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ROBÓTICA Prof a . Dra. GIOVANA TRIPOLONI TANGERINO Tecnologia em Automação Industrial SENSORES SP – CAMPUS PIRACICABA https ://giovanatangerino.wordpress.com [email protected] [email protected]

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ROBÓTICAProfa. Dra. GIOVANA TRIPOLONI TANGERINO

Tecnologia em Automação Industrial

SENSORES

SP – CAMPUS PIRACICABA

https://giovanatangerino.wordpress.com

[email protected]

[email protected]

Potenciômetro

Giovana T. Tangerino, 2014

- São geralmente usados a fim de fornecer a posição de articulações e elos.

- Baixo custo, baixa segurança (ruído e desgaste)

Posição

TDVL

Transformador Diferencial Variável Linear

É um transformador cujo núcleo se move com a distância

medida e que gera uma tensão variável analógica como

resultado desse deslocamento.

Saída linear e proporcional à posição de entrada do núcleo.

Giovana T. Tangerino, 2014

Posição

Resolvedores

Semelhantes ao TDVL, mas medem movimento angular.

Também é um transformador.

Giovana T. Tangerino, 2014

Posição

Sensores de efeito Hall

Efeito Hall: a tensão de saída de um condutor que transporta

uma corrente varia quando na presença de um campo

magnético.

A tensão de saída do sensor varia quando um ímã permanente

ou uma bobina que produz um fluxo magnético estão

próximos do sensor.

Saída analógica.

Usado na detecção da posição de rotores de ímã permanente

em motores CC sem escovas.

Giovana T. Tangerino, 2014

Posição

Encoders ópticos

Medida de velocidade angular e posição do motor

Um feixe de luz direcionado a um fotodetector é periodicamente

interrompido por um padrão opaco/transparente codificado em disco rotativo

acoplado ao eixo a ser medido

Especificações:

Resolução: medida em ciclos por revolução (CPR).

Encoder típico em robótica móvel: 2.000 CPR.

Industrialmente, pode-se encontrar encoders com 10.000 CPR.

Largura de banda: fator crítico, o encoder deve ser rápido o suficiente para contar

na velocidade de rotação esperada.

Tipos:

incremental

absoluto.

Giovana T. Tangerino, 2014

Posição e movimento

Encoder incremental

Mede a velocidade rotacional e pode inferir posição relativa.

Baixo custo

Ex.: encoder de quadratura

Giovana T. Tangerino, 2014

Encoder incremental de quadratura

aumenta a resolução do encoder e

permite verificar o sentido de rotação

verificar descida do pulso A quando B=1

Configurações:

Duas fileiras de canais (A e B) defasados de 90º.

segundo par emissor-receptor defasado a 90º.

Giovana T. Tangerino, 2014

Encoder incremental de quadratura

Giovana T. Tangerino, 2014

Encoder absoluto

Mede posição angular e infere velocidade

Ao invés de fluxos de bits em série, provê uma palavra (bits em paralelo) com

um padrão único para cada posição angular.

Utilizado quando a referência da posição é imprescindível.

Mais caros

Giovana T. Tangerino, 2014

Encoder absoluto

Giovana T. Tangerino, 2014

Saída binária

Encoder absoluto

Giovana T. Tangerino, 2014

Código Gray: Apenas uma

variação de bit por vez

Encoder absoluto

Decimal

code

Rotation range

(deg.)

Binary

codeGray code

0 0-22.5 0000 0000

1 22.5-45 0001 0001

2 45-67.5 0010 0011

3 67.5-90 0011 0010

4 90-112.5 0100 0110

5 112.5-135 0101 0111

6 135-157.5 0110 0101

7 15.75-180 0111 0100

8 180-202.5 1000 1100

9 202.5-225 1001 1101

10 225-247.5 1010 1111

11 247.5-270 1011 1110

12 270-292.5 1100 1010

13 292.5-315 1101 1011

14 315-337.5 1110 1001

15 337.5-360 1111 1000

Giovana T. Tangerino, 2014

Sensor de proximidade indutivo

Detecção de metais a curtas distâncias

Aço, latão, alumínio, cobre

Muito empregado industrialmente na detecção de metais ferrosos e não-

ferrosos

Ignora outras tipos de objetos

Pouca influência da direção dos objetos

Alcance a distâncias da ordem de alguns milímetros a poucos centrimetros.

