Sensori di contatto. Sensori magnetici. Sensori potenziometrici. Urto Fine corsa motori Baffi di contatto. V cc. Data Acquisition Board. V s.

Transcript

1 Senori di contatto Data Acquiition Board V Urto Fine cora motori Baffi di contatto witch = 5V open V = 5 V = 47K cloed V = 0 V Senori magnetici Data Acquiition Board V Ampolla eed magnete ilevazione paaggio oggetti magnetici 2 Senori potenziometrici lineari rotativi V = V + cc Data Acquiition Board V potenziometro 3

2 Inclinometri θ Conite in un pendolo collegato ad un potenziometro Il pendolo è immero nell olio per attenuare le ocillazioni Si acquiice come un potenziometro V = V + cc Data Acquiition Board V 4 Senori di luce V = V + cc Data Acquiition Board V fotoreitenza dark light alta (0 KΩ) baa (00 Ω) V = V max <5 V V = V min >0 V 5 Senori di luce 5 V 255 Suponendo di utilizzare un ADC a 8 bit i ha: 0 V 0 Il eguente programma normalizza l ucita tra 0 e 255: dark light V = V max V = V min out = 0 out = 255 int { int } light_enor(int channel) x, norm; x = adc(channel) - Vmin; norm = (255*x)/(Vmax Vmin); return 255 norm; 6

3 Senori di luce differenziali left 2 V = + 2 V cc Data Acquiition Board V center right left >> 2 V = 5 V center 2 V = 2.5 V right << 2 V = 0 V 7 Ineguitore di luce left center right ADC_out luce a initra luce a detra L gira a initra gira a detra V dx > V x V dx < V x 8 Ineguitore di luce V max V 0 V min V x V dx left center right ADC_out V x = V min + K*adc V dx = V max K*adc V max V K = min 255 9

4 Ineguitore di luce int light_follower(int channel) { int ; float K; } K = (VMAX VMIN)/255.0; = K * adc(channel); left_motor(vmin + ); left_motor(vmax - ); 0 NOTA Il enore di luce differenziale non rileva la quantità di luce emea, ma olo la differenza fra i enori. Se i vuole rilevare ia la differenza che l intenità occorre utilizzare due canali ditinti. NOTA 2 Se non i dipone di un convertitore A/D, la lettura di reitenza può eere effettuata miurando con un timer il tempo di carica di un filtro C. C V fotoreitenza 2

5 Optoenori a rifleione Led Tramettitore Fototranitor ricevitore uperficie riflettente I fototranitor ono più enibili delle fotoreitenze (bata la luce di un led per attivarli) Hanno tempi di ripota più brevi. Si pretano per la lettura di encoder. Le fotoreitenze vanno bene per applicazioni a baa frequenza. 3 Ui A rifleione di luce uperficie riflettente iconocimento uperfici ilevazione di proimità Ineguimento di linee Lettura codici a barre A interruzione di luce Conteggio oggetti Pinze robotiche Encoder 4 Optoenori a rifleione Data Acquiition Board V E poibile ricavare la ditanza dall intenità luminoa, ma Sono molto enibili alle variazioni di luce ambientale La ripota dipende dalla rifleione della uperficie 5

6 Senori I a modulazione Per ridurre la enibilità alla luce ambientale, i uano raggi infraroi modulati ad impuli: T = µ (f = khz) TX led t 5 v 0 v detect no detect I detector detect t 6 Circuito modulatore Ocillatore a 38 khz Amplificatore egnale di abilitazione 7 Circuito demodulatore Amp Lim Filtro add Integ. Comp. ucita integratore oglia oglia 2 ucita raddrizzatore ucita comparatore detect no detect 8

7 Senori di proimità a I I demodulatori commerciali ad infraroi fornicono un ucita binaria (detect/no detect), in quanto penati per ricevere da telecomandi (dunque devono funzionare a qualiai ditanza). Nelle applicazioni robotiche, tuttavia è importante anche avere un informazione di proimità, per apere quanto è ditante un oggetto. Tale informazione può eere ricavata collegandoi al pin corripondente all ucita dell integratore. Sul demodulatore Sharp GPU52, l ucita dell integratore ha un range tra.8v (no detect) e 2.5V (detect). 9 Amplificazione egnale integrato +5V ucita binaria Ineguitore Sharp GPU V out ucita integratore Per acquiire il egnale in ucita dall integratore, occorre interporre un amplificatore operazionale ad alta impedenza, per evitare una caduta di tenione ulla reitenza interna. In queto modo, però, non i frutta il range di tenione diponibile (l ucita del convertitore varierebbe tra 92 e 28). 20 Amplificazione egnale integrato +5V Sharp GPU52 ucita integratore Ineguitore + Tralatore di livello K Amplificatore A = V out I tre diodi tralano il livello di tenione di 3x0.6 V =.8 V La reitenza da K è necearia per attivare i diodi. All ucita del tralatore la tenione varia tra 0V e 0.7 V Con 2 = 3.3KΩ ed = KΩ i ha A = 4.3, per cui V out varia fra 0V e 3.0V (valore max raggiungibile con = 5V). 2

