ROBÓTICA SENSORES. Prof a. Dra. GIOVANA TRIPOLONI TANGERINO Tecnologia em Automação Industrial

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ROBÓTICA

Prof

a

_{. Dra. GIOVANA TRIPOLONI TANGERINO}

Tecnologia em Automação Industrial

SENSORES

SP – CAMPUS PIRACICABA

https://giovanatangerino.wordpress.com giovanatangerino@ifsp.edu.br

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Potenciômetro

Giovana T. Tangerino, 2014

- São geralmente usados a fim de fornecer a posição de articulações e elos. - Baixo custo, baixa segurança (ruído e desgaste)

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TDVL

 Transformador Diferencial Variável Linear

 É um transformador cujo núcleo se move com a distância medida e que gera uma tensão variável analógica como resultado desse deslocamento.

 Saída linear e proporcional à posição de entrada do núcleo.

Posição

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Resolvedores

 Semelhantes ao TDVL, mas medem movimento angular.  Também é um transformador.

Posição

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Sensores de efeito Hall

 Efeito Hall: a tensão de saída de um condutor que transporta uma corrente varia quando na presença de um campo

magnético.

 A tensão de saída do sensor varia quando um ímã permanente ou uma bobina que produz um fluxo magnético estão

próximos do sensor.  Saída analógica.

 Usado na detecção da posição de rotores de ímã permanente em motores CC sem escovas.

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Encoders ópticos

 Medida de velocidade angular e posição do motor

 Um feixe de luz direcionado a um fotodetector é periodicamente

interrompido por um padrão opaco/transparente codificado em disco rotativo acoplado ao eixo a ser medido

 Especificações:

 Resolução: medida em ciclos por revolução (CPR).  Encoder típico em robótica móvel: 2.000 CPR.

 Industrialmente, pode-se encontrar encoders com 10.000 CPR.

 Largura de banda: fator crítico, o encoder deve ser rápido o suficiente para contar

na velocidade de rotação esperada.

 Tipos:

 incremental  absoluto.

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Encoder incremental

 Mede a velocidade rotacional e pode inferir posição relativa.  Baixo custo

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Encoder incremental de quadratura

 aumenta a resolução do encoder e  permite verificar o sentido de rotação

 verificar descida do pulso A quando B=1  Configurações:

 Duas fileiras de canais (A e B) defasados de 90º.

 segundo par emissor-receptor defasado a 90º.

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Encoder absoluto

 Mede posição angular e infere velocidade

 Ao invés de fluxos de bits em série, provê uma palavra (bits em paralelo) com um padrão único para cada posição angular.

 Utilizado quando a referência da posição é imprescindível.  Mais caros

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Encoder absoluto

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Encoder absoluto

Código Gray: Apenas uma variação de bit por vez

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Encoder absoluto

Decimal code Rotation range (deg.) Binary

code Gray code

0 0-22.5 0000 0000 1 22.5-45 0001 0001 2 45-67.5 0010 0011 3 67.5-90 0011 0010 4 90-112.5 0100 0110 5 112.5-135 0101 0111 6 135-157.5 0110 0101 7 15.75-180 0111 0100 8 180-202.5 1000 1100 9 202.5-225 1001 1101 10 225-247.5 1010 1111 11 247.5-270 1011 1110 12 270-292.5 1100 1010 13 292.5-315 1101 1011 14 315-337.5 1110 1001 15 337.5-360 1111 1000

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Sensor de proximidade indutivo

 Detecção de metais a curtas distâncias  Aço, latão, alumínio, cobre

 Muito empregado industrialmente na detecção de metais ferrosos e não-ferrosos

 Ignora outras tipos de objetos

 Pouca influência da direção dos objetos

 Alcance a distâncias da ordem de alguns milímetros a poucos centrimetros.  Frequências de resposta usual da ordem de 1kHz

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Sensor de proximidade indutivo

 Princípio: geram um campo de RF oscilatório (100kHz a 1Mhz) em torno de uma bobina enrolada sobre um núcleo de ferrite.

