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V. Angélica García Vega [email protected]
¿Por qué los robots necesitan sensores?Para conocer su estado internoPara localizarse en su entornoPara detectar obstáculosPara navegar: Detectar el contacto entre el robot y objetos externos, como los muros.Detectar el contacto con partes de movimiento interno del robot (brazo ó tenaza). Detecta el contacto con el piso para que el robot no caiga.Para realizar sus tareas de manera más flexible y eficiente como es el caso de robots cosechadores, el manejo de materiales, detectar y seguir personas, entre otros
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Clases de sensores (1) Los sensores son los dispositivos mediante los cuales se
puede determinar el estado interno o del entorno del robot.
Con base en su uso se clasifican en:
Internos o propioceptores: reportan el estado interno del robot, por ejemplo: brújulas,
inclínometros, decodificadores de rotación.
Externos: toman y actualizan información del medio externo, por
ejemplos: odómetros, sensores táctiles, detectores de infra-rojo, sensores de campos magnéticos o efecto Hall, fotoceldas, micrófonos.
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Clases de sensores (2)
Con base en los requerimientos de potencia y electrónica se clasifican en:
Pasivos Son aquéllos que realizan sus observaciones y mediciones a través
de la recepción pasiva de energía; no requieren de potencia externa, por ejemplo: interruptores, termómetros, medidores de ángulos, fotoceldas, medidores de respuesta galvánica de la piel, entre otros.
Activos: Son aquéllos que para realizar sus mediciones u observaciones
emiten energía al ambiente o lo modifican; requieren el suministro de potencia externa y electrónica extra, por ejemplos: emisores/detectores de infra-rojo, medidores de sonido, medidores diferenciales de luz, medidores de la potencia de la batería, entre otros.
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Clases de sensores según la fuente de energía
En función de la fuente de energía:
Pasivos: no poseen una fuente propia de radiación. Miden la radiación solar reflejada. Por ejemplo, los sistemas fotográficos.Activos: poseen su propia fuente de radiación electromagnética, trabajando en franjas restringidas del espectro. Por ejemplo, los radares.
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Clases de sensores según el tipo de producto
No imageadores: no generan una imagen de la superficie observada. Por ejemplo, los radiómetros (salida en dígitos o gráficos) y los espectro-radiómetros (firma espectral). Son esenciales para la adquisición de información minuciosa sobre el comportamiento espectral de los objetos de la superficie terrestre.
Imageadores: se obtiene como resultado una imagen de la superficie observada. Suministran información sobre la variación espacial de la respuesta espectral de la superficie observada.
b.1. Sistema de cuadro (‘framing systems’): adquieren la imagen de la totalidad de la escena en un mismo instante.
b.2. Sistema de barrido (‘scanning systems’): la imagen se obtiene de forma secuencial, mediante un barrido de la escena de interés.
b.3. Sistema fotográfico
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Clases de sensores (3)
Con base en el tipo de datos se clasifican en:
Sensores de rango: miden distancias entre el sensor y objetos en el entorno
Sensores de posición absoluta: regresan la posición del robot (o del vector de posición) en términos de absolutos, p.e. un GPS la latitud o la longitud respecto a la tierra
Sensores ambientales o externos: las mediciones corresponden a propiedades del ambiente, p.e. la temperatura, el color en un un objeto
Sensores inerciales: regresan las propiedades diferenciales de la posición del robot, p.e. la aceleración
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Ejemplos de sensoresSensor de rotación (encoders): miden la rotación de un eje. Se usan para medir el ángulo de un brazo robótico, o cuánto ha girado la rueda de un robot.Sistemas de Posicionamiento Global (GPS) reciben señales desde satélites en órbita, lo cual permite la localización de un robot en La Tierra. Los sensores de distancia LASER (Laser range-finder) usan rayos láser para medir la distancia a objetos. Se usan para la detección de obstáculos y navegación.Las cámaras son un sensor muy común. La visión computacional es el campo de estudio de la interpretación de las imágenes para una variedad de propósitos.
