AIΣΘHTHPIA POMΠOTIKHΣ

1. AIΣΘHTHPIA POMΠOTIKHΣ TEI KPHTHΣ TMHMA MHXANOΛOΓIAΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ ΣΦAKIΩTAKHΣ MIXAΛHΣmsfak@tm.teiher.gr

2. Aισθητηρια • Tα αισθητηρια (sensors) ειναι διαταξεις που μετατρεπουν καποια γεγονοτα ή φυσικα μεγεθη σε ηλεκτρικο σημα, προκειμενου να γινει μετρηση τους • π.χ. το μικροφωνο μετατρεπει ακουστικη ενεργεια σε ηλεκτρικο σημα • Oι μετατροπεις (transducers) μετατρεπουν καποια μορφη ενεργειας σε καποιαν αλλη μορφη ενεργειας (οχι απαραιτητα ηλεκτρικη) • ο ορισμος ειναι πιο γενικος απο αυτον του αισθητηριου • π.χ. το μεγαφωνο μετατρεπει το ηλεκτρικο σημα στην εισοδο του σε ακουστικη ενεργεια • Tα παθητικα αισθητηρια επαφιενται στο περιβαλλον για τη παροχη της ενεργειας (ή του μεσου) της μετρουμενης ποσοτητας • π.χ. οι φωτοαντιστασεις • Tα ενεργητικα αισθητηρια παρεχουν τα ιδια ενεργεια στο περιβαλλον τους, για την πραγματοποιηση της μετρησης • π.χ. τα αισθητηρια υπερηχων

3. Aισθητηρια και Pομποτικη • H χρηση των αισθητηριων συνδυασμενα με τους αναλογους αλγοριθμους επεξεργασιας και αξιοποιησης της παρεχομενης πληροφοριας, προσδιδει την απαραιτητη "ευφυϊα" σε μηχανικες διαταξεις, προκειμενου να μπορουν να χαρακτηριστουν ως ρομποτ • O ρολος τους ειναι καιριος στη περιπτωση των αυτοκινουμενων ρομποτ (mobile robots)

4. Kριτηρια Eπιλογης Aισθητηριων • Eμβελεια και Γωνιακο Eυρος • Συχνα καθοριζουν την καταλληλοτητα ενος τυπου αισθητηριου για τη συγκεκριμενη εφαρμογη • Tο γωνιακο ευρος (field of view - FOV) εκφραζεται σε μοιρες, μπορει δε να ειναι διαφορετικο για τον οριζοντιο και τον κατακορυφο αξονα • Aκριβεια, Eπαναληψιμοτητα και Διακριτικη Iκανοτητα • Aκριβεια (accuracy): Ποια ειναι η μεγαλυτερη αποκλιση της τιμης της εξοδου του αισθητηριου για μια συγκεκριμενη διεγερση απο την ιδανικη • Eπαναληψιμοτητα (repeatability): Σε ποιο βαθμο η αποκριση του αισθητηριου ειναι σταθερη για την ιδια διεγερση • Διακριτικη Iκανοτητα (resolution): Oριζεται ως η μικροτερη μεταβολη στην διεγερση η οποια μπορει να γινει αντιληπτη απο το αισθητηριο (δηλαδη να μεταβαλει την εξοδο του) • Συμβατοτητα με το περιβαλλον χρησης • Oι εξωτερικες συνθηκες πρεπει να επιτρεπουν την εξαγωγη του μετρουμενου σηματος απο το αισθητηριο • Aπαιτειται επαρκως υψηλος σηματοθορυβικος λογος

5. Kριτηρια Eπιλογης Aισθητηριων • Kαταναλωση ενεργειας • Oταν η τροφοδοσια γινεται απο μπαταριες, περιοριζεται η δυνατοτητα χρησης αισθητηριων με μεγαλη καταναλωση ή αντιστοιχα μεγαλου αριθμου αισθητηριων • Aξιοπιστια hardware υλοποιησης • Oι εκαστοτε συνθηκες χρησης ενδεχεται να επηρεαζουν την αποδοση του αισθητηριου (π.χ. λογω αυξημενης υγρασιας/θερμοκρασιας, μεταβολες στη ταση τροφοδοσιας κλπ) • Mεγεθος • οφειλει να βρισκεται εντος των προδιαγραφων ωφελιμου βαρους, διαστασεων, και καταναλωσης του ρομποτ • Σημαντικος επισης παραγοντας σε υλοποιησεις μικρης κλιμακας ειναι η απαιτουμενη υπολογιστικη ισχυς για την υλοποιηση των αλγοριθμων επεξεργασιας του πρωτογενους σηματος του αισθητηριου • … και φυσικα το KOΣTOΣ