 Quando um objeto metálico entra no campo projetado pelo sensor, correntes são induzidas na superfície do objeto.

 Essas correntes produzem um campo magnético secundário que incide sobre um oscilador

 A impedância da bobina do oscilador se altera, resultando em uma alteração da frequência de oscilação, que é

convertida para um sinal de saída proporcional à distância do alvo.

 Monitorar a amplitude de saía oscilatória com um detector de limiar cria uma chave de proximidade indutiva com uma saída digital on/off

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Sensor de proximidade indutivo

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Sensor de proximidade capacitivo

 Muito similar ao indutivo, mas pode detectar materiais dielétricos além de metais (papel, vidro, roupas, líquido)

 Produzem campo eletrostático ao invés de magnético

 Ótima resolução, curtas distâncias (tipicamente da ordem de 5mm)

 Como alguns materiais têm constantes dielétricas muito menores do que outras, o sensor pode ser calibrado para “ver através” de alguns deles (ex. vidro e água)

 São sensíveis inclusive à sujeira, limitando suas aplicações em alguns casos  Aplicações típicas:

 sensoriamento de nível de materiais (líquidos, pó, etc.),  Detecção de produtos

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Sensor de proximidade capacitivo

 Princípio: quando o objeto está próximo, ocorre alteração nas características do dielétrico, alterando a capacitância.

 Alterar a capacitância em um oscilador leva a uma alteração na amplitude da oscilação do circuito, que pode ser detectada.

 Essa alteração é transformada em tensão utilizando circuito elétrico.

 Dependem da constante dielétrica do objeto

 quanto maior o dielétrico, mais fácil é detectar o objeto

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EXERCÍCIO

 1) Explique o funcionamento de um encoder incremental.  2) Explique o funcionamento de um encoder absoluto.

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Bússula digital

 Permite determinar a orientação absoluta em relação ao campo magnético terrestre

Localização

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IR Beacon (farol infravermelho)

 Usados aos pares

 Permitem determinar a orientação de um deles em relação ao outro  Cada dispositivo tem 4 emissores e 4 receptores de IV determinando 4

direções (N, S, E, W)

 Quando um dispositivo muda a sua orientação em relação ao outro,

Localização

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GNSS -

Global Navigation Satellite Systems

 Sistema de Satélites para Navegação Global

 GPS: EUA (24 satélites)  GLONASS: Rússia

 GALILEO: Europa  COMPASS: China

 GPS inicialmente desenvolvida para uso militar a partir da década de 70

Localização

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GNSS -

Global Navigation Satellite Systems

 Cada satélite transmite continuamente dados que indicam sua

localização e o tempo (relógios atômicos de altíssima precisão)  Quando um receptor lê a transmissão de dois ou mais satélites, a

diferença do tempo (ns) informa ao receptor sua distância relativa a cada satélite.

 4 satélites são necessários para identificar a posição

 O 4º faz a correção do tempo pois o receptor não tem um relógio de

precisão

 Utilizado em ambiente externo

Localização

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GPS

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GPS -

Global Positioning System

 Fontes de erro: de 50m a 100 m

 Disponibilidade seletiva: erro aleatório inserido pelo departamento de defesa dos EUA  retirado em 2000

 alterado aleatoriamente entre 15 e 100 metros  Relógio do satélite

 Relógio do receptor  Órbita dos satélites

 Refração e reflexão na atmosfera

 Mudança de densidade da ionosfera (meio de transmissão do sinal)

 Sistemas de correção:

 DGPS (Diferential Global Positioning System): erro de 3 a 6 metros  usa satélites geoestacionários

 Correção em tempo real  Caro

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Disponibilidade seletiva

 Com: provocava um erro grande, com dispersão de 95% dos pontos dentro de um raio de 45 metros.

