Урок 15-16. Датчики PDF

**УРОК 15-16.** **ДАТЧИКИ.** Роботизований пристрій не зможе функціонувати без надходження необхідної інформації про навколишнє розташування об\'єктів, з якими воно має взаємодіяти. Джерелами такої інформації служать різноманітні датчики, що передають дані на контролер --- «мозок» --- робота, який...

**УРОК 15-16.** **ДАТЧИКИ.** Роботизований пристрій не зможе функціонувати без надходження необхідної інформації про навколишнє розташування об\'єктів, з якими воно має взаємодіяти. Джерелами такої інформації служать різноманітні датчики, що передають дані на контролер --- «мозок» --- робота, який обробляє сигнали, що надходять, і «приймає рішення» про подальші дії. Які типи датчиків необхідно встановити в роботі, залежить від завдань, покладених на конструкцію. **Датчики для роботів бувають:** - контактні - дистанційні - позиціонування - реагують на умови довкілля - що використовують обертання - та інші **Контактні датчики** - Кнопка / контактний вимикач Рис.1. Контактний вимикач. Кнопка пропонує одне із двох можливих показань (ON або OFF). Перемикачі, кнопки та контактні датчики використовуються для виявлення фізичного контакту між об\'єктами, а не обмежуються лише людьми, які натискають на кнопки. Бампер робота може бути оснащений датчиком торкання або кнопкою. Додатково вуса (як і у тварини) можуть використовуватися для виявлення об\'єкта на різних відстанях. **Переваги:** дуже низька ціна, простота інтеграції, надійність. **Недоліки:** відстань виміру обмежена. - Датчики вимірювання тиску. В результаті роботи датчик робота виробляє вихідний сигнал, пропорційний силі, що додається до нього. **Переваги:** дозволяє вимірювати, скільки сили прикладено. **Недоліки:** можуть бути неточними. **Дистанційні датчики**. - Ультразвукові датчики.  Рис. 2. Ультразвукові датчики. Датчики, які використовують ультразвукові сигнали для вимірювання часу між відправкою сигналу та поверненням його луна-сигналу називаються ультразвуковими. Датчики роботів у цьому випадку створені на основі вивчення кажанів, дельфінів та інших тварин. Ультразвукові далекоміри можуть вимірювати діапазон відстаней і мають залежність від здатності відбивати різних матеріалів. **Переваги:** вимір середнього діапазону (кілька метрів). **Недоліки:** поверхні та фактори навколишнього середовища можуть вплинути на свідчення. - Інфрачервоні датчики. Рис. 3. Інфрачервоні датчики. Інфрачервоний діапазон також можна використовувати для вимірювання відстані. Деякі інфрачервоні датчики вимірюють одну конкретну відстань, тоді як інші забезпечують вихідний сигнал, пропорційний відстані до об\'єкта. **Переваги:** низька вартість, досить надійні та точні. **Недоліки:** менший діапазон, ніж у ультразвукових датчиків. - Лазер. Лазери використовуються, коли потрібна висока точність, або велика відстань до об\'єкта, або коли є обидва фактори. Скануючі лазерні далекоміри використовують спін-лазери (ультрашвидкі лазери) для двовимірного сканування відстані до об\'єктів.  Рис. 4. Лазер. **Переваги:** дуже точні з дуже великим діапазоном. **Недоліки:** дорожчі, ніж звичайні інфрачервоні або ультразвукові датчики. - Енкодери. Рис. 5. Енкодер. Оптичні енкодери часто використовують пару світлодіод-фотодіод. На валу встановлений диск з отворами, якими сигнал зі світлодіода потрапляє на фотодіод і зчитується кількість імпульсів. Певна кількість отворів відповідає повному куту, пройденому колесом. Знаючи радіус колеса, можна визначити загальну відстань, пройдену цим колесом. Два енкодери дають відносну відстань у двох вимірах. **Переваги:** якщо немає ковзання, то висока точність виміру. Часто встановлюється задній вал двигуна. **Недоліки:** потрібно додаткове програмування, більш точні оптичні енкодери можуть дорого коштувати. - Лінійний потенціометр.  Лінійний потенціометр здатний виміряти абсолютне положення об\'єкта. **Переваги:** точно вимірює абсолютне становище. **Недоліки:** невеликий діапазон. - Датчики розтягування та вигину. Рис. 7. Датчик розтягування. Датчик розтягування складається з матеріалу, опір якого змінюється в залежності від того, наскільки він розтягнутий. Їх можна використовувати для визначення невеликого кута чи повороту, наприклад, скільки пальців було зігнуто. **Переваги:** корисні, коли вісь обертання є внутрішньою або недоступною. **Недоліки:** невелика точність і можливість вимірювання тільки малих кутів. - Стереокамера.  