8 Proimità con variazione di frequenza f 2 f 0 f f 3 f 4 Zona 0 Zona Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5 ditanza freq. Si inviano egnali modulati a frequenze divere, partendo dalla frequenza centrale del filtro di demodulazione: f 0, f, f 2, f 3 Se i riceve un egnale rifleo, i aumenta la frequenza. Quando il egnale non viene ricevuto alla frequenza f i allora l oggetto i trova nella zona i. 22 Emettitore (peaker) icevitore (microphone) V Senori a ultrauoni = velocità del uono ( 300 m/) d uperficie riflettente itardo dell eco: T = 2d V Ditanza oggetto: d = V T 2 23 Segnalazione del ritardo In queta oluzione, il computer genera l impulo di tart e conta via oftware finché il egnale di data ready non è alto. Chirp Generator US emitter tart US receiver S Q data ready 24

9 Circuito di pilotaggio US In queta oluzione, il circuito i occupa del conteggio, e il computer legge il riultato appena il dato è pronto. Chirp Generator US emitter counter reet clock enable data regiter latch to parallel port tart Q S flip-flop US receiver S Q data ready 25 Controllo di proimità v d D GOAL: Controllare un veicolo per mantenere il enore ad una ditanza d > D da un otacolo. 26 Proximity control loop void dit_control() { int d, D; float y, K; while () { get_parameter(&d, &K); d = prox_enor(); if (d > D) y = 0; ele y = K*(D - d); output(y); } } 27

10 Senori di forza Etenimetri (train gauge) Sono delle reitenze che variano con la deformazione: F 2 Montaggio differenziale 28 Senori di forza: acquiizione 2 + Data Acquiition Board + V 3 4 V = 3 e 3 = 4 = >>, V = ( ) V ( / + 2 Vcc 2 )( 2 / + ) cc 29 Senori di forza: acquiizione Data Acquiition Board + V Vantaggi della lettura differenziale. Aumenta il egnale dovuto alla forza, in quanto le variazioni di reitenza ono di egno oppoto 2. iduce gli effetti termici, in quanto le variazioni di reitenza ono dello teo egno 30

11 Senori piezoelettrici Generano una carica proporzionale alla forza normale eercitata ulla loro uperficie. Tipici materiali utilizzati a tale colo ono i polimeri. Il Fluoruro di Polivinilidene (PVF2) è diponibile in film e diventa piezoelettrico e ottopoto ad un forte campo elettrico. F(t) q(t) = D F(t) Per il PVF2 i ha: D 20 pc/n 3 Senori piezoelettrici: parametri Per un film di area A e peore d poiamo crivere: d A q(t) C d = ρ A A = ε d ρ = 0 5 Ω mm Per il PVF2 i ha: ε = 0-3 F/mm Dunque e A = mm 2 e d = 0.0 mm i ha: = 0 3 Ω C = 0 pf 32 Senori piezoelettrici circuito equivalente i(t) C V () + Z dq( t) i( t) = = dt df( t) D dt V ( ) = I( ) Z Z = C + Si noti che la cotante di tempo non dipende dalle dimenioni del enore: d A τ = C = ρ ε = ρε 00 A d 33

12 Senori piezoelettrici Lettura di carica Z V () + V + o () C Tracurando i ha: Vo ( ) = V ( ) / C + Z C / C = + C Ed eendo: I( ) Q( ) V ( ) = I( ) Z = = = C C F( ) D C 34 Si ha: Senori piezoelettrici Lettura di carica Vo ( ) = F( ) Vo ( ) V ( ) = V ( ) F( ) D / C + C Si noti che: Il limite uperiore di banda non dipende da C ma da. La capacità C influice ulla la enibilità di ripota. La corrente di bia dell amplificatore carica lentamente la capacità C e genera un drift ul egnale. Tale fenomeno i può attenuare ponendo in parallelo a C una reitenza 2 di valore elevato. Si peggiora però la ripota alle bae frequenze. 35 Senori tattili Mux A/D Parallel port µp Addre Control 36

13 Integrazione enoriale e riconocimento Integrazione enoriale e riconocimento Nei itemi robotici autonomi, le informazioni enoriali ervono ad operare nell ambiente econdo una trategia di controllo deiderata. Controllo intelligente Di olito, il controllo avviene a diveri livelli di atrazione: Controllo mediato Controllo reattivo Ambiente 38 Livelli di feedback In ciacun livello, parte dell informazione enoriale viene utilizzata come feedback per il controllo, il reto viene inviata ai livelli uperiori per eere integrata con gli altri dati. Livello di controllo proceing feedback controllo dati enoriali comandi di attuazione 39

