Robotika. 18. února Ing. František Burian

Transkript

1 Robotika Snímače v 18. února 2013 Ing. František Burian

2 Proc snı mat velic iny? Snı ma nı v De lenı Internı snı mac e Externı snı mac e Poz adovany stav Algoritmy r ı zenı Akc nı c leny Okolı robotu Snı mac e Vne js ı vlivy

3 Jaké snímat veličiny? Dělení Napodobení lidského senzorického systému

4 Jaké snímat veličiny? Dělení Napodobení lidského senzorického systému zrak, sluch, hmat, čich, chut

5 Jaké snímat veličiny? Dělení Napodobení lidského senzorického systému zrak, sluch, hmat, čich, chut Rozšíření o další veličiny

6 Jaké snímat veličiny? Dělení Napodobení lidského senzorického systému zrak, sluch, hmat, čich, chut Rozšíření o další veličiny Magnetické pole, elektrické pole, teplota, zrychlení...

7 Jaké snímat veličiny? Dělení Napodobení lidského senzorického systému zrak, sluch, hmat, čich, chut Rozšíření o další veličiny Magnetické pole, elektrické pole, teplota, zrychlení... Komplexní veličiny

8 Jaké snímat veličiny? Dělení Napodobení lidského senzorického systému zrak, sluch, hmat, čich, chut Rozšíření o další veličiny Magnetické pole, elektrické pole, teplota, zrychlení... Komplexní veličiny Poloha a orientace předmětu či robotu

9 Jaké snímat veličiny? Dělení Napodobení lidského senzorického systému zrak, sluch, hmat, čich, chut Rozšíření o další veličiny Magnetické pole, elektrické pole, teplota, zrychlení... Komplexní veličiny Poloha a orientace předmětu či robotu Detekce překážek

10 Jaké snímat veličiny? Dělení Napodobení lidského senzorického systému zrak, sluch, hmat, čich, chut Rozšíření o další veličiny Magnetické pole, elektrické pole, teplota, zrychlení... Komplexní veličiny Poloha a orientace předmětu či robotu Detekce překážek Detekce chybových stavů

11 Jaké snímat veličiny? Dělení Napodobení lidského senzorického systému zrak, sluch, hmat, čich, chut Rozšíření o další veličiny Magnetické pole, elektrické pole, teplota, zrychlení... Komplexní veličiny Poloha a orientace předmětu či robotu Detekce překážek Detekce chybových stavů Měření změn okolního prostředí

12 Jaké snímat veličiny? Dělení Napodobení lidského senzorického systému zrak, sluch, hmat, čich, chut Rozšíření o další veličiny Magnetické pole, elektrické pole, teplota, zrychlení... Komplexní veličiny Poloha a orientace předmětu či robotu Detekce překážek Detekce chybových stavů Měření změn okolního prostředí Kontrola výsledků akce robotu

13 Jaké snímat veličiny? Dělení Napodobení lidského senzorického systému zrak, sluch, hmat, čich, chut Rozšíření o další veličiny Magnetické pole, elektrické pole, teplota, zrychlení... Komplexní veličiny Poloha a orientace předmětu či robotu Detekce překážek Detekce chybových stavů Měření změn okolního prostředí Kontrola výsledků akce robotu Kontrola zdraví robotu

14 Základní rozdělení snímačů pro roboty Dělení Snímače vnitřních stavů robotu Provozní stavy Monitoring poruch Vnímání okolí robotu Umožňují interakci s okolím Rozšiřují množství možných úloh

15 Základní stavy robotu, proud, teplota... Poloha osy pohonu Enkodéry, potenciometry, Hallův senzor, Resolver Rychlost osy pohonu Enkodéry, tachodynama na hřídeli pohonu, tenzometry Síla Tenzometry, magnetoelastické, magnetoanizotropní mat

16 Snímače napětí Použití Stav nabití baterie Ostatní veličiny se převádí na napětí Řídící desky napět ové vstupy mají Napět ový vstup R 1 U IN R 2 U ADC Nutné mít na paměti Vnitřní odpor vstupu (zatížení) Vnitřní kapacitu vstupu (spektrum) Filtrace, vzorkování!ochrany vstupu U IN = R 1 + R 2 U ADC R 2