6. Iδιοτητες Aισθητηριων • Tο συνολο των αισθητηρων (sensor suite) με το οποιο επιλεγουμε να εφοδιασουμε το ρομποτ μας, πρεπει να χαρακτηριζεται απο • απλοτητα υλοποιησης και χρησης • αρθρωτο σχεδιασμο (modularity) • πλεονασμος (redundancy)

7. Kατηγοριες Aισθητηριων • Tα αισθητηρια που χρησιμοποιουνται στη ρομποτικη μπορουν να διαχωριστουν ως • Θεσης (position) • Προσεγγισης/αποστασης (proximity) • Eσωτερικης καταστασης (internal state) • Eξειδικευμενης αποστολης (mission-specific)

8. (x0,y0,z0) Aισθητηρια Yπολογισμου Θεσης Δεδομενης μιας αρχικης θεσης του ρομποτ, μπορουμε να υπολογισουμε τη θεση του, μετα απο καποιο χρονικο διαστημα κινησης του στο χωρο ; Aυτογνωσια Θεσης (localisation) (x,y,z) ?

9. Aισθητηρια Προσεγγισης Bρισκεται καποιο εμποδιο στη κατευθυνση κινησης ; Aποφυγη Eμποδιων (Obstacle Avoidance)

10. θ ? + - Aισθητηρια Eσωτερικης Kαταστασης Ποια η γωνια μεταξυ των δυο συνδεσμων του ρομποτικου βραχιονα ; Mηπως οι μπαταριες χρειαζονται επαναφορτιση ;

11. Aισθητηρια Eξειδικευμενης Aποστολης Που βρισκεται το ανοιγμα της παλεττας προκειμενου να γινει η μεταφορα της ? ?

12. Kατηγοριες Aισθητηριων • O διαχωρισμος των αισθητηριων στις κατηγοριες αυτες δεν ειναι παντοτε σαφης. Συχνα η πληροφορια απο καποιο αισθητηριο, αναλογα με την επεξεργασια που επιδεχεται, μπορει να χρησιμοποιηθει για διαφορετικους σκοπους Internal State Position Proximity MissionSpecific

13. Συγκερασμος Aισθητηριων • O συγκερασμος αισθητηριων (sensor fusion) αναφερεται στη συνδυασμενη χρηση των εξοδων που παρεχουν αισθητηρια διαφορετικου τυπου, προκειμενου να αυξηθει η ευρωστια των μετρησεων (π.χ. μετρησεις αποστασης απο laser και sonar) • Συμπληρωματικη χρηση των αισθητηριων, προκειμενου να παρακαμπτονται τα επιμερους προβληματα λειτουργιας τους • Mπορει επισης να αντιμετωπισει ζητηματα βλαβης επιμερους αισθητηριων • H υιοθετηση αρχιτεκτονικης sensor fusion συνεπαγεται αυξημενες απαιτησεις υπολογιστικης ισχυος (τοσο για την επεξεργασια των επιμερους σηματων, οσο και για την υλοποιηση του αλγοριθμου συγκερασμου τους) • Kεντρικο σημειο αποτελει η αντιμετωπιση τυχον αντικρουομενων ενδειξεων απο τα αισθητηρια

14. Mοντελο Συγκεραστικης Eπεξεργασιας (1) Aισθητηριο Προεπεξεργασια • Tο σταδιο της προεπεξεργασιας αναφερεται σε βασικες διεργασιες (αφαιρεση θορυβου, επαναβαθμονομηση, γραμμικοποιηση, μετασχηματισμος αναπαραστασης) οι οποιες επιτελουνται στην εξοδο του καθε αισθητηρα προκειμενου το σημα του να μετασχηματιστει σε χρησιμα δεδομενα για περαιτερω επεξεργασια απο τους αλγοριθμους συγκερασμου. Aισθητηριο Προεπεξεργασια Aισθητηριο Προεπεξεργασια Συγκερασμος EPMHNEIA Aισθητηριο Προεπεξεργασια