 Sem: essa dispersão caiu para um raio de 6,3 metros com 95% dos pontos.

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Sensores de Luz Visível e IV

 Utilidade:

 detecção de intensidade de luz, sensores de presença, codificadores ópticos,

sensores táteis;

 Funcionamento:

 1) Reagem à intensidade da luz projetada sobre eles, alterando sua resistência

elétrica. Se a intensidade da luz é zero, a resistência está no máximo. À medida que aumenta a intensidade da luz, a resistência diminui e a corrente aumenta

 2) Fototransistor: na presença de certa intensidade de luz, vai ligar; caso contrário,

será desligado. Usado em conjunto com fonte de luz LED.

 Sensores de luz visível: sensíveis à gama de luz visível

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Medidas de distância (som e luz)

 Principais princípios de medição:  Triangulação

 tempo de voo (ou tempo decorrido)

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Ondas e energia

 Sons e cores são energia se propagando na forma de ondas

 Ondas sonoras (mecânicas):

 só pode se propagar através da matéria: gases (ar), líquidos e sólidos, mas não no

vácuo.

 Velocidade: 344 m/s a 20º, em condições normais de pressão e no nível do mar

 Ondas eletromagnéticas:

 não necessita de meio de transmissão para se propagar

 Velocidade da luz: 300.000 Km/s (luz do sol leva 7 min para chegar na Terra)

𝑉 = 𝜆𝑓 _{𝑓 =} 1 𝑇

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Tempo de voo

 Velocidade = distância / tempo

𝑑 = 𝑉 ∆𝑡 2

Sensores de som: ultrassom

Sensores de luz: requerem eletrônica de velocidade extremamente alta (300.000km/s) e alta resolução

d Emissor/

receptor

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Triangulação

Emissor Receptor l₁ l₂ L d α β 𝑑 = 𝐿 tan 𝛼 tan 𝛽 tan 𝛼 + tan 𝛽 tan 𝛽 = 𝑑 𝑙₁ tan 𝛼 = 𝑑 𝑙₂ 𝐿 = 𝑙₁ + 𝑙₂

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Sensor Sonar

 Príncípio: tempo de voo da onda sonora.

 Um transmissor emite sinais acústicos com uma frequência típica de 50kHz (ultra-sons). O ecos são capturados por um circuito receptor

 Vantagens:  Baixo custo

 Leves e pequenos

 Baixo consumo energético  Mais preciso que o sensor IV  Desvantagens:

 Atenuação do sinal

 Reflexão especular do sinal  Cross talk

 Limites mínimos e máximo na medição  Efeito das condições atmosféricas

 Baixa velocidade do som Giovana T. Tangerino, 2014

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Ex.:Ultrasonic Ranging Module HC-SR04

 Amazon: U$5,25  Ali xpress: U$10,90

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Radares

 Ondas de rádio ( 300 000 km/s)  Radio Detection and Rangig

 Usados para localização de objetos a longa distância.

 Sensores radar usam Ondas Contínuas de Freqüência Modulada (FMCW)

para detectar com confiabilidade alvos fixos ou móveis, tais como carros, trens, caminhões e carga em condições atmosféricas extremas.

 O radar é constituído de uma antena transmissora e receptora de

sinais de alta frequência, a transmissão ocorre através de pulsos eletromagnéticos de alta potência, curto período e feixe curto. Esse feixe ao ser propagado se alarga, ganhando a forma de um cone até atingir o alvo que está sendo monitorado. Após atingir o alvo, o sinal é então refletido e a antena passa a ser receptora de sinais. Com a

velocidade de propagação do pulso e o tempo gasto para o eco chegar, é possível calcular com exata precisão a localização do objeto.

