Fondamenti sui Sensori applicati nella Robotica. Corso di Robotica Prof.ssa Gini Giuseppina 2006/2007

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1 Fondamenti sui Sensori applicati nella Robotica Ph.D Ing. Michele Folgheraiter Corso di Robotica Prof.ssa Gini Giuseppina 2006/ Funzione dei sensori nella Robotica Possiamo classificare i sensori del Robot in 2 grosse categorie: Sensori di stato interno : posizione,velocità, momenti o forze nei giunti.. Sensori di stato esterno: localizzazione del robot, configurazione dell ambiente esterno, contatto, prossimità L'uso di sensori per la percezione esterna permette al robot di interagire con il suo ambiente in modo versatile. Un robot che può "vedere" e "percepire" è più semplice da istruire per l esecuzione di compiti complessi. 2 1

2 Sistema di Controllo Sistema Sensoriale Sistema di Attuazione Organi Meccanici A M B I E N T E Sensori stato Esterno Sensori stato Interno Interazione Meccanica 3 Classificazione delle Percezioni nei Robot 1. Percezione della distanza da un oggetto esterno 2. Percezione della prossimità rispetto un ostacolo o un oggetto 3. Percezione del tatto: contatto con un oggetto manipolato o ostacolo. 4. Percezione della forza e del momento nei giunti o nei links 5. Percezione della posizione e della velocità dei giunti o del robot rispetto il sdr. esterno 6. Percezione visiva 4 2

3 Schema di una catena di misura Grandezza fisica x(t) Trasduttore Sensore y(t) Elaborazione del segnale Utilizzo dell informazione nella strategia di controllo del ROBOT 5 Def. SENSORE E un dispositivo che riceve un informazione attraverso un segnale di ingresso, generato da una determinata grandezza fisica, e restituisce in uscita un segnale elettrico che rappresenta questa informazione La rappresentazione dell informazione attraverso una grandezza elettrica facilita le successive elaborazioni (per esempio mediante un circuito elettronico o un elaboratore) Grandezza Fisica Sensore Grandezza Elettrica 6 3

4 Differenza Sensore/Trasduttore SENSORE: la grandezza di ingresso è di qualsiasi natura, mentre l uscita è una grandezza elettrica TRASDUTTORE: converte una grandezza fisica in un altra grandezza fisica (non necessariamente elettrica) Es: lo sfregamento di un materiale ne altera la temperatura). OSS1: In generale lo stesso sensore potrà utilizzato con differenti trasduttori essere OSS2: Comunemente si denomina come sensore quel dispositivo che incorpora sia il trasduttore che il sensore vero e proprio. 7 Le interazioni nei sensori Sistema ambiente Sistema misurato x(t) Trasduttore Sensore y(t) Sistema utilizzatore Il sensore è influenzato da: Sistema misurato Sistema utilizzatore (es: assorbimento di energia) Ambiente (es: variazioni di temperatura) 8 4

5 La funzione di conversione Modello del sensore y(t) = g[x(t)] Estensimetro (trasduttore). La variazione di lunghezza si traduce in una variazione di resistenza elettrica. L( t) R( t) x( t) = ; y( t) = L0 R0 R( t) L( t) = S g = S = costante R L 0 0 L0 + ΔL F Legame lineare 9 Campo di misura e di normale funzionamento Campo di misura: definisce i limiti entro i quali deve variare la grandezza fisica misurata affinché il sensore funzioni secondo le specifiche fornite dal costruttore. Campo di normale funzionamento: Campo di valori assunti dall uscita del sensore in corrispondenza di valori della grandezza fisica appartenenti al campo di misura. OSS: Il modello scelto per rappresentare il comportamento del sensore può essere diverso a seconda di dove stia operando all interno del campo di misura. 10 5

6 Y(t) Campo di Normale Funzionamento Campo di Misura Tratto Lineare Tratto Non Lineare X(t) 11 Classificazione dei sensori 1. Sulla base della tecnologia e del principio fisico utilizzato (ottico, piezoelettrico,...) 2. Grandezza misurata (forza, velocità,..) 3. In base al comportamento energetico: SENSORI ATTIVI : convertono direttamente la grandezza in ingresso in segnale elettrico di uscita, senza l ausilio di sorgenti esterne (cella fotovoltaica trasforma l energia luminosa in energia elettrica ). SENSORI PASSIVI : richiedono energia dall esterno per la conversione (Potenziometro, sensore angolare). 12 6

7 Sensori Attivi Un sensore attivo può sempre essere sempre rappresentato dagli schemi equivalenti, duali, riportati in figura, dove: V= f(x ) I= f (X) e X rappresenta la grandezza da misurare. Z impedenza, Y ammettenza. Raramente il legame fra V (o la duale I ) ed X è lineare; sempre però sarà verificata la condizione Questo perchè la relazione funzionale deriva da interazioni di tipo energetico. 13 Sensori Passivi 2 ( x x0) ' ( x x0) '' f ( x) = f ( x0 ) + f ( x0) + f ( x0) ! 2! 14 7

8 Tipi di sensori passivi Classi ed esempi Natura del sensore Misurando e applicazioni Resistore a filo Strain - gauge Sensori di temperatura Cellule fotoconduttive Resistenza variabile in un potenziometro Resistenza variabile con lo sforzo Termistore con variazioni di resistenza Resistenze variabili con radiazioni incidenti Dimensioni, spostamento Sforzi, coppie, forze, pressioni Temperatura, effetti termici, calore irradiato Sensibili alla luce o a radiazioni infrarosse Sensore a effetto Hall Interazioni tra campo magnetico e corrente Prossimità, velocità Microfono a condensatore Variazioni capacità per pressione del suono Voce 15 Tipi di sensori attivi Classi ed esempi Natura del sensore Misurando e applicazioni Termocoppie Metalli diversi a diverse temperature Temperature, radiazioni, flussi di calore Sensori piezoelettrici Cellule fotovoltaiche Compressione del quarzo o altro cristallo Generazione in semiconduttori di tensione dalla luce solare Vibrazioni, accelerazioni, suoni, pressioni Esposizione, luce 16 8

