Шаг 7. Датчики роботов

Датчики роботов

В отличие от человека, роботы не ограничены только зрением, слухом, осязанием, обонянием и вкусом. Датчики роботов бывают разных типов. В первую очередь роботы используют различные электромеханические датчики, чтобы исследовать и понять окружающий мир и самих себя.

Воспроизвести органы чувств живого существа в данный момент очень сложно. Из-за этого исследователи и разработчики прибегают к альтернативам биологических чувств.

Что могут чувствовать люди, но не могут чувствовать роботы?

При помощи камер роботы могут “видеть”, но испытывают трудности с понимание того, что они видят. Робот может получить с камеры изображение, состоящее из миллионов пикселей. Но без сложного программирования, он не будет знать, что любой из этих точек обозначает.

Датчики расстояния указывают расстояние до объекта, но нужно, чтобы робот не врезался в препятствие или объект. Исследователи и компании экспериментируют с различными подходами к датчикам роботов. Дополнительно разрабатываются датчики, которые позволяет роботу не только “видеть” но “понимать” что он видит.

Это может занять длительное время, прежде чем робот сможет различить объекты, расположенные перед ним на столе. Особенно если они расположены не так как в базе данных объектов.

Роботы очень плохо различают то, что связано со вкусом или обонянием.

Человек может сказать вам, “это является на вкус сладким” или “это плохо пахнет”, в то время как роботу необходимо провести анализ химического состава.  Затем нужно искать вещества в базе данных, чтобы определить, что у человека отмечено на вкус как “сладкое” или на запах как “плохой”.

Такие датчики роботов как датчики вкуса и обоняния разрабатывались мало. В первую очередь потому что не было большого спроса на робота, который может различать вкус или запах.

Люди имеют множество нервных окончаний на всей своей коже, и мы знаем, когда мы дотронулись до какого-либо предмета или что-то коснулось нас. Роботы оборудованы кнопками или простыми контактами, размещенными в стратегически важных местах. Например, на переднем бампере, чтобы определить, вступает ли он в контакт с объектом.

Роботы типа «домашние животные» могут иметь контакты или группу датчиков, расположенных на голове, ногах или спине, но если вы попытаетесь прикоснуться к зоне, где нет датчика, робот не поймет, что его касались, и не будет реагировать. Поскольку исследования в области гуманоидных роботов продолжаются, возможно, такие датчики роботов как “электромеханическая кожа” будет развиваться.

Что могут чувствовать роботы, но не могут чувствовать люди?

Робот не может сказать вам приятное на вкус или запах вещество. Хотя этапы анализа химического состава могут дать ему гораздо больше информации, чем нормальный человек может знать о его свойствах. Если робот оснащен датчиком окиси углерода, то он будет в состоянии обнаружить угарный газ.

Это повысит безопасность так как угарный газ не имеет цвета и запаха для человека. Робот также будет в состоянии сказать вам уровень рН вещества. Следовательно может определить, она кислая или щелочная, и многое, многое другое.

Люди используют пару глаз, чтобы получить визуальную информацию, хотя многие люди не могут определить точно расстояние до объекта. Человек может сказать вам, что до дерева около 20 метров. В то же самое время робот, оснащенный датчиками расстояния, может сказать вам, что до дерева 21.1 метра.

Кроме того, роботы могут дать точные значения различных факторов окружающей среды, про которые люди не знают или не способны воспринимать.

Например, робот может сказать вам какое у него точное угловое или линейное ускорение. Хотя большинство людей большинство людей скорее всего определит что он передвигается или поворачивает.

Человек может сказать вам на основе своего опыта, что предмет горячий или холодный, не прикасаясь к нему. В то время как тепловизор может предоставить 2D тепловое изображение, находящееся перед ним. Хотя у человека есть пять основных чувств, датчики роботов могут иметь практически бесконечное количество разновидностей.

Какие датчики необходимы для вашего робота?

Итак, какие типы датчиков доступны, а какие датчики нужны вашему роботу? Вы должны сначала спросить себя, для каких целей нужен робот и что он должен измерять. Затем ниже можно посмотреть какие бывают типы датчиков для роботов.

Есть большая вероятность того, что вам не подойдет ни одна их перечисленных ниже категорий, поэтому постарайтесь определить основные элементы робота и разбить задачу на составляющие.