Рис. 8. Стереокамера. Як і людські очі, дві камери, розташовані на відстані одна від одної, можуть надавати інформацію про глибину (стереобачення). Камера, у поєднанні з програмним забезпеченням, може забезпечити хороше розпізнавання кольорів та об\'єктів. **Переваги:** можливість надання детальної інформації та хороший зворотний зв\'язок. **Недоліки:** складність у програмування та у використанні інформації. **Датчики позиціонування** - Локалізація у приміщенні (навігація в кімнаті). Внутрішня система локалізації може використовувати кілька маяків для тріангуляції (визначення взаємного розташування точок на поверхні) положення робота в приміщенні, тоді як інші використовують камеру та орієнтири. **Переваги:** чудово підходить для абсолютного позиціонування. **Недоліки:** потрібне складне програмування та використання маркерів. - GPS.  Рис. 10. Пристрій GPS. GPS використовує сигнали від кількох супутників, що обертаються навколо планети, щоб визначити їх географічні координати. Пристрої GPS можуть забезпечити географічне позиціонування з точністю до 5 метрів, тоді як складніші системи, що включають обробку даних і виправлення помилок, завдяки використанню інших одиниць GPS або ІДУ можуть мати точність до декількох сантиметрів. **Переваги:** не вимагає маркерів чи інших посилань. **Недоліки:** можуть працювати лише на відкритому просторі. **Датчики обертання.** - Потенціометр. Рис. 11. Поворотний потенціометр. Поворотний потенціометр -- це дільник напруги, який забезпечує аналогову напругу, що відповідає куту повороту ручки. **Переваги:** простий у використанні, недорогий, достатньо точний, забезпечує абсолютні дані. **Недоліки:** більшість із них обмежені 300 градусами обертання. - Гіроскоп.  Рис. 12. Гіроскоп. Електронний гіроскоп вимірює швидкість кутового прискорення та подає відповідний сигнал (аналоговий сигнал напруги, послідовний канал зв\'язку, з I2C і т.д.). В електронному гіроскопі використовуються п\'єзопластини. **Переваги:** відсутність \"механічних\" компонентів. **Недоліки:** датчик завжди піддається кутовому прискоренню, тоді як мікроконтролер не завжди може набувати безперервного вхідного сигналу, тобто значення губляться, що призводить до "дрейфу" значень. - Енкодер. Рис. 13. Енкодер. Оптичні енкодери використовують міні - інфрачервоні пари передавача/приймача. Кількість розривів інфрачервоного пучка відповідає повному куту, пройденому колесом. Механічний енкодер використовує дуже тонко оброблений диск із достатньою кількістю отворів, щоб читати певні кути. Тому механічні датчики можуть використовуватися як абсолютного, так відносного обертання. **Переваги:** точність. **Недоліки:** у оптичних енкодерів кут повороту є відносним (не абсолютним) від вихідного становища. **Датчики роботів, які реагують на умови довкілля.** - Датчик світла.  Рис. 14. Датчик освітлення. Датчик освітлення може використовуватися для вимірювання інтенсивності джерела світла, природним або штучним. Зазвичай його опір пропорційний інтенсивності світла. **Переваги:** найнижча ціна. **Недоліки:** не можуть розрізняти джерело чи тип світла. - Датчик звуку. Рис. 15. Датчик звуку. Датчик звуку - це, по суті, мікрофон, який повертає напругу, пропорційну рівню навколишнього шуму. Більш складні плати можуть використовувати дані мікрофона для розпізнавання мови. **Переваги:** дешевий та надійний датчик. **Недоліки:** для того, щоб розшифрувати важливу інформацію потрібне складне програмне забезпечення. - Температурний датчик. Температурні датчики можуть використовуватися для вимірювання температури навколишнього середовища або в складних умовах, наприклад в нагрівальних елементах, печах і т.д. **Переваги:** можуть бути високоточними. **Недоліки:** більш складні та точні датчики можуть бути більш складними у використанні. - Тепловізійна камера. Рис. 17. Тепловізійний датчик (камера). Тепловізійний датчик (камера) інфрачервоного або теплового зображення дозволяє отримати повне 2D-теплове зображення всього, що знаходиться перед камерою тепловізора. Таким чином можна визначити температуру об\'єкта. **Переваги:** можна вибірково на відстані вимірювати теплову активність об\'єктів. **Недоліки:** Висока вартість. - Датчик вимірювання вологості.  Рис. 18. Датчик вологості. Датчики вологості визначають відсотковий вміст води у повітрі та часто з\'єднуються з датчиками температури. - Барометричний датчик тиску. Рис. 19. Датчик тиску. Датчик тиску (який може бути барометричним датчиком) може використовуватися для вимірювання атмосферного тиску. Отже, може дати уявлення про висоту БПЛА (безпілотний літальний апарат). - Датчик газу.  