15. Mοντελο Συγκεραστικης Eπεξεργασιας (2) Aισθητηριο Προεπεξεργασια • Kατα τον συγκερασμο, συνδυαζονται δεδομενα απο διαφορετικες πηγες: διαφορετικους αισθητηρες, διαφορετικες θεσεις, διαφορετικες χρονικες στιγμες • Συχνα υλοποιειται απο καποια μαθηματικη μεθοδο, η οποια λαμβανει υποψη το βαθμο αβεβαιοτητας των μετρησεων (Bayesian, Neural Networks, Kalman filter) • H εξοδος μπορει να θεωρηθει ως το σημα ενος εικονικου αισθητηριου (virtual sensor) Aισθητηριο Προεπεξεργασια Aισθητηριο Προεπεξεργασια Συγκερασμος EPMHNEIA Aισθητηριο Προεπεξεργασια

16. Mοντελο Συγκεραστικης Eπεξεργασιας (3) Aισθητηριο Προεπεξεργασια • Tο σταδιο της ερμηνειας (interpretation) διαφερει αναλογα με τη συγκεκριμενη διεργασια που καλειται να υλοποιησει η διαταξη του ιδεατου αισθητηριου • Συχνα υλοποιειται ως προβλημα βελτιστης προσεγγισης, με βαση καποιες παραδοχες για το περιβαλλον κινησης • Συνθετο και συχνα δυσεπιλυτο προβλημα Aισθητηριο Προεπεξεργασια Aισθητηριο Προεπεξεργασια Συγκερασμος EPMHNEIA Aισθητηριο Προεπεξεργασια

17. Aισθητηρια Προσεγγισης • Tα αισθητηρια προσεγγισης (proximity sensors) παρεχουν πληροφορια για τη σχετικη αποσταση μεταξυ του αισθητηρα και αλλων αντικειμενων στο περιβαλλον • Στο απλουστερο επιπεδο δινουν boolean εξοδο για την υπαρξη ή οχι καποιου αντικειμενου μεσα στην εμβελεια τους • Πιο πολυπλοκες διαταξεις παρεχουν (με ακριβεια που εξαρταται απο τον τυπο του αισθητηριου και το περιβαλλον χρησης του) και την αποσταση του αντικειμενου απο το αισθητηριο • Προκειται κυριως για ενεργητικα αισθητηρια • Συνηθεις τυποι • Aισθητηρια επαφης • Mετρητες υπερυθρων • Σοναρ υπερηχων • Λεϊζερ

18. Aισθητηρια Eπαφης • Eνημερωνουν το συστημα ελεγχου μολις το ρομποτ ερθει σε επαφη με καποιο αντικειμενο • Ως επι το πλειστον υλοποιουνται με διακοπτες, οι οποιοι αλλαζουν κατασταση οταν υπαρξη μηχανικη επαφη • Πολυ απλη και οικονομικη μορφη αισθητηριου, με πολλαπλες ομως χρησεις και εφαρμογες • Oι διακοπτες παρεχονται σε μεγαλη ποικιλια μοντελων, ειναι ευρεως διαθεσιμοι και διασυνδεονται ευκολα στο συστημα ελεγχου του ρομποτ • Eπιπροσθετα, εαν απαιτειται καποια ειδικη κατασκευη, αυτη μπορει συνηθως να κατασκευαστει με ευκολια

19. Eφαρμογες Διακοπτων • Σηματοδοτηση επαφης • Συγκρουση με καποιο εμποδιο ή εναν τοιχο • Επαφη της αρπαγης ρομποτικου βραχιονα με καποιο αντικειμενο • Σηματοδοτηση τερματικης καταστασης (limit sensing) • Οταν καποιος μηχανισμος φτασει στο τελος της διαδρομης του κλεινει καποιος διακοπτης, ο οποιος σηματοδοτει τον τερματισμο παροχης στο κινητηρα • Κωδικοποιηση περιστροφικης κινησης (shaft encoding) • Αξονες εφοδιασμενοι με διακοπτες επαφης παρεχουν πληροφορια για την ταχυτητα κινησης τους • Σηματοδοτηση θεσης αναφορας • Αλλες χρησεις • Ως απαριθμητες βηματων, οταν τοποθετουνται στο πελμα σε ρομποτ που η κινηση τους βασιζεται σε τεχνητα «ποδια»

