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Timestamp: 2017-06-25 04:06:20+00:00

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Sensores y ActuadoresUploaded by David Arnoldo Ortega TriviñosRelated InterestsGyroscopeTransformerColorSciencePhysicsRating and Stats0.0 (0)Document ActionsDownloadShare or Embed DocumentEmbedView MoreCopyright: Attribution Non-Commercial (BY-NC)List price: $0.00Download as DOCX, PDF, TXT or read online from ScribdFlag for inappropriate contentUniversidad Austral de Chile. Facultad de Ciencias de la Ingeniería. Instituto de Electricidad y Electrónica. Ingeniería Civil Electrónica.Sensores y Actuadores
ELEP 193 - Robótica en Movimiento
11/05/2012 Grupo No. 1
Álvaro Carrasco – Cristóbal Castillo – Daniel Meneses – Víctor Sandoval
RESUMEN “Se presentan distintos tipos de sensores y actuadores empleados en robótica móvil con énfasis en los sensores de tipo visual, en percepción activa y en conceptos de fusión sensorial.”
Introducción A. Sensores Internos B. Sensores de Distancia C. Sensores Visuales D. Percepción Activa E. Odometría y Filtros de Kalman F. Fusión Sensorial Conclusiones
proveen de información sensorial importantísima sobre el entorno a los robots. Desde el punto de vista de procesamiento de información en máquinas este problema resulta de una gran complejidad. Las cámaras. que se acerque a la capacidad visual de los organismos que existen en la naturaleza. a partir de secuencias de imágenes.
ELEP 193 . cual ojos en el ser humano. los robots más avanzados hoy en día usan sólo la visión como sensor externo. la visión artificial es todo un reto para la ciencia actual. No hay máquina.Sensores y Actuadores
La evolución biológica ha producido organismos que son capaces de extraer un conocimiento muy preciso del entorno exterior. Así. ya que hay que distinguir las partes importantes e interesantes de la imagen dependiendo de la tarea en curso. La visión computacional y la atención visual son hoy en día uno de los campos más atractivos e interesantes en los que la comunidad de investigación robótica dedica tiempo.Robótica en Movimiento
. Para ello se utilizan sistemas de atención visual que nos ayudan a filtrar lo relevante. Esta capacidad nos permite desarrollar aplicaciones prácticas que. De hecho. La percepción es una de las facultades más sorprendentes de los seres vivos: el sistema nervioso es capaz de interpretar información “en crudo” y convertirla en conceptos abstractos. en tiempo real. consumiendo menos recursos. esfuerzo y dinero. procesan inteligentemente las imágenes percibidas. por potente que sea. el problema está en que el hecho de extraer información de una imagen no es trivial.
que dan información del estado del robot. alúmina.Robótica en Movimiento
. fundamentalmente de la posición. SENSORES INTERNOS
SENSORES DE POSICIÓN.Sensores y Actuadores
Para que un robot realice su tarea de forma eficiente. Los sensores internos son sensores integrados en la propia estructura mecánica del robot. Eléctricamente se cumple la relación:
Figura A1. La pista tiene sendos contactos en sus extremos y un cursor conectado a un patín que se desliza por la pista resistiva. velocidad y aceleración de las articulaciones. rápida e inteligente. Existen distintos tipos de potenciómetros  Según su construcción:  Potenciómetros Impresos: Realizados con una pista de carbón o de cermet sobre un soporte duro como papel baquelizado. etc.
Este potencial puede medirse y disponer de un sistema de calibrado de manera que por cada potencial se obtenga proporcionalmente una distancia de desplazamiento. Miden la posición angular y pequeños desplazamientos de posición lineal. Esquema de potenciómetro. POTENCIÓMETRO
Un potenciómetro es una resistencia que podemos controlar su valor. es preciso que tenga conocimiento de una serie de parámetros o características internas.
ELEP 193 . fibra.
Pueden tener topes de fin de carrera o no. Potenciómetros Senoidales: La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro.
Figura A2.
Según su aplicación:  Potenciómetros de Mando: Son adecuados para su uso como elemento de control en los aparatos electrónicos. Por ejemplo.L. que el usuario no suele tener que retocar. cuyo eje de giro es vertical.
Potenciómetros Logarítmicos: La resistencia depende logarítmicamente del ángulo de giro.
