Chương 4 Cảm biến trong robot.docx

Cảm biến trong robot

CHƯƠNG 3 CẢM BIẾN DÙNG TRONG ROBOT TỰ HÀNH

Có một lượng lớn các cảm biến khác nhau được dùng trong lĩnh vực robotic, áp dụngnhiều kĩ thuật đo khác nhau và sử dụng các giao tiếp khác nhau với bộ điều khiển Điều quantrọng là tìm ra cảm biến thích hợp cho một ứng dụng cụ thể Dữ liệu truyền đến bộ điều khiển

có 2 dạng : CPU-initiated (hỏi vòng) và sensor-initiated (sử dụng ngắt) Trong trường hợpCPU-initiated, CPU liên tục kiểm tra xem dữ liệu có sẵn sàng để đọc không bằng một đườngtín hiệu trạng thái Việc này thì tốn thời gian hơn là giải pháp sensor-initiated, chi đòi hỏi đủngõ vào ngắt thôi Cảm biến phát tín hiêu ngắt đến CPU và CPU đáp ứng ngay lập tức

Sau đây là bảng tóm tắt các dạng ngõ ra của cảm biến :

Tín hiệu logic (1,0) Công tắc hành trình

Tín hiệu xung thời gian Cảm biến siêu âm

Dữ liệu nối tiếp (RS232 hoặc USB) GPS Module

Bảng 4.1 Phân loại cảm biến theo ngõ ra

4.1 PHÂN LOẠI CẢM BIẾN

Dưới cái nhìn của người kỹ sư, thật hợp lý khi phân loại cảm biến theo ngõ ra vì điều này

rất cần thiết khi giao tiếp chúng với hệ thống nhúng Tuy nhiên, Bảng 4.2 trích từ [9]cho ta

các cách phân loại khác cũng quan trọng khi nhìn vào khía cạnh ứng dụng của chúng:

Từ cách nhìn của một robot, ta cần phân loại như sau:

 Local hoặc on-board sensors ( cảm biến được đặt trên robot )

 Global sensors (cảm biến được đặt bên ngoài robot và trong môi trường làm việc của nó, gửi dữ liệu về robot)

Từ cách nhìn của một hệ thống robot tự hành, ta cần phân loại như sau:

 Internal hoặc proprioceptive sensors ( cảm biến khảo sát trạng thái bên trong của robot )

 External sensors ( cảm biến khảo sát môi trường của robot)

Một cách phân biệt khác là :

 Passive sensors ( cảm biến khảo sát môi trường mà không tác động đến môi trường

đó, ví dụ như camera, con quay gyroscope)

 Active sensors (cảm biến tương tác với môi trường để thực hiện đo đạc, ví dụ như cảm biến dùng sóng siêu âm, lazer, hồng ngoại)

Internal Passive

Cảm biến định lượng (pin,accu)Cảm biến nhiệt độ cho chipEncoder đầu trục

Cảm biến gócCảm biến gia tốc

La bàn (compass)

Active External Passive

Camera onboard

Active

Cảm biến siêu âmCảm biến hồng ngoạiCảm biến lazer

Passive

Overhead CameraGPS từ vệ tinh

Active

Hệ thống định vị dùng cảm biến siêu âm

Bảng 4.2 Các cách phân loại cảm biến trong robot tự hành

4.2 CÁC CẢM BIẾN THÔNG DỤNG TRONG ROBOT TỰ HÀNH:

4.2.1 Rotary Encoder:

Rotary encoder hay còn gọi là shaft encoder, là một thiết bị điện cơ dùng để đo vận tốchoặc vị trí Encoder sử dụng các cảm biến quang để đưa ra một chuỗi xung có thể chuyểnđổi thành các giá trị của chuyển động như vận tốc, vị trí hay hướng.Hình dưới mô tả cấutạo một dạng encoder: một đĩa rất mỏng và một diode phát quang (LED) gắn ở một phía,phía bên kia có một transistor nhạy sáng (light activate) phát hiện ánh sáng từ LED Đĩađược gắn vào trục quay và khi trục quay thì đĩa quay Khi đĩa quay đến vị trí mà ánh sáng

từ LED có thể truyền qua khe trên đĩa đến transistor làm nó bão hòa, transistor sẽ phát ramột xung vuông Có hai dạng rotary encoder : incremental encoder và absolute encoder