Frequências de resposta usual da ordem de 1kHz

Giovana T. Tangerino, 2014

Sensor de proximidade indutivo

Princípio: geram um campo de RF oscilatório (100kHz a

1Mhz) em torno de uma bobina enrolada sobre um núcleo

de ferrite.

Quando um objeto metálico entra no campo projetado pelo

sensor, correntes são induzidas na superfície do objeto.

Essas correntes produzem um campo magnético secundário

que incide sobre um oscilador

A impedância da bobina do oscilador se altera, resultando

em uma alteração da frequência de oscilação, que é

convertida para um sinal de saída proporcional à distância

do alvo.

Monitorar a amplitude de saía oscilatória com um detector

de limiar cria uma chave de proximidade indutiva com uma

saída digital on/off

Giovana T. Tangerino, 2014

Sensor de proximidade indutivo

Giovana T. Tangerino, 2014

Sensor de proximidade capacitivo

Muito similar ao indutivo, mas pode detectar materiais dielétricos além de

metais (papel, vidro, roupas, líquido)

Produzem campo eletrostático ao invés de magnético

Ótima resolução, curtas distâncias (tipicamente da ordem de 5mm)

Como alguns materiais têm constantes dielétricas muito menores do que

outras, o sensor pode ser calibrado para “ver através” de alguns deles (ex.

vidro e água)

São sensíveis inclusive à sujeira, limitando suas aplicações em alguns casos

Aplicações típicas:

sensoriamento de nível de materiais (líquidos, pó, etc.),

Detecção de produtos

Comutação típica da ordem de 10Hz a 100Hz.

Giovana T. Tangerino, 2014

Sensor de proximidade capacitivo

Princípio: quando o objeto está próximo, ocorre alteração nas características

do dielétrico, alterando a capacitância.

Alterar a capacitância em um oscilador leva a uma alteração na amplitude da

oscilação do circuito, que pode ser detectada.

Essa alteração é transformada em tensão utilizando circuito elétrico.

Dependem da constante dielétrica do objeto

quanto maior o dielétrico, mais fácil é detectar o objeto

Giovana T. Tangerino, 2014

EXERCÍCIO

1) Explique o funcionamento de um encoder incremental.

2) Explique o funcionamento de um encoder absoluto.

Giovana T. Tangerino, 2014

Bússula digital

Permite determinar a orientação absoluta em relação ao campo magnético

terrestre

Giovana T. Tangerino, 2014

Localização

IR Beacon (farol infravermelho) Usados aos pares

Permitem determinar a orientação de um deles em relação ao outro

Cada dispositivo tem 4 emissores e 4 receptores de IV determinando 4

direções (N, S, E, W)

Quando um dispositivo muda a sua orientação em relação ao outro,

Giovana T. Tangerino, 2014

Localização

GNSS - Global Navigation Satellite Systems

Sistema de Satélites para Navegação Global

GPS: EUA (24 satélites)

GLONASS: Rússia

GALILEO: Europa

COMPASS: China

GPS inicialmente desenvolvida para uso militar a partir da década

de 70

Giovana T. Tangerino, 2014

Localização

GNSS - Global Navigation Satellite Systems

Cada satélite transmite continuamente dados que indicam sua

localização e o tempo (relógios atômicos de altíssima precisão)

Quando um receptor lê a transmissão de dois ou mais satélites, a

diferença do tempo (ns) informa ao receptor sua distância relativa

a cada satélite.

4 satélites são necessários para identificar a posição

O 4º faz a correção do tempo pois o receptor não tem um relógio de

precisão

Utilizado em ambiente externo

Giovana T. Tangerino, 2014

Localização

GPS

Giovana T. Tangerino, 2014

GPS - Global Positioning System

Fontes de erro: de 50m a 100 m

Disponibilidade seletiva: erro aleatório inserido pelo departamento de defesa dos EUA

retirado em 2000

alterado aleatoriamente entre 15 e 100 metros

Relógio do satélite

Relógio do receptor

Órbita dos satélites

Refração e reflexão na atmosfera

Mudança de densidade da ionosfera (meio de transmissão do sinal)

Sistemas de correção:

DGPS (Diferential Global Positioning System): erro de 3 a 6 metros

usa satélites geoestacionários

Correção em tempo real

Caro

RTK: estação fixa ou móvel com sinal de correção: erro de 5 a 6 cm

Giovana T. Tangerino, 2014

Disponibilidade seletiva

Com: provocava um erro grande, com dispersão de 95% dos

pontos dentro de um raio de 45 metros.