17 Snímače proudu Použití protékající motorem (moment) do aktuátoru (výchylka magnetodyn. motoru ap.) Měření kondice baterií Ochrana baterií Zapojení měření I R S i z S R z Nutné mít na paměti Nutnost použití převodníku I/U Zapojení převodníku I/U Rezistor Měřicí transformátor Hallův jev R Z S i z R S

18 Snímače proudu V kladné větvi Detekce přetížení Detekce zkratu na kostru EMC odolné Nevýhody OZ rail-to-rail OZ a zapojení s vysokým common mode rejection ratio Nízké zesílení OZ Zapojení měření I R S i z S R z V záporné větvi vztaženo k zemi Lze použít neinvertující OZ Lze použít nízkonapět ový OZ Nevýhody Přerušení zemní smyčky (EMC) Nelze detekovat zkrat na kostru Zkrat na kostru přeruší měření možný offset, zemní smyčky R Z S i z R S

19 Dostupné proudu Rezistor Přesnost dobrá Teploty dobrá Cena nízká Oddělení obvodu ne Vysoké proudy špatné Saturace/Hystereze není Výkon. ztráta vysoká AC/DC AC i DC Hallův jev Přesnost dobrá Tepl. závislost vysoká Cena vysoká Oddělení obvodu ano Vysoké proudy ok Saturace/Hystereze ano Výkon. ztráta nízká AC/DC AC i DC Měřicí trafo Přesnost střední Tepl. závislost dobrá Cena střední Oddělení obvodu ano Vysoké proudy ok Saturace/Hystereze ano Výkon. ztráta nízká AC/DC pouze AC

20 Rezistor Užitečné vlastnosti Odstup signál-šum u(t) = Ri(t) Tepelné ztráty P (t) = Ri 2 (t) Parazitní vlastnosti Nelze zvýšit poměr signál šum nad určitou mez U = RI = P = RI 2 Vlastní indukčnost PWM spínání tranzistorů ovlivňuje měřenou hodnotu v době rozepnutí Bezindukční (vrstvené) rezistory mají obvykle malý ztrátový výkon

21 Hallův snímač Vlastnosti Materiál GaAs InSb Měří mag. pole vyvolané průchodem proudu Z principu funkce oddělený obvod Je možné měření v kladné větvi Princip funkce U H = h BI d +U H I B U H

22 ový transformátor Vlastnosti Používají se pro velké proudy Primár bývá pár závitů Sekundár mnoho závitů Sekundár = zdroj proudu Frekvenční rozsah ok pro R S = 0 Princip funkce i P I P = NP N S I S N S i S U S R S i P I P = NP N S U S i S R S R S N S + U S

23 Snímání polohy - Potenciometr Absolutní enkoder Inkrementální enkoder Sinusový enkoder Resolver Speciální

24 Potenciometr Výhody Absolutní snímač ( přímo odpovídá poloze) Nejlevnější způsob měření Linearita (setiny procenta) Opakovatelnost Nevýhody Vysoký vnitřní odpor Odpor přívodů (offsety) Životnost (tření) Mrtvá zóna (neměří 360 ) Princip funkce U 1 U = x1 x U x x 1 0 U 1

25 Enkodéry Optické Optický kotouč montován na hřídel motoru Snímač optický (fototranzistor ap.) Přesné (Fotolitografie) Magnetické Místo kotoučku lze použít zuby převodovky Snímač magnetický (induktivní, indukční, hall ap.) Méně přesné b0 b1 b2 b3 b4 Mechanické Kotouček s dírami, do kterých zapadají jazýčky relé Víceméně historie (telefonní ústředny)

26 Absolutní enkodér Výhody Měří celou otáčku, nekonečně mnoho otáček Po startu je definovaná poloha Velmi jednoduché zpracování Nevýhody Nízké rozlišení (dáno počtem bitů, typicky 8 až 10 bitů) Výrobně složitý (drahý) Grayův kód Používán velmi často Změna jediného bitu mezi stavy Binární kód Používán zřídka Hazardní stavy