ELEP 193 .Sensores y Actuadores
Potenciómetros Bobinados: Consistentes en un arrollamiento toroidal de un hilo resistivo (por ejemplo. constantán) con un cursor que mueve un patín sobre el mismo. Potenciómetro lineal (Guemisa S.
Según la ley de variación de la resistencia:  Potenciómetros Lineales: La resistencia es proporcional al ángulo de giro. El usuario acciona sobre ellos para variar los parámetros normales de funcionamiento. Dos potenciómetros senoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y el coseno del ángulo de giro. y se suelen distinguir potenciómetros de ajuste vertical. el volumen de una radio.Robótica en Movimiento
.). por lo que no suelen ser accesibles desde el exterior. Existen tanto encapsulados en plástico como sin cápsula. con el eje de giro paralelo al circuito impreso. y potenciómetros de ajuste horizontal.  Potenciómetros Rotatorios  Potenciómetros Deslizantes  Potenciómetros Múltiples Potenciómetros de ajuste: Controlan parámetros preajustados. normalmente en fábrica.
Realmente los encoders incrementales miden la velocidad de giro. a medida que el eje gira se van generando pulsos en el receptor cada vez que la luz atraviese las marcas. pero podemos extrapolar la posición angular. correspondientes a la luz que atraviesa los huecos entre las marcas. ENCODERS INCREMENTALES
Se utilizan fundamentalmente para el cálculo de la posición angular. Llevando una cuenta de esos pulsos es posible conocer la posición del eje. se producirán una serie de pulsos de luz en el receptor.Robótica en Movimiento
. Como es lógico. Por ejemplo. la resolución de este tipo de sensores depende directamente del número de marcas que podamos poner físicamente en el disco.Sensores y Actuadores
SENSORES DE POSICIÓN. El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco.
Figura A3.
ELEP 193 . desplazada de la anterior. Constan de un disco transparente con una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí. llevando una cuenta de estos pulsos es posible conocer la posición del eje.
El funcionamiento es el siguiente: cuando el sistema comienza a funcionar el emisor de luz empieza a emitir. La resolución depende del número de marcas que se pueden poner físicamente en el disco. además suele ser necesario el empleo de una marca de referencia que nos ayudará a saber si hemos completado una vuelta. Sobre este esquema básico es habitual encontar algunas mejoras. Encoders Incrementales. para poder controlar el sentido del giro. se suele introducir otra franja de marcas por debajo. a medida que el eje vaya girando. de un sistema de iluminación y de un elemento fotorreceptor.
La función de este tipo de dispositivos es similar a la de los anteriores. o lo que es lo mismo. Normalmente se usan códigos de 8 a 19 bits. sino la posición exacta. medir la posición angular. La diferencia estriba en la graduación o codificación del disco. No es necesaria ninguna mejora para detectar el sentido del giro. La disposición es parecida a la de los encoders incrementales. Sin embargo en este caso lo que se va a medir no es el incremento de esa posición. Encoder óptico (USDigital Corporation).
Figura A5.
ELEP 193 .Robótica en Movimiento
. Encoder Absoluto.
SENSORES DE POSICIÓN. También se dispone de una fuente de luz. el número de bits del código utilizado. este código queda representado en el disco por zonas transparentes y opacas dispuestas radialmente. ya que la codificación de los distintos sectores angulares es absoluta. En este caso el disco se divide en un número fijo de sectores (potencia de 2) y se codifica cada uno con un código cíclico (normalmente un código de Gray).
La resolución de estos sensores es fija y viene dada por el número de anillos que posea el disco. como se puede apreciar en la figura. de un disco graduado y de un fotorreceptor.Sensores y Actuadores
Figura A4.
Dicho transformador posee tres bobinas dispuestas alrededor de un tubo. SENSORES INTERNOS
SENSORES DE POSICIÓN. se desliza con respecto al eje del tubo. Además son dispositivos especialmente sensibles a golpes y vibraciones. La bobina central es el devanado primario y las externas son los secundarios. Esquema LVTD. TRANSFORMADOR DIFERENCIAL DE VARIACIÓN LINEAL (LVDT)
El transformador diferencial de variación lineal (LVDT según sus siglas en inglés) es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos lineales.
Figura A6.Sensores y Actuadores
Tanto los encoders absolutos como los incrementales pueden presentar problemas debido a la gran precisión que es necesaria en el proceso de fabricación. se puede afirmar que la energía de la corriente en la bobina primaria es igual a la que circula en las secundarias: EP iP t = ES iS t => EP / ES = iS / iP
Figura A7.