9 Regime stazionario e regime dinamico Un sensore opera in regime stazionario quando il segnale di ingresso varia molto lentamente, quindi la funzione di trasferimento (FDT) del sensore si riduce ad un semplice guadagno. Regime dinamico: quando si verifica il contrario Occorre una caratterizzazione del sensore in entrambe le situazioni 17 Parametri fondamentali del sensore Sensibilità Rapporto tra la variazione del segnale in uscita al trasduttore e la corrispondente variazione della grandezza in ingresso (es: per la termocoppia rame-costantana circa 45 μv/ C ). Risoluzione La risoluzione corrisponde con la più piccola quantità che può essere misurata; ovvero con la minima variazione dell'ingresso che provoca un'apprezzabile variazione in uscita. Linearità Corrisponde con il massimo scostamento, espresso in % di f.s., tra curva di calibrazione e una linea retta di riferimento. Tempo di risposta Quando in ingresso al trasduttore applichiamo una sollecitazione a gradino (cioè un gradino della grandezza da misurare) l'uscita (risposta) varierà fino a raggiungere, dopo un certo tempo, un nuovo valore. T V Sensore s s 18 9

10 Taratura (Calibrazione) L'operazione di taratura di un trasduttore corrisponde con la misurazione della grandezza di uscita per valori noti della grandezza di ingresso al trasduttore stesso. Per ciclo di taratura si intende una prova che copra tutto il campo di misura del trasduttore; la prova viene suddivisa in due parti, una per valori crescenti della grandezza e l'altra per valori decrescenti Isteresi Corrisponde con la massima differenza tra i due cammini di andata e di ritorno dell'uscita di un trasduttore durante il ciclo di calibrazione. E' espressa in percentuale del fondo scala (% f.s.). 19 Vita utile del trasduttore E' l intervallo di tempo all interno del quale il trasduttore opera senza modificare le sue prestazioni. Ripetibilità Attitudine del trasduttore a fornire valori della grandezza in uscita uguali, a parità di segnale di ingresso (stesse condizioni di lavoro e in tempi diversi). Es) Parametro Termocoppia Termo-resistenza Sensibilità μv/ C kω/ C Range temp C C 20 10

11 Accuratezza Esprime la differenza tra il valore presentato in uscita dal sensore (grandezza fisica misurata) ed il valore effettivo della grandezza fisica. Esempio: sensore lineare di spostamento: d=spostamento, V=tensione di uscita idealmente genera una variazione di 1 mv per 1 mm sensibilità s = 1mV/mm con d=10mm si rileva in uscita V=10.5 mv riconvertendo senza errore V all ingresso, si ottiene d=v/s = 10.5 mm in un range di 10mm l accuratezza assoluta è 0.5mm 21 Tipi di sensori Usano diversi effetti fisici: piezoelettrico, piezoresistivo, effetto Hall, foto-conduttivo, termoelettrico

12 Sensori resistivi 1. Sensori con grande variazione di resistenza: potenziometri 2. Sensori con piccola variazione di resistenza: estensimetri (piezo-resistenze) termo-resistenze 23 Potenziometri (lineari,rotativi) Un potenziometro lineare (o rotativo) può essere utilizzato come sensore di posizione o di spostamento La resistenza elettrica r dipende linearmente dalla lunghezza del conduttore interessato La misura posizione si traduce in una misura di tensione: Cause di errore: V ( x) = E x L Δx Δϕ 24 12

13 Δϕ Δx 25 Sensori Capacitivi (posizione,velocità, prossimità) d C = ε ε0 A d Sensori Induttivi (posizione,velocità, prossimità) 2 L = μ μ 0 n ε = costante dielettrica n = numero di spire A l (pf/m) μ = permeabilità ( μhenry/m) 26 13

14 Sensori a induzione elettromagnetica (Faraday ) (posizione,velocità, prossimità) E - E possibile risalire a spostamenti, deformazioni, forze, pressioni, velocità (v) Mano sinistra EVB B V e MN = B l v e u = k v e MN proporzionale a v Condotta non metallica Fluido conduttore v : velocità lineare e AB = k ω ω : velocità angolare 27 Sensori Termoelettrici (Seebeck 1826, Peltier 1834) (Temperatura) Un conduttore, con una estremità posta ad una temperatura T 1 e con l altra ad una temperatura T 2, diventa sede di un passaggio di energia (elettroni) dalla parte calda alla parte fredda il gradiente termico genera un campo elettrico che si manifesta con un incremento di tensione ΔV = α ΔT Bi Bismuto Cu Rame 28 14

15 Usando due materiali differenti A e B si ha α AB = α A - α B V AB = α AB T Per ottenere una migliore sensibilità si scelgono materiali con coefficienti di segno opposto Effetto Peltier: Consiste nel manifestarsi di un passaggio di calore, assorbito o ceduto da una termocoppia quando questa è attraversata da corrente elettrica es: frigoriferi/forni termoelettrici di piccole dimensioni e limitato assorbimento di potenza. 29 Termocoppie (esempi) Tipo Materiale bi-metallo Campo T C V u [mv] Caratteristiche J Ferro-Costantana con ΔT=500 C Economica T Rame-Costantana con ΔT=320 C Sens.:45μV/ C Piccole dimensioni E Cromo-Costantana >70 con ΔT=1000 C Elevata f.e.m