27 Inkrementální enkodér Výhody Jednodušší na výrobu - kotouč s jednou řadou clonek Možnost volby přesnosti dekódování Nevýhody Rozlišení dáno přesností clonek Složitější zpracování Po zapnutí není známa počáteční poloha Jednokanálový Výrobně jednoduchý Nelze zjistit směr Zuby převodovky Kvadraturní 4x vyšší rozlišení Složitější kotouček Dva senzory v ose Lze zjistit směr Kvadraturní 4x vyšší rozlišení Jednodušší kotouček Senzory mimo osu Lze zjistit směr

28 Kvadraturní demodulace 1x - Čítač od náběžné hrany A, směr určuje B 2x - Čítač od libovolné hrany A, směr určuje B 4x - Převzorkování signálu a práce s tabulkou stavů 0 B A ERR C 0 A B C D A D 0 A D C B A

29 Sinusový enkodér U y π 2π ϕ U x π 2π ϕ Popis Sine-wave enkodéru Kvadraturní signály nemusí být binární Mohou být analogové u x(t) a u y(t) Fázový posuv mezi nimi je vždy 90 Ze změřených amplitud U x a U y lze spočíst úhel ϕ Implementace Optické (sporadické, analogové zaclonění) Magnetické (na hřídeli magnet, snímá se mag. pole) Indukční (na hřídeli AC cívka, Resolver)

30 Resolver Princip funkce Cívka na rotoru je buzena sinusovým napětím u(t) s konstantní amplitudou U Na statorových cívkách se objeví indukované napětí u x(t) a u y(t) Ze změřených amplitud U x a U y lze spočíst úhel ϕ Rovnice resolveru u(t) = Usin(2πf 0 t) u x (t) = u(t)cos(ϕ) u y (t) = u(t)sin(ϕ) u 0 (t) 2 = u x (t) 2 + u y (t) 2 ϕ = arctg u x(t) u y (t) U Y U 0 ϕ U X

31 Resolver Výhody Jednoduchý na výrobu Jednoduchý na periferie procesoru Přesný (dosažitelné 16b na otáčku) Možnost měření rychlosti (FM) Možnost měření v radioaktivitě Nevýhody Složitější analogové předzpracování Nutnost dostat na hřídel signál U 0 Zkreslení U 0 lze korigovat U y π 2π ϕ U x π 2π ϕ

32 Speciální kombinace Principy uvedené v předcházejícím slajdu lze rozšířit i do dalších oblastí snímání veličin a tím získat další kombinace

33 Speciální kombinace Principy uvedené v předcházejícím slajdu lze rozšířit i do dalších oblastí snímání veličin a tím získat další kombinace Například není nutné u enkodérů používat optické clonky, kvadratuní signál lze získat i jinými senzory

34 Speciální kombinace Principy uvedené v předcházejícím slajdu lze rozšířit i do dalších oblastí snímání veličin a tím získat další kombinace Například není nutné u enkodérů používat optické clonky, kvadratuní signál lze získat i jinými senzory Hallův snímač snímající magnetické zuby převodovky

35 Speciální kombinace Principy uvedené v předcházejícím slajdu lze rozšířit i do dalších oblastí snímání veličin a tím získat další kombinace Například není nutné u enkodérů používat optické clonky, kvadratuní signál lze získat i jinými senzory Hallův snímač snímající magnetické zuby převodovky Hallův snímač snímající pole magnetu přerušované ventilátorem

36 Speciální kombinace Principy uvedené v předcházejícím slajdu lze rozšířit i do dalších oblastí snímání veličin a tím získat další kombinace Například není nutné u enkodérů používat optické clonky, kvadratuní signál lze získat i jinými senzory Hallův snímač snímající magnetické zuby převodovky Hallův snímač snímající pole magnetu přerušované ventilátorem Fototranzistor snímající změnu osvětlení na disku vozidla