 Uso militar no exército, aeronáutica, marinha; em metereologia, na

ciência localizando objetos espaciais em órbita terrestre, como satélites

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Sensor Laser

 Monocromático  Vantagens

 Velocidade superior

 Grande precisão (10mm)  Resolução angular superior  Desvantagens

 Consumo de energia elevado  Custo elevado (U$100 a U$400)

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Sensor Laser

 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)  Aplicação de luz pelo efeito da emissão estimulada da radiação

 A energia do laser não existe na natureza e é produzida a partir de algum tipo de fonte de energia, que estimula um grande número de elétrons em repouso, os quais são capazes de produzir fótons de luz e este processo desencadeia uma ação repetida de emissão de energia gerando uma luz intensa

 Características:

 Raios colimados: todos os raios na mesma direção (alvo preciso)

 Luz monocromática: corresponde a um comprimento de onda do espectro

eletromagnético

 Raios coerentes: todos os raios da luz do laser caminham paralelos no tempo e no

espaço

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Sensor Laser

 A seleção do tipo de sensor é determinada pela superfície do objeto a ser examinado.

 Superfícies lisa/reflexivas: reflexão especular  Superfícies difusão: reflexão difusa

 Para superfícies com rugosidade maior que o comprimento de onda da luz incidente, ocorre reflexão difusa

 O comprimento de onda da luz infravermelha é da ordem de 824 nm

 Apenas superfícies extremamente polidas nas apresentam reflexão difusa

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Sensor Laser

 Sensores de triangulação:

 Transmissor, receptor e processador eletrônico  Receptor/detector

 PSD (position-sensing detectors)

 Detectores de matriz (array) pixalizados

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Exemplo

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LIDAR

 Light Detection and Ranging

 Semelhante ao radar, mas usa luz em vez de ondas de rádio

 Um feixe de luz (laser ou infravermelho) é disparado em direção ao alvo, e as propriedades da luz refletida são medidas para determinação da distância e/ou outras informações sobre um alvo distante.

 Para coletar informações em uma base contínua, milhares de pulsos de luz são refletidos por um espelho rotativo.

 Em um sistema desenvolvido pela Velodyne Lidar Inc., um conjunto com 64 emissores de laser emitem milhares de pulsos por segundo, enquanto a

unidade gira entre 5 e 15 Hz. Ele pode coletar dados sobre o ambiente em 360 graus de azimute e 27 graus de elevação, com um alcance de 120 metros

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Navegação

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Fusão sensorial

 Objetivo: reduzir os problemas de informação  Imprecisa  Incompleta  Errônea Giovana T. Tangerino, 2014  Vantagens:  Robustez  Aumento da precisão  Redução de ambiguidade  Aumento da confiança  Desvantagens:  Complexibilidade e instabilidade  Sinais heterogéneos  Sincronização  Ruiído  Poder computacional

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Fusão sensorial

 Pode ser feita a partir de  Sensores diferentes

 Posições e tempos diferentes  A informação poderá ser:

 Redundante (obtida a partir da mesma posição)

 Complementaria (obtida de posições diferentes ou de sensores diferentes)  Incerta (os dados têm uma resolução espacial e precisão limitadas)

 Incompleta (não chega a ser obtida)  Tipo de fusão sensorial:

 Complementária (fusão de dados sensoriais incompletos para criar um

modelo mais completo)

 Competitiva (fusão de dados incertos para diminuir a incerteza)

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Fusão sensorial



Métodos matemáticos que têm em conta a incerteza da informação

sensorial:

 Filtro de Kalman  Métodos bayesianos  Redes neurais

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LINKS

 Velodyne Lidar

 http://www.velodynelidar.com/lidar/lidar.aspx

 Olhar digital

 www.olhardigital.com.br

 Base dos sensores laser por triangulação

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BIBLIOGRAFIA

 NIKU Saeed B . Introdução à Robótica - Análise, Controle, Aplicações. 2a ed. LTC Editora. 2013.

 ROSÁRIO, J.M. Princípios de Mecatrônica. São Paulo: Prentice Hall, 2005.