Intelligens Robotok. Érzékelők, szenzorrendszerek Dr. Vajda Ferenc docens

Intelligens Robotok

Érzékelők, szenzorrendszerek

Dr. Vajda Ferenc docens

2013-09-06

Digitális célrendszerek kutatócsoport Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Miről lesz szó? 

Érzékelők  



Tapintásérzékelés alapjai   



Technológiák Mérendő információk Példák a tapintásérzékelésre

Egyéb érzékelés szenzorai 



Alapok Érzékelők osztályozása, típusai

Látás, hallás stb.

Kommunikációs szenzorok 

Főbb elvek, technikák

Dr. Vajda Ferenc, BME, 3D&MR

2/47

Érzékelők


P

3/47

„A mérnök mér...”

Fogalmak  



  

Jel: Információt hordozó pillanatszerű, vagy ismétlődő fizikai mennyiség Jelentés: valamilyen értéket, adatot asszociációs, hasonlósági, vagy megállapodásos alapon ábrázoló értelmezés; alapvetően jelek gyűjteménye Információ: jelentések, tények vagy (feldolgozott / tárolt / átvitt) adatok gyűjteménye; ill. egy kísérlet kimenetének bizonytalanságához rendelt számszerű érték Jelátalakító: Eszköz, amely egy energiatípust, vagy fizikai tulajdonságot egy másikba alakít át Érzékenység: megadja, hogy a mérendő tulajdonság értékének megváltozása esetén mekkora a jel megváltozása Méréstartomány: A mérőátalakító méréstartományának azon intervalluma, amelyen az érzékenység eléri a minimálisan elvárt szintet


5/47

Fogalmak 









Karakterisztika: Egy rendszernek a különféle környezeti paraméterek mellett különféle bemenetekre adott válasza  Lineáris / nem lineáris → linearizálás Tranziens hiba: Olyankor megjelenő hiba, amikor az eszköz nem képes követni a mért mennyiség értékének hirtelen változását.  Pl. átlagolás miatt Érzékelő: eszköz, amely jeleket, ingereket fogad, és hatásukra valamilyen – ember, vagy műszer számára értelmezhető – kimenetet generál (jelátalakítók egy osztálya) Belső érzékelő (intrinsic s. → proprioception): Egy adott zárt struktúrán belüli információk mérését végző érzékelő  Csuklópozíció, szögsebesség, túlterhelés stb. Külső érzékelő (extrinsic s. → exteroception): Az adott eszköz viszonylatában a struktúrán kívül található jelek mérésére szolgáló érzékelő.  Környezeti információk, objektum- és környezetleírás


6/47

Hiszterézis   

Egy rendszer kimenete nem csak az aktuális állapottól függ, hanem az állapotváltozás aktuális irányától is Nem időfüggő! Ki is használható (pl. schmitt trigger)

Ki

Hiszterézis hiba Schmitt trigger meghajtó

Ki Be

Be Dr. Vajda Ferenc, BME, 3D&MR

7/47

Mire vagyunk kíváncsiak, mit mérünk? 

Mérhető fizikai mennyiségek   



Elmozdulás → hagyományos mérő eszközök Feszültség → elektronikus mérő eszközök Számlálás → időbeli viselkedéshez

Származtatott mennyiségek 

Többnyire igen összetett 

Pl. tömegmérés: F =m⋅a F =−k⋅x dR d  dL =   12    R L U =R⋅I



SI alapmennyiségek: m, kg, s, A, K, mol, cd


8/47

Mérés: érzékelés és becslés

A A priori priori információk információk

„Érzékelt” „Érzékelt” értékek értékek

Kiértékelés, Kiértékelés, becslés becslés

Eredmény Eredmény

Bizonytalanság Bizonytalanság Mérés


9/47

Érzékelés: ember – gép 

Látás  



Hallás  



Mikrofonok Ultrahang érzékelők

Értelmezés! Értelmezés! Értelmezés!