En el caso de la figura.
ELEP 193 . Representación virtual LVTD.Robótica en Movimiento
. sujeto al objeto cuya posición desea ser medida. Un centro ferromagnético de forma cilíndrica.
Como resultado de un desplazamiento que se quiere medir. el núcleo magnético es desplazado de manera que una de las bobinas secundarias no recubra totalmente el núcleo => la corriente inducida en un secundario será mayor que la inducida en el otro. GIROSCOPIOS
El giróscopo o giroscopio es un dispositivo mecánico formado esencialmente por un cuerpo con simetría de rotación que gira alrededor de su eje de simetría. Hay muchos tipos de giroscopio con estructuras muy diversas y complejas. Los giroscopios son dispositivos que nos ayudan a medir el ángulo de giro de un objeto. De la diferencia de las tensiones medidas en los dos secundarios se obtiene el desplazamiento realizado por el núcleo.Robótica en Movimiento
. en las propiedades inerciales. pero todos se basan en el mismo principio. en lugar de cambiar de dirección como lo haría un cuerpo que no girase. SENSORES INTERNOS
SENSORES DE POSICIÓN. Esquema general Resolvers. La bobina móvil excitada con tensión Vsen(ωt) y girada un ángulo θ induce en las bobinas fijas las tensiones: ( ( ) )
Figura A8. Los giroscopios son capaces de medir el ángulo de giro de un objeto. Constan de una bobina solidaria al eje excitada por una portadora. cambia de orientación en una dirección perpendicular a la dirección «intuitiva». Cuando se somete el giróscopo a un momento de fuerza que tiende a cambiar la orientación del eje de rotación su comportamiento es aparentemente paradójico ya que el eje de rotación. ELEP 193 . RESOLVERS
Son captadores angulares de posición. y dos bobinas fijas situadas a su alrededor.
proporcional a la rotacional y que puede ser fácilmente medida. Cuando el sensor se inclina.
SENSORES DE POSICIÓN. Si se miden las corrientes de salida de los electrodos. SENSORES INTERNOS
SENSORES DE VELOCIDAD. Esquema Tacogenerador
ELEP 193 . el ángulo de un objeto con respecto a un eje horizontal. TACOGENERADOR
Dispositivo para medir la velocidad angular. es posible determinar el ángulo de inclinación. Su función es convertir la energía rotacional del eje en cuestión en energía eléctrica.Sensores y Actuadores
Figura A9.
Figura A10. INCLINOMETROS
Estos sensores sirven para medir la inclinación.Robótica en Movimiento
. uno de los electrodos entra más en contacto con el electrolito y el otro menos. Están formados por un electrolito ( liquido conductor) situado en un recipiente en el cual hay introducidos dos electrodos de platino enfrentados y ambos con una parte fuera del elctrolito. Esquema Giroscopio.
Utiliza un interruptor llamado “reed switch”.
Figura A12. se puede calcular mediante una relación trigonométrica simple la velocidad de la superficie (a partir de la cual se calcularía la velocidad del móvil). SENSORES DOPPLER
Son sensores basados en el efecto Doppler y su función es medir la velocidad lineal de un objeto móvil apoyándose en otra superficie. Es para calcular la velocidad de vuelta de la señal al sensor cuando se realiza una comprobación del desfase de frecuencias.
Figura A11. Interruptor “Reed Switch”
SENSORES DE VELOCIDAD.Robótica en Movimiento
. Esquema Efecto Doppler
Conocida la velocidad de vuelta de la señal al sensor. que utiliza fuerzas magnéticas para activarse o no dependiendo si un objeto magnético se encuentra físicamente cercano al interruptor. ( ) ( ) ELEP 193 . Se basan en la observación del desplazamiento en frecuencia de una radiación emitida por el sensor y reflejada en una superficie que se está moviendo con respecto al robot.
Arriba y abajo de la varilla se diponen dos espirales conductoras.Sensores y Actuadores
La velocidad del terreno con respecto a un vehículo Va.