 Incremental Encoder :

Hình 4.1 Nguyên lý incremental encoder

Encoder với một chuỗi xung thì khó để nhận biết chiều chuyển động của vậtthể Các encoder loại incremental có thêm chuỗi xung thứ hai lệch pha so vớichuỗi thứ nhất Encoder này sử dụng hai ngõ ra A, B vuông pha với nhau, cócác trạng thái được mã hóa như sau :

(a)

(b)

Hình 4.2 (a): Mã hóa tín hiệu từ incremental encoder băng mã gray; (b) :

Trường hợp encoder quay thuận chiều chiều kim đồng hồ

 Absolute encoder : hạn chế của incremental encoder là số xung phải được đếm

và lưu trong bộ đệm hoặc bộ đếm ngoài, nếu mất nguồn, giá trị đếm sẽ mất.Trong trường một thiết bị cần tắt nguồn định kì để bảo dưỡng thì khi cấp nguồnlại nó sẽ không biết tiếp tục ở vị trí nào Absolute encoder có thể khắc phụcđiều này bằng thiết kế đĩa với các vòng đồng tâm trên đĩa, mội vòng đều cónhững chỗ hở cho ánh sáng đi qua và những chỗ kín xen kẽ nhau gọi là các

phần tử nhị phân Các vòng này bắt đầu từ tâm đĩa và càng ra xa thì số phần tửnhị phân lại tăng gấp đôi Giá trị đọc được sẽ có dạng số nhị phân duy nhất chomội vị trí tương đương của đĩa Việc mã hóa được thể hiện trong hình sau :

Hình 4.3 : Mã hóa từng vị trí theo mã gray nhị phân của absolute encoder

4.2.2 Gia tốc kế : (accelerometer)

Gia tốc kế đo gia tốc mà nó nhận được tương đối so với gia tốc rơi tự do, tức là bằnggia tốc quán tính trừ gia tốc trọng trường, trong đó gia tốc quán tính được hiểu theo kháiniệm của Newton về gia tốc thuộc một hệ quy chiếu đứng yên Một điều hơi phản trực giác

là nếu gia tốc kế đứng yên trên mặt đất sẽ cho ra gia tốc 1 g hướng lên Để có được gia tốc

theo chuyển động, giá trị offset này phải được trừ ra Nếu gia tốc cần đo nẳm ngang thì giatốc kế sẽ cho giá trị trực tiếp

Về nguyên lý, gia tốc kế họat động như một vật nặng đặt trên lò xo Khi chịu tác độngmột gia tốc , vật nặng được dịch chuyển đến vị trí mà lò xo có thể đạt được với cùng mộtgia tốc Sự dịch chuyển này được đo để cho ra gia tốc

Hình 4.4 : Cấu tạo một gia tốc kế dùng lò xo

Một loại gia tốc kế thông dụng là MEMS ( Micro Electro-Mechanical System) MEMS là công nghệ tích hợp các phần tử cơ khí, cảm biến, chấp hành và điện tử trêncùng một đế silicon Trong khi phần điện tử có thể chế tạo bằng quy trình sản xuất vimạch, phần vi cơ học (micromechanical) được chế tạo bằng quy trình

“micromachining” : làm ăn mòn các tấm sillicon (wafer) hoặc thêm vào các lớp cấu trúcmới để tạo nên các thiết bị cơ và điện cơ Gia tốc kế lọai MEMS bao gồm một thanh đỡmang trọng lượng, khi nhận các tác động gia tốc bên ngoài, thanh đỡ này bị lệch khỏi vịtrí cân bằng của nó Độ lệch này có thể được đo theo kiểu tương tự ( analog) hoặc số(digittal)