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Ejemplos de sensores comunes
La foto-resistencia (fotocelda o foto-transistor) actúa como una válvula para la electricidad. Mientras más energía luminosa recibe, mayor electricidad fluye. Ejemplos de uso:
Navegación – sigue una línea negra sobre una superficie blanca (o vice versa).
Fototaxis – encuentra un objeto muy brillante en una sala o área (una ampolleta).
Selector de Color – Separa bloques LEGO negros y amarillos.
Elemento de Entrada – Distintos colores o niveles de gris sobre un trozo de papel
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Ejemplos de sensores comunes
• Los sensores de contacto permiten:• Detectar el contacto entre el robot y objetos
externos, como los muros.
• Detectar el contacto con partes de movimiento interno del robot (brazo ó tenaza).
• Detecta el contacto con el piso para que el robot no caiga.
• Elemento de entrada – un control “remoto”.
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Aspectos extras a considerar Otros aspectos que se pueden usar para clasificar otras tecnologías de
los sensores son:Velocidad de operación: este aspecto relaciona la tasa a la cual se entregan los datos cuando el sensor está en operación continua. Cuando el sensor funciona de manera intermitente, este aspecto representa el tiempo de retardo con el que el sensor entrega el dato solicitadoTasa de error: error promedio, número de mediciones perdidas, número de mediciones falsasRobustez: esto representa hasta que punto el sensor puede funcionar o tolerar cambios en las condiciones ideales de operación, p. qué tanto es afectado por perturbaciones físicas, ruido ambiental, ruido eléctrico, entre otrosRequisitos computacionales: representa la cantidad de computación en algoritmos o equipo para proporcionar la información, p.e. un sensor de contacto el requisito de cómputo es mínimo, una cámara de video o un sistema de visión podría requerir grandes recursos para el procesamiento de los algoritmos o quizá el uso de arreglo de procesadores para dar los resultados en tiempo real.Requisitos de poder, peso y tamañoCosto
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Modelo del sensor
Un sensor nos sirve para evaluar alguna propiedad física de manera que se puede modelar la relación entre las propiedades físicas de interés (pf) y las lecturas del sensor (l) mediante el modelo:
l = f(pf)
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Problemas con el modelo del sensor
El modelo del sensor debe incluir el ruido interno del sensor así
como el debido a otras fuentes. De hecho el modelo del sensor colapsa varias dimensiones de la dimensión del mundo real en una lectura de menor dimensión. Esto representa un problema la intentar “reconstruir” el mundo a partir de los datos de los sensores denominado “problema inverso”: encontrar los argumentos de una función dada la salida de la función. Sin información adicional estos problemas son difíciles y ambiguos, ya que es posible que varios escenarios (valores del dominio) den lugar a las lecturas. Estos problemas son llamados problemas “ill-posed”, que sufren de alguno de los problemas siguientes:
No tienen solución definida La solución no está univocamente definida La solución no es estable
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Ejemplo de un problema mal definido (1)
Suponga que se tiene una señal f0(x). Se intenta diferenciarla de la que está corrompida por una pequeña cantidad de ruido de alta frecuencia
f(x) = f0(x) + ksen(wx)
De manera que la señal derivada de esta señal está dada por:
f’(x) = f’0(x) + kwcos(wx)
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Ejemplo de un problema mal definido (2)
Si w>> 0 la derivada tiene mayor corrupción, con un ruido de una amplitud mayor. Y se vuelve inestable ante presencia de ese ruido.
Se dice que el sensor es inestable respecto a cierto punto. Formalmente un sensor cuya salida f(p) es inestable es aquel cuya salida varía grandemente ante variaciones pequeñas de la entrada, esto se representa mediante:
f(p) – f(p+ h)Limh→0
→∞
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Suposiciones sobre el ambiente para resolver los casos de los problemas mal definidos
Enfoque de Tikhonov o el uso de un término de regularización para representar propiedades o hipótesis del ambiente.
Hay que formular el problema inverso con un término adicional de costo de estabilización que implícitamente elige alguna soluciones sobre otras basándose el costo preferido (esta función se puede construir de manera que sea no-ambigua). Para los casos de, regularización o variación
el término se conoce con el nombre de estabilizador
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Suposiciones sobre el ambiente para resolver los casos de los problemas mal definidos
El punto clave es que la ambigüedad se resuelva mediante la selección de la solución correcta no de cualquier solución.