SENSORES DE ACELERACIÓN. en las espiras se desarrolla una diferencia de potencial proporcional al cambio en el campo magnético al que están sometidas.Robótica en Movimiento
. Así.05 g hasta 1 g  Salida ± 5 V y 4. aviones y otros vehículos. estanco y de pequeño tamaño  Rangos desde 0. estabilidad a largo plazo del cero y son inmunes a vibraciones. LVT (LINEAR VELOCITY TRANSDUCERS)
Los sensores LVT constan de un núcleo magnético permanente en forma de varilla. si medimos la diferencia de potencial en las espiras podremos deducir la velocidad a la que se ha movido el núcleo y. por ello tienen alta estabilidad ante cambios de temperatura.20 mA ELEP 193 . el cambio en el campo sólo puede estar provocado por el movimiento de dicho núcleo. este nucleo es el que es conectado al dispositivo cuya velocidad vamos a medir. SERVOACELERÓMETROS
Un servoacelerómetro se compone de un galvanómetro en forma de péndulo y un sensor óptico. Características:  Excelente estabilidad a cambios de temperatura  Muy alta resistencia a shock y vibraciones  Robusto. el elemento de interés. siendo FD la variación en frecuencia que observamos. Fo la frecuencia de transimisión. SENSORES INTERNOS
SENSORES DE VELOCIDAD. por consiguiente. Estos acelerómetros tienen muy altas prestaciones debido a su funcionamiento en bucle cerrado. se obtiene a partir de la velocidad Vd Doppler medida según la ecuación anterior.. Por la ley de Faraday. Se aplica en el Control de velocidad y posición en trenes. c la velocidad de la luz y alpha el ángulo de incidencia. Puesto que el núcleo es un imán permanente. LVT.
Figura A13.
Estos sensores pueden medir aceleraciones de hasta 1000 radianes por segundo al cuadrado y con precisiones muy elevadas. SENSORES INTERNOS
SENSORES DE ACELERACIÓN. Cuando gira dicho elemento el péndulo lo hace con él. ACELERÓMETRO PIEZO-RESISTIVO
Este dispositivo consta de una masa en forma de travesaño y dos medidores de tensión.
. El dispositivo cuya aceleración de giro vamos medir se conecta a un péndulo. Un sensor de posición capta el movimiento del péndulo y mediante un circuito electrónico se compara la señal del sensor de posición con una señal de referencia.Sensores y Actuadores
Este es un dispositivo para medir la aceleración angular. La posición en la que se detiene el péndulo es proporcionala la aceleración inicial aplicada. Cuando se produce una aceleración en el elemento a medir ( que estará unido de alguna forma a esa masa) la pieza en forma de travesaño se dobla y los con los medidores de tensión se podrá calcular la aceleración que ha provocado esa torsión. Entonces un motor de rotación aplica una fuerza al péndulo determinada por ese circuito electrónico y que hace girar al péndulo en sentido opuesto al del elemento. La masa está introducida en un receptáculo y tiene situados arriba y abajo los dos medidores. Realmente uno de los medidores se usa para la tensión y otro para la compresión.
Cuando el detector detecta luz en la superficie del objeto se puede calcular la distancia de la parte iluminada del objeto al detector con una sencilla relación trigonométrica (suponiendo que conocemos la distancia del emisor al detector y el ángulo con el que la luz incide en el objeto). Este concepto es muy general. La configuración de luz que suele transmitirse es de forma cilíndrica. El primero de ellos utiliza láser para determinar esa distancia. El inconveniente principal de este método es que precisa de un tratamiento más o menos complejo de información (imágenes) que ha de ser realizado por un ordenador. SENSORES DE DISTANCIA
En este tipo de sensores la estimación de la distancia a un objeto se basa en el tiempo transcurrido entre la emisión y recepción de un impulso sónico o luminoso (análogamente al sistema usado por los murciélagos).Sensores y Actuadores
Los sensores de distancia miden la distancia desde un punto de referencia (que suele estar en el propio sensor) hasta objetos que están dentro de un determinado campo de referencia. Entre ellas existen algunas técnicas de detección de alcance las cuales podemos enumerar como sigue: SENSORES DE DISTANCIA
Este es uno de los métodos más sencillos para medir el alcance. La distancia se podrá calcular dividiendo ese tiempo por dos y multiplicando por la velocidad de la luz. SENSORES DE DISTANCIA
ILUMINACIÓN ESTRUCTURAL
Este método se basa en la proyección de una configuración de luz sobre un conjunto de objetos. La detección de alcance se suele usar para la evitación de obstáculos en la navegación de robots móviles. Este tipo de sistemas ELEP 193 . Un objeto se ilumina por un haz estrecho de luz que barre toda la superficie.Robótica en Movimiento
. y en la utilización de la distorsión de la luz para determinar el alcance a los diferentes objetos. Una cámara de TV capta la distorsión que se produce en la luz ya a partir del tratamiento de las imágenes de la cámara se puede determinar la distancia del emisor de la luz a los objetos. Se basa en la medida del tiempo que tarda en regresar de forma coaxial (por la misma trayectoria) un pulso de luz emitido. por lo que dentro de este tipo vamos a estudiar tres métodos diferentes. El sensor dispone de un emisor y un detector de luz.