Tapintás → komplex!   



Fény-, színérzékelés Kamerák: sor~, mátrix~, eseményalapú~

Kontaktus érzékelők: bináris Nyomásérzékelők: analóg Mátrix-érzékelők: bináris/analóg tömb

Szaglás, ízérzékelés 

Biológiai érzékelők – mobilis robotikában nem használjuk...


11/47

Amit az ember már nem... 









Látás  Alacsonyabb, magasabb frekvencián IR, UV, röntgen, gamma stb.  Mérettartomány mikroszkópikus → nem feltétlenül fotonok! Hallás  Alacsonyabb, magasabb frekvencián pl. ultrahang Tapintás  Érzékenység Egyebek  Mágneses térerő  Elektromos térerő Összetett érzékelők  pl. akusztikai jellel modulált fényforrás


12/47

Szenzorok csoportosítása 

Taktilis / Érintésmentes 



Mért fizikai mennyiség 



Giroszkóp / Iránytű

Passzív / aktív szenzorok 



elektromos, optikai, mágneses stb.

Belső / külső érzékelők 



pl. erőmérő / kamera

Ütköző / Ultrahangos távolságmérő

Közelcsatolt / távolcsatolt  

Viszonyítási koordinátarendszer Közelcsatolt: mérendő objektum koordinátarendszerében


13/47

Érzékelők típusai

Osztályozás

Érzékelő típusa

B/K

A/P

Kétértékű érzékelők

Kapcsoló/ütköző Közelségérzékelő

K K

P A/P

Tapintásérzékelők (érintés/tapintás/csúszás)

Kontaktus-tömb Erő/nyomaték-mérő Rezisztív Kapacitív

K B/K K K

P P P P

Motor/tengely érzékelők

Mechanikus jeladó Potenciométer Optikai jeladó Mágneses jeladó Induktív jeladó Kapacitív jeladó

B B B B B K

P P A A A A

Irányérzékelők

Iránytű Giroszkóp Inklinométer

K B K

P P A/P


14/47

Érzékelők osztályozása Osztályozás

Érzékelő típusa

B/K

A/P

Kibocsájtott sugarakat érzékelő eszközök

GPS Aktív optikai Rádió-frekvenciás Ultrahang

K K K K

A A A A

Távolságmérés

Kapacitív érzékelők Mágneses érzékelők Kamera Szonár Lézeres távolságmérő Strukturált fény

K K K K K K

P P A/P A/P A A

Sebesség/mozgás

Doppler radar Doppler hang Kamera Gyorsulásmérő

K K K K

A A P P

Azonosítás

Kamera Rádiófrekvenciás azonosítás, RFID Lézeres távolságmérés Radar Ultrahang Hang

K K K K K K

P A A A A P


15/47

Tapintásérzékelők

Tapintásérzékelés 



 

Tapintásérzékelés: A környezetben található objektumokkal történő fizikai kapcsolat során létrejövő fizikai jellemzők és események meghatározásának folyamata Tapintásérzékelők: Egy tárgy, vagy azzal történő kapcsolat során bekövetkező esemény adott jellemzőinek az érzékelő és a tárgy közötti fizikai kapcsolat segítségével történő mérésére alkalmas eszközök. Gyakran a manipuláció része Kiértékelés: sokszor a képfeldolgozás eszköztárával


17/47

Nehézségek – kevéssé elterjedt 

Nem kötődik egy konkrét helyhez (a többi érzékelést egy-egy konkrét szerv végzi) 



Összetett érzékelés  



Nem egy fizikai jellemző elektromos jellé konvertálása: alakzat, textúra, súrlódás, erő, fájdalom, hőmérséklet stb. Nehéz megfelelő technológiai analógiát találni