37 Speciální kombinace Principy uvedené v předcházejícím slajdu lze rozšířit i do dalších oblastí snímání veličin a tím získat další kombinace Například není nutné u enkodérů používat optické clonky, kvadratuní signál lze získat i jinými senzory Hallův snímač snímající magnetické zuby převodovky Hallův snímač snímající pole magnetu přerušované ventilátorem Fototranzistor snímající změnu osvětlení na disku vozidla V obzvláště speciálníc případech se používají na transformátorovém principu (RVDT, LVDT)

38 Z údaje o poloze Jednoduchý derivační vztah v(t) = dx(t) dt Enkodér Resolver x(t1) x(t0) t 1 t 0 Přímým měřením Délka pulsu enkodéru (malé rychlosti) Frekvence pulsů enkodéru (velké rychlosti) Tachogenerátor (motor zapojený naopak )

39 Měření momentu - motivace Snímáním původce

40 Měření momentu - motivace Snímáním původce motorem Snímáním následků Účinky kroutícího momentu Úhlové zrychlení Deformace Reakční síly Mechanické napětí Odporové tenzometry vláknové Poloha, úhel indukčnostní kapacitní optické Piezoelektrický náboj monokrystal, piezofilm Magnetické vlastnosti Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev

41 Měření momentu - motivace Snímáním původce motorem Snímáním následků Účinky kroutícího momentu Úhlové zrychlení Deformace Reakční síly Mechanické napětí Odporové tenzometry vláknové Poloha, úhel indukčnostní kapacitní optické Piezoelektrický náboj monokrystal, piezofilm Magnetické vlastnosti Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev

42 Měření momentu - motivace Snímáním původce motorem Snímáním následků Účinky kroutícího momentu Úhlové zrychlení Deformace Reakční síly Mechanické napětí Odporové tenzometry vláknové Poloha, úhel indukčnostní kapacitní optické Piezoelektrický náboj monokrystal, piezofilm Magnetické vlastnosti Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev

43 Měření momentu - motivace Snímáním původce motorem Snímáním následků Účinky kroutícího momentu Úhlové zrychlení Deformace Reakční síly Mechanické napětí Odporové tenzometry vláknové Poloha, úhel indukčnostní kapacitní optické Piezoelektrický náboj monokrystal, piezofilm Magnetické vlastnosti Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev

44 Měření momentu - motivace Snímáním původce motorem Snímáním následků Účinky kroutícího momentu Úhlové zrychlení Deformace Reakční síly Mechanické napětí Odporové tenzometry vláknové Poloha, úhel indukčnostní kapacitní optické Piezoelektrický náboj monokrystal, piezofilm Magnetické vlastnosti Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev

45 Měření momentu - motivace Snímáním původce motorem Snímáním následků Účinky kroutícího momentu Úhlové zrychlení Deformace Reakční síly Mechanické napětí Odporové tenzometry vláknové Poloha, úhel indukčnostní kapacitní optické Piezoelektrický náboj monokrystal, piezofilm Magnetické vlastnosti Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev

46 Měření momentu - motivace Snímáním původce motorem Snímáním následků Účinky kroutícího momentu Úhlové zrychlení Deformace Reakční síly Mechanické napětí Odporové tenzometry vláknové Poloha, úhel indukčnostní kapacitní optické Piezoelektrický náboj monokrystal, piezofilm Magnetické vlastnosti Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev

47 motorem Momentové rovnice motoru M(t) = C Φ i a (t) U i (t) = C Φ ω(t) i a(t) ω C Φ Totéž platí i pro lineární motor Měřením i a měříme nepřímo M U M U i C Φ M Nepřesnosti Moment setrvačnosti hřídele Vůle v převodech převodovky Hystereze magnetického obvodu motoru ové impulsy při přepínání komutátoru

48 Vzdálenost - Vzdálenost Poloha Kontaktní senzory vzdálenosti (taktilní) Dochází k dotyku robotu a okolí Spínače Otevřené kontakty Kapacitní Bezkontaktní senzory vzdálenosti (proximitní) Time of flight princip Interferometrie Triangulace

49 Vzdálenost - Taktilní Vzdálenost Poloha Výhody Nejjednodušší senzory vzdálenosti Nevýhody Omezení počtu sepnutí Poruchovost Koroze Binární výstup