Figura B1 La mayoría de los sensores de ultrasonido de bajo coste se basan en la emisión de un pulso de ultrasonido cuyo lóbulo.Sensores y Actuadores
pueden tener un alcance de hasta 4 metros y manejar una precisión de 0. A diferencia del método anterior se emplea un haz continuo y lo que se mide es el retardo (desplazamiento en fase) entre los haces saliente y entrante. Por último. es decir en los sensores ultrasónicos.25 cm. En este punto ahondaremos un poco más. o campo de acción. Sin embargo. Como en los casos anteriores. es de forma cónica. ELEP 193 . En este caso habremos de conocer la velocidad del sonido para el medio en el que se esté desarrollando la tarea (normalmente el aire).Robótica en Movimiento
. El siguiente método basado en el tiempo de vuelo también utiliza láser. donde se tiene un receptor que emite un pulso de ultrasonido que rebota sobre un determinado objeto y la reflexión de ese pulso es detectada por un receptor de ultrasonidos. este tipo de sensores pueden inducir a errores en situaciones concretas (como objetos puntiagudos o con entrantes) debido a las reflexiones de las ondas ultrasónicas. El funcionamiento básico de los ultrasonidos como medidores de distancia se muestra de una manera muy clara en el siguiente figura. a partir del tiempo que tarda la onda en regresar podemos calcular fácilmente la distancia al objeto que la ha reflejado. los cuales son un tipo de sensores de distancia. Midiendo el tiempo que transcurre entre la emisión del sonido y la percepción del eco se puede establecer la distancia a la que se encuentra el obstáculo que ha producido la reflexión de la onda sonora. también podemos medir el tiempo de vuelo de ondas ultrasónicas. mediante la fórmula:
Donde V es la velocidad del sonido en el aire y t es el tiempo transcurrido entre la emisión y recepción del pulso.
ELEP 193 .¿Qué ocurre cuando varios robots usan ultrasonidos?: Puede existir un problema de falsa detección. -Ejemplo: un robot que se acerca a una pared con muy poco ángulo puede “no verla” .Robótica en Movimiento
. -Reflejos especulares: la dirección del reflejo depende del ángulo de Incidencia.Sensores y Actuadores
Algunos de los problemas que suelen ocurrir a la hora de usar sensores ultrasónicos son los siguientes: -La posición real del objeto es desconocida: (cualquier posición del cono a distancia d). 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). -Cuanto menor sea el ángulo.
cambio de luces o brillo. Las cámaras utilizadas en visión artificial requieren de una serie de características que permitan el control del disparo de la cámara para capturar piezas que pasan por delante de ella en la posición requerida. mediante sensores que recolectan información y le dan órdenes para autoprogramarsey elegir acciones de acuerdo a las circunstancias establecidas. SENSORES VISUALES
Su función es capturar la imagen proyectada en el sensor. Son más sofisticadas que las cámaras convencionales. Pasamos a comentar en forma breve el funcionamiento de las más utilizadas. para poder transferirla a un sistema electrónico. · Cámaras de estado sólido CCD (Charge – Coupled – Device).Sensores y Actuadores
La visión robótica es uno de los grandes retos para los ingenieros de hoy en día. siendo capaces cada vez más de sortear obstáculos e interactuar con otras máquinas. los últimos adelantos tecnológicos permiten que los robots se relacionen con su espacio en tiempo real. además para poder tener percepción de la profundidad es necesario que tengan visión esteroscópica al igual que los humanos. Sin embargo. La tecnología del elemento sensor. alta definición. · Cámaras lineales. lo que permite el análisis de imágenes bidimensionales. color. señales. Hay una cámara específica para cada aplicación. etc.