Датчики для роботов бывают:

1. контактные
2. дистанционные
3. позиционирования
4. реагирующие на условия окружающей среды
5. использующие вращение
6. и другие

Контактные датчики

— Кнопка / контактный выключатель.

Переключатели, кнопки и контактные датчики используются для обнаружения физического контакта между объектами, а не ограничиваются только людьми, нажимающими на кнопки.

Бампер робота может быть оснащен датчиком касания или кнопкой. Дополнительно “усы” (как и у животного) могут использоваться для обнаружения объекта на различных расстояниях.

• Преимущества: очень низкая цена, простота интеграции, надежность.
• Недостатки: расстояние измерения ограничено.

— Датчики измерения давления

Кнопка, которая предлагает одно из двух возможных показаний (ON или OFF). В результате датчик робота производит выходной сигнал, пропорциональный прилагаемой к нему силе.

• Преимущества: позволяет измерять, сколько силы применяется.
• Недостатки: могут быть неточными и сложнее в использовании, чем простые коммутаторы.

Дистанционные датчики

— Ультразвуковые датчики

Датчики,  которые используют ультразвуковые сигналы  для измерения времени между отправкой сигнала и возвратом его эхо-сигнала называются ультразвуковыми. Датчики роботов в этом случае созданы на основе изучения летучих мышей, дельфинов и других животных.

Ультразвуковые дальномеры могут измерять диапазон расстояний, но используются, в частности, в воздухе и зависят от отражающей способности различных материалов.

• Преимущества: измерение среднего диапазона (несколько метров).
• Недостатки: поверхности и факторы окружающей среды могут повлиять на показания.

— Инфракрасные датчики

Инфракрасный диапазон также может использоваться для измерения расстояния. Некоторые инфракрасные датчики измеряют одно конкретное расстояние, в то время как другие обеспечивают выходной сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта.

• Преимущества: низкая стоимость, достаточно надежные и точные.
• Недостатки: более широкий диапазон, чем у ультразвуковых датчиков.

— Лазер

Лазеры используются, когда требуется высокая точность, или большое расстояние до объекта, или когда присутствуют оба фактора. Сканирующие лазерные дальномеры используют спин-лазеры (ультрабыстрые лазеры) для двумерного сканирования расстояния до объектов.

• Преимущества: очень точные с очень большим диапазоном.
• Недостатки: намного дороже, чем обычные инфракрасные или ультразвуковые датчики.

— Энкодеры

Оптические энкодеры часто используют пару светодиод фотодиод. На валу установлен диск с отверстиями, через которые сигнал со светодиода попадает на фотодиод и считывается количество импульсов.

Определенное количество отверстий соответствует полному углу, пройденному колесом. Зная радиус колеса, вы можете определить общее расстояние, пройденное этим колесом. Два энкодера дают вам относительное расстояние в двух измерениях.

• Преимущества: если нет скольжения, то высокая точность измерения. Часто устанавливается на задний вал двигателя.
• Недостатки: требуется дополнительное программирование, более точные оптические энкодеры могут дорого стоить.

— Линейный потенциометр

Линейный потенциометр способен измерять абсолютное положение объекта.

• Преимущества: точно измеряет абсолютное положение.
• Недостатки: маленький диапазон.

— Датчики растяжения и изгиба

Датчик растяжения состоит из материала, сопротивление которого изменяется в зависимости от того, насколько он растянут. Датчик изгиба обычно представляет собой сэндвич из материалов, где сопротивление одного из слоев изменяется в зависимости от того, насколько он был согнут.

Их можно использовать для определения небольшого угла или поворота, например, сколько пальцев было согнуто.

• Преимущества: полезно, когда ось вращения является внутренней или недоступной.
• Недостатки: небольшая точность и возможность измерения только малых углов.

— Стереокамера

Как и человеческие глаза, две камеры, расположенные на расстоянии друг от друга, могут предоставлять информацию о глубине (стереовидение). Роботы, оснащенные камерами, могут быть одними из самых способных и сложных роботов.

Камера, в сочетании с правильным программным обеспечением, может обеспечить хорошее распознавание цвета и объектов.

Преимущества: возможность предоставления подробной информации и хорошая обратная связь.

Недостатки: сложность в программирование и в использовании информации.