Hình 4.5 : Gia tốc kế 2-trục ADXL202 và sơ đồ nguyên lý mạch đo

Một gia tốc kế có thể là loại một hay nhiều trục, do robot có thể phát hiện lực trênmột hay nhiều hướng Robot dùng gia tốc kế loại một hướng, nó có thể nhận biết khi nào

robot đụng phải tường ( theo hướng đó ) nhưng không thể biết được nếu robot khác đâmvào nó theo hướng vuông góc Do đó dùng gia tốc kế nhiều trục sẽ tiện lợi hơn Một ứngdụng khác là cho robot đi bằng hai chân và ta muốn robot cân bằng trên mặt phẳng Dogia tốc kế có thể tính được góc lệch của gia tốc so với gia tốc trọng trường nên ta chỉ cầndùng loại hai trục, nếu gia tốc trên hai trục X-Y ( 2 trục nằm ngang) bằng không, cónghĩa là robot đang cân bằng hòan tòan.

4.2.3 Con quay ( Gyroscopes)

Gyroscopes có hai loại : mechanical gyroscopes và optical gyroscope

 Mechanical Gyroscopes : dựa trên nguyên lý lệch trục của con quay hồichuyển Trong trường hợp con quay đạng quay với tốc độ cao, ta tác động vàomột trục thì con quay sẽ phản ứng ở trục còn lại Trong sơ đồ con quay hình dưới,phần quay (rotor ) có ba bậc tự do và trục của nó ( spin axis) có hai bậc tự do.Khi rotor quay với vận tốc cao, ta tác động vào trục nằm ngang ( input axis ) thìcon quay sẽ đáp ứng ở trục thẳng đứng ( output axis)

Hình 4.6 : Cấu tạo và nguyên lý họat động của con quay hồi chuyển

Trong thực tế, con quay hồi chuyển gồm một rotor được lắp trên một khung độngquay quanh trục Y’Y với tốc độ lớn (~ 10000 vòng / phút) nhờ một động cơ Tốc độquay  cần đo theo trục Z’Z vuông góc với trục Y’Y Nó làm xuất hiện một ngẫulực C g

( tỉ lệ với  ) theo hướng X’X vuông góc với hai trục Y’Y và Z’Z có xuhướng làm cho khung động của con quay hồi chuyển quay theo Ngẫu lực C g

cânbằng với lực đàn hồi của lò xo và thể hiện qua góc quay  của khung Góc quay  tỉ

lệ với vận tốc góc  cần đo, để tiện cho việc xử lý thì góc  được chuyển thành tínhiệu điện nhờ vào một điện thế kế

 Optical Gyroscopes : mới được phát triển gần đây và được thương mại hóa vàonăm 1982 với ứng dụng trên máy bay Optical gyroscopes dựa trên nguyên lý : khicác sóng truyền theo hai hướng ngược nhau trên chu vi hình tròn bán kính r ( chu vi2

L r), và hình tròn quay với tốc độ  , biểu thức hiệu hai quãng đường có dạng:

Trong thực tế, người ta cho hai chùm tia xuất phát từ cùng một nguồn lazer truyềntheo hai hướng ngược nhau trong một sợi cáp quang quay với vận tốc cần đo Khi rakhỏi cáp, hai tia giao thoa Bằng cách đếm số vân giao thoa Z bị dịch chuyển docáp quay có thể tính tốc độ quay :

2Lr Z

Hình 4.7 Nguyên lý họat động của Optical Gyroscopes

2.2.4 Cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại hoạt động dựa trên nguyên tắc sau : một xung ánh sáng trong vùnghồng ngoại được phát đi rồi phản xạ lại ( hoặc không phản xạ) Khi ánh sáng phản xạ lại, góctới của sóng phản xạ sẽ phụ thuộc vào khoảng cách của vật phản xạ Với việc đo góc phản xạ,

ta sẽ suy ra được khoảng cách cần đo Phép đo như vậy gọi là phép tam giác lượng(triangulation)

Hình 4.8 Phép đo bằng cảm biến hồng ngoại.

