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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.
SENSOR DE DISTÂNCIA
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.
SENSOR DE DISTÂNCIA
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.
SENSOR DE DISTÂNCIA
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.
SENSOR IR DE TRIANGULARIZAÇÃO
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.
SENSOR IR DE TRIANGULARIZAÇÃO
Triangularização no IR:
Objeto 1
Objeto 2
x2
x1
EmissorCCD Receptor
d2
d1 Lente
f
SENSOR IR DE TRIANGULARIZAÇÃO
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
SENSOR LASER – TEMPO DE PERCURSO
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.
SENSOR LASER – TEMPO DE PERCURSO
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
SENSOR LASER – TEMPO DE PERCURSO
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.
SENSOR LASER – TEMPO DE PERCURSO
𝐷′ = 𝑐𝑡 =𝑐𝜃
2𝜋𝑓⇒ 𝐷′ =
𝜆𝜃
2𝜋
𝐷 =𝐷′ − 𝐿
2
Relação das fases 2π
SENSOR LASER – TEMPO DE PERCURSO
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.
SENSOR LASER – TEMPO DE PERCURSO
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.