Robotika Snı´macˇe v robotice
18. u´nora 2013 Ing. Frantisˇek Burian
Procˇ snı´mat velicˇiny ? Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
Pozˇadovany´ stav Algoritmy rˇ´ızenı´
Akcˇnı´ cˇleny Okolı´ robotu Snı´macˇe
Vneˇjsˇ´ı vlivy
Jake´ snı´mat velicˇiny ? Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
• Napodobenı´ lidske´ho senzoricke´ho syste´mu
Jake´ snı´mat velicˇiny ? Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
• Napodobenı´ lidske´ho senzoricke´ho syste´mu ◦ zrak, sluch, hmat, cˇich, chut’
Jake´ snı´mat velicˇiny ? Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
• Napodobenı´ lidske´ho senzoricke´ho syste´mu ◦ zrak, sluch, hmat, cˇich, chut’ • Rozsˇ´ırˇenı´ o dalsˇ´ı velicˇiny
Jake´ snı´mat velicˇiny ? Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
• Napodobenı´ lidske´ho senzoricke´ho syste´mu ◦ zrak, sluch, hmat, cˇich, chut’ • Rozsˇ´ırˇenı´ o dalsˇ´ı velicˇiny ◦ Magneticke´ pole, elektricke´ pole, teplota, zrychlenı´ . . .
Jake´ snı´mat velicˇiny ? Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
• Napodobenı´ lidske´ho senzoricke´ho syste´mu ◦ zrak, sluch, hmat, cˇich, chut’ • Rozsˇ´ırˇenı´ o dalsˇ´ı velicˇiny ◦ Magneticke´ pole, elektricke´ pole, teplota, zrychlenı´ . . . • Komplexnı´ velicˇiny
Jake´ snı´mat velicˇiny ? Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
• Napodobenı´ lidske´ho senzoricke´ho syste´mu ◦ zrak, sluch, hmat, cˇich, chut’ • Rozsˇ´ırˇenı´ o dalsˇ´ı velicˇiny ◦ Magneticke´ pole, elektricke´ pole, teplota, zrychlenı´ . . . • Komplexnı´ velicˇiny ◦ Poloha a orientace prˇedmeˇtu cˇi robotu
Jake´ snı´mat velicˇiny ? Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
• Napodobenı´ lidske´ho senzoricke´ho syste´mu ◦ zrak, sluch, hmat, cˇich, chut’ • Rozsˇ´ırˇenı´ o dalsˇ´ı velicˇiny ◦ Magneticke´ pole, elektricke´ pole, teplota, zrychlenı´ . . . • Komplexnı´ velicˇiny ◦ Poloha a orientace prˇedmeˇtu cˇi robotu ◦ Detekce prˇeka´zˇek
Jake´ snı´mat velicˇiny ? Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
• Napodobenı´ lidske´ho senzoricke´ho syste´mu ◦ zrak, sluch, hmat, cˇich, chut’ • Rozsˇ´ırˇenı´ o dalsˇ´ı velicˇiny ◦ Magneticke´ pole, elektricke´ pole, teplota, zrychlenı´ . . . • Komplexnı´ velicˇiny ◦ Poloha a orientace prˇedmeˇtu cˇi robotu ◦ Detekce prˇeka´zˇek ◦ Detekce chybovy´ch stavu˚
Jake´ snı´mat velicˇiny ? Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
• Napodobenı´ lidske´ho senzoricke´ho syste´mu ◦ zrak, sluch, hmat, cˇich, chut’ • Rozsˇ´ırˇenı´ o dalsˇ´ı velicˇiny ◦ Magneticke´ pole, elektricke´ pole, teplota, zrychlenı´ . . . • Komplexnı´ velicˇiny ◦ Poloha a orientace prˇedmeˇtu cˇi robotu ◦ Detekce prˇeka´zˇek ◦ Detekce chybovy´ch stavu˚ ◦ Meˇrˇenı´ zmeˇn okolnı´ho prostrˇedı´
Jake´ snı´mat velicˇiny ? Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