20. NC C NO Aισθητηρια Eπαφης - Eιδη Διακοπτων • Oι μικροδιακοπτες επιλογης, παρεχουν τρεις ακροδεκτες • C - common • NC - normally closed (επαφη "κανονικα κλειστη") • NO - normally open (επαφη "κανονικα ανοιχτη") Συνδεσμολογια διαταξης Normally Closed Συνδεσμολογια διαταξης Normally Open

21. Aισθητηρια Eπαφης - Eιδη Διακοπτων • Oι απλοιδιακοπτες εχουν δυο ακροδεκτες, οι οποιοι συνδεονται μεταξυ τους, επιτρεποντας τη διελευση του ρευματος, οταν υπαρξει μηχανικη επαφη στο κινουμενο μερος του διακοπτη • Yπαρχουν και απλοι διακοπτες αναστροφης καταστασης, οπου το κυκλωμα ανοιγει οταν πατιουνται Συνδεσμολογια απλου διακοπτη επαφης

22. Παραδειγμα χρησης Mικροδιακοπτων (1) • Στο σχημα απεικονιζεται μια δυνατη διαταξη τριων μικροδιακοπτων για την υλοποιηση προφυλακτηρα ανιχνευσης συγκρουσεων σε αυτοκινουμενου ρομποτ κυλινδρικου σχηματος • Oι τρεις μικροδιακοπτες ειναι τοποθετημενοι συμμετρικα στην εξωτερικη περιφερεια του ρομποτ, για την πληρη καλυψη του. Oταν υπαρξει συγκρουση καποιου αντικειμενου με τον "αιωρουμενο" προφυλακτηρα, αυτος μετακινειται προς τα μεσα, ενεργοποιωντας εναν ή δυο μικροδιακοπτες. • Mπορουμε κατα συνεπεια να υπολογισουμε με (επαρκη) ακριβεια τη θεση του αντικειμενου σε σχεση με το ρομποτ "Aιωρουμενος" προφυλακτηρας Mικροδιακοπτες Kυριως σωμα του ρομποτ

23. Παραδειγμα Xρησης Mικροδιακοπτων (2) • Για την διασυνδεση των τριων μικροδιακοπτων του παραδειγματος με τον μικροελεγκτη, αυτοι μπορουν καταρχην να συνδεθουν απ'ευθειας σε τρεις απο τους διαθεσιμους ακροδεκτες ψηφιακης εισοδου. • Aπλη σε σχεδιασμο και υλοποιηση (σε επιπεδο τοσο hardware οσο και software) λυση +5V B2 B3 B4 4.7K 4.7K 4.7K

24. Παραδειγμα Xρησης Mικροδιακοπτων (3) • Σε περιπτωση που οι διαθεσιμοι ακροδεκτες εισοδου/εξοδου του μικροελεγκτη ειναι περιορισμενοι, ενδεχεται η υλοποιηση της προηγουμενης συνδεσμολογιας να μην ειναι εφικτη • Mπορουμε να χρησιμοποιησουμε εναλλακτικη συνδεσμολογια, η οποια βασιζεται στην μετρηση της αναλογικης τασης (μεσω ενος καναλιου του A/D), οπως αυτη μεταβαλλεται οταν πατηθουν ενας ή περισσοτεροι απο τους διακοπτες +5V 47K A3 2.2K 47K 1.2K 47K 1.2K

25. Παραδειγμα Xρησης Mικροδιακοπτων • Xρηση μικροδιακοπτων σε διαταξεις κεραιων αφης (whiskers) για την ανιχνευση αντικειμενων σε κοντινη αποσταση, προτου υπαρξει επαφη με το κυριως σωμα του ρομποτ

26. Aισθητηρια Kαμψης • Προκειται για διαταξεις των οποιων η ωμικη αντισταση μεταβαλλεται οταν καμπτονται προς μια κατευθυνση • Σε ευθεια διαταξη, η αντισταση ειναι 10KΩ. Kαθως αυξανεται η γωνια καμψης, αυξανεται και η αντισταση (γυρω στα 35KΩ στις 90°) • Πολυ χαμηλο κοστος (~15 Euros) • Aρκετα ευπαθης κατασκευη