Para el caso de un conjunto de restricciones lineales Mx = y, la solución x está dada por la minimización de la siguiente cantidad respecto a x
min(|| Mx- y||2 + ||Cx||2)Llamada la energía. Donde ||Cx||2 = ∑ ∫ Cn(z)|x(n)(z)|2 dz Donde x(n) es la enésima derivada de x(z) y n es el orden
de la derivada máxima a ser calculada y M es la matriz que relaciona los datos deseados de X con las observaciones y Cx se usa para imponer cierta preferencia en la solución
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Un experimento con fotoceldas
Objetivos: Aprender el uso de sensores comunes con el ladrillo de Lego. Aprender a usar una herramienta para medir valores de las señales del sensor. Aprender a usar la herramienta del entorno de programación para
llevar un registro de las señales recibidas en el ladrillo Transmitir los valores a una computadora Procesar los datos y generar una gráfica de visualización
Metodología Usar un multímetro para
Calcular la resistencia interna del RCX Agregar una resistencia variable para calcular la resistencia de la fotocelda Registrar 10 valores para cada caso Graficar los datos recabados
ProcedimientoUsar del multímetro para medir las conexiones de los puertos de sensores y de los motores.Calcular la resistencia interna del RCX.
• Observar el valor del puerto.• Agregar un potenciómetro de (50kΩ) al puerto.• Observar el nuevo valor• Realizar varias mediciones (10)• Graficar los resultados
Puede usar la opción del menú TOOLS para observar el estado del ladrillo del entorno RcxCC.La otra opción es elaborar un programa que use la bitacora (log) para guardar los valores que se leen cada t tiempo
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Sin pot50 kΩ 853
1023
Convertidor analógico/digital
El convertidor analógico/digital (A/D) del ladrillo transforma un voltaje analógico de un puerto de entrada en un valor digital con una resolución de 10 bits. Por tanto, el rango de valores es de 0 a 1023. Este modo de entrada es el denominado plano (RAW).
SetSensorType(SENSOR_1, SENSOR_TYPE_NONE); Esta orden del NQC coloca el puerto 1 de los
sensores en el modo de entrada plano.
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2.2 KΩ
termistor
T Temperatura interna.
Tf Temperatura corregida.
Tf = (7/6)*T- 40 °C
Tf = (7/6)*T-120 °F
Verificar si la lectura del termistor es igual a la del sensor de temperatura.
• Registrar la resistencia que marca el multímetro.
• Comparar con las lecturas del RCX.
• Graficar ambas lecturas.
• ¿Qué tan preciso es el termistor?
• ¿Qué pasa si se cambia la resistencia de 2.2 KΩ?
Sustitución del sensor de temperatura por un termistor.
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Foto-resistencia o fotocelda de Cds
Las foto celdas llamadas resistencias independientes de luz (LDR) son dispositivos cuya resistencia varía con la cantidad de luz que cae sobre ellas. La fotocelda es omnidireccional, es decir, captura la luz que cae desde todas las direcciones. Las puntas de las fotoceldas se tienen que cortar a una distancia de 10 mm. La soldadura se tiene que hacer rápidamente para evitar que se funda el encapsulado plástico.Si se quiere usar la fotocelda con una sensibilidad más orientada o con mayor dirección, se puede usar una lente de aumento para “focalizar” enfocar la luz. La lente se tiene que colocar a una distancia corta de la fotocelda
10mm
L
Lente de aumento o lente de Fresnel
Encapsulado para evitar el ruido
Una ventaja que presenta la foto celda es que el rango de operación es mayor que el rango del sensor de luz LEGO®. La ventaja principal es su mejor respuesta a los colores de luz que percibe.
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Un experimento más que usa la resistencia al paso de una corriente
La salinidad del agua se mide por la resistencia que presenta. A mayor sal disuelta en el agua menor es su resistencia.Idée un experimento mediante el cual pueda determinar la salinidad de una solución acuosa