ELEP 193 . vía las ópticas. sensibilidad. Se basan en un sensor CCD matricial. alta velocidad. Otro de los grandes inconvenientes es el lograr resolver imágenes tridimensionales para poder generar una imagen tridimensional a partir de dos imágenes muy similares en un tiempo corto se requiere de grandes cantidades de memoria y de un procesador muy poderoso. monocromo. Se basan en la utilización de un material fotosensible que capta la imagen. siendo leída por un haz de electrones. etc. Es difícil programar un robot para que sepa qué ignorar y que no. Se basan en un sensor CCD lineal · Cámaras matriciales. velocidad de obturación. CLASIFICACION Se clasifican en función de: 1. Estas máquinas tienen problemas para interpretar sombras. alta sensibilidad. infrarrojas. ya que tienen que poder realizar un control completo de: tiempos. · Cámaras de tubo. por ejemplo. La disposición física.Robótica en Movimiento
. Se basan en materiales semiconductores fotosensibles para cuya lectura no es necesario un barrido electrónico (más pequeñas que las de tubo) 2.
Características técnicas: · Número de elementos del sensor. sin embargo su tamaño real no tiene nada que ver con su valor en pulgadas. · Tipo de transferencia. Tienen una buena sensibilidad pero solo pueden utilizarse en aplicaciones con superficies planas. Tienen tres sensores lineales. Porcentaje del área de píxel que es sensible a la luz. ELEP 193 .1/2” y 2/3”.Sensores y Actuadores
CAMARAS LINEALES Cámaras lineales. · Velocidad. En las cámaras de última generación se alcanzan velocidades superiores a los 200 Mhz. · Transferencia Inter-línea (ITL). tipo telas. Pueden utilizarse para cualquier tipo de aplicación pero necesitan de una mayor iluminación CAMARAS MATRICIALES El sensor cubre un área que está formada por una matriz de pixels. El tamaño de los CCD está definido en pulgadas. Pueden ser de dos tipos: · Trisensor. Formatos habituales son 1/3”. Número de pixels capaces de ser leídos por unidad de tiempo. Los sensores están posicionados en las tres caras de un prisma. Los sensores CCd están posicionados unos junto a otros separados por un pequeño espacio. etc. el ideal es el 100%. Según la forma de transferencia de la información. Características de los sensores. Los sensores de las cámaras modernas son todos de tecnología CCD formados por miles de diodos fotosensibles posicionados de forma muy precisa en la matriz. A mayor número de elementos (pixels) mayor tamaño de la óptica. requiere de una alta precisión. utilizan registros de desplazamiento situados entre las líneas de píxel para almacenar y transferir los datos de la imagen lo que permite una alta velocidad de obturación. con una longitud lo más corta posible y gran calidad de imagen. · Prisma. La alineación y el sincronismo del sistema son críticos si se quiere obtener una imagen precisa del objeto a analizar. uno para cada color (rojo verde y azul). vidrio. Su utilización está muy extendida para la inspección de objetos de longitud indeterminada. porcentaje imposible de obtener por la separación entre los registros. El hecho de construir imágenes de alta calidad a partir de líneas individuales. · Factor de relleno.Robótica en Movimiento
.Las cámaras lineales utilizan sensores que tienen entre los 512 y 8192 pixels. sino que están basados en la relación de los primeros con el tamaño de los tubos Vidicon. papel. Construyen la imagen línea a línea realizando un barrido del objeto junto con un desplazamiento longitudinal del mismo. En las cámaras lineales es un valor mucho mas alto que en las matriciales. Cámaras lineales a color. planchas de metal. Son los más comunes.
emplean un registro paralelo para exposición de los fotones. esto permite un mayor factor de relleno aunque se pierde velocidad de obturación. · Cámaro color 1CCD. Internamente la cámara combina los colores y genera una señal RGB similar a la que ve el ojo humano. Disponen de un área dedicada al almacenamiento de la luz. o bien en un ordenador. se realizan los cálculos necesarios para obtener en tiempo real una señal analógica o digital en RGB. verde y azul) y un sensor que captura la luz de cada color que viene del exterior. con los colores primarios RGB (filtro bayer). observar en la figura como hay el doble de pixels de color verde para así asemejar la percepción del sensor al ojo humano.Sensores y Actuadores
Transferencia de cuadro. · Cámara color 3CCD. En cada una de los tresextremos del prisma se encuentra un filtro de color (rojo.Robótica en Movimiento
ELEP 193 . Tarjeta del sistema de visión CMUCAM3. la luz procedente del objeto pasa a través de la óptica y se divide en tres direcciones al llegar al prisma. Incorporan un sensor con filtro en forma de mosaico. Incorporan un prisma y tres sensores. Son los de arquitectura más simple. Aunque la calidad de las imágenes de este tipo de cámaras respecto de las de 1CCD es muy superior. la cual está separada del área activa. alcanzando con este sistema factores de relleno del 100%.