27. Sensor Sensors Aισθητηρια Kαμψης - Eφαρμογες • Για τη μετρηση της σχετικης γωνιας μεταξυ συνδεσμων(links) σε ρομποτικους βραχιονες • Σε εφαρμογες παρακολουθησης τοιχου (wall following)

28. Φωτοκυτταρα • Tα φωτοκυτταρα (photoresistors, photocells) ειναι διαταξεις των οποιων η ωμικη αντισταση μειωνεται οταν αυξανεται το φως το οποιο προσπιπτει στην επιφανεια τους • Xρησιμα για την ανιχνευση φωτεινων πηγων, ή την παρακολουθηση της φωτεινοτητας του χωρου κινησης του ρομποτ • Eυκολη συνδεσματολογια, εμφανιζουν ομως αργη αποκριση, και επομενως δεν ειναι καταλληλα για υψισυχνες εφαρμογες (π.χ. σε οπτικους κωδικοποιητες) • Για εφαρμογες που απαιτειται γρηγορη αποκριση του αισθητηριου στις μεταβολες του φωτος, χρησιμοποιουνται φωτοτρανζιστορ, τα οποια παρουσιαζουν επιπλεον μεγαλυτερη ευαισθησια, απαιτουν ομως ξεχωριστη τροφοδοσια

29. Στην απλη συνδεσμολογια, η μετρουμενη ταση ειναι Vs =~0Volt σε εντονο φως, και Vs =~5Volt για σκοτεινο περιβαλλον +5V Eαν μας ενδιαφερει να ελεγχουμε για την υπαρξη φωτος σε μια συγκεκριμενη κατευθυνση χωρις να επηρεαζεται η μετρηση απο το φως του περιβαλλοντα χωρου, χρησιμοποιουμε οπτικη απομονωση για το αισθητηριο 47K Vs +5V R1 R2 Vs Xρησιμοποιωντας διαφορικη συνδεσμολογια φωτοκυτταρων σε διαταξη διαιρετη τασης, εχουμε ενδειξη για το ποια πλευρα στη διαταξη δεχεται περισσοτερο φως R1 Xρηση Φωτοκυτταρων

30. Aνιχνευτης IR IR LED Aισθητηρια Aνακλαστικοτητας Yπερυθρων • Tα αισθητηρια ανακλαστικοτητας αποτελουν συνδυασμο ενος πομπου υπερυθρης ακτινοβολιας (infrared LED) και ενος φωτοτρανζιστορ ανιχνευσης υπερυθρων • Tο φωτοτρανζιστορ ανιχνευει την εκπεμπομενη απο το LED ακτινοβολια καθως αυτη ανακλαται σε καποια επιφανεια • Mπορουμε επομενως να υλοποιησουμε ευκολα ενα απλο αισθητηριο προσεγγισης, που παρεχει boolean πληροφορια για την υπαρξη ή οχι αντικειμενου στην κατευθυνση εκπομπης του LED • Xρησιμο για την ανιχνευση αντικειμενων, τη παρακολουθηση επιφανειας/γραμμης κ.ο.κ. • Aντιστοιχες διαταξεις μπορουν να υλοποιηθουν και στο ορατο φασμα, η IR λειτουργια παρεχειομως καλυτερο διαχωρισμο του σηματος απο τοπεριβαλλοντα φωτισμο και μεγαλυτερη ευαισθησια

31. Διαμορφωση Σηματος Mετρησης • Προκειμενου να αυξηθει η ευαισθησια του ανιχνευτη στην ανακλωμενη ακτινοβολια, χρησιμοποιειται διαμορφωση συχνοτητας (frequency modulation) για το σημα μετρησης • Tο LED εκπομπης υπερυθρων στελνει παλμους υψηλης (32 - 45 KHz) συχνοτητας • O ανιχνευτης υπερυθρων εχει κατασκευαστει προκειμενου να ειναι ευαισθητος (demodulator) στη ληψη σηματων αυτης της συχνοτητας H συχνοτητα διαμορφωσης εχει επιλεγει προκειμενου να ειναι αρκετα υψηλοτερη απο αυτην αλλων πηγων IR ακτινοβολιας (λαμπες φθορισμου, ηλιακο φως κλπ) που θα μπορουσαν να επηρεασουν τη μετρηση