Рис. 20. Датчик газу. Датчики газу використовуються для визначення наявності та концентрації різних газів. Однак вони потрібні лише спеціалізованим робототехнічним комплексам. **Переваги:** це єдині датчики роботів, які можуть бути використано для точного виявлення газу. **Недоліки:** недорогі датчики можуть давати помилкові спрацьовування або дещо неточні і тому не повинні використовуватися для критично важливих завдань. - Магнітометр. Рис. 21. Магнітометр. Магнітометри можуть бути використані для виявлення магнітів та магнітних полів. Також може визначити полярність. **Переваги:** допомагає виявити феромагнітні метали. **Недоліки:** в деяких випадках датчики можуть бути пошкоджені сильними магнітами. **Датчики, що використовують обертання.** - Компас.  Рис. 22. Цифровий компас. Цифровий компас здатний використовувати магнітне поле Землі визначення його орієнтації щодо магнітних полюсів. Нахил компаса компенсується і враховує той факт, що робот не може пересуватися горизонтально. **Переваги:** забезпечує абсолютну навігацію. **Недоліки:** вища точність підвищує ціну. - Акселерометр. Рис. 23. Акселерометр Акселерометри вимірюють лінійне прискорення, гравітаційне прискорення чи інше прискорення, яке відчуває робот. Це може бути добрим варіантом для приблизної оцінки відстані. Акселерометри можуть вимірювати прискорення вздовж однієї, двох чи трьох осей. Триосьовий акселерометр дозволяє вимірювати всі кути нахилу сенсора у просторі. **Переваги:** вони не вимагають жодних зовнішніх посилань чи маркерів для функціонування і може забезпечити абсолютну орієнтацію по відношенню до гравітаційного поля Землі або визначити відносну орієнтацію. **Недоліки:** вони тільки приблизно оцінюють пройдене відстань, не можуть точно визначити його. - Інерційний вимірювальний блок (ІВБ).  Рис. 24. Інерційний вимірювальний блок. Інерційний вимірювальний блок поєднує в собі мультиосьовий акселерометр з мультиосьовим гіроскопом і іноді мультиосьовим магнітометром для того, щоб більш точно виміряти крен. Такі датчики роботів досить складні. **Переваги:** це дуже надійний спосіб вимірювання без використання зовнішніх посилань (крім магнітного поля Землі) **Недоліки:** може бути дуже дорогим та складним у використанні. **Інші датчики.** - Датчики струму та напруги. Рис. 25. Датчик струму та напруги. Датчики струму та напруги вимірюють струм та/або напругу конкретного електричного ланцюга. Це може бути дуже корисним для визначення того, скільки робот зможе працювати (вимірювати напругу акумуляторної батареї або струм). **Переваги:** порівняно низька вартість та можливістю вимірювати як змінний, і постійний струм. **Недоліки:** можуть вносити зміни до вимірюваної напруги або струм. Іноді потрібно змінити вимірюваний електричний ланцюг. - Магнітні датчики.  Рис. 26. Магнітні датчики. Магнітні датчики та магнітометри здатні виявити магнітні предмети та можуть вимагати контакту з об\'єктом, або повинні бути розташовані відносно близько до об\'єкта. Такі датчики роботів можуть використовуватися на автономній газонокосарці для виявлення проводу, прокладеного газоном або для пошуку прихованої проводки в квартирі. **Переваги:** порівняно недорогі. **Недоліки:** повинні розташовуватися відносно близько до об\'єкта, і на жаль, неспроможні виявляти немагнітні метали. - Датчики вібрації. Рис. 27. Датчик вібрації. Датчики вібрації призначені виявлення вібрації об\'єкта з допомогою п\'єзоелектричних чи інших технологій. - Технології RFID. Рис. 38. RFID мітка. Технологія RFID -- це технологія бездротового обміну даними за допомогою радіосигналу між електронною міткою, що міститься на об\'єкт та спеціальним радіоелектронним пристроєм, який зчитує сигнал мітки. Пристрої радіочастотної ідентифікації можуть використовувати як активні (з харчуванням), так і пасивні (без живлення) RFID-мітки, що зазвичай мають розмір і форму кредитної картки, невеликий плоский диск або доповнення до брелока (інші форми також можливі). Коли мітка RFID знаходиться на певній відстані від RFID зчитувача, створюється сигнал з ідентифікатором тега. **Переваги:** RFID-мітки зазвичай мають дуже низьку вартість та можуть визначатися індивідуально. **Недоліки:** непридатні для вимірювання відстані, крім випадків, коли позначка знаходиться в межах діапазону. **Контрольні питання та завдання:**