Tesztrendszer létrehozása, bemérés  



Mesterséges bőr szimulációja bonyolult

Nem egyértelmű a mérendő jellemző Feladattól függ, melyik a legalkalmasabb

~Képfeldolgozás, csak itt még az érzékelés alapjai hiányosak


18/47

Alapvető mérési elvek        

Ellenállás és vezetőképesség alapú Kapacitív Piezoelektromos, piroelektromos Mágneses Magnetoelektromos Mechanikus Optikai Ultrahangos


19/47

Jelek értelmezése 

Alapvetően képfeldolgozás     



Dinamikus feldolgozás ~ videojel feldolgozás 



Szegmentálás Élkeresés Küszöbözés Szűrés Geometriai mérések

Csúszás, nyúlásváltozás stb.

Nem igazán megoldott  

Keménység Felületi textúra


20/47

Tapintásérzékelők tulajdonságai 

Mérendő paraméter       



Térbeli felbontás  



Érzékelési terület méretei Érzékelő elemek (taktelek) térbeli eloszlása

Szenzor válasz-profil – érzékelő válasza a változásra 



Erő Nyomaték Kapcsolat léte/nem léte Hővezetőképesség Csúszás Mikrotextúra (felületi) Stb.

Legyen monoton, stabil, megismételhető, hiszterézismentes

Időbeli felbontás – mp-enkénti minták száma


21/47

Nyúlásmérő bélyeg 

Felépítés  



Elektromos szigetelő fólia Elektromosan vezető réteg

Működési elv

fajlagos nyúlás

bélyegállandó (gauge factor)

fajlagos ellenállás L R= A dR d  dL dA =  −  R L A dL dA = ; =−2   L A

dR d  = 12    R GF=


R R



=

d 



poisson tényező

12 

piezorezisztív tag: deformáció hatására az anyag fajlagos ellenállása megváltozhat

22/47

Nyúlásmérő bélyeg 

Mérési elv: Wheatstone híd 

Négy bélyeges megoldás U ki =U be





R1 R2 − R1  R 3 R 2  R 4



U ki =U be



R g = R R U ki =U be Dr. Vajda Ferenc, BME, 3D&MR





R3

R1

R4

R3

R1

Egy bélyeges megoldás Rg R − R g R R R

R2

V R4

+

R2

-

    

GF R R ≈U be =U be 4R2  R 4R 4

23/47

Nyúlásmérő bélyeg


24/47

Piezoelektromos érzékelők 



Mechanikai feszültség → anyagban elektromos térerő Inverz hatás: Elektromos térerő → deformáció Két elektromos tulajdonság együttes hatása D= E , S =s T

D= Ed T 



D E  S T s d

elektromos töltéssűrűség elektromos térerő permittivitás megnyúlás mechanikai feszültség rugalmassági modulus piezoelektromos együttható mátrix

Előnyök  Nagyon jó érzékenység  Robusztus  Jó linearitás Hátrányok  Csak dinamikus mérések (Kapacitív jellegű)  Relatív nagy feszültségigény


összenyomás

U piezo

hajlítás

nyírás

T U

25/47

Kapacitív érzékelők 

 



Kondenzátor: két fegyverzet (vezető) között dielektrikum (szigetelő) vezető A C= d permittivitás Mérése: váltófeszültséggel Befolyásolás  Távolság (d)  Dielektrikum (ε)  Felület (A) Kapacitív tömbök  Jó térbeli felbontás

szigetelő

I ~

d

I ~

ε

I ~

A I ~


26/47

Induktív érzékelők 

LVDT  Linear Variable Differential Transformer  Differenciáltranszformátoros elmozdulásmérő  Mag eltolódik → feszültség ≠ 0 V  Fázis → eltolódás iránya D D V B =V A G Lineáris Közelségi érzékelők  Jelenlét-ellenőrzés  Fémes tárgy közelében az induktivitás jelentősen megnő  Faraday-féle indukciós törvény d B Mágneses fluxus ∣∣= N dt B