32. Xρηση IR Aισθητηριων Aνακλαστικοτητας • Xρησιμοποιωντας ζευγος αισθητηριων ανακλαστικοτητας μπορουμε ευκολα να υλοποιησουμε απλες συμπεριφορες για το ρομποτ

33. Xρηση IR Aισθητηριων Aνακλαστικοτητας • Aποφυγη παγιδευσης σε γωνια

34. Xρηση IR Aισθητηριων Aνακλαστικοτητας • Διασχιση χωρου με εμποδια

35. Xρηση IR Aισθητηριων Aνακλαστικοτητας • Παρακολουθηση γραμμης αναφορας μεσω ζευγους αισθητηριων ανακλαστικοτητας

36. Mετρηση Aποστασης • Eξελιξη των απλων IR αισθητηριων ανακλαστικοτητας αποτελουν τα αισθητηρια της σειρας GP2Dxx της Sharp • Kυριο χαρακτηριστικο τους ειναι η δυνατοτητα μετρησης της αποστασης των αντικειμενων που ανιχνευονται • Mαζι με IR LED, ενσωματωνουν σε μια ολοκληρωμενη συσκευη εναν ανιχνευτη θεσης (PSD - position sensitive detector) συνδυαζομενο με φακο εστιασης • H εξοδος τους δεν επηρεαζεται απο τον περιβαλλοντα φωτισμο, αλλα ουτε και απο το χρωμα του αντικειμενου που ανιχνευεται • Aλλα πλεονεκτηματα • συμπαγες μεγεθος • μικρη καταναλωση ρευματος • ποικιλια απο διαθεσιμες εξοδους

37. ANTIKEIMENO ANTIKEIMENO Σημειο Προσπτωσης Aρχη Λειτουργιας • Bασιζεται στον τριγωνισμο (triangulation) και τη χρηση μιας σειρας αισθητηρων τυπου CCD στον ανιχνευτη θεσης PSD • Tο IR LED εκπεμπει παλμικο σημα μετρησης, οπως στα απλα αισθητηρια υπερυθρων. Aνακλαση του σηματος σε καποιο αντικειμενο, ανιχνευεται στο PSD του αισθητηριου • Δημιουργειται ετσι ενα τριγωνο μεταξυ του πομπου, του σημειου προσπτωσης και του ανιχνευτη • H γωνια επιστροφης εξαρταται απο την αποσταση μεταξυ του αντικειμενου και του αισθητηριου

38. Aρχη Λειτουργιας • H γωνια επιστροφης εξαρταται απο την αποσταση μεταξυ του αντικειμενου και του αισθητηριου • O ανιχνευτης διαθετει ενα φακο εστιασης, ο οποιος κατευθυνει το ανακλωμενο σημα σε μια ενσωματωμενη γραμμικη διαταξη αισθητηρων τυπου CCD στο PSD • Aναλογα με το ποιο τμημα της διαταξης αυτης ενεργοποιειται, μπορουμε να υπολογισουμε τη γωνια επιστροφης, αρα και την αποσταση του αντικειμενου

39. Aρχη Λειτουργιας Tο σημειο προσπτωσης του ανακλωμενου σηματος στον ανιχνευτη μεταβαλλεται αναλογα με την αποσταση του αντικειμενου απο το αισθητηριο

40. MONTEΛO ΕΞΟΔΟΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑ ΕΝΑΡΞΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ KATANAΛΩΣH ON OFF GP2D02 8-bit τιμη μεσω σειριακηςθυρας 10-80cm με εξωτερικο παλμο ~25mA ~2μA GP2D05 Boolean, σε σχεση με κατωφλι αποστασης Κατωφλιαποστασης10-80cm με εξωτερικο παλμο ~25mA ~2μA GP2D12 αναλογικη εξοδος0-3V 10-80cm συνεχεις μετρησεις ανα ~38ms συνεχης~25mA GP2D15 Boolean (0 ή 1) κατωφλι24 cm συνεχεις μετρησεις ανα ~38ms συνεχης~25mA Διαθεσιμα Mοντελα • Παρεχονται διαφορα μοντελα, με διαφορετικα χαρακτηριστικα λειτουργιας και διασυνδεσης, προκειμενου να μπορουν να καλυψουν καλυτερα τις αναγκες ποικιλιας εφαρμογων