Nhược điểm của cảm biến hồng ngoại là chịu tác động của ánh sáng môi trường và màusắc của vật phản xạ Do đó không thể sử dụng cảm biến này cho robot dung ngoải trời Tuynhiên một số cảm biến hồng ngoại mới như Sharp IR có thể làm việc tốt với ánh sánh môitrường Ưu điểm của cảm biến hồng ngoại là góc mở nhỏ nên độ phân giải hướng lớn

4.3 CẢM BIẾN SIÊU ÂM

4.3.1 Cơ sở vật lý của sóng siêu âm :

Sóng siêu âm là áp suất âm tuần hoàn với tần số lớn hơn ngưỡng nghe trên của tai người.Ngưỡng nghe này thay đổi theo từng người, tính xấp xỉ là 20KHz Sóng siêu âm được ứngdụng trong nhiều lĩnh vực, chủ yếu là truyền qua môi trường vật chất và đo tín hiệu phản xạ,tín hiệu phản xạ có thể mang theo đặc tính của môi trường đó

Hình 4.9 : Vị trí sóng siêu âm trong dải tần số

Siêu âm được sử dụng rộng rãi trong việc đo khoảng cách và định vị vật thể Sóng siêu âm được truyền trong không khí với vận tốc 343m/s Các công thức tính toán cho sóng siêu âm:

λ= c

Trở kháng âm Z là một đại lượng phụ thuộc tần số được tính bằng cách lấy áp suất âm

(sound pressure) chia cho vận tốc hạt (particle velocity) và diện tích bề mặt S mà sóng âm truyền qua

Z= p

Hiện tượng phản xạ được ứng dụng trong thực tế để đo khoảng cách và định vị vật thể.

Thông số ảnh hưởng đến sự phản xạ sóng siêu âm là trở kháng âm Z =ρ∗c Nếu trở kháng

âm của một môi trường giống như trong môi trường khác, âm sẽ được truyền từ môi trườngnày sang môi trường kia Sự khác nhau trở kháng âm giữa hai môi trường gây ra hiện tượngmột phần sóng âm bị phản xạ tại mặt phân cách

Hình 4.10 : Hiện tượng phản xạ sóng âm, một phần sóng phản xa lại môi trường cũ

và một phần sóng truyền qua môi trường mới

Trong trường hợp đặc biệt, sóng âm có thể phản xạ nhiều lần nếu môi trường không đồng nhất hoặc đi qua nhiều lớp phân cách môi trường

Hiện tượng tán xạ (hay còn gọi là hiện tượng phản xạ không chính xác) xảy ra khi bề mặt

phân cách nhỏ, nhỏ hơn vài bước sóng Mỗi mặt phân cách đóng vai trò một nguồn âm mới và

âm được tán xạ theo tất cả các hướng

4.3.2 Ứng dụng cảm biến siêu âm đo khoảng cách :

Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảngthời gian từ lúc phát đi đến lúc thu về ta có thể xác định được quãng đường mà sóng di chuyểntrong không gian Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng hai lần khỏang cách từ cảm biếnđến vật cản theo hướng phát của sóng siêu âm Khoảng cách từ cảm biến đến vật cản sẽ đượcxác định theo nguyên lý TOF (Time Of Flight):

d=v t

2

(4.6)Khi sóng siêu âm phát ra và thu về , cảm biến siêu âm một cách gián tiếp cho ta biết vị trícác chướng ngại vật theo hướng quét của cảm biến Khi đó dường như trên quãng đường điđến vật cản, sóng siêu âm không gặp bất cứ vật cản nào, và đâu đó xung quanh vị trí thông sốcảm biến ghi nhận được có một chướng ngại vật Vì thế cảm biến siêu âm có thể được mô hình

hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còncác điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó.

