Modalidades de locomoção. Modalidades de locomoção. Modalidades de locomoção. Locomoção, atuadores e sensores. Rodas. Esteiras

(1)

Prof. G.A. Borges / ENE-FT-UnB 1

Locomoção, atuadores e

sensores

Prof. Geovany A. Borges

e-mail: gaborges@ene.unb.br

Laboratório de Robótica e Automação (LARA)

Grupo de Robótica, Automação e Visão Computacional (GRAV) Departamento de Eng. Elétrica - Universidade de Brasília (UnB)

Departamento de Engenharia Elétrica (ENE) Universidade de Brasília (UnB)

Rodas

Ball caster Omnidirecional (Swedish Wheels)

90o ₄₅o Caster Convencionais

Modalidades de locomoção

Esteiras

Modalidades de locomoção

Configurações mais comuns (não-holonômicos

1

)

Diferencial _Triciclo

Ackerman

(1_{) Sistemas de equações diferenciais com restrições não integráveis, ou seja, não podem ser}

(2)

Modalidades de locomoção

Configurações mais comuns (holonômicos)

Modalidades de locomoção

Configurações mais comuns (holonômicos)

Modalidades de locomoção

Configurações mais comuns (holonômicos)

Modalidades de locomoção

Configurações com estrutura variável

Packbot Shimp III

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Motores de passo

Acionamento simples por ativação das bobinas

Passo discreto

Confiável para controle de posição em malha aberta

com limite de carga, mas perde pulsos em função da

carga e da freqüência de chaveamento.

Motores de passo

Curva torque vs. freqüência

Atuadores

Motores de passo

Modelos:

Bipolar Unipolar (5 fios) Unipolar (6 fios)

Atuadores

Motores de passo

Acionamento: modalidade

(4)

Atuadores

Motores de passo

Acionamento: circuitos integrados

L293

L298

Atuadores

Motores de passo

Acionamento: circuitos integrados

L6219

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento relativamente simples

Boa relação torque vs. corrente de armadura

O motor mais usado para tração em robôs móveis

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Perda de eficiência devido às escovas

Fonte: http://lancet.mit.edu/motors/motors4.html

(5)

Motores de corrente contínua com escovas

Modelo físico

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: tensão vs. corrente

Por fonte de tensão:

+ Projeto mais fácil do circuito de acionamento - Modelo elétrico de velocidade: segunda ordem

Por fonte de corrente:

- Projeto mais complexo do circuito de acionamento + Modelo elétrico de velocidade: primeira ordem + Compensação direta do torque de carga (τc)

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: analógico vs. chaveado

Acionamento analógico: modo com terminação única

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: analógico vs. chaveado

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Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: analógico vs. chaveado

Acionamento chaveado: modulação em largura de pulso

Ciclo de trabalho:

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: analógico vs. chaveado

Acionamento chaveado: um quadrante

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: analógico vs. chaveado

Acionamento chaveado: dois quadrantes com um braço

s + V + -im vm M s - V

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: analógico vs. chaveado

Acionamento chaveado: dois quadrantes em ponte H, direção

codificada em s(t), e max{vm} - min{vm} = +2V em um ciclo T

A + V + -im vm M A B + V B Tabela verdade:

(7)

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: analógico vs. chaveado

independente de s(t), e max{vm} - min{vm} = +V em um ciclo T.

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: analógico vs. chaveado

independente de s(t), e max{vm} - min{vm} = +2V em um ciclo T.

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: circuitos integrados analógicos

L272: Corrente de saída < 1A, tensão de alimentação até 28V

Preço: R$6,86 (www.farnell.com.br, set/2007) Exemplo de acionamento em ponte:

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: circuitos integrados analógicos

L165: Corrente de saída < 3A, tensão de alimentação até ±18V

Preço: R$12,23 (www.farnell.com.br, set/2007) Exemplo de fonte de corrente:

(8)

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: circuitos integrados analógicos

LM12: Corrente de saída < 10A, tensão de alimentação até ±30V

Preço: R$247,16 (www.farnell.com.br, set/2007) Exemplo de controle de velocidade:

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: circuitos integrados com chaves

Preço: R$8,89 (www.farnell.com.br, set/2007) Exemplo de acionamento em um e dois quadrantes:

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: circuitos integrados com chaves

Preço: R$12,76 (www.farnell.com.br, set/2007) Exemplos de acionamento em dois quadrantes:

Atuadores

Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: circuitos integrados com chaves

LMD18200: Corrente de saída < 3A, alimentação até 35V

Preço: R$48,70 (www.farnell.com.br, set/2007) Diagrama interno:

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Motores de corrente contínua com escovas

Acionamento: módulos de acionamento chaveado

AX-500SC: 1x30A, US$145

AX-2550SC: 1x240A, US$495 AX-3500SC: 1x120A, US$395

Fonte: http://www.roboteq.com/

Servos R/C

Versões analógico e digital

Controle embutido de posição

Referência por sinal PWM: 5% a 10%, período 20 ms.