14 Controllo gerarchico Man mano che i ale di livello, l informazione enoriale viene empre più integrata e i comandi di controllo i rifericono a comportamenti empre più complei: P C P C P C P C P C P C P C S A S A S A S A 40 iconocimento di oggetti Prevede quattro fai eenziali:. appreentazione Definizione di un modello parametrico 2. Claificazione Suddiviione degli oggetti in clai 3. Integrazione Acquiizione delle varie caratteritiche previte nel modello 4. Identificazione Aociazione di un oggetto ad una particolare clae 4 appreentazione Il modello di un oggetto è dato dall inieme delle caratteritiche che lo definicono. Ad eempio: caratteritiche forma ingombro colore rifleione rugoità durezza elaticità peo conducibilità termica poibili valori cubo, fera, cilindro, numero reale roo, verde, giallo, lucido, emilucido, opaco licio, ruvido, molto ruvido numero finito di valori numero finito di valori numero reale numero reale 42

15 Claificazione Ogni oggetto è decritto da un vettore X in uno pazio n Gli oggetti ono raggruppati in clai (C i ) per imilitudine oggetto X k clae C Spazio delle caratteritiche n C C 3 C 2 43 Taellazione di Voronoi E una uddiviione di uno pazio S in n ottopazi S i, tali che: W i = centroide di S i S W W 2 S 2 n U S i i= = S W 3 W 4 S S = φ i j i j S 3 S 4 DIST ( X, W ) < DIST ( X, W ) i j, X k i k j k S 44 i Integrazione Mentre la rappreentazione e la claificazione vengono eeguite off line, l integrazione e l identificazione ono eeguite on line. Nella fae di integrazione vengono acquiite le informazioni necearie a riempire la tabella delle caratteritiche. Le grandezze decrittive del modello poono eere rilevabili in modo diretto o indiretto: Grandezze dirette ono rilevabili da una ingola acquiizione enoriale (e., forma, colore, peo, temperatura, ) Grandezze indirette richiedono l integrazione di più miure (e., rugoità, durezza, conducibilità termica, ) 45

16 Grandezze indirette: rugoità Il egnale prodotto dipende (oltre che dalla rugoità della uperficie) anche dalla forza di contatto e dalla velocità di canione. Dunque, la rilevazione di rugoità richiede un controllo ibrido forza/velocità ul terminale enorizzato di canione. F v 46 Grandezze indirette: durezza La durezza è il rapporto tra forza e deformazione, quindi richiede la miura di due grandezze, che devono eere integrate. F F 47 Identificazione Il problema dell identificazione (o del riconocimento) è quello di valutare l appartenenza di un oggetto incognito ad una delle clai predefinite. Eitono due trategie di confronto: Strategie globali L identificazione avviene confrontando tutte le caratteritiche del modello Strategie incrementali L identificazione avviene confrontando una caratteritica per volta fino alla completa categorizzazione dell oggetto 48

17 Strategie globali I valori delle n caratteritiche di un oggetto poono eere viti come le coordinate di un punto in uno pazio a n dimenioni. A caua degli inevitabili errori di miura, le miurazioni effettuate u un a clae ono meglio rappreentate da una ditribuzione di valori. Poiché l errore totale di miura è dovuto alla omma di molteplici caue di carattere cauale, per il teorema del limite centrale, la ditribuzione può eere coniderata di tipo gauiano. Dunque una clae C i può eere rappreentata da un iperfera S i con centro nel punto dei valori medi e raggio pari alla deviazione tandard. 49 Clai come iperfere Un oggetto X viene riconociuto come appartenente alla clae C i e è contenuto nell iperfera S i, oia e dit(x, C i ) σ X 3 C 2 C 3 C X 2 X 50 Strategie incrementali Le caratteritiche vengono miurate una per volta e il itema tenta il riconocimento ulla bae delle caratteritiche rilevate. Ad ogni pao, la grandezza X k miurata è quella che meglio epara l inieme delle M clai in due ottoiniemi contenenti M e M 2 clai. M M 2 µ k () µ k (2) µ k (3) µ k (4) µ k (5) X k 5

18 Strategie incrementali Il proceo di uddiviione continua ricorivamente u ognuno dei ottoiniemi, finché tutto lo pazio viene uddivio in M ottopazi, ciacuno contenente una clae. Completata la uddiviione dello pazio, la procedura di riconocimento conite in una viita di un albero binario in cui I nodi interni rappreentano le condizioni di dicriminazione di un ottopazio Le foglie rappreentano le clai memorizzate nel itema. 52 Eempio X 2 Clai µ µ2 A 2 9 B 3 2 C 6 7 D 7 9 E A B C D E X 53 Eempio X 2 In ordine vengono celte le oglie: X 2 = 5 X = 6 X = 4 X 2 = A B C D E X 54

19 Albero di deciione X 2 > 5 X > 6 X > 4 B E A X 2 > 8 C D 55 Confronto La trategia incrementale è più efficiente di quella globale in quanto vengono acquiite olo le caratteritiche necearie al riconocimento dell oggetto. La trategia incrementale però è meno precia di quella globale. Eempio: e l acquiizione di un nuovo oggetto fornice i valori X = 9 e X 2 = 6, la trategia incrementale claificherebbe l oggetto come appartenente alla clae C, pur eendo E quella a ditanza minima. 56