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Sensores para robótica

Guilherme Augusto Silva PereiraOutubro de 2000

Percepção

Ação

Robótica

Percepção

Eletrônica Básica

Eletrônica Básica

Resistor

Resistores Variáveis: Potenciômetro; LDR; Strain-Gage.

R

Riv R

vi

+ -

v

i

1/R = G

Eletrônica Básica

Indutor

Capacitor

dt

diLv

dt

dvCi

vi

L

+ -

+ -

C

vi

Eletrônica Básica

Associações

Resistores

Indutores

Capacitores

Série Paralelo

Z1 Z2

Z2

Z2

21 RRRT 21

111

RRRT

21 LLLT 21

111

LLLT

21

111

CCCT

21 CCCT

Eletrônica Básica

Diodo

D

vi

+ -

v

i

v

i

Eletrônica Básica

Transistor

Amplificador Operacional

ib

ic

ie

+

-vce

ic

ie

ib+

-vce

+

- iovcci1

i2

Eletrônica Básica

Amplificador Inversor

R2

vcc

+

-R1

vivo

io vR

Rv

1

2

Eletrônica Básica

Leis de Kirchhoff A soma das correntes que entram em

um nó é igual a soma das correntes que saem deste nó.

i1 i2

i3

i4

4321 iiii

Eletrônica Básica

Leis de Kirchhoff A soma das tensões ao longo de

qualquer percurso fechado é zero.

0

0

0

0

0

2

2

21

1

2

1

21

2

1

vvv

vvv

vvvv

vvvv

vv

RC

DCR

DRR

DR

R+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

v1

v2

R1 D

R2C

+-

Análise em Freqüência

Representação dos Sinais

Representação por série de Fourier:

1

sencos)(n

onono tnbtnaatf

To

2

Representação dos Sinais

1

T-T

f(t)

t

tnn

tf on

imparnn

cos12

2

1)( 21

1

wwo 3wo 5wo 7wo

1/2

|F(w)|

Filtros

Filtrox(t) y(t)

w

1

|)(|

|)(|

X

Y

wc

Filtros|)(|

|)(|

X

Y

w

Rejeita Tudo

Passa-Baixas

Passa-Altas

Passa-Faixa

Rejeita-Faixa

Filtros

1

T-T

f(t)

t

PB G(w)

f1(t)1

T-T t

wwo 3wo 5wo 7wo

1/2

|F(w)|

wwo 3wo 5wo 7wo

|G(w)|

1

wwo 3wo 5wo 7wo

1/2

|F1(w)|

x

=

Filtros

1

T-T

f(t)

t

PA G(w)

wwo 3wo 5wo 7wo

1/2

|F(w)|

wwo 3wo 5wo 7wo

|G(w)|

1x

=

1/2

T-T

f1(t)

t-1/2

wwo 3wo 5wo 7wo

1/2

|F1(w)|

Amostragem

t(s)T

f(t)

Amostragem

f(hz)fo-fo

f(hz)fo-fo 1/T 2/T

Amostragem

Teorema da amostragem: Se a transformada de Fourier de uma função é nula para |w|>2f 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.

Amostragem

Aliasing

f(hz)fo-fo f1-f1

f(hz)fo-fo f1-f1 1/T

Caracterização dos Sensores

Classificação dos Sensores

Passivos x Ativos

Ex.:Chaves;Resistores Variáveis;Célula Fotoelétrica;Cristal Piezoelétrico.

Sensorentrada saída

Energia Auxiliar

Classificação dos Sensores

Analógicos x Digitais Ex.:

Chaves;Potenciômetro;Encoder.

Absolutos x Incrementais Ex.:

Potenciômetro;Servo como sensor.

Especificação do Desempenho

Exatidão x Precisão

biasv rv

Características Estáticas

Linearidade

Sensibilidade

Range

Histerese

x

y

V(v)

)(rad

radvs 5,0

max

Características Estáticas

Resolução

Limiar

V(v)

)(rad2 4 6 8

123

Res=2 rad

V(v)

)(rad10

Características Dinâmicas

Dinâmica

t(s)

T(graus)

Sensor

Temperatura Real

63,2%

f(hz)

1

|)(|

|)(|

X

Y

/1

Características Dinâmicas

Atraso ou tempo morto

t(s)

Sensor

Posição Real

d

X(m)

Tipos de Sensores

Funções dos Sensores

Cinemáticos posição orientação velocidade aceleração proximidade

Dinâmicos conjugado força tato

Outros presença som luz temperatura tensão corrente

Sensores de posição e orientação

Potenciômetro Revolução Linear

Vantagens: barato; simples; absoluto; robusto.

Desvantagens: pouco exato; baixa resolução; impõe carga ao

sistema.

Sensores de posição e orientação

Encoders incremental absoluto

Vantagens: alta resolução; sem contatos

mecânicos; alta

repetibilidade.

Desvantagens: frágil; necessita de

circuitos para contar os pulsos;

caro.

Sensores de posição e orientação

LVDT (Linear Variable Differencial Transformers)

Vantagens: alta resolução; boa sensibilidade.

Desvantagens: necessita de

freqüente calibração;

caro; condicionamento

do sinal é caro.

Sensores de posição e orientação

Bússola

Vantagens: absoluto; digital;

Desvantagens: apresenta

problemas em ambientes internos;

pouco preciso.

Sensores de posição e orientação

GPS e (GPS diferencial)

Vantagens: absoluto;

Desvantagens: caro; pouco preciso

militar - 22 metros precisão horizontal e 27.7 metros precisão vertical;

civil - 100 metros e 156 metros.

Sensores de velocidade

Tacômetro Vantagens:

robusto; analógico;

Desvantagens: manutenção cara; pesado; produz muito ruído.

Sensores de velocidade

Encoders: Usando FVC:

ruído pequeno; atraso de tempo; transformação de

digital para analógico.

Usando software: fácil de construir

em computadores digitais;

atraso de tempo; muito ruidoso.

Sensores de velocidade

Giroscópios ou girômetros.

Sensores de Aceleração

Acelerômetros muito ruidoso; úteis para

medição de derrapagem.

M

yKa

Sensores de Proximidade

Óticos Simples; Barato; muito bom detetor

de presença (on-off);

Não é robusto com respeito à iluminação ambiente;

Calibração depende da textura.

ic

ie

+

-vce

Lente

Fonte de luz

Detector

Sensores de Proximidade

Ultra-som Aplicação de pulsos

de 40 a 60kHz por 1 msec.

Precisão de 1 % do valor máximo.

Ângulo de 30 graus que causa reflexões indesejadas.

Sensores de Proximidade

Capacitivos

Resistivos

Indutivos

Conjugado e Força

Strain-Gages

Tato

Requerem contato físico entre o sensor e o objeto.

Podem ser construídos com chaves ou com dispositivos mais elaborados.