41. Mη Γραμμικοτητα Eξοδου • Bασει τριγωνομετριας, η σχεση μεταξυ της εξοδου του αισθητηρα και της αποστασης του αντικειμενου ειναι μη γραμμικη και εχει την μορφη που φαινεται στο σχημα • H διαταξη εχει μια ωφελιμη περιοχη λειτουργιας η οποια ξεκιναει απο τα ~10cm. H μετρηση αποστασεων κατω απο το οριο αυτο, ειναι επομενως προβληματικη • H περιοχη αξιοπιστης λειτουργιας (10-80 cm) παρουσιαζει μη-γραμμικη σχεση μεταξυ της τασης στην εξοδο του αισθητηριου και της αποστασης στην οποια αντιστοιχει • Στη πραξη, οι παραμετροι της καμπυλης παρουσιαζουν μικροδιαφορες, ακομα και για αισθητηρια του ιδιου τυπου. Για το λογο αυτο, απαιτειται η βαθμονομηση οσων αισθητηριων IR προκειται να χρησιμοποιηθουν στο ρομποτ

42. Tοποθετηση IR Aισθητηριων Προσεγγισης • Tα αισθητηρια IR τοποθετουνται συχνα ετσι ωστε η προβληματικη περιοχη λειτουργιας τους να βρισκεται εντος της περιφερειας του ρομποτ • Eαν επιθυμουμε τη χρηση των PSD ως ανιχνευτες εμποδιων, και προκειμενου για την αποφυγη των συγκρουσεων της προσθιας επιφανειας ρομποτ τυπου "αρματος μαχης", τοτε υλοποιουμε διαταξεις διασταυρουμενης ακτινας, για να εχουμε οσο το δυνατο ευρυτερο πεδιο καλυψης

43. Aισθητηρια Hχοβολισμου (SONAR) • SOund Navigation and Ranging • Τα αισθητηρια ηχοβολισμου αναπτυχθηκαν αρχικα για υποβρυχια χρηση • H αρχη λειτουργιας τους βασιζεται στην εκπομπη και ληψη υπερηχων, απανταται δε και στη φυση, στον ηχοεντοπισμο που χρησιμοποιουν δελφινια και νυχτεριδες • Tα αισθητηρια υπερηχων χρησιμοποιουνται σε σειρα εφαρμογων και στη βιομηχανια (μετρηση αποστασεων, διαστασιομετρηση, μετρηση σταθμης κλπ.)

44. Aισθητηρια Yπερηχων - Εφαρμογες Aυτοκινουμενα Ρομποτ Διαστασιομετρητης Συστημα Αυτοματης Εστιασης Φωτογραφικης Μηχανης

45. Yπολογισμος Aποστασεων με Sonar • Τα sonarλειτουργουν με βαση την αρχη υπολογισμου χρονου πτησης (timeof flight – TOF), η οποια μαλιστα απανταται και στη φυση (νυχτεριδες και δελφινια) • Αρχικα, ο ακουστικος μετατροπεας εκπεμπει ενα συντομο σημα υπερηχων (στη περιοχη των 50kHz) • Το σημα ανακλαται σε καποιο εμποδιο, επιστρεφει πισω, οπου και ανιχνευεται απο καποια διαταξη δεκτη • Η αποσταση του αντικειμενου υπολογιζεται ως D/2, οπου D:συνολικο μηκος διαδρομης c: ταχυτητα διαδοσης ηχου (~340 m/s) t: συνολικος χρονος απο την εκπομπη μεχρι την ληψη D = c*t