Elektromotoros erő

∣ ∣


27/47

FSR – Erőmérő ellenállások

 



Force Sensing Resistors FSR: vezető polimert tartalmaz, amelyek ellenállása erő hatására megváltozik Előnyök:  egyszerű interfész  olcsó, készen kapható (film, lap, szitanyomáshoz tinta)  Ütésálló  Vékony (< 0,5mm) Hátrányok:  nem bírja a hosszú (több óra) terhelést  nagyon pontatlan

Waseda Waseda WE-4RII WE-4RII


28/47

„Erő-érzékelés” helye 



Belső (intrinsic) érzékelés → az érzékelő az objektum struktúrájának megváltozását méri 

Nyúlásmérő bélyegek



Piezoelektromos, -rezisztív

Külső (extrinsic) érzékelés → az érzékelő a tárgy és a beavatkozó közötti kapcsolat tulajdonságait méri közvetlenül 

Piezoelektromos, -rezisztív



Kapacitív, induktív



FSR


29/47

Megvalósítások 

Szilíciumalapú piezorezisztív erőmérő tömb [Beebe]   



Felületre helyezhető 4mm-es kupola Előnyök: lineáris, jól ismételhető, alacsony hiszterézis, robusztus, túlterhelés-védett Elérhető felbontás 2-4mm

PVDF lemez – piezoelektromos tulajdonság [Yamada & Cutkosky]  



P

Csúszásdetektálás Közvetlenül CMOS rétegekre építi

Piezorezonátor [Omata & Terunuma]    

Nem erőt mér! Anyag keménysége → megváltoztatja a rezonanciafrekvenciát Állandó nyomás (kapcsolat) szükséges Lassú válaszidő


30/47

Termoelektromos, piroelektromos érzékelők 

Termoelektromosság (hőelemek): Hőmérsékletkülönbség → elektromos térerő Elektromos térerő → hőmérsékletkülönbség   



Seebeck-hatás Peltier-hatás Thomson-hatás

Piroelektromosság: Hőmérséklet változásakor a töltések eltolódnak → potenciálkülönbség


„A” fém

V

„B” fém

31/47

Mágneses terek érzékelése  

Mágneses tér változás → Feszültség Hall effektus: mágneses térbe helyezett vezetőben áram folyik → vezető két vége között feszültségkülönbség (Lorenz erő) U H =−R H

    

IB d

U H hall feszültség R H hall állandó I áramerősség B mágneses indukció erőssége d vezető I -re és B -re merőleges vastagsága

Fluxuszsilipes érzékelők (iránytűk) Reed kapcsoló Magnetorezisztív érzékelők Magnetoinduktív érzékelők stb.


I B

UH

32/47

Példa: Kombinált megoldás   



Két egymásba ágyazódó síkbeli spirális tekercs 35 mm Kapacitív érzékelő → tárgy dielektromos állandója módosítja a tekercsek közötti kapacitást Induktív érzékelő → az átviteli függvény megváltozásából lehet következtetni a tárgy mágnesességére, vezetőképességére Hőérzékelő   

 

P

[Li & Shida]

Egyik tekercs fűtőszál Másik tekercs hőérzékelő ellenállás Lassú válaszidő (több mp.)

Szigetelőanyag (fémtárgyak miatt): celofán Méréskor a nyomás legyen állandó


Feldolgozó Feldolgozó E. E.