Sem: essa dispersão caiu para um raio de 6,3 metros com 95%

dos pontos.

Giovana T. Tangerino, 2014

Sensores de Luz Visível e IV

Utilidade:

detecção de intensidade de luz, sensores de presença, codificadores ópticos,

sensores táteis;

Funcionamento:

1) Reagem à intensidade da luz projetada sobre eles, alterando sua resistência

elétrica. Se a intensidade da luz é zero, a resistência está no máximo. À medida

que aumenta a intensidade da luz, a resistência diminui e a corrente aumenta

2) Fototransistor: na presença de certa intensidade de luz, vai ligar; caso contrário,

será desligado. Usado em conjunto com fonte de luz LED.

Sensores de luz visível: sensíveis à gama de luz visível

Sensores de infravermelho (IV): sensíveis à faixa do infravermelho (invisível)

Giovana T. Tangerino, 2014

Medidas de distância (som e luz)

Principais princípios de medição:

Triangulação

tempo de voo (ou tempo decorrido)

Giovana T. Tangerino, 2014

Ondas e energia

Sons e cores são energia se propagando na forma de ondas

Ondas sonoras (mecânicas):

só pode se propagar através da matéria: gases (ar), líquidos e sólidos, mas não no

vácuo.

Velocidade: 344 m/s a 20º, em condições normais de pressão e no nível do mar

Ondas eletromagnéticas:

não necessita de meio de transmissão para se propagar

Velocidade da luz: 300.000 Km/s (luz do sol leva 7 min para chegar na Terra)

Giovana T. Tangerino, 2014

𝑉 = 𝜆𝑓 𝑓 =1

𝑇

Giovana T. Tangerino, 2014

Giovana T. Tangerino, 2014

Tempo de voo

Velocidade = distância / tempo

Giovana T. Tangerino, 2014

𝑑 =𝑉 ∆𝑡

2

Sensores de som: ultrassom

Sensores de luz: requerem eletrônica de velocidade

extremamente alta (300.000km/s) e alta resolução

d

Emissor/

receptor

Modo eco

Triangulação

Giovana T. Tangerino, 2014

Emissor

Receptor

l1

l2

L

d

α

β

𝑑 =𝐿 tan 𝛼 tan𝛽

tan 𝛼 + tan𝛽

tan𝛽 =𝑑

𝑙1

tan𝛼 =𝑑

𝑙2

𝐿 = 𝑙1 + 𝑙2

Sensor Sonar

Príncípio: tempo de voo da onda sonora.

Um transmissor emite sinais acústicos com uma frequência típica de 50kHz

(ultra-sons). O ecos são capturados por um circuito receptor

Vantagens:

Baixo custo

Leves e pequenos

Baixo consumo energético

Mais preciso que o sensor IV

Desvantagens:

Atenuação do sinal

Reflexão especular do sinal

Cross talk

Limites mínimos e máximo na medição

Efeito das condições atmosféricas

Baixa velocidade do som

Giovana T. Tangerino, 2014

Ex.:Ultrasonic Ranging Module HC-SR04

Amazon: U$5,25

Ali xpress: U$10,90

Giovana T. Tangerino, 2014

Radares

Ondas de rádio ( 300 000 km/s)

Radio Detection and Rangig

Usados para localização de objetos a longa distância.

Sensores radar usam Ondas Contínuas de Freqüência Modulada (FMCW)

para detectar com confiabilidade alvos fixos ou móveis, tais como

carros, trens, caminhões e carga em condições atmosféricas extremas.

O radar é constituído de uma antena transmissora e receptora de

sinais de alta frequência, a transmissão ocorre através de pulsos

eletromagnéticos de alta potência, curto período e feixe curto. Esse

feixe ao ser propagado se alarga, ganhando a forma de um cone até

atingir o alvo que está sendo monitorado. Após atingir o alvo, o sinal é

então refletido e a antena passa a ser receptora de sinais. Com a

velocidade de propagação do pulso e o tempo gasto para o eco chegar,

é possível calcular com exata precisão a localização do objeto.

