sensores em robÓtica: distÂncia

SENSORES EM ROBÓTICA: DISTÂNCIAPMR3502

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECATRÔNICA

Arturo Forner-Cordero [[email protected]]

Eduardo L.L. Cabral

Thiago de Castro Martins

OBJETIVOS

Estudar sensores utilizados pelos robôs para perceber o seu ambiente:

Sensores de distância;

Tipos de sensores;

Princípio de funcionamento.

SENSOR DE DISTÂNCIA

Medida de longas distâncias sensores de distância.

Informação de distância elemento chave para localização do robô no ambiente, para mapeamento do ambiente e desvio de obstáculos.

Sensores de distância utilizam:

A velocidade de propagação do som ou ondas eletromagnéticas;

Triangularização entre os feixes de onda emitidos e recebidos;

Intensidade da onda refletida.

Tipos de sensores de distâncias mais usados na robótica móvel: Ultra-som;

Infra-vermelho;

Laser.


Distância percorrida por uma onda é dada por:

d = c t

onde d é a distância, c é velocidade de propagação da onda e t é tempo de percurso para a onda ir e voltar.

Para o som no ar: c = 340 m/s.

Para ondas eletromagnéticas: c = 3x108 m/s.

Se distância = 3 m: tultrasom = 10 ms;

tlaser = 10 ns.

Medida de tempo de percurso de ondas eletromagnéticas não é fácil de calcular.


Triangularização dos feixes de onda:

É necessário localizar no espaço o feixe de onda refletido:

Somente possível para sensores que usam luz (laser e infra-vermelho);

Em geral utilizam-se sensores CCD (sensor de luz usado nas câmeras digitais) e lentes para focalizar o feixe refletido;

A distância é calculada por princípios simples de ótica e de geometria em um triângulo formado pelo feixe de onda emitido, pelo ponto de reflexão da onda e pelo feixe de onda captado;

Cada sensor usa uma geometria diferente.


Qualidade dos sensores de distância depende dos fatores: Incerteza na medida do tempo de viagem do sinal;

Incerteza na detecção da posição do feixe refletido;

Abertura do ângulo do feixe transmitido crítico no caso de ultra-som;

Interação do feixe emitido com o alvo (reflexão especular, absorção etc);

Variação da velocidade de propagação da onda crítico para ultra-som cuja velocidade no ar depende da umidade, pressão e qualidade do ar;

Velocidade do robô e do alvo, se estiverem em movimento.

SENSOR INFRA-VERMELHO (IR)

Um sensor infra-vermelho é composto de um emissor e um receptor.

Dois tipos de sensores IR de distância:

Refletivos medem a intensidade do feixe refletido;

Triangularização utilizam o princípio da triangularização.

Sensores IR medem:

Média distância (10cm a 80cm);

Curta distância (1cm - 24cm).

SENSOR IR REFLETIVO

Luz infra-vermelho é emitida e mede-se a

intensidade da luz refletida.

Intensidade de luz recebida é

proporcional à distância.

Funcionamento:

LED emite luz infra-vermelho;

Luz atinge uma superfície e é refletida;

Luz refletida é detectada por um foto-diodo ou

foto-transistor;

Luz IR é invisível.

Tempo

Ten

são

Tempo

Ten

são

Aumento da luz ambiente

aumenta bias.

SENSOR IR REFLETIVO

Vantagens: Fácil de implantar e e simples de usar.

Funciona bem em ambientes com luz controlada.

Problemas:Muito sensível à luz ambiente:

Deve-se prover uma proteção para isolar o sensor da luz ambiente.

Sensível à refletividade dos objetos luz infra-vermelho pode ser absorvida por materiais “escuros”.

Sensível à distância entre sensor e objeto.

SENSOR IR REFLETIVO

Solução sensor de luz modulada:Feixe de luz é emitido em uma determinada frequência;

Demodulador é sintonizado para a frequência da luz do feixe emitido (32kHz~45kHz);

Feixes de luz podem ser detectados mesmo se o sinal for muito fraco;

Menos sensível à luz ambiente e refletividade dos objetos;

Muito usado nos controles remotos.

SENSOR IR DE TRIANGULARIZAÇÃO

Usa o método da triangulação e um pequeno CCD linear para calcular a distância e/ou presença de objetos no campo de visão.

Medida de distância (tensão) é proporcional à localização da luz refletida no CCD.


O funcionamento básico de um sensor IR é o seguinte:Um feixe de luz é emitido pelo emissor;

Se a luz atinge um objeto ela reflete em direção ao detector;

Se não encontrar um objeto a luz nunca é refletida e “desaparece”;

O caminho percorrido pelo feixe de luz forma um triangulo entre o ponto de

reflexão, o emissor e o detector;

Os ângulos desse triângulo variam com a distância do objeto;

O receptor do sensor é formado por uma lente de precisão que transmite e direciona

a luz refletida pelos objetos no sensor CCD;

Pela posição da luz no sensor CCD linear pode-se determinar o ângulo da luz

refletida e, assim, calcular a distância do objeto.


