COLEGIO INTERDISCIPLINARIO SAN AGUSTIN 

TECNOLOGÍA 

PROF.: RAINIERO LUNA 

3º DE SECUNDARIA 

MICHELLE LÓPEZ ALEXIA SERRATO

GLENDA VERDUGO 

Sensores de robots

Introducción:

Una parte importante a la hora de construir un robot es la incorporación de sensores.

Los sensores trasladan la información desde el mundo real al mundo abstracto de los

microcontroladores. En este documento se explican los conceptos

fundamentales de los sensores mas comúnmente usados.

Sensores Digitales de uso general:

Existe una gran variedad de sensores digitales. Muchos de ellos se conectan en forma

similar, la cual es haciendo uso de una resistencia de Pull-Up conectada a VCC para

mantener la entrada forzada a nivel alto, con lo cual el sensor la forzaría a nivel bajo

cuando se active.

Switch o llaves:

Uno de los sensores mas básicos son los switch (llaves o pulsadores). En la siguiente

figura se puede apreciar el conexionado clásico de un switch a una entrada digital:

Para evitar pulsos de rebote al accionar el switch se puede usar un capacitor de bajo

valor (0.1uF a 1uF) en paralelo con los bornes del switch.

Microswitch:

Un tipo de switch muy útil en robótica es el microswitch como el que se puede apreciar

en la siguiente figura: Al presionar la lámina, el borne común C pasa a conectarse con el borne

activado A. Si la lámina no está presionada, el borne C está unido con R (reposo). En la práctica el borne R viene identificado como NC (normal closed) y el

borne A viene identificado como NO (normal open) . La forma de conectar un microswitch a una entrada digital es la misma

usada para todo tipo de switch (ver punto anterior). En la siguiente figura podemos ver uno de los usos  

característicos de estos microswitch:

En este ejemplo se los utiliza para la detección de obstáculos en un pequeño robot.

Sensores infrarrojos optoacoplados: Existen dos tipos de sensores infrarrojos:

reflectivo y de ranura. En ambos casos estos se basan en un conjunto formado por un

fototransistor (transistor activado por luz) y un LED infrarrojo.

Reflectivo: Este tipo de sensor presenta una cara frontal en la cual se encuentran tanto el LED como el Fototransistor. Debido que no están colocados en forma enfrentada, la única forma posible para que la luz generada por el LED active el Fototransistor es haciendo reflejar esta luz en una superficie reflectiva.

De Ranura El motor posee un disco ranurado acoplado a su eje. De esta forma podemos detectar el movimiento del motor, ya que al girar irá obturando y liberando el haz de luz entre el LED y el Fototransistor. En la siguiente figura se aprecia un conexionado típico para este tipo de sensores. En el caso del reflectivo se debería además modular el encendido del LED para luego poder realizar el filtrado necesario para evitar la activación por luz ambiente. Sensor de Efecto Hall: Otro sensor muy útil y simple de usar es el de efecto Hall. Se trata de un semiconductor que actúa como detector de proximidad al enfrentarse al polo sur de un imán. Utilizando el efecto Hall para proporcionar una conmutación sin rebotes. La distancia a la que produce la conmutación el campo magnético del imán es de alrededor de 2mm (dependiendo del modelo usado). Son muy usados en circuitos lógicos en donde se precisa conmutar sin que se produzcan rebotes, o en donde se quiera evitar el contacto mecánico. Como por ejemplo es posible realizar un circuito que mida las revoluciones a la que está girando una rueda.

http://www.todorobot.com.ar/ http://www.todorobot.com.ar/documento

s/sensores.pdf

Sensores en el Robothttp://www.profesormolina.com.ar/tecnologia/robotica/sensores_robot.htm

Sensores:

Definen el mundo del robot Constituyen el sistema de percepción del robot. No proporcionan el estado. Dispositivos físicos que miden cantidades físicas de

propiedades (distancias, sonido, magnetismo, olores, presiones, altitud, etc.)