Датчики позиционирования

— Локализация в помещении (навигация в комнате)

Внутренняя система локализации может использовать несколько маяков для триангуляции (определение взаимного расположения точек на поверхности) положения робота в помещении, в то время как другие используют камеру и ориентиры.

• Преимущества: отлично подходит для абсолютного позиционирования
• Недостатки: требуется сложное программирование и использование маркеров.

— GPS

GPS использует сигналы от нескольких спутников, вращающихся вокруг планеты, чтобы определить их географические координаты.

Устройства GPS могут обеспечить географическое позиционирование с точностью до 5 метров, в то время как более сложные системы, включающие обработку данных и исправление ошибок, благодаря использованию других единиц GPS или ИДУ, могут иметь точность до нескольких сантиметров.

• Преимущества: не требует маркеров или других ссылок.
• Недостатки: могут работать только на открытом пространстве.

Датчики вращения

— Потенциометр

Поворотный потенциометр – это, по сути, делитель напряжения и обеспечивает аналоговое напряжение, соответствующее углу поворота ручки.

• Преимущества: простой в использовании, недорогой, достаточно точный, обеспечивает абсолютные показания.
• Недостатки: большинство из них ограничены 300 градусами вращения.

— Гироскоп

Электронный гироскоп измеряет скорость углового ускорения и подает соответствующий сигнал (аналоговый сигнал напряжения, последовательный канал связи, с I2C и т. д.). В электронном гироскопе используются пьезопластины.

• Преимущества: отсутствие «механических» компонентов.
• Недостатки: датчик всегда подвергается угловому ускорению, тогда как микроконтроллер не всегда может принимать непрерывный входной сигнал, то есть значения теряются, что приводит к ”дрейфу» значений

— Энкодеры

Оптические энкодеры используют мини — инфракрасные пары передатчика / приемника. Количество разрывов инфракрасного пучка соответствует полному углу, пройденному колесом.

Механический энкодер использует очень тонко обработанный диск с достаточным количеством отверстий, чтобы читать определенные углы. Поэтому механические датчики могут использоваться как для абсолютного, так и для относительного вращения.

• Преимущества: точность.
• Недостатки: у оптических энкодеров угол поворота является относительным (не абсолютным)  от исходного положения.

Датчики роботов, реагирующие на условия окружающей среды

— Датчик света

Датчик света может использоваться для измерения интенсивности источника света, будь то естественным или искусственным. Обычно его сопротивление пропорционально интенсивности света.

• Преимущества: обычно очень недорогие и очень полезные.
• Недостатки: не могут различать источник или тип света.

— Датчик звука

Датчик звука — это, по сути, микрофон, который возвращает напряжение, пропорциональное уровню окружающего шума. Более сложные платы могут использовать данные из микрофона для распознавания речи.

• Преимущества: дешевый и надежный датчик.
• Недостатки: для того, чтобы расшифровать важную информацию требуется сложное программное обеспечение.

— Температурные датчики

Температурные датчики могут использоваться для измерения температуры окружающей среды или в сложных условиях, например в нагревательных элементах, печах и т.д.

• Преимущества: могут быть высокоточными.
• Недостатки: более сложные и точные датчики могут быть более сложными в использовании.

— Тепловизионная камера

Тепловизионный датчик (камера) инфракрасного или теплового изображения позволяет получить полное 2D-тепловое изображение всего, что находится перед камерой тепловизора. Таким образом, можно определить температуру объекта.

• Преимущества: можно выборочно на расстоянии измерять тепловую активность объектов.
• Недостатки: высокая стоимость

— Датчики измерения влажности

Датчики влажности определяют процентное содержание воды в воздухе и часто соединяются с датчиками температуры.

— Барометрический датчик давления

Датчик давления (который также может быть барометрическим датчиком) может использоваться для измерения атмосферного давления. Следовательно может дать представление о высоте БПЛА (беспилотный летательный аппарат).

— Датчики газа

Датчики газа используются для определения наличия и концентрации различных газов. Однако они нужны только специализированных робототехнических комплексов.

• Преимущества: это единственные датчики роботов, которые могут быть использованы для точного обнаружения газа
• Недостатки: недорогие датчики могут давать ложные срабатывания или несколько неточны и поэтому не должны использоваться для критически важных задач.