Atuadores

Servos R/C

Exemplos de uso em robótica móvel:

Robonova

Plen Penguin Bot

Atuadores

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Atuadores

Servo-motores/servo-amplificadores

Sensores

Sensores proprioceptivos:

Codificador óptico

Girômetro

Acelerômetro

Sensores extraceptivos:

Magnetômetro

Óptico reflexivo

Ultra-som

Radar a laser (ladar)

Goniômetro

Câmera de vídeo

GPS

Sensores

Sensores proprioceptivos

Codificador óptico:

Medição de velocidade e/ou posição angular Codificador óptico incremental:

Sinais de incremento de posição em quadratura: A e B Sinal de índice de referência: Index

Disco com duas trilhas (A,B) e index Disco com uma trilha e index

Sensores

Sensores proprioceptivos

Codificador óptico:

Medição de velocidade e/ou posição angular Codificador óptico incremental:

Sinais de incremento de posição em quadratura: A e B Sinal de índice de referência: Index

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Sensores proprioceptivos

Codificador óptico:

Medição de velocidade e/ou posição angular Codificador óptico absoluto:

Saída codificada Gray em N bits

Sensores proprioceptivos

Codificador óptico:

Medição de velocidade e/ou posição angular Codificador óptico absoluto:

Comparação entre codificações: (a) binária e (b) Gray

Sensores

Sensores proprioceptivos

Giroscópio mecânico: descrição e características

Sensores

Sensores proprioceptivos

Girômetro eletrônico MEMs: princípio de medição

Força de Coriolis

Força fictícia devido ao movimento projetado de um corpo de massa m se deslocando em linha reta com velocidade v sobre uma superfície girante a uma velocidade angular Ω

(12)

Sensores

Sensores proprioceptivos

Girômetro eletrônico MEMs: princípio de medição

Implementação Analog Devices

Fonte: John Geen e David Krakauer, New iMEMS® Angular-Rate-Sensing Gyroscope, Analog Dialogue 37-03 (2003)

Sensores

Sensores proprioceptivos

Girômetro eletrônico (tecnologia MEMs): ADXRS300

Sensores

Sensores proprioceptivos

Girômetro eletrônico (tecnologia MEMs): ADXRS300

Sensores

Sensores proprioceptivos

Girômetro eletrônico (tecnologia MEMs): ADXRS300

• Relação ideal:

• Integração (aprox. primeira ordem):

• Modelo de medição:

(13)

Sensores proprioceptivos

Girômetro eletrônico (tecnologia MEMs): ADIS16350

Sensores proprioceptivos

Girômetro a fibra óptica (FOG):

Efeito Sagnag:

Diferença de fase entre dois feixes de laser, em direção contrária, cir-culando por uma bobina de fibra óptica:

Ω: velocidade angular da bobina c: velocidade da luz no vácuo R: raio da bobina

Fonte: RALPH A. BERGH, H. C. LEFEVRE, HERBERT J. SHAW, “An Overview of Fiber-optic Gyroscopes”, In JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. LT-2, NO. 2, april 1984

Sensores

Sensores proprioceptivos

Girômetro a fibra óptica (FOG):

Fonte: where am I?, do site http://www-personal.umich.edu/~johannb/shared/pos96rep.pdf

Sensores

Sensores proprioceptivos

Girômetro a fibra óptica (FOG):

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Sensores

Sensores proprioceptivos

Acelerômetro eletrônico (tecnologia MEMs): MMA1250

g

Sensores

Sensores proprioceptivos

Acelerômetro eletrônico (tecnologia MEMs): ADXL203

Sensores

Sensores proprioceptivos

Acelerômetro eletrônico (tecnologia MEMs): ADXL203

Experimento: sensor parado

Sensores

Sensores proprioceptivos

Acelerômetro eletrônico (tecnologia MEMs): ADXL203

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Sensores extraceptivos

Magnetômetro

X Y Z

Sensores extraceptivos

Magnetômetro: linhas de campo magnético da Terra

Fonte: http://www.science27.com/Earth/index.htm

Sensores

Sensores extraceptivos

Óptico reflexivo: série SHARP baseada em IR

Fonte: http://www.acroname.com/robotics/parts/sharp_guide.pdf

Sensores

Sensores extraceptivos

Óptico reflexivo: série SHARP baseada em IR

GP2Y0A02YK

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Sensores

Sensores extraceptivos

Ultra-som: princípio

Transdutor Sinal Obstáculo 1

Sensores

Sensores extraceptivos

Ultra-som: princípio

Transdutor Sinal Obstáculo 1 Obstáculo 2 Obstáculo 3

Sensores

Sensores extraceptivos

Ultra-som: princípio, com decaimento

Transdutor Sinal Obstáculo 1 Obstáculo 2 Obstáculo 3

Sensores

Sensores extraceptivos

Ultra-som: dados reais

(17)

