имеются передатчик и приемник сигнала. В качестве самого сигнала используют либо звуковые волны, неслышимые человеческому уху (частотой свыше 20 кГц), или световые лучи инфракрасного диапазона.

При обнаружении препятствий, управляющая программа вносит корректировку в траекторию движения робота-пылесоса и уводит его в сторону.

Ведущую роль в системе играет ультразвуковой датчик. Он располагается в передней части устройства.

Инфракрасные сенсоры располагают на боковых поверхностях робота по его периметру. Они дополняют основной датчик, обеспечивая пылесосу возможность кругового отслеживания препятствий.

Боковые датчики выполняют еще одну функцию. Они обеспечивают движение робота вдоль стены, когда нужно убрать по периметру помещения. Как правило, сенсоры позволяют выдерживать интервал от стены на уровне 10-15 мм. Этого вполне достаточно для уборки мусора подвижными щетками робота-пылесоса.

В случае, когда препятствие не попало в зону действия ни одного из перечисленных датчиков и столкновение с поверхностью все же произошло, в работу вступает третья группа датчиков, установленная в подвижном бампере робота-пылесоса, — датчики касания. При срабатывании они посылают сигнал в центральный процессор, а тот в свою очередь оперативно корректирует траекторию движения робота. Датчики касания выполнены либо в виде обычных концевых выключателей, либо в формате оптопары, в которой световой луч прерывается подвижным «флажком» в момент нажатия на передний бампер.

Система безопасности

Система безопасности предназначена для защиты робота-пылесоса от падений и неправильного его использования со стороны пользователя.

Защиту от падения с высоты обеспечивает группа датчиков, установленная в нижней части по периметру устройства.

Это уже привычные инфракрасные сенсоры, с тем же принципом действия, но вот логика их работы существенно отличается. Датчик постоянно отслеживает наличие твердой поверхности под колесами робота-пылесоса. Как только она пропадает (робот подъехал к краю ступени или пытается съехать с высокого порожка), центральный процессор получает тревожный сигнал с датчика и изменяет траекторию движения робота-уборщика.

Сочетание светлых и темных цветовых схем напольного покрытия может вызвать ложные срабатывания оптических датчиков высоты, вследствие чего робот просто откажется проводить уборку темных зон.

В мотор-редукторах, приводящих в движение колеса пылесоса, установлены датчики опрокидывания робота. Если одно или оба колеса окажутся вывешенными, срабатывание датчиков приведет к остановке моторов. Это убережет аккумуляторную батарею от разрядки. Возобновление работы возможно только после установки робота-пылесоса на ровную поверхность.

Датчик опрокидывания — обычный концевой выключатель, разрывающий цепь питания при опрокидывании пылесоса или вывешивании одного из колес.

Чтобы не допустить использование робота-пылесоса без контейнера для сбора мусора, в приемный лоток устанавливают датчик наличия контейнера. Вариаций исполнения не так уж и много. Самый простой — установка концевого выключателя, более продвинутый — датчик в виде геркона. На корпусе контейнера устанавливают постоянный магнит, активирующий геркон, когда контейнер установлен на свое место. Процессор «видит» замкнутую цепь и «понимает» что устройство можно использовать.

Система парковки на базовую станцию

Возвращение на базовую станцию после уборки или в случае необходимости пополнения заряда аккумулятора, — еще одна интересная функция, реализованная в роботе-пылесосе. При выполнении процедуры возвращения на базовую станцию, задействованы две системы. На первом этапе — система позиционирования, которая отвечает за текущее положение устройства по отношению к базовой станции. Алгоритм определяет кратчайший оптимальный маршрут. Когда робот-пылесос находится в зоне видимости базовой станции, в работу включаются датчики парковки.

Система работает следующим образом. В базовой станции расположен мощный инфракрасный светодиод, выполняющий функцию маяка. В корпусе робота-пылесоса имеется пара оптических приемников, захватывающих луч маяка. Каждый из приемников передает процессору свое значение расстояния до маяка, а тот корректирует маршрут движения таким образом, чтобы оба значения сигналов сравнялись по величине. Как только это происходит, считается, что робот занял позицию прямо перед базой, после чего происходит его парковка на контактных площадках базовой станции.

Как видно, датчики робота-пылесоса превращают его в полностью автономное устройство, способное самостоятельно навести порядок в доме. Получается как в той известной песне Сережи Сыроежкина: «Вкалывают роботы, счастлив человек!». Единственное, за чем необходимо следить, чтобы девайс всегда находился в строю, так это за чистотой самих датчиков.

Источник