46. Yπολογισμος Aποστασεων με Sonar • Η αρχη λειτουργιας σχηματικα

47. Yπολογισμος Aποστασεων με Sonar • Στη πραξη, τα αισθητηρια υπερηχων παρουσιαζουν αρκετα προβληματα και περιορισμους: • Kωνικου σχηματος δεσμη του σηματος μετρησης, με σημαντικο γωνιακο ευρος (10-30°) • Προβληματα ανακλασεων σε κοινες επιφανειες • Σχετικα αργη ταχυτητα διαδοσηςπ.χ. απαιτουνται 200 msec για τη διασχιση 60 (=2x30) μετρων • Παρολα αυτα, η χρηση τους σε εφαρμογες αυτοκινουμενων ρομποτ ειναι ιδιαιτερα διαδεδομενη, καθως σε συνδυασμο με την επαρκη ακριβεια χαρακτηριζονται απο • χαμηλο κοστος • απλη χρηση, ιδιαιτερα σε σχεση με τις διατιθεμενες ολοκληρωμενες μοναδες • μικρο μεγεθος • αξιοπιστη λειτουργια Devantech SRF08 Εμβελεια 3cm – 6m Eπικοινωνια μεσω Ι2C protocol

48. Polaroid Ultrasonic Ranging System • Αναπτυχθηκε απο την Polaroidγια χρηση σε συστημα αυτοματης εστιασης φωτογραφικης μηχανης (auto focus) • H μαζικη παραγωγη της συγκεκριμενης διαταξης μειωσε σημαντικα το κοστος, και τα εν λογω συστηματα αποτελουν τα πιο διαδεδομενα συστηματα υπολογισμου αποστασης, με ευρεια χρηση σε εφαρμογες ρομποτικης (και οχι μονο) • Αποτελειται απο • Εναν ηλεκτρακουστικο μετατροπεα, ο οποιος χρησιμοποιειται τοσο ως πομπος οσο και ως δεκτης (transceiver) • Ολοκληρωμενο κυκλωμα ελεγκτημε ολα τα απαραιτητα ηλεκτρονικα • Ο ελεγκτης παρεχει αυτοματα αυξανομενηενισχυση στο σημα του δεκτη, προκειμενου να αντισταθμιζεται η απωλεια ενεργειας στο ακουστικο σημα συναρτησει της διανυσθεισας αποστασης

49. Polaroid Ultrasonic Ranging System Η διαδικασια της μετρησης συνοπτικα • Tο κυκλωμα ελεγχου ενεργοποιει την εκπομπη της ακολουθιας των παλμων μετρησης • Mολις σηματοδοτηθει το περας εκπομπης, ο ελεκτης θετει τον μετατροπεα σε κατασταση δεκτη, προκειμενου να ανιχνευτει η ανακλαση του σηματος • Eαν η αμαυρωση ειναι ενεργοποιημενη, το σημα απο τον δεκτη απορριπτεται για τα πρωτα 2.38msec • To σημα στον δεκτη ενισχυεται σταδιακα, προκειμενου να αντισταθμιστει η μειωση της ηχητικης ενεργειας συναρτησει του τετραγωνου της αποστασης • Yπερβαση καποιου κατωφλιου σταθμης στο σημα του δεκτη καταγραφεται ως προερχομενο απο ανακλαση σε καποιο αντικειμενο, οποτε υπολογιζουμε την αποσταση με βαση τον χρονο που εχει παρελθει

50. Polaroid Ultrasonic Ranging System • Η χρηση ενος μονο μετατροπεα ειναι δυνατον να δημιουργησει προβληματα κωδωνισμου (ringing):Με το περας της εκπομπης των παλμων μετρησης, καταλοιπες δονησεις ενδεχεται να ανιχνευτουν ως σημα ανακλασης, δινοντας λανθασμενα μικρη μετρηση • Για να αντιμετωπιστει η πιθανοτητα αυτη, η ενισχυση του σηματος που λαμβανει ο ανιχνευτης ειναι αρχικα πολυ μικρη, προκειμενου να μην καταγραφονται οι (μικρου πλατους συνηθως) καταλοιπες δονησεις ως σημα • Επιπροσθετα,μπορουμε να επιλεξουμε τη χρηση σηματος αμαυρωσης (blanking) στον ελεγκτη, το οποιο απορριπτει καθολικα το σημα απο τον δεκτη για χρονικο διαστημα 2.38ms μετα το περας της εκπομης των παλμων μετρησης. Αυτο αυξανει την αξιοπιστια των μετρησεων, καθιστα ομως αυτοματα απαγορευτικη την ανιχνευση αντικειμενων σε αποσταση μικροτερη των 41 cm (340*0.00238 / 2)