50 Vzdálenost - Bezkontaktní Vzdálenost Poloha

51 Time of flight Vzdálenost Poloha Měří se doba průchodu signálu prostředím Známe rychlost šíření signálu prostředím

52 TOF - Ultrazvuk Vzdálenost Poloha Rychlost šíření zvuku ve vzduchu c = 331, t [m/s; C] Senzor pracuje na piezoelektrickém jevu Výhody Jednoduchý a levný snímač Nevýhody Závislost na teplotě Široký vyzařovací diagram

53 TOF - Laser Vzdálenost Poloha Výhody Velmi přesné měření Bodové měření Nezávisí na teplotě Nevýhody Drahé na výrobu Závisí na reflektivitě předmětu

54 Interferometr Vzdálenost Poloha I DETEKTOR I 2 I 1 x + d x I = I 1 + I 2 ± 2 I 1 I 2 cos 2π2d λ Superpozice dvou monochromatických vln Vzdálenost odpovídá počtu interferenčních proužků Výhody Vysoká přesnost Nevýhody Vysoká cena Malý rozsah měření

55 Pasivní triangulace (Stereovize) Vzdálenost Poloha Překážka z z = α β S 1 x S 2 x cot α + cot β Výhody Jednoduché měření Více bodů měření zaráz Dodatečná informace zdarma Nevýhody Náročné na zpracování (obraz) Dobře definované scény Slepé oblasti ve stínu

56 Aktivní triangulace Vzdálenost Poloha z Překážka z = h x 1 x = A + Bu P SD β h x x PSD Bodové měření (GP12D1) Čárové měření (mýtné brány) Projekce obrazce na předmět (Grayův kód / Moiré) Výhody Jednoduché měření Více bodů měření zaráz Dodatečná informace zdarma Nevýhody Náročné na zpracování (obraz) Dobře definované scény Slepé oblasti ve stínu

57 Snímání polohy robotu Vzdálenost Poloha Inerciální Posunutí (Akcelerometr) Natočení (Gyroskop) Systém souřadnic může být vůči absolutní poloze natočen Referenční Posunutí (GPS, GLONASS, Galileo) Natočení (Kompas) V souřadnicích pevné mapy Systém souřadnic může vykonávat rovnoměrný přímočarý pohyb Charakteristickým rysem je integrace (dead reckoning)

58 Akcelerometr Vzdálenost Poloha 2. Newtonův zákon F = Ma = Kdz M... hmotnost závaží a... zrychlení K... tuhost pružiny dz... protažení pružiny Měření dz: Kapacitně (MEMS) Pizezokrystal (Vibrace) Poloha se získá dvojitou integrací (dead reckoning) x = a Teplotní drift!!!!!

59 Mechanický gyroskop Vzdálenost Poloha Měří úhlové zrychlení Levný na výrobu Spolehlivý Radiačně odolný (letadla)..

60 Optický gyroskop (Sagnacův jev) Vzdálenost Poloha Konstrukce Kruhový vlnovod Optický kabel Velmi přesný Velmi drahý Radiace poškozuje vlákno Princip: Dva laserové svazky svítí proti sobě. Rotace ovlivňuje rychlost světla ve vlnovodu. Měří se fázový posuv ze záznějů.

61 Kompas Vzdálenost Poloha Senzor natočení s vntřní referencí Snímá magnetické pole Země Poloha magnetického pólu se v čase nemění Různé principy měření Absolutní enkoder pod magnetem Optické snímání Rogowského cívka Výhody Nedochází k integraci chyby jako u gyroskopů Velmi starý jednoduchý princip Nevýhody Náchylný na rušení (železobetonové budovy, el. Trakce) Nefunguje na měsíci

62 GPS/Glonass/Galileo Vzdálenost Poloha Senzor natočení s vntřní referencí Měří dobu letu signálu z družic. Poloha družic je známá. Zjištění polohy přijímače trilaterací. Každá družice vysílá Přesný čas Polohu Přibližné informace o poloze ostatních družic Systémy založenými na GPS se bude zabývat samostatná přednáška.

63 Děkuji za pozornost 18. února 2013 Ing. František Burian