Sensores para robótica

1. Guilherme Augusto Silva Pereira Outubro de 2000 Sensores para robótica

2. Percepção Percepção Robótica Ação

3. Eletrônica Básica

4. - + v i R i 1/R = G v R Eletrônica Básica • Resistor • Resistores Variáveis: • Potenciômetro; • LDR; • Strain-Gage.

5. - - + + v i L v i C Eletrônica Básica • Indutor • Capacitor

6. Z2 Z1 Z2 Z2 Eletrônica Básica Série Paralelo • Associações • Resistores • Indutores • Capacitores

7. - + v i D i i v v Eletrônica Básica • Diodo

8. ic ie ic + - vce vce - + ib ib ie vcc i1 io - + i2 Eletrônica Básica • Transistor • Amplificador Operacional

9. R2 vcc R1 vi - vo + Eletrônica Básica • Amplificador Inversor

10. i4 i3 i1 i2 Eletrônica Básica • Leis de Kirchhoff • A soma das correntes que entram em um nó é igual a soma das correntes que saem deste nó.

11. v1 R1 D + + + + - + + - - - - C v2 R2 - Eletrônica Básica • Leis de Kirchhoff • A soma das tensões ao longo de qualquer percurso fechado é zero.

12. Análise em Freqüência

13. Representação dos Sinais • Representação por série de Fourier:

14. f(t) 1 |F(w)| 1/2 t -T T w wo 3wo 5wo 7wo Representação dos Sinais

15. Filtro x(t) y(t) 1 wc w Filtros

16. Rejeita Tudo w Passa-Baixas Passa-Altas Passa-Faixa Rejeita-Faixa Filtros

17. f1(t) PB G(w) 1 t -T T |G(w)| 1 f(t) 1 |F(w)| w wo 3wo 5wo 7wo 1/2 t |F1(w)| -T T 1/2 w wo 3wo 5wo 7wo w wo 3wo 5wo 7wo Filtros x =

18. f1(t) PA G(w) 1/2 t -T T -1/2 f(t) 1 |F(w)| 1/2 t -T T |F1(w)| 1/2 w wo 3wo 5wo 7wo w wo 3wo 5wo 7wo Filtros |G(w)| x 1 w wo 3wo 5wo 7wo =

19. T Amostragem f(t) t(s)

20. -fo fo f(hz) -fo fo f(hz) 1/T 2/T Amostragem

21. Amostragem • Teorema da amostragem: Se a transformada de Fourier de uma função é nula para |w|>2f rad/s, esta função é unicamente determinada por suas amostras obtidas em intervalos regulares menores que 1/(2f )s. • Corolário:A freqüência de amostragem deve ser maior que duas vezes a maior freqüência do sinal.

22. -f1 -fo fo f1 f(hz) -f1 -fo fo f1 1/T f(hz) Amostragem • Aliasing

23. Caracterização dos Sensores

24. entrada saída Sensor Energia Auxiliar Classificação dos Sensores • Passivos x Ativos • Ex.: • Chaves; • Resistores Variáveis; • Célula Fotoelétrica; • Cristal Piezoelétrico.

25. Classificação dos Sensores • Analógicos x Digitais • Ex.: • Chaves; • Potenciômetro; • Encoder. • Absolutos x Incrementais • Ex.: • Potenciômetro; • Servo como sensor.

26. Especificação do Desempenho • Exatidão x Precisão bias

27. V(v) y x Características Estáticas • Linearidade • Sensibilidade • Range • Histerese

28. V(v) 3 2 1 2 4 6 8 V(v) Características Estáticas • Resolução • Limiar Res=2 rad 10

29. T(graus) Temperatura Real 63,2% Sensor t(s) 1 f(hz) Características Dinâmicas • Dinâmica

30. X(m) Posição Real Sensor d t(s) Características Dinâmicas • Atraso ou tempo morto

31. Tipos de Sensores

32. Cinemáticos posição orientação velocidade aceleração proximidade Dinâmicos conjugado força tato Outros presença som luz temperatura tensão e corrente Funções dos Sensores • Imagens • ccd - analógico • ccd - digital

33. Sensores de posição • Posição linear • Posição angular • De passagem: indicam que foi atingida uma posição no movimento, os detetores de fim-de-curso e contadores • De posição: indicam a posição atual de uma peça, usados em medição e posicionamento.