CAMARAS COLOR Aunque el proceso de obtención de las imágenes es más complejo. Debido al carácter del filtro. Cuadro entero. tienen dos inconvenientes a tener en cuenta: la necesidad de una mejor iluminación para compensar el efecto producido por el prisma y el efecto de aberración cromática que se crea por la propia estructura del sistema que se subsana colocando las ópticas adecuadas para este tipo de cámaras. bien en el interior de la cámara. SENSORES VISUALES
CMU CAM3
Figura C1. proporcionan una mayor información que las monocromos. integración de la carga y transporte de la misma.
Conector para tarjeta SD o MMS con soporte para FAT16. seguimiento de objetos en movimiento.Sensores y Actuadores
CMUcam3 es la última versión del popular sistema de visión para robots compuesto por una cámara en formato digital y un sistema de desarrollo de código abierto. La CMUcam 3 tiene entre otras características: Sensor RGB en color con una resolución de 352 x 288.Robótica en Movimiento
CAMARAS INTELIGENTES (NATIONAL INSTRUMENTS)
Figura C2. formando un sensor de visión basado en el ARM7TDMI. Este sensor de visión ha sido desarrollado por la universidad Carnegie Mellon y se ha convertido en todo un estándar que cuenta con gran cantidad de software disponible de muchas fuentes diferentes. Con estos dos componentes se obtiene un sensor de visión de bajo coste que es totalmente programable por lo que se puede utilizar en múltiples aplicaciones incluyendo reconocimiento de formas. Compresión por software en modo JPEG Modo de emulación de la CMUcam2. todo ello dependiendo del software empleado. Alta velocidad de 26 imágenes por segundo. Cuenta con procesador NXP LPC2106 y un sensor CMOS de la firma Omnivision.
ELEP 193 . detección de colores. Modelo NI 1742 de la serie de Cámaras Inteligentes de la empresa National Instruments. Conexión para 4 servos.
Por mas de 10 años. Software que permite interactuar con la cámara inteligente. las variables compartidas simplifican la tarea de transferir datos entre diferentes componentes de un sistema de automatización industrial. una cámara inteligente desempeña todas las operaciones directamente en la cámara.
Figura C3.Robótica en Movimiento
. Una cámara inteligente es una combinación de un sensor de imágenes y un procesador de alto rendimiento que arroja resultados de inspección en vez de imágenes. hacia un servidor de PC o a un sistema de visión que procesa las imágenes. En cámaras inteligentes. y LabVIEW.
ELEP 193 . Las Cámaras Inteligentes de NI están diseñadas para integrar fuertemente a la familia de controladores de automatización programable e interfases de maquina humana. los usuarios pueden crear fácilmente sistemas de maquina visión distribuidos que transmiten resultados en lugar de simples imágenes. Mientras que una cámara industrial típica adquiere y transmite imágenes a través de un bus estándar. un sensor de imágenes con dispositivo de carga unida (CCD) de alta calidad. Con la combinación de un procesador PowerPC de alto rendimiento. lectura de códigos en 1D o 2D. o el modulo Real-Time LabVIEW de NI y el paquete completo de los algoritmos de visión de NI. incluyendo el Sistema Compact Vision de NI para procesamiento embebido de imagines y sostenedores PCI Express y PXI para la adquisición de imagines de miles de cámaras diferentes. Las Cámaras Inteligentes NI son ideales para aplicaciones industriales de visión. así como guía de motricidad. National Instruments ha sido líder en visión artificial con un amplio rango de productos de hardware. Las Cámaras Inteligentes NI reducen costo y tiempo de inspección al procesar imágenes en la cámara con un procesador PowerPC capaz de ejecutar el VisionBuilder de NI para software de Inspección Automatizada (AI). verificación de ensamblado. incluyendo inspección de empacado. NI VisionBuilder. incluida con las Cámaras Inteligentes NI. tal como Camera Link o 1394 IEEE.