33/47

Látás, hallás

Fényérzékelés 

       

Fotodióda (fotovoltaikus vagy fotovezető)  Fotovoltaikus mód  Fotovezető mód  Fototranzisztor  Záróirányba kapcsolt LED-ek Töltéscsatolt eszközök (CCD) CMOS érzékelők (APS, aktív pixel érzékelő) Fotoellenállás (LDR, Light Dependent Resistor) Napelem → fény hatására feszültséget és áramot generál Fotoelektronsokszorozó, fotoelektroncső Kvantumeszközök (fotonok érzékelése) Kémiai érzékelők (pl. lemez nagy formátumú gépeknél) Hőmérsékletmérés alapú érzékelők


35/47

Színérzékelés  

Tipikusan fotoellenállások (színszűrővel) Aktív színmérők  

Három színű gerjesztés (tristimulus colorimeter) Izzó + színszűrők + fényérzékelők -12

-9

-6

-3

0

n

10 m Kozmikus sugárzás

Röntgen Gamma sugárzás

Mikrohullámok

Ultraviola (UV)

Infravörös (IR)

Rádió Radar

Rövid hullámhossz

Műsorszórási sáv

Hosszú hullámhossz

Látható fény Ultraviola (UV)

Infravörös (IR)

400 nanométer


500 nanométer

600 nanométer

700 nanométer

36/47

Fotodióda 

 





Hagyományos (PN/PIN) dióda + átlátszó ablak  Minden dióda fotodióda (röntgenre részben transzparens) Kiürítési rétegre érkező foton → elektron (K) + lyuk (A) keletkezik (Áram) Fotovoltaikus üzemmód (zérus előfeszültség)  Fotoáram + feszültség → Nyitóirányú előfeszítés  sötét áram (fotoárammal szemben) Fotovezető mód (Záróirányú előfeszítés)  Nagyobb kiürítési réteg  Kapacitív hatás csökken (nagyobb sebesség)  kisebb a telítési áram  Fotoáram marad: lineárisan függ a megvilágítástól  Gyors reakció ↔ Nagyobb zaj Fototranzisztor  Bipoláris tranzisztor: BC kapcsolatot eléri a fény (átlátszó burkolat)  Elektron bázisra → áramerősítés (β) (kis fénynél nem működik)  Lassú


37/47

Töltéscsatolt eszközök  

Charge-Coupled Devices (CCD) Analóg shift-regiszter (Kondenzátorok)   



Analóg jelek késleltetése Analóg memória Párhuzamos analóg jelek sorosítása

Elve  

+/-

Kapacitások egymásnak adják át a töltéseket Utolsó kapacitás töltéserősítőre kerül (feszültség keletkezik)


38/47

Töltéscsatolt eszközök 

Kamera  



Típusok   



eptiaxiális réteg (fotoaktív) CCD réteg (transzport) Fullframe-Transfer CCD pixelenként olvasás (külső zár szükséges) Frame-transfer CCD fotoérzékelők egyszerre CCD-re Interline CCD CCD a fotoaktív oszlopok között (rosszabb felbontás)

Színes kamera   

Bayes elrendezés 3CCD – trikroikus prizmával Vonal CCD → három független színsor


39/47

CMOS érzékelők 







Elve  Fotodióda-tömb  Véletlen hozzáférés (sor + oszlop) Típusok  Passzív pixel érzékelők  Aktív pixel érzékelők (APS, erősítővel) Előnyök és hátrányok  Kisebb fogyasztás  Kisebb késleltetés  Olcsóbb kivitel  Nagyobb sebesség  Nagyobb zaj  Kisebb érzékenység Hozzáadható tulajdonságok  Pixelszintű előfeldolgozás (CNN, AER)


URST

RST

UDD

40/47

Akusztikai érzékelők (mikrofonok) 

Piezoelektromos mikrofon (kristálymikrofon)  



Kondenzátor mikrofon – nagy erősítés, de zajos  





Inkább zenei célokra (viszonylag zajmentes) Tekercses megoldás (~ hangszórók)

Lézermikrofon  



Hangnyomás → két fegyverzet közötti távolság változik MEMS (MicroElectrical-Mechanical System) mikrofon

Dinamikus mikrofon 



Főként ultrahang Hidrofon

Felületekről (üvegablakról) visszaverve Üvegszálas mikrofon → infrahang!