— Магнитометры

Магнитометры могут быть использованы для обнаружения магнитов и магнитных полей. Также может определить полярность.

• Преимущества: помогает обнаружить ферромагнитные металлы.
• Недостатки: в некоторых случаях датчики могут быть повреждены сильными магнитами.

Датчики, использующие вращение

— Компас

Цифровой компас способен использовать магнитное поле Земли для определения его ориентации относительно магнитных полюсов. Наклон компаса компенсируется и учитывает тот факт, что робот не может передвигаться строго горизонтально.

• Преимущества: обеспечивает абсолютную навигации.
• Недостатки: более высокая точность увеличивает цену.

— Гироскоп

Электронные гироскопы способны определять угол наклона по одной или нескольким осям. Механические датчики наклона, как правило, определяют наклон робота при помощи ртути в стеклянных капсулах или шарах.

• Преимущества: электронные гироскопы имеют более высокую точность, чем механические.
• Недостатки: более высокая стоимость.

— Акселерометры

Акселерометры измеряют линейное ускорение. Это позволяет измерять гравитационное ускорение или любое другое ускорение, которое испытывает робот.

Это может быть хорошим вариантом для приблизительной оценки расстояния, если ваш робот не может использовать окружающую среду для уточнения координат.

Акселерометры могут измерять ускорение вдоль одной, двух или трех осей. Трехосевой акселерометр позволяет измерять все углы наклона сенсора в пространстве.

• Преимущества: они не требуют никаких внешних ссылок или маркеров для функционирования, и может обеспечить абсолютную ориентацию по отношению к гравитационному полю Земли или определить относительную ориентацию.
• Недостатки: они только приблизительно оценивают пройденное расстояние и не могут точно определить его.

— ИИБ

Инерциальный измерительный блок сочетает в себе мультиосевой акселерометр с мультиосевым гироскопом и иногда мультиосевым магнитометром для того, чтобы более точно измерить крен.Такие датчики роботов достаточно сложные.

• Преимущества: это очень надежный способ измерения без использования внешних ссылок (кроме магнитного поля Земли)
• Недостатки: может быть очень дорогим и сложным в использовании.

И другие

— Датчики тока и напряжения

Датчики тока и напряжения измеряют ток и/или напряжение конкретной электрической цепи. Это может быть очень полезно для определения того, сколько ваш робот сможет работать (измерять напряжение аккумуляторной батареи) или, если ваши моторы слишком сильно работает (измерения тока).

• Преимущества: они делают именно то, что они предназначены.
• Недостатки: могут вносить изменения в измеряемое напряжение или ток. Иногда требуется изменить измеряемую электрическую цепь.

— Магнитные датчики

Магнитные датчики и магнитометры способны обнаружить магнитные предметы и могут требовать контакта с объектом, или должны быть расположены относительно близко к объекту.

Такие датчики роботов могут использоваться на автономной газонокосилке для обнаружения провода, проложенного по газону или для поиска скрытой проводки в квартире.

• Преимущества: как правило, недорогие
• Недостатки: как правило, должны располагаться относительно близко к объекту, и к сожалению, не могут обнаруживать немагнитные металлы.

— Датчики вибрации

Датчики вибрации предназначены для обнаружения вибрации объекта с помощью пьезоэлектрических или других технологий.

— Технологии RFID

Технология RFID – это технология беспроводного обмена данными посредством радиосигнала между электронной меткой, которая помещается на объект и специальным радиоэлектронным устройством, которое считывает сигнал метки.

Устройства радиочастотной идентификации могут использовать как активные (с питанием), так и пассивные (без питания) RFID-метки обычно имеющие размер и форму кредитной карты, небольшой плоский диск или дополнение к брелоку (другие формы также возможны).

Когда метка RFID находится на определенном расстоянии от считывателя RFID, создается сигнал с идентификатором тега.

• Преимущества: RFID метки обычно имеют очень низкую стоимость и могут определяться индивидуально.
• Недостатки: бесполезно для измерения расстояния, кроме случаев, когда метка находится в пределах диапазона.

Практическая часть

Типичным примером, демонстрирующим автономную работу робота, является робот на базе набора Lego EV3 для движения по линии при помощи одного или двух датчиков цвета. В этом случае датчики робота определяют яркость отраженного света.

Движение по линии