Son limitados, ruidoso e inexactos. La misma propiedad puede medirse por varios

sensores

De señales a símbolos

Un sensor no proporciona símbolos Puede hacer falta mucha capacidad de proceso para

convertir señales en símbolos El paso implica diversas disciplinas:

o Electrónica: Un sensor de colisión (detectar si pasa o no corriente)

o Procesamiento de señales: Un micrófono (separar la voz del ruido)

o Informática: Un cámara que devuelve los bordes (reconocer un objeto)

Diseño de la sensorización de un robot

La naturaleza evoluciona sensores para resolver problemas: ojos de las moscas, nuestros

Un diseñador de robots generalmente no puede crear nuevos sensores

El trabajo del diseñador es integrar los sensores existentes

La integración debe hacerse sin perder de vista la tarea a realizar

Integración de sensores

Fusión de información sensores Diferentes sensores devueleven diferentes

tipos de información No es precisamente sencillo fusionar sensores Suele requerir gran capacidad de

procesamiento de información Puede llevar a conclusiones peligrosas

Sensores sencillos

División: sencillos/complejos, activos/pasivos Sensores sencillos:

Se pueden usar sin mucha capacidad de cálculo Necesitan cierta electrónica:

o Conectores a los puertoso Convertidores analógicos-digitales

Necesitan cierta programación:o Acceso a los puertoso Interpretación de la información

Sensores de interruptor

Principio básico: Circuito abierto/cerrado (pasa corriente, no pasa). Los más sencillos de todos. No necesitan procesamiento a nivel electrónico. Usos variados:

o Contacto: el robot choca con algo (ej. detector de pared)o Límite: un dispositivo ha alcanzado el máximo de su rango (ej. pinza

abierta)o Contador: cada vez que se abre/cierra (ej. contador de vueltas)

Dependiendo de la aplicación el estado normal será abierto o cerrado

El encapsulado depende de la aplicación (el de LEGO es muy simple/flexible)

Otros tipos sensores simples

Sensores de luz polarizada (células fotoeléctricas)

Sensores de resitencia (Nintendo Powerglobe) Botones y teclas. Potenciómetros (en robótica para detectar

posición de dispositivos mecánicos) Intentamos replicar los sensores biológicos

Sensores Activos

Recordar división preliminar (activos/pasivos, simples/complejos)

Sensores pasivos: simplemente miden señales del entorno.

Sensores pasivos: interruptores, luz, botones, etc. Sensores activos: producen un estímulo y miden su

interacción en el entorno. Sensores activos: Ultrasonido, laser, infrarojos etc. Necesitan más energía, más procesamiento

Fotosensores activos

El sensor consta de un emisor y un receptor. La situación de ambos define el tipo de sensor: Reflexión (reflective): Se colocan juntos y detectan la reflexión de los

objetos. Barrera (break-beam): Se oponen y detectan cuando algo interrumpe el

haz.

Uso de los fotosensores activos

Detectar la presencia de objetos. Medir la distancia a los objetos. Detección de características: encontrar

una marca, seguir una línea, etc. Lectura de códigos de barras. Implementar sensores de rotación.

Problemas con los fotosensores activos

La reflexión depende del color y de las carectísticas del material.

En principio, colores más claros reflejan más que los más oscuros:o Es más difícil (menos fiable) detectar objetos oscuros.o Los objetos claros ``parecen'' estar más cerca y los oscuros

más lejos de lo que realmente están. La luz ambiente es una fuente de ruido:

o Calibrar: restar la luz ambiente (p.e. leer en modo pasivo).o La luz ambiente cambia: es necesario calibrar cada cierto

tiempo.

Sensores de rotación

Miden la rotación angular: odómetros (número de vueltas), velocímetros (velocidad)

Marcar el elemento que gira (p.e. haciendo agujeros a un disco: cada vez que la luz pasa se cuenta).

Resolución: número de agujeros (Uno: baja resolución, problema con errores. Muchos: requiere velocidad en el sensor).

Otra técnica: pintar sectores blancos y negros y medir la reflexión

En el segundo caso se obtiene una onda que puede procesarse. ¿Cómo detectar el cambio de dirección? Ruido de los efectores (las ruedas patinan y deslizan)

Modulación de luz

Una forma de evitar la interferencia de luz ambiente Los sensores de luz modulada se usan para los

mismos fines que los normales La idea de infra-rojos modulado se usa mucho, p.e.

mandos a distancia. Los sensores de luz modulada son más fiables que

los sensores de luz normales. Usos:o Detectar presencia de objetoso Medir distancias (se necesita electrónica especial)

Sensores de infra-rojos

Un tipo de sensor de luz que utiliza una parte del espectro denominada infra-rojo

Sensores activos: emisor y receptor Se usan de la misma forma que los sensores de luz:

barrera y reflexión Se usan profusamente porque hay menos

interferencias, son fácilmente modulables y no son visibles

Estudiaremos su programación en la sección de comunicaciones

Sensores de ultrasonidos

Fundamentalmente para medir distancias. El emisor emite un chirrido y se capta en un micrófono el

reflejo (mismo principio que el SONAR). Ultrasonidos viajan aprox. 35 cm. por milisegundo (a 20º

Celsius). Ecolocalización: proceso de localización basado en

ultrasonidos. Inspirados en la naturaleza: murciélagos El sonar de los murciélagos es mucho más sofisticado:

múltiples frecuencias, gran resolución, permite comunicaciones, ...