Szénmikrofon – pl. régi telefonkészülékekben


41/47

Ultrahang 



20kHz-200MHz  levegőben leggyakoribb 40kHz  Vízben akár több MHz (minél magasabb, annál irányítottabb) Legtöbbet használt akusztikai technika  Közelségi érzékelő  Távolságmérés  SONAR (Sound Navigation and Ranging) – Infrahang is


42/47

Kommunikációs érzékelők

Kommunikáció Infravörös fénnyel 

  

Hullámhossz (CIE)  IR-A (NIR): 0,7-1,4μm (kis távolságok)  IR-B (SIR): 1,4-3,0μm (pl. üvegszál)  IR-C (MIR/LWIR/FIR): 3,0-8,0-15,0-1000,0μm IR led Szenzor: fotodióda + jelfeldolgozás 1k Modulált fényforrás BC547 Philips RC5  Parancsok küldésére  36kHZ modulációs frekvencia (0,25-0,33 kitöltési tényező)  Üzenetek: mindig 14 bit (~25ms; 40 parancs/s)  Bit: egyenletes kitöltés: 1,778ms (64 impulzus, 2×32)  0 → van + nincs 0 1  1 → nincs + van 0 1 1 0 1 1 1  5 bit (32) cím  6 bit (64) parancs LSB start tgl MSB cím


100

100 VS

4,7μ OUT GND

TSOP1836

0

1

1

1

parancs

44/47

IrDA  

Infrared Data Association Nagy mennyiségű adatok átvitelére 

Sebesség: 2,4 kbit/s - 16 Mbit/s  



Tartomány: 1m 



 

UFIR: 100Mbit/s Giga-IR: 1Gbit/s alacsony fogyasztáson 0,2m

Szög: min ±15°

ISO OSI modell Kommunikáció (IrCOMM)  

Soros (Aszinkron/szinkron) Párhuzamos

Alkalmazások IrOBEX

IrLAN

IrCOMM

TTP (Tiny Transport Protocol) IrLMP (Link Management Protocol) IrLAP (Link Access Protocol) IrPHY (Physical Layer) – SIR / MIR / FIR / VFIR / UFIR


45/47

Rádiófrekvenciás  

RF: 3Hz-300GHz elektromágneses hullámok Szenzor   

 

speciálisan kialakított antenna Komplex rezgőkör + erősítő Jelfeldolgozás

CH12

2400

Nagyobb sebesség, robusztusabb, de drágább Változatok 





   

BW = 5 MHz

2410

f [MHz]

Bluetooth  2,4 GHz  3Mbit/s (53-480MBit/s), max 100m (1. o.) Zigbee  2,4 GHz; 868 MHz (EU) / 915MHz (USA)  250 kbit/s, 30-50m / akár több száz m Wifi  2,4 GHz / 5 GHz RFID RFID  Max 600Mbit/s, Max 100m WiMAX RFID GSM, CDMA Wireless USB, Wireless firewire


46/47

Hol érdemes még utánanézni? [1] List of Sensors, http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_sensors [2] Tactile sensing, http://www.soton.ac.uk/~rmc1/robotics/artactile.htm [3] M. H. Lee, H. R. Nicholls, Tactile sensing for mechatronics – a state of the art survey, Pergamon Mechatronics 9, 1999 [4] Capacitive Sensor Operation and Optimization, http://www.lionprecision.com/tech-library/technotes/cap-0020sensor-theory.html [5] How the iPhone Works, http://electronics.howstuffworks.com/iphone1.htm [6] IR Remote Control Theory, http://www.sbprojects.com/knowledge/ir/ir.htm [7] Wikipedia, the Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/ [8] Siciliano Khatib, Springer Handbook of Robotics, Springer Verlag, Heidelberg, 2008, ISBN: 978-3-540-23957-4


47/47

Intelligens Robotok. Érzékelők, szenzorrendszerek Dr. Vajda Ferenc docens

Recommend Documents