Hình 4.11 : Tầm quét của cảm biến siêu âm

Lựa chọn tần số: Vị trí bất kì của một vật thể trong không gian đều được xác định bằng 1

bước sóng, ngoại trừ những thiết bị đặc biệt có thể đo được ¼ bước sóng nhờ vào việc phânbiệt điểm áp suất cao và áp suất thấp

Một số tần số siêu âm trong thực tế:

 Robot: f = 30KHz – 80KHz

 Cá voi , dơi, : f = 100KHz

 Thiết bị y tế : f = 1MHz – 50MHz

Ứng dụng của cảm biến siêu âm trong robot

Sự thuận lợi của cảm biến siêu âm nằm ở chỗ giá thành rẻ, khối lượng nhỏ, công suất tiêuthụ thấp và yêu cầu tính toán ít Trong một số ứng dụng như là dưới nước hoặc trong môitrường khó nhin thấy ( low-visibility), cảm biến siêu âm là thiết bị duy nhất sử dụng được

Ứng dụng của cảm biến siêu âm trong robot có ba dạng được chia theo mục đích sử dụng:

1 Tránh vật cản (obstacle avoidance) : sóng phản xạ đầu tiên nhận được dùng để đokhoảng cách đến vật thể gần nhấ Robot sử dụng thông tin này để lập đường đi vòngqua vật cản và tránh va chạm

2 Lập bản đồ (sonar mapping) : một tập hợp các sóng phản xạ qua quá trình quét quayvòng ( rotational scan) hoặc từ một nhóm cảm biến được sử dụng để xây dựng một bản

đồ của môi trường làm việc Một tập hợp điểm sẽ được đặt tại cuối khoảng đo đượcdọc theo hướng phát sóng của cảm biến.

3 Nhận diện vật thể (Object Recognition) : một chuỗi các sóng phản xạ hoặc bản đồđược xử lý để phân loại các cấu trúc vật lý của vật thể tạo ra sóng phản xạ Nếu phânloại thành công, kết quả này có thể dùng để dẫn hướng robot

Hình 4.12Việc đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm và lập bản đồ

Hình 4.12 mô tả một hệ thống sonar đơn giản, một cảm biến (T/R) vừa đóng vai trò vai

trò là đầu phát (T) phát ra sóng âm (P) vừa là đầu nhận (R) của sóng phản xạ (E) Mộtvật thể O nằm trong vùng giới hạn của sóng ( mô tả bằng vùng màu tối) phản xạ lạisóng tới Một phần của sóng phản xạ kích thích đầu nhận và đầu nhận phát hiện đượcsóng phản xạ Sóng phản xạ có cùng dạng với sóng tới và cùng có 16 chu kì Khoảng

cách đo được tính theo nguyên tắc TOF : r0=c t0

2 với c là vận tốc âm.

Để xây dựng một bản đồ thì các điểm được xác định thông qua việc xoay cảm biến

quanh trục thẳng đứng, thể hiện bởi góc θ, góc quay giữa hai lần đo liên tiếp là ∆ θ.

Các điểm được đặt vào các khoảng cách đo tương ứng Do khoảng cách từ cảm biếnvật thể không đổi nên tập các điểm thu được sẽ vẽ nên một đường bao lấy vật thể Do

đó bản đồ đã được xây dựng

Cảm biến siêu âm có những hạn chế sau :

 Góc của chùm sóng rộng nên độ phân giải hướng thấp, do trong vùng phát sóngcủa cảm biến tồn tại bất cứ vật nào cũng có thể làm sóng phản xạ trở lại

 Do tốc độ của sóng siêu âm chậm ( so với các cảm biến quang học ) nên giảmtần số đo của cảm biến Một sóng mới được phát đi chỉ khi sóng phản xạ củacác lần đo trước đã hết tác dụng, nếu không sẽ dẫn đến việc đọc sai như hìnhdưới đây Các cảm biến siêu âm thường phát sóng sau mỗi 50ms nhưng vẫn cóthể bị đọc sai trong môi trường sóng bị phản xạ nhiều lần.

Hình 4.13 Hiện tượng đọc sai, sóng thứ hai phát đi khi

chưa nhận được sóng phản xạ thứ nhất

 Các bề mặt trơn và xéo thường không tạo ra sóng phản xạ mong muốn Hình

4.14 cho thấy một mặt phẳng ( có thể là bức tường ) có tác dụng như là tấm

gương với sóng siêu âm Điều quan trọng là một bức tường như vậy sẽ khôngtạo ra tia phản xạ có thể phát hiện được nên robot sẽ va chạm với tường