• Napodobenı´ lidske´ho senzoricke´ho syste´mu ◦ zrak, sluch, hmat, cˇich, chut’ • Rozsˇ´ırˇenı´ o dalsˇ´ı velicˇiny ◦ Magneticke´ pole, elektricke´ pole, teplota, zrychlenı´ . . . • Komplexnı´ velicˇiny ◦ Poloha a orientace prˇedmeˇtu cˇi robotu ◦ Detekce prˇeka´zˇek ◦ Detekce chybovy´ch stavu˚ ◦ Meˇrˇenı´ zmeˇn okolnı´ho prostrˇedı´ ◦ Kontrola vy´sledku˚ akce robotu
Jake´ snı´mat velicˇiny ? Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
• Napodobenı´ lidske´ho senzoricke´ho syste´mu ◦ zrak, sluch, hmat, cˇich, chut’ • Rozsˇ´ırˇenı´ o dalsˇ´ı velicˇiny ◦ Magneticke´ pole, elektricke´ pole, teplota, zrychlenı´ . . . • Komplexnı´ velicˇiny ◦ Poloha a orientace prˇedmeˇtu cˇi robotu ◦ Detekce prˇeka´zˇek ◦ Detekce chybovy´ch stavu˚ ◦ Meˇrˇenı´ zmeˇn okolnı´ho prostrˇedı´ ◦ Kontrola vy´sledku˚ akce robotu ◦ Kontrola “zdravı´” robotu
Za´kladnı´ rozdeˇlenı´ snı´macˇu˚ pro roboty Snı´ma´nı´ v robotice Motivace Deˇlenı´
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
Internı´ B Snı´macˇe vnitrˇnı´ch stavu˚ robotu B Provoznı´ stavy B Monitoring poruch
Externı´ B Vnı´ma´nı´ okolı´ robotu B Umozˇnˇujı´ interakci s okolı´m B Rozsˇirˇujı´ mnozˇstvı´ mozˇny´ch u´loh
Internı´ snı´macˇe Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
• Za´kladnı´ stavy robotu ◦ Napeˇtı´, proud, teplota ... • Poloha osy pohonu ◦ Enkode´ry, potenciometry, Hallu˚v senzor, Resolver • Rychlost osy pohonu ◦ Enkode´ry, tachodynama • Kroutı´cı´ moment na hrˇ´ıdeli pohonu ◦ Proud, tenzometry • Sı´la ◦ Tenzometry, magnetoelasticke´, magnetoanizotropnı´ mat
Snı´macˇe napeˇtı´ Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud
Pouzˇitı´
Napeˇt’ovy´ vstup
Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
B Stav nabitı´ baterie B Ostatnı´ velicˇiny se prˇeva´dı´ na napeˇtı´ ˇ ´ıdı´cı´ desky napeˇt’ove´ vstupy majı´ BR
R1
UIN
R2
UADC
Nutne´ mı´t na pameˇti B Vnitrˇnı´ odpor vstupu (zatı´zˇenı´) B Vnitrˇnı´ kapacitu vstupu (spektrum) B Filtrace, vzorkova´nı´ B !Ochrany vstupu
UIN =
R1 + R2 UADC R2
Snı´macˇe proudu Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace
Pouzˇitı´
Zapojenı´ meˇrˇenı´ I
Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
B Proud prote´kajı´cı´ motorem (moment) B Proud do aktua´toru (vy´chylka magnetodyn. motoru ap.) B Meˇrˇenı´ kondice bateriı´ B Ochrana bateriı´
RS
Nutne´ mı´t na pameˇti
RZ
B Nutnost pouzˇitı´ prˇevodnı´ku I/U B Zapojenı´ prˇevodnı´ku I/U B B Rezistor B B Meˇrˇicı´ transforma´tor B B Hallu˚v jev
iz Rz
S
S
iz RS
Snı´macˇe proudu Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
V kladne´ veˇtvi
Nevy´hody
B Detekce prˇetı´zˇenı´ B Detekce zkratu na kostru B EMC odolne´
B OZ rail-to-rail B OZ a zapojenı´ s vysoky´m common mode rejection ratio B Nı´zke´ zesı´lenı´ OZ
RS
V za´porne´ veˇtvi
Nevy´hody
RZ
B Napeˇtı´ vztazˇeno k zemi B Lze pouzˇ´ıt neinvertujı´cı´ OZ B Lze pouzˇ´ıt nı´zkonapeˇt’ovy´ OZ
B Prˇerusˇenı´ zemnı´ smycˇky (EMC) B Nelze detekovat zkrat na kostru B Zkrat na kostru prˇerusˇ´ı meˇrˇenı´ B mozˇny´ offset, zemnı´ smycˇky
Externı´ snı´macˇe
Zapojenı´ meˇrˇenı´ I iz
Rz
S
S
iz
RS