Problemas con ultrasonidos

Reflejos especulares: la dirección del reflejo depende del ángulo de incidencia

Cuanto menor sea el ángulo, mayor es la probabilidad de perderse y producir falsas medidas de gran longitud

Las superficies pulidas agravan el problema (las rugosas producen reflejos que llegan antes)

Resumen: medidas de objetos lejanos pueden ser muy erróneas

Ejemplo: un robot que se acerca a una pared con muy poco ángulo puede ``no verla''.

¿Qué ocurre cuando varios robots usan ultrasonidos?

Visón artificial

Uso de cámaras como sensores. Imitan los ojos (que son mucho más sofisticados). Principio: Luz reflejada en los objetos pasa a través de

una lente (iris) en un ``plano de imagen'' (retina) formando una imagen que puede ser procesada.

Ese procesamiento suele ser muy costoso computacionalmente.

Campo tan complejo que tradicionalmente se ha considerado como un campo de la informática (como la IA).

Visión artificial

En vez de terminaciones se usan particulas de plata (fotografía tradicional) o Charge-Coupled Devices (cámaras CCD).

El objetivo es ``comprender'' la información obtenida por el dispositivo. Problema de enfoque en el plano si se usan lentes. Si se usan cámaras simples (sólo un agujero) simplemente hay que

invertir el plano. Profundidad de campo: rango en el que los objetos están enfocados en

la imagen. El plano se suele dividir en partes iguales (pixels) típicamente en forma

rectangular Cámara típica pixels (en una retina hay terminaciones organizadas

hexagonalmente)

Imagen digital

El valor de cada pixel es proporcional a cantidad de luz reflejada por la parte de la superficie del objeto que se proyecta sobre ese pixel.

Depende:o Material del objeto.o Posición de las luces en la escena.o Reflejo de otros objetos en la escena.

El valor de cada pixel depende de la reflexión especular (reflejada directamente) y la reflexión difusa (absorbida y re-emitida por el objeto).

Tratamiento de Imágenes (preliminar)

Consideremos un ejemplo de una cámara grises pixels Cada pixel una intensidad entre blanco y negro. Visión preliminar: detección de bordes ¿Qué es un borde? Cambio brusco en la intensidad. Aproximación preliminar:

o Definir como curva y buscar áreas donde la derivada sea grandeo Produce puntos espúreos: ruidoo No permite distinguir sombras de bordes de objetos físicos

Eliminar ruido: convolución elimina los puntos aislados La convolución aplica un filtro a la imagen (de hecho para detectar

bordes se convolucionan varios filtros en varias direcciones).

Tratamiento de imágenes (alto nivel )

Visión basada en modelos:o Segmentación: proceso de dividir la imagen en partes que

corresponden a objetos.o Comparar con las posibles combinaciones de bordes con

modelos previos (muchos ángulos, escalas). Proceso muy costoso.

Visión basada en movimiento:o Los objetos físicos responden a leyes físicas conocidas.o Saber cuando movemos la cámara entre dos imágenes

consecutivas en relación a la escena.o Saber que nada se mueve en la escena entre las dos imágenes.o Permite restar las dos imágenes para encontra objetos.

Visión binocular:o Tener dos cámaras, conociendo la diferencia

entre ellaso Tomar dos imágenes a la vez.o Restar una de la otra

Uso de texturaso Una misma textura tiene la misma intensidad.o Asumir que texturas uniformes corresponden al

mismo objeto.

Visión en tiempo real

o   Simplificar el problema de la visión artificial para uso p.e. en

robótica. Técnicas:o Usar el color: buscar sólo por determinado color.o Reducir la imagen: Usar una línea en vez de ( linear CCD.o Cámaras simplificadas: cámaras IR para detectar personas.o Uso de información del entorno: uso de las líneas de una carretera.

Aplicación: conducción automática. Se pueden construir robots sin visión, como siempre depende

de la tarea.