34. Posição: chaves fim-de-curso • Interruptores que são acionados pelo objeto monitorado. Ex.: Nas gavetas de toca-discos laser e videocassetes há chaves fim-de-curso que indicam que a gaveta está fechada, ou há fita. • Também usados com motores para limitar movimento, como no caso de um plotter ou impressora, ou abertura / fechamento de um registro.

35. Sensores fim-de-curso magnético • Campo magnético num condutor distribui cargas: positivas de um lado e negativas do lado oposto da borda do condutor. • Semicondutor: efeito é mais pronunciado. Surge pequena tensão nas bordas do material (Efeito Hall). • Base do sensor magnético Hall: sensores em circuito integrado na forma de um transistor.

36. Sensores fim-de-curso magnético • Pode ser usado como sensor de posição se usado junto a um pequeno imã, colocado no objeto. Quando se aproxima, o sensor atua, saturando o transistor Hall, fazendo a tensão entre coletor e emissor próxima de 0V.

37. Posição com interruptor de lâminas • Usando um interruptor acionado por imã. Imã

38. Posição com sensores ópticos • Por reflexão: detecta a posição pela luz que retorna a um fotosensor (fotodiodo ou f. transistor, LDR ), emitida por um LED ou lâmpada e refletida pela peça. • Por interrupção: a luz emitida é captada por um fotosensor alinhado, que percebe a presença da peça quando esta intercepta o feixe. (light dependent resistor) • Usado para contagem de peças em linha de produção e aplicações de fim-de-curso.

39. Posição e orientação: potenciômetro. • Tensão nos extremos de potenciômetro linear: tensão entre o extremo inferior e o centro (eixo) é proporcional à posição linear (potenciômetro deslizante) ou angular (rotativo). • Em controle, potenciômetros especiais, de alta linearidade e dimensões adequadas, de fio metálico em geral, com menor desgaste.

40. Potenciômetro Revolução Linear Vantagens: barato; simples; absoluto; robusto. Desvantagens: pouco exato; baixa resolução; impõe carga ao sistema. Sensores de posição e orientação

41. Posição por sensor capacitivo • A capacitância depende da área das placas A, da constante dielétrica do meio, K, e da distância entre as placas, d: • C = K A / d • Variação na capacitância convertida em desvio na freqüência de um oscilador, ou em desvio de tensão numa ponte de dois capacitores e dois resistores

42. Posição por indutância • Indutância depende do número de espiras, da largura do enrolamento, do comprimento do enrolamento e da permeabilidade do núcleo. • L = m N2 A / l • Mede-se indutância mútua, ou coeficiente de acoplamento entre 2 enrolamentos num transformador. Uma bobina se move em direção à outra, aumentando o acoplamento e o sinal na outra.

43. Posição por sensores óticos. • Por transmissão de luz • Encoders determinam a posição através de um disco ou trilho marcado. • Relativos (incremental): posição demarcada por contagem de pulsos acumulados. • Absolutos: um código digital gravado no disco ou trilho é lido por um conjunto de sensores ópticos (fonte de luz e sensor).

44. Posição por sensores de luz • A fonte de luz é geralmente o LED, e o sensor um fotodiodo ou fototransistor. • São muito precisos e práticos em sistemas digitais (encoder absoluto), e usam-se em robôs, máquinas-ferramenta, CNC e outros.

45. Encoders incremental absoluto Vantagens: alta resolução; sem contatos mecânicos; alta repetibilidade. Desvantagens: frágil; necessita de circuitos para contar os pulsos; caro. Posição por sensores de luz

46. Posição absoluta

47. Encoder magnético

48. Encoder ótico