Dostupne´ snı´macˇe proudu Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
Rezistor
Hallu˚v jev
Meˇrˇicı´ trafo
PrˇesnostB dobra´ TeplotyB dobra´ CenaB nı´zka´ Oddeˇlenı´ obvoduB ne Vysoke´ proudyB sˇpatne´ Saturace/HysterezeB nenı´ Vy´kon. ztra´taB vysoka´ AC/DCB AC i DC
PrˇesnostB dobra´ Tepl. za´vislostB vysoka´ CenaB vysoka´ Oddeˇlenı´ obvoduB ano Vysoke´ proudyB ok Saturace/HysterezeB ano Vy´kon. ztra´taB nı´zka´ AC/DCB AC i DC
PrˇesnostB strˇednı´ Tepl. za´vislostB dobra´ CenaB strˇednı´ Oddeˇlenı´ obvoduB ano Vysoke´ proudyB ok Saturace/HysterezeB ano Vy´kon. ztra´taB nı´zka´ AC/DCB pouze AC
Rezistor Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu
Uzˇitecˇne´ vlastnosti B Odstup signa´l-sˇum u(t) = Ri(t) B Tepelne´ ztra´ty P (t) = Ri2 (t)
Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
Parazitnı´ vlastnosti B Nelze zvy´sˇit pomeˇr signa´l sˇum nad urcˇitou mez U = RI = P = RI 2 B Vlastnı´ indukcˇnost BB PWM spı´na´nı´ tranzistoru˚ ovlivnˇuje meˇrˇenou hodnotu v dobeˇ rozepnutı´ BB Bezindukcˇnı´ (vrstvene´) rezistory majı´ obvykle maly´ ztra´tovy´ vy´kon
Hallu˚v snı´macˇ Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Vlastnosti B Materia´l GaAs InSb B Meˇrˇ´ı mag. pole vyvolane´ pru˚chodem proudu B Z principu funkce oddeˇleny´ obvod B Je mozˇne´ meˇrˇenı´ v kladne´ veˇtvi
Princip funkce UH = h
BI d +UH
I
Externı´ snı´macˇe
B
−UH
Proudovy´ transforma´tor Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
Vlastnosti B Pouzˇ´ıvajı´ se pro velke´ proudy B Prima´r by´va´ pa´r za´vitu˚ B Sekunda´r mnoho za´vitu˚ B Sekunda´r = zdroj proudu B Frekvencˇnı´ rozsah ok pro RS = 0
Princip funkce IP =
NP IS NS
iP
iS
NS
IP = iP
US
RS
NP US NS RS RS
iS −
NS
US +
Snı´ma´nı´ polohy - Motivace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu
• Potenciometr
Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
• Absolutnı´ enkoder • Inkrementa´lnı´ enkoder • Sinusovy´ enkoder • Resolver • Specia´lnı´
Potenciometr Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
Vy´hody
Nevy´hody
B Absolutnı´ snı´macˇ (Napeˇtı´ prˇ´ımo odpovı´da´ poloze) B Nejlevneˇjsˇ´ı zpu˚sob meˇrˇenı´ B Linearita (setiny procenta) B Opakovatelnost
B Vysoky´ vnitrˇnı´ odpor B Odpor prˇ´ıvodu˚ (offsety) B Zˇivotnost (trˇenı´) B Mrtva´ zo´na (nemeˇrˇ´ı 360◦ )
Princip funkce U1 x1 = U x U
x
x1
0
U1
Enkode´ry Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu
Opticke´ B Opticky´ kotoucˇ montova´n na hrˇ´ıdel motoru B Snı´macˇ opticky´ (fototranzistor ap.) B Prˇesne´ (Fotolitografie)
Kroutı´cı´ moment
b0 b1 b2 b3 b4
Externı´ snı´macˇe
Magneticke´ B Mı´sto kotoucˇku lze pouzˇ´ıt zuby prˇevodovky B Snı´macˇ magneticky´ (induktivnı´, indukcˇnı´, hall ap.) B Me´neˇ prˇesne´
Mechanicke´ B Kotoucˇek s dı´rami, do ktery´ch zapadajı´ jazy´cˇky rele´ B Vı´ceme´neˇ historie (telefonnı´ u´strˇedny)
Absolutnı´ enkode´r Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Vy´hody
Nevy´hody
B Meˇrˇ´ı celou ota´cˇku, nekonecˇneˇ mnoho ota´cˇek B Po startu je definovana´ poloha B Velmi jednoduche´ zpracova´nı´