Triangularização no IR:

Objeto 1

Objeto 2

x2

x1

EmissorCCD Receptor

d2

d1 Lente

f


𝑑

𝑎 + 𝑥=𝑓

𝑥⇒ 𝑑 =

𝑓(𝑎 + 𝑥)

𝑥

Triangularização no IR:

Conhecidos:

Distância focal f;

Distância a;

Medidos:

Distância x medida pelo CCD.

Deseja calcular distância d.

Semelhança entre triângulos EDO e FDC.

f

d

xF

O (objeto)

D

C

E (emissor)

a

SENSOR ULTRA-SOM

Sensor transmite um pacote de ondas de ultrasom:

d = c t

A velocidade do som no ar é de 340m/s.

Velocidade do som no ar:

= relação entre calores específicos do ar;

R = constante do gás;

T = temperatura (Kelvin).

𝑐 = 𝛾𝑅𝑇

SENSOR ULTRA-SOM

Som

transmitido

Tempo de

percusro

Limiar

Pacote de ondas

de som

Sinais de um sensor ultra-sônico

Sinal

analógico

do eco

Sinal digital

do eco

Sinal de saída

integrado no

tempo

SENSOR ULTRA-SOM

Freqüência típica: 40 a 180 kHz.

Ondas geradas por transdutor piezelétrico.

Detector e transmissor pode ser o mesmo transdutor.

-30°

-60°

0°

30°

60°

Amplitude [dB]

Cone de medida

Distribuição típica de

intensidade de uma

onda de ultra-som

SENSOR ULTRA-SOM

Problemas típicos:

Algumas superfícies absorvem uma grande parte da energia do som;

Superfícies não perpendiculares à direção do som o feixe pode ser refletido em uma direção diferente de onde está o detector;

Feixes de ondas de som propagam na forma de cones:

Ângulos de abertura da ordem de 20o a 40o;

Regiões de depressão;

Formam uma esfera distorcida em 3D;

Formato de cone provoca problemas de interferência entre as ondas de som emitidas e refletidas.

SENSOR ULTRA-SOM

b) Differentes geometrias

a) 360º scan

SENSOR LASER – TEMPO DE PERCURSO

➢Medida de distância por tempo de percurso.

Feixes emitidos e recebidos são coaxiais.

Transmissor ilumina o alvo com um feixe colimado.

Detector mede o tempo para o feixe ir e voltar.

Pode-se obter informação em 2D e/ou 3D usando-se varredura com espelhos.

Medida

de fase

Alvo

D

L

Transmissor

Feixe transmitido

Feixe refletido

P


Métodos para medir tempo de percurso:

1) Uso de laser pulsado:

• Permite a medição do tempo de percurso diretamente;

• Deve-se distinguir tempos da ordem de pico-segundos.

2) Medida da frequência de batida entre um onda de frequência modulada e a sua reflexão recebida.

3) Medida da diferença de fase entre os feixes emitidos e recebidos:

• Tecnicamente mais fácil do que os dois métodos anteriores.


Medida da distância pelo ângulo de defasagem: Comprimento da onda do laser (λ) está relacionado com a frequência (f):

λ= c/f

Para f = 5 MHz (como no sensor A.T&T), = 60 m.

Distância total:

D’ = L + 2D

Medida de fase

Alvo

D

L

Transmissor

Feixe transmitido

Feixe refletido

P

Tempo de percurso medido pelo ângulo de defasagem entre o feixe emitido e o feixe recebido ( ).

Tempo de percurso:

onde T é o período da onda


𝜃

2𝜋=𝑡

𝑇⇒ 𝑡 =

𝜃𝑇

2𝜋

Feixe transmitidoFeixe refletido

Amplitude

(V) Fase (m)

fT

1=

Distância do alvo:

Estimativa ambígua da distância.

Por exemplo:

Se = 60m alvo a uma distância de 5m = alvo a distância de 35m.


𝐷′ = 𝑐𝑡 =𝑐𝜃

2𝜋𝑓⇒ 𝐷′ =

𝜆𝜃

2𝜋

𝐷 =𝐷′ − 𝐿

2

Relação das fases 2π


Exemplos de arranjo e sensores:

a) Figura esquemática de um sensor laser com espelho rotativo. b) Sensor laser de

distância da EPS Tecnologies Inc. c) Sensor laser industrial de 180o da Sick Inc.


Imagem típica obtida por um sensor laser bidimensional de distância com espelho rotativo.

➢O comprimento das linhas centradasnas medidas indicam as incertezas.

➢Podemos colocar essas medidascom suas incertezas em um filtro de Kalman.

SENSOR LASER - TRIANGULARIZAÇÃO

➢Medida de distância por triangulação.

Usando conceitos básicos de ótica:

onde f é a distância focal da lente.

𝐷

𝐿=𝑓

𝑥⇒ 𝐷 =

𝐿𝑓

𝑥

f Feixe transmitido

Feixe refletido

Sensor CCD

Lente

Alvo

Laser – feixe colimado

SUMÁRIO

Sensores de distância utilizados pelo robô para detectar objetos e medir distância

do robô aos objetos.

Formas de funcionamento: Tempo de percurso;

Triangulação.

Tipos de sensores de distância: Infra-vermelho;

Ultrasom;

Laser.

EXERCÍCIOS

1. Exemplo de cálculo triangulação usada na medida de distância por sensores infravermelho e laser.

2. Cálculo da força e momento de um sensor de contato.

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