Uso militar no exército, aeronáutica, marinha; em metereologia, na

ciência localizando objetos espaciais em órbita terrestre, como

satélites

Giovana T. Tangerino, 2014

Sensor Laser

Monocromático

Vantagens

Velocidade superior

Grande precisão (10mm)

Resolução angular superior

Desvantagens

Consumo de energia elevado

Custo elevado (U$100 a U$400)

Giovana T. Tangerino, 2014

Sensor Laser

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)

Aplicação de luz pelo efeito da emissão estimulada da radiação

A energia do laser não existe na natureza e é produzida a partir de algum tipo

de fonte de energia, que estimula um grande número de elétrons em repouso,

os quais são capazes de produzir fótons de luz e este processo desencadeia

uma ação repetida de emissão de energia gerando uma luz intensa

Características:

Raios colimados: todos os raios na mesma direção (alvo preciso)

Luz monocromática: corresponde a um comprimento de onda do espectro

eletromagnético

Raios coerentes: todos os raios da luz do laser caminham paralelos no tempo e no

espaço

Giovana T. Tangerino, 2014

Sensor Laser

A seleção do tipo de sensor é determinada pela

superfície do objeto a ser examinado.

Superfícies lisa/reflexivas: reflexão especular

Superfícies difusão: reflexão difusa

Para superfícies com rugosidade maior que o

comprimento de onda da luz incidente, ocorre

reflexão difusa

O comprimento de onda da luz infravermelha é da

ordem de 824 nm

Apenas superfícies extremamente polidas nas

apresentam reflexão difusa

Giovana T. Tangerino, 2014

Sensor Laser

Sensores de triangulação:

Transmissor, receptor e processador eletrônico

Receptor/detector

PSD (position-sensing detectors)

Detectores de matriz (array) pixalizados

Giovana T. Tangerino, 2014

Giovana T. Tangerino, 2014

Exemplo

Giovana T. Tangerino, 2014

Giovana T. Tangerino, 2014

LIDAR

Light Detection and Ranging

Semelhante ao radar, mas usa luz em vez de ondas de rádio

Um feixe de luz (laser ou infravermelho) é disparado em direção ao alvo, e as

propriedades da luz refletida são medidas para determinação da distância

e/ou outras informações sobre um alvo distante.

Para coletar informações em uma base contínua, milhares de pulsos de luz são

refletidos por um espelho rotativo.

Em um sistema desenvolvido pela Velodyne Lidar Inc., um conjunto com 64

emissores de laser emitem milhares de pulsos por segundo, enquanto a

unidade gira entre 5 e 15 Hz. Ele pode coletar dados sobre o ambiente em 360

graus de azimute e 27 graus de elevação, com um alcance de 120 metros

Giovana T. Tangerino, 2014

Carro autônomo

Giovana T. Tangerino, 2014

Navegação

Giovana T. Tangerino, 2014

Giovana T. Tangerino, 2014

Fusão sensorial

Objetivo: reduzir os problemas de informação

Imprecisa

Incompleta

Errônea

Giovana T. Tangerino, 2014

Vantagens:

Robustez

Aumento da precisão

Redução de ambiguidade

Aumento da confiança

Desvantagens:

Complexibilidade e instabilidade

Sinais heterogéneos

Sincronização

Ruiído

Poder computacional

Fusão sensorial

Pode ser feita a partir de

Sensores diferentes

Posições e tempos diferentes

A informação poderá ser:

Redundante (obtida a partir da mesma posição)

Complementaria (obtida de posições diferentes ou de sensores diferentes)

Incerta (os dados têm uma resolução espacial e precisão limitadas)

Incompleta (não chega a ser obtida)

Tipo de fusão sensorial:

Complementária (fusão de dados sensoriais incompletos para criar um

modelo mais completo)

Competitiva (fusão de dados incertos para diminuir a incerteza)

Cooperativa (os dados de um sensor dependem dos dados de outro sensor)

Giovana T. Tangerino, 2014

Fusão sensorial

Métodos matemáticos que têm em conta a incerteza da informação

sensorial:

Filtro de Kalman

Métodos bayesianos

Redes neurais

Giovana T. Tangerino, 2014

LINKS

Velodyne Lidar

http://www.velodynelidar.com/lidar/lidar.aspx

Olhar digital

www.olhardigital.com.br

Base dos sensores laser por triangulação

http://archives.sensorsmag.com/articles/0598/tri0598/

Giovana T. Tangerino, 2014

BIBLIOGRAFIA

NIKU Saeed B . Introdução à Robótica - Análise, Controle, Aplicações. 2a

ed. LTC Editora. 2013.

ROSÁRIO, J.M. Princípios de Mecatrônica. São Paulo: Prentice Hall, 2005.

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