B Nı´zke´ rozlisˇenı´ (da´no pocˇtem bitu˚, typicky 8 azˇ 10 bitu˚) B Vy´robneˇ slozˇity´ (drahy´)
Grayu˚v ko´d
Bina´rnı´ ko´d
B Pouzˇ´ıva´n velmi cˇasto B Zmeˇna jedine´ho bitu mezi stavy
B Pouzˇ´ıva´n zrˇ´ıdka B Hazardnı´ stavy
Externı´ snı´macˇe
Inkrementa´lnı´ enkode´r Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu
Vy´hody
Nevy´hody
B Jednodusˇsˇ´ı na vy´robu - kotoucˇ s jednou rˇadou clonek B Mozˇnost volby prˇesnosti deko´dova´nı´
B Rozlisˇenı´ da´no prˇesnostı´ clonek B Slozˇiteˇjsˇ´ı zpracova´nı´ B Po zapnutı´ nenı´ zna´ma pocˇa´tecˇnı´ poloha
Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
Jednokana´lovy´
Kvadraturnı´
Kvadraturnı´
B Vy´robneˇ jednoduchy´ B Nelze zjistit smeˇr B Zuby prˇevodovky
B 4x vysˇsˇ´ı rozlisˇenı´ B Slozˇiteˇjsˇ´ı kotoucˇek B Dva senzory v ose B Lze zjistit smeˇr
B 4x vysˇsˇ´ı rozlisˇenı´ B Jednodusˇsˇ´ı kotoucˇek B Senzory mimo osu B Lze zjistit smeˇr
Kvadraturnı´ demodulace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
ˇ ´ıtacˇ od na´beˇzˇne´ hrany A, smeˇr urcˇuje B • 1x - C ˇ ´ıtacˇ od libovolne´ hrany A, smeˇr urcˇuje B • 2x - C • 4x - Prˇevzorkova´nı´ signa´lu a pra´ce s tabulkou stavu˚
Externı´ snı´macˇe
0 B +1
+1 -1
-1 0
ERR
A -1
C
0
A
B
C
D
A
A
D
C
B
A
-1
+1
+1 D 0
Sinusovy´ enkode´r Snı´ma´nı´ v robotice
Uy
Internı´ snı´macˇe
π
2π ϕ
Motivace
Ux
Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu
π
Rychlost pohonu
2π
ϕ
Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
Popis Sine-wave enkode´ru B Kvadraturnı´ signa´ly nemusı´ by´t bina´rnı´ B Mohou by´t analogove´ ux (t) a uy (t) B Fa´zovy´ posuv mezi nimi je vzˇdy 90◦ B Ze zmeˇrˇeny´ch amplitud Ux a Uy lze spocˇı´st u´hel ϕ
Implementace B Opticke´ (sporadicke´, analogove´ zacloneˇnı´) B Magneticke´ (na hrˇ´ıdeli magnet, snı´ma´ se mag. pole) B Indukcˇnı´ (na hrˇ´ıdeli AC cı´vka, Resolver)
Resolver Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
Princip funkce B Cı´vka na rotoru je buzena sinusovy´m napeˇtı´m u(t) s konstantnı´ amplitudou U B Na statorovy´ch cı´vka´ch se objevı´ indukovane´ napeˇtı´ ux (t) a uy (t) B Ze zmeˇrˇeny´ch amplitud Ux a Uy lze spocˇı´st u´hel ϕ
Rovnice resolveru u(t) = U sin(2πf0 t) ux (t) = u(t)cos(ϕ) uy (t) = u(t)sin(ϕ) u0 (t)2 = ux (t)2 + uy (t)2 ux (t) ϕ = arctg uy (t)
UY
U0 ϕ
UX
Resolver Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
Vy´hody B Jednoduchy´ na vy´robu B Jednoduchy´ na periferie procesoru B Prˇesny´ (dosazˇitelne´ 16b na ota´cˇku) B Mozˇnost meˇrˇenı´ rychlosti (FM) B Mozˇnost meˇrˇenı´ v radioaktiviteˇ
Nevy´hody B Slozˇiteˇjsˇ´ı analogove´ prˇedzpracova´nı´ B Nutnost dostat na hrˇ´ıdel signa´l U0 B Zkreslenı´ U0 lze korigovat
Uy π
2π ϕ
Ux π 2π ϕ
Specia´lnı´ kombinace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
• Principy uvedene´ v prˇedcha´zejı´cı´m slajdu lze rozsˇ´ırˇit i
do dalsˇ´ıch oblastı´ snı´ma´nı´ velicˇin a tı´m zı´skat dalsˇ´ı kombinace