Sensores extraceptivos

Ultra-som: sensores da Murata

Sensores extraceptivos

Ultra-som: módulo Polaroid Ultrasonic Ranging (US$100)

Sensores

Sensores extraceptivos

Ultra-som: módulo SFR04 (Devantech, US$30)

Fonte: http://www.robot-electronics.co.uk/htm/srf04tech.htm

Sensores

Sensores extraceptivos

(18)

Sensores

Sensores extraceptivos

Ultra-som: módulo SFR04 (Devantech, US$30)

Sensores

Sensores extraceptivos

Radar a laser (Ladar) 2-D:

Sensores

Sensores extraceptivos

Radar a laser (Ladar) 2-D: pós-processamento

Sensores

Sensores extraceptivos

Radar a laser (Ladar) 3-D:

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Sensores extraceptivos

Goniômetro a laser:

Exemplo de balisa com tiras reflexivas:

Fonte: Rafflin, C.; Aldon, M.J.; Fournier, A . “Mobile robot trajectory learning using absolute and relative localization data”, In Proceedings of the Intelligent Vehicles '94 Symposium,1994, pp.526-531

Sensores extraceptivos

Câmeras: configuração monocular

Modelo pinhole Aspectos importantes:

•Eletrônica de captura e transferência •Lente

•Parâmetros intrínsecos

Sensores

Sensores extraceptivos

Câmeras: configuração binocular (estéreo)

Fonte: http://homepages.inf.ed.ac.uk/rbf/CVonline/LOCAL_COPIES/CROSSLEY1/research/temporal_stereo.html

Sensores

Sensores extraceptivos

Câmeras: configuração binocular (estéreo)

Planejamento de marcha bípede usando par estéreo:

Par estéreo Mapa de profundidade Espaço livre Rota planejada

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Sensores

Sensores extraceptivos

Global Positioning System (GPS)

Gerenciado pelos EUA

28 satélites em órbita não geoestacionária,

sendo que 3 são visíveis em qualquer local da

superfície da terra, e 4 são necessários para estimar posição e velocidade

Sinais operando em duas bandas: L₁e L₂

Com duas bandas, compensa-se atraso de propagação Nem todos os receptores usam as duas bandas

Fonte: Mohinder Grewal, Lawrence Weill, Angus Andrews, Global Positioning Systems,

Inertial Navigation and Integration, John Wiley and Sons, (2001)

Sensores

Sensores extraceptivos

Global Positioning System (GPS)

A medição de interesse entre os satélites e o receptor GPS é

a pseudo-distância, obtida por tempo de propagação dos sinais

O conceito de triangulação é usado para ilustrar que com 3

satélites pode-se estimar a posição, mas não tem utilidade prática.

Modelo básico para estimação por mínimos quadrados:

Sensores

Sensores extraceptivos

Global Positioning System (GPS)

Modelo básico para estimação por mínimos quadrados:

Se não houvesse erro:

Com erro:

Crr: erro devido a viés na medição de tempo, r: raio da Terra

Solução requer no mínimo 4 medidas para 4 incógnitas.

Sensores

Sensores extraceptivos

Global Positioning System (GPS)

Fontes de erro:

Erro devido a propagação na ionosfera (50-1000 km acima da superfície), minimizado em receptores L1/L2, ou com em configuração diferencial (GPS diferencial) Erro devido a reflexão dos sinais na proximidade do

receptor, gerando caminhos múltiplos. Minimizado por algoritmos. Não se resolve com GPS diferencial. Na eletrônica embarcada, principalmente nos relógios

GPS diferencial: uso de um segundo receptor, em locação

conhecida (ou com baixa incerteza), para correção de parte dos erros.

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Sensores extraceptivos

Global Positioning System (GPS)

Exemplo: receptor Gamine GPS 15

Preço: USD 45.00, no site do fabricante

Sensores extraceptivos

Global Positioning System (GPS)

Exemplo: receptor Novatel OEMV-1

Preço: USD 900.00