Specia´lnı´ kombinace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
• Principy uvedene´ v prˇedcha´zejı´cı´m slajdu lze rozsˇ´ırˇit i
do dalsˇ´ıch oblastı´ snı´ma´nı´ velicˇin a tı´m zı´skat dalsˇ´ı kombinace • Naprˇ´ıklad nenı´ nutne´ u enkode´ru˚ pouzˇ´ıvat opticke´ clonky, kvadratunı´ signa´l lze zı´skat i jiny´mi senzory
Specia´lnı´ kombinace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
• Principy uvedene´ v prˇedcha´zejı´cı´m slajdu lze rozsˇ´ırˇit i
do dalsˇ´ıch oblastı´ snı´ma´nı´ velicˇin a tı´m zı´skat dalsˇ´ı kombinace • Naprˇ´ıklad nenı´ nutne´ u enkode´ru˚ pouzˇ´ıvat opticke´ clonky, kvadratunı´ signa´l lze zı´skat i jiny´mi senzory ◦ Hallu˚v snı´macˇ snı´majı´cı´ magneticke´ zuby prˇevodovky
Specia´lnı´ kombinace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
• Principy uvedene´ v prˇedcha´zejı´cı´m slajdu lze rozsˇ´ırˇit i
do dalsˇ´ıch oblastı´ snı´ma´nı´ velicˇin a tı´m zı´skat dalsˇ´ı kombinace • Naprˇ´ıklad nenı´ nutne´ u enkode´ru˚ pouzˇ´ıvat opticke´ clonky, kvadratunı´ signa´l lze zı´skat i jiny´mi senzory ◦ Hallu˚v snı´macˇ snı´majı´cı´ magneticke´ zuby prˇevodovky ◦ Hallu˚v snı´macˇ snı´majı´cı´ pole magnetu prˇerusˇovane´ ventila´torem
Specia´lnı´ kombinace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
• Principy uvedene´ v prˇedcha´zejı´cı´m slajdu lze rozsˇ´ırˇit i
do dalsˇ´ıch oblastı´ snı´ma´nı´ velicˇin a tı´m zı´skat dalsˇ´ı kombinace • Naprˇ´ıklad nenı´ nutne´ u enkode´ru˚ pouzˇ´ıvat opticke´ clonky, kvadratunı´ signa´l lze zı´skat i jiny´mi senzory ◦ Hallu˚v snı´macˇ snı´majı´cı´ magneticke´ zuby prˇevodovky ◦ Hallu˚v snı´macˇ snı´majı´cı´ pole magnetu prˇerusˇovane´ ventila´torem ◦ Fototranzistor snı´majı´cı´ zmeˇnu osveˇtlenı´ na disku vozidla
Specia´lnı´ kombinace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
• Principy uvedene´ v prˇedcha´zejı´cı´m slajdu lze rozsˇ´ırˇit i
do dalsˇ´ıch oblastı´ snı´ma´nı´ velicˇin a tı´m zı´skat dalsˇ´ı kombinace • Naprˇ´ıklad nenı´ nutne´ u enkode´ru˚ pouzˇ´ıvat opticke´ clonky, kvadratunı´ signa´l lze zı´skat i jiny´mi senzory ◦ Hallu˚v snı´macˇ snı´majı´cı´ magneticke´ zuby prˇevodovky ◦ Hallu˚v snı´macˇ snı´majı´cı´ pole magnetu prˇerusˇovane´ ventila´torem ◦ Fototranzistor snı´majı´cı´ zmeˇnu osveˇtlenı´ na disku vozidla • V obzvla´sˇteˇ specia´lnı´c prˇ´ıpadech se pouzˇ´ıvajı´
snı´macˇe na transforma´torove´m principu (RVDT, LVDT)
Rychlost pohonu Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
Z u´daje o poloze
Prˇ´ımy´m meˇrˇenı´m
B Jednoduchy´ derivacˇnı´ vztah
B De´lka pulsu enkode´ru (male´ rychlosti) B Frekvence pulsu˚ enkode´ru (velke´ rychlosti) B Tachogenera´tor (motor zapojeny´ ”naopak”)
v(t) =
dx(t) x(t1 ) − x(t0 ) ≈ dt t1 − t0
B Enkode´r B Resolver
Meˇrˇenı´ momentu - motivace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
• Snı´ma´nı´m pu˚vodce
Meˇrˇenı´ momentu - motivace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud
• Snı´ma´nı´m pu˚vodce ◦ Proud motorem • Snı´ma´nı´m na´sledku˚ ´ cˇinky kroutı´cı´ho momentu U
Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
´ hlove´ zrychlenı´ U
Mechanicke´ napeˇtı´
Odporove´ tenzometry vla´knove´ snı´macˇe
Deformace
Poloha, u´hel indukcˇnostnı´ kapacitnı´ opticke´
Reakcˇnı´ sı´ly
Piezoelektricky´ na´boj
Magneticke´ vlastnosti
monokrystal, piezofilm
Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev
Meˇrˇenı´ momentu - motivace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud
• Snı´ma´nı´m pu˚vodce ◦ Proud motorem • Snı´ma´nı´m na´sledku˚ ´ cˇinky kroutı´cı´ho momentu U
Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
´ hlove´ zrychlenı´ U
Mechanicke´ napeˇtı´
Odporove´ tenzometry vla´knove´ snı´macˇe
Deformace
Poloha, u´hel indukcˇnostnı´ kapacitnı´ opticke´
Reakcˇnı´ sı´ly
Piezoelektricky´ na´boj
Magneticke´ vlastnosti
monokrystal, piezofilm
Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev
Meˇrˇenı´ momentu - motivace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud
• Snı´ma´nı´m pu˚vodce ◦ Proud motorem • Snı´ma´nı´m na´sledku˚ ´ cˇinky kroutı´cı´ho momentu U
Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
´ hlove´ zrychlenı´ U
Mechanicke´ napeˇtı´
Odporove´ tenzometry vla´knove´ snı´macˇe
Deformace
Poloha, u´hel indukcˇnostnı´ kapacitnı´ opticke´
Reakcˇnı´ sı´ly
Piezoelektricky´ na´boj
Magneticke´ vlastnosti
monokrystal, piezofilm
Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev
Meˇrˇenı´ momentu - motivace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud
• Snı´ma´nı´m pu˚vodce ◦ Proud motorem • Snı´ma´nı´m na´sledku˚ ´ cˇinky kroutı´cı´ho momentu U
Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
´ hlove´ zrychlenı´ U
Mechanicke´ napeˇtı´
Odporove´ tenzometry vla´knove´ snı´macˇe
Deformace
Poloha, u´hel indukcˇnostnı´ kapacitnı´ opticke´
Reakcˇnı´ sı´ly
Piezoelektricky´ na´boj
Magneticke´ vlastnosti
monokrystal, piezofilm
Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev
Meˇrˇenı´ momentu - motivace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud
• Snı´ma´nı´m pu˚vodce ◦ Proud motorem • Snı´ma´nı´m na´sledku˚ ´ cˇinky kroutı´cı´ho momentu U
Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
´ hlove´ zrychlenı´ U
Mechanicke´ napeˇtı´
Odporove´ tenzometry vla´knove´ snı´macˇe
Deformace
Poloha, u´hel indukcˇnostnı´ kapacitnı´ opticke´
Reakcˇnı´ sı´ly
Piezoelektricky´ na´boj
Magneticke´ vlastnosti
monokrystal, piezofilm
Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev
Meˇrˇenı´ momentu - motivace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud
• Snı´ma´nı´m pu˚vodce ◦ Proud motorem • Snı´ma´nı´m na´sledku˚ ´ cˇinky kroutı´cı´ho momentu U
Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
´ hlove´ zrychlenı´ U
Mechanicke´ napeˇtı´
Odporove´ tenzometry vla´knove´ snı´macˇe
Deformace
Poloha, u´hel indukcˇnostnı´ kapacitnı´ opticke´
Reakcˇnı´ sı´ly
Piezoelektricky´ na´boj
Magneticke´ vlastnosti
monokrystal, piezofilm
Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev
Meˇrˇenı´ momentu - motivace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud
• Snı´ma´nı´m pu˚vodce ◦ Proud motorem • Snı´ma´nı´m na´sledku˚ ´ cˇinky kroutı´cı´ho momentu U
Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Externı´ snı´macˇe
´ hlove´ zrychlenı´ U
Mechanicke´ napeˇtı´
Odporove´ tenzometry vla´knove´ snı´macˇe
Deformace
Poloha, u´hel indukcˇnostnı´ kapacitnı´ opticke´
Reakcˇnı´ sı´ly
Piezoelektricky´ na´boj
Magneticke´ vlastnosti
monokrystal, piezofilm
Reluktance Magnetoizotropie Wiedermann jev
Proud motorem Snı´ma´nı´ v robotice
Momentove´ rovnice motoru
Internı´ snı´macˇe Motivace Napeˇtı´ Proud
M (t) = CΦ ia (t)
CΦ
ia (t)
Poloha pohonu Rychlost pohonu Kroutı´cı´ moment
Ui (t) = CΦ ω(t)
ω
Externı´ snı´macˇe
M B Tote´zˇ platı´ i pro linea´rnı´ motor B Meˇrˇenı´m ia meˇrˇ´ıme neprˇ´ımo M
U
Neprˇesnosti B Moment setrvacˇnosti hrˇ´ıdele B Vu˚le v prˇevodech prˇevodovky B Hystereze magneticke´ho obvodu motoru B Proudove´ impulsy prˇi prˇepı´na´nı´ komuta´toru
M Ui
CΦ
Vzda´lenost - Motivace Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe Vzda´lenost Poloha
• Kontaktnı´ senzory vzda´lenosti (taktilnı´) ◦ Docha´zı´ k dotyku robotu a okolı´ ◦ Spı´nacˇe ◦ Otevrˇene´ kontakty ◦ Kapacitnı´
• Bezkontaktnı´ senzory vzda´lenosti (proximitnı´) ◦ Time of flight princip ◦ Interferometrie ◦ Triangulace
Vzda´lenost - Taktilnı´ Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe Vzda´lenost Poloha
Vy´hody Nejjednodusˇsˇ´ı senzory vzda´lenosti
Nevy´hody Omezenı´ pocˇtu sepnutı´ Poruchovost Koroze Bina´rnı´ vy´stup
Vzda´lenost - Bezkontaktnı´ Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe Vzda´lenost Poloha
Time of flight Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe Vzda´lenost Poloha
• Meˇrˇ´ı se doba pru˚chodu signa´lu prostrˇedı´m • Zna´me rychlost sˇ´ırˇenı´ signa´lu prostrˇedı´m
TOF - Ultrazvuk Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe Vzda´lenost
Rychlost sˇ´ırˇenı´ zvuku ve vzduchu c = 331, 570 + 0.607t [m/s;◦C] Senzor pracuje na piezoelektricke´m jevu
Poloha
Vy´hody B Jednoduchy´ a levny´ snı´macˇ
Nevy´hody B Za´vislost na teploteˇ ˇ iroky´ vyzarˇovacı´ diagram BS
TOF - Laser Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
Vy´hody
Vzda´lenost Poloha
B Velmi prˇesne´ meˇrˇenı´ B Bodove´ meˇrˇenı´ B Neza´visı´ na teploteˇ
Nevy´hody B Drahe´ na vy´robu B Za´visı´ na reflektiviteˇ prˇedmeˇtu
Interferometr Snı´ma´nı´ v robotice
DETEKTOR
Internı´ snı´macˇe
I2
Externı´ snı´macˇe
x+d
Vzda´lenost Poloha
I1
I x
p 2π2d I = I1 + I2 ± 2 I1 I2 cos λ
Superpozice dvou monochromaticky´ch vln Vzda´lenost odpovı´da´ pocˇtu interferencˇnı´ch prouzˇku˚
Vy´hody B Vysoka´ prˇesnost
Nevy´hody B Vysoka´ cena B Maly´ rozsah meˇrˇenı´
Pasivnı´ triangulace (Stereovize) Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe
Prˇeka´zˇka
Externı´ snı´macˇe Vzda´lenost Poloha
z=
z α S1
x cot α + cot β
β
x
S2
Vy´hody
Nevy´hody
B Jednoduche´ meˇrˇenı´ B Vı´ce bodu˚ meˇrˇenı´ zara´z B Dodatecˇna´ informace ”zdarma”
B Na´rocˇne´ na zpracova´nı´ (obraz) B Dobrˇe definovane´ sce´ny B Slepe´ oblasti ve stı´nu
Aktivnı´ triangulace Snı´ma´nı´ v robotice
Prˇeka´zˇka
Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
z
z=h
x 1 = 0 x A + BuP SD
Vzda´lenost
·
Poloha
β
h x
x0
PSD
• Bodove´ meˇrˇenı´ (GP12D1)
ˇ a´rove´ meˇrˇenı´ (my´tne´ bra´ny) • C • Projekce obrazce na prˇedmeˇt (Grayu˚v ko´d / Moire´)
Vy´hody
Nevy´hody
B Jednoduche´ meˇrˇenı´ B Vı´ce bodu˚ meˇrˇenı´ zara´z B Dodatecˇna´ informace ”zdarma”
B Na´rocˇne´ na zpracova´nı´ (obraz) B Dobrˇe definovane´ sce´ny B Slepe´ oblasti ve stı´nu
Snı´ma´nı´ polohy robotu Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe Vzda´lenost Poloha
Inercia´lnı´ snı´macˇe
Referencˇnı´ snı´macˇe
Posunutı´ (Akcelerometr) Natocˇenı´ (Gyroskop)
Posunutı´ (GPS, GLONASS, Galileo) Natocˇenı´ (Kompas)
Syste´m sourˇadnic mu˚zˇe by´t vu˚cˇi absolutnı´ poloze natocˇen
V sourˇadnicı´ch pevne´ mapy
Syste´m sourˇadnic mu˚zˇe vykona´vat rovnomeˇrny´ prˇ´ımocˇary´ pohyb Charakteristicky´m rysem je integrace (dead reckoning)
Akcelerometr Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe Vzda´lenost Poloha
2. Newtonu˚v za´kon F = M a = Kdz M . . . hmotnost za´vazˇ´ı a . . . zrychlenı´ K . . . tuhost pruzˇiny dz . . . protazˇenı´ pruzˇiny Meˇrˇenı´ dz:
• Kapacitneˇ (MEMS) • Pizezokrystal (Vibrace) Poloha se zı´ska´ dvojitou integracı´ (dead reckoning) ZZ x= a Teplotnı´ drift !!!!!
Mechanicky´ gyroskop Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe Vzda´lenost Poloha
• Meˇrˇ´ı u´hlove´ zrychlenı´ • Levny´ na vy´robu • Spolehlivy´ • Radiacˇneˇ odolny´ (letadla)
.
.
Opticky´ gyroskop (Sagnacu˚v jev) Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe
Konstrukce Kruhovy´ vlnovod Opticky´ kabel
Vzda´lenost Poloha
• Velmi prˇesny´ • Velmi drahy´ • Radiace posˇkozuje vla´kno Princip: Dva laserove´ svazky svı´tı´ proti sobeˇ. Rotace ovlivnˇuje rychlost sveˇtla ve vlnovodu. Meˇrˇ´ı se fa´zovy´ posuv ze za´zneˇju˚.
Kompas Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe Vzda´lenost Poloha
• Senzor natocˇenı´ s vntrˇnı´ referencı´ ◦ Snı´ma´ magneticke´ pole Zemeˇ ◦ Poloha magneticke´ho po´lu se v cˇase ”nemeˇnı´” • Ru˚zne´ principy meˇrˇenı´ ◦ Absolutnı´ enkoder pod magnetem ◦ Opticke´ snı´ma´nı´ ◦ Rogowske´ho cı´vka
Vy´hody Nedocha´zı´ k integraci chyby jako u gyroskopu˚ Velmi stary´ jednoduchy´ princip
Nevy´hody Na´chylny´ na rusˇenı´ (zˇelezobetonove´ budovy, el. Trakce) Nefunguje na meˇsı´ci
GPS/Glonass/Galileo Snı´ma´nı´ v robotice Internı´ snı´macˇe Externı´ snı´macˇe Vzda´lenost Poloha
Senzor natocˇenı´ s vntrˇnı´ referencı´
• Meˇrˇ´ı dobu letu signa´lu z druzˇic. • Poloha druzˇic je zna´ma´. • Zjisˇteˇnı´ polohy prˇijı´macˇe trilateracı´.
Kazˇda´ druzˇice vysı´la´ Prˇesny´ cˇas Polohu Prˇiblizˇne´ informace o poloze ostatnı´ch druzˇic
Syste´my zalozˇeny´mi na GPS se bude zaby´vat samostatna´ prˇedna´sˇka.
Deˇkuji za pozornost
18. u´nora 2013 Ing. Frantisˇek Burian