Robótica en Movimiento
.Sensores y Actuadores
Características de las Cámaras Inteligentes 1722 de NI y 1742 de NI incluyen lo siguiente:  Sensor de imágenes CCD monocromático con resolución VGA (640x480) a 60 fps  Procesadores PowerPC de 400 MHz (1722 de NI) y 533 MHz (1742 de NI)  E/S digitales aisladas incluidas  Puertos Gigabit Ethernet Duales  Software AI VisionBuilder Características adicionales de la Cámara Inteligente 1742 de NI incluye lo siguiente:  Soporte de codificador de cuadratura para sincronizar el tiempo en inspecciones con sistemas de dispositivo lineal o rotativo  Controlador de dispositivos construidos para iluminación LED
ELEP 193 .
los que son activos emiten energía y miden la reacción que se tiene.Robótica en Movimiento
. el tiempo entre otras. térmica. sistemas de navegación inercial. a través de los sentidos. estos sentidos son la vista. gusto y oído. Ejemplos de este tipo de sensores son los Ultrasónicos. elaborar e interpretar información en su entorno. Fotoresistores. Para determinar la posición. ejemplo de estos son los ultrasónicos. PERCEPCIÓN ACTIVA
ESTIMACIÓN DE LA POSICIÓN DEL ROBOT
El sistema de percepción de un robot móvil permite que éste se mueva libremente en un entorno desconocido de una forma autónoma. los sensores que son pasivos esperan a que sean activados mediante algún estimulo externo. son influenciados altamente por el entorno que los rodea. En primer lugar hay que diferenciar entre dos tipos de estimadores: por un lado los que no requieren adquisición e interpretación de la información del entorno del robot y por otro los estimadores basados en la percepción del entorno. recibir. ejemplo los pulsadores. A continuación se presentan los distintos métodos existentes para la estimación de la posición de un robot móvil. estimación absoluta de la posición (GPS) y la estimación de la posición mediante triangulación con respecto a ELEP 193 . gracias a estos se tiene un mejor control en las posiciones en general de un robot.Sensores y Actuadores
La percepción es el proceso nervioso que le permite a los seres vivos. Los sensores propioceptivos le brindan información al robot acerca del estado de sus componentes como la posición en la que se encuentra en un determinado tiempo. La respuesta se encuentra en los sensores. En el primer caso destacan los métodos basados en la odometría. entonces ¿Cómo puede un robot tener percepción?. Estos dispositivos electromecánicos según su uso los podemos clasificar como exteroceptivos y propioceptivos Los primeros le permiten al robot interactuar con su entorno. Esta característica es un procesos cognoscitivo de modo de que los seres vivos nacen con ella. de Proximidad y de Contacto entre otros. el equilibrio. A éstos se le deben de sumar algunos otros como la percepción espacial. las personas cuentan con cinco sentidos con los cuales interactúan con su medio. gracias a esto un robot puede moverse por el lugar en donde se encuentra y adquirir información como la temperatura o la cantidad de luz que hay en ese espacio. la percepción del entorno que tiene el robot debe de ser alta por lo que el robot debe ir equipado de un sistema sensorial que le suministre información abundante y lo más precisa posible. Los sensores también pueden clasificarse como pasivos o activos. tacto. olfato. los Encoders son el ejemplo más característico de este tipo de sensores.
Figura D2.
ELEP 193 . se utilizan codificadores ópticos (encoders).Sensores y Actuadores
marcas situadas en el entorno. Entre los estimadores basados en la percepción del entorno se distinguen entre los sensores activos (laser. sonar) y los sensores pasivos (cámaras de video). Estimadores explícitos En esta categoría se encuentran aquellos sistemas que son capaces de estimar la posición del vehículo sin necesidad de capturar información del entorno. Entre este tipo de estimadores se distinguen dos grupos: los basados en medidas internas y los basados en estaciones de transmisión. contando el número de vueltas que dan las ruedas al desplazarse.Robótica en Movimiento
Figura D1. Estimadores Explícitos
Sistema odométrico La odometría es una técnica que tiene como objetivo estimar la posición y orientación de un robot en la navegación. Gráfico para sistema odométrico. Actualmente para llevar la cuenta del número de vueltas y fracciones de éstas que realizan las ruedas.
porque pequeños errores cometidos repercuten notablemente en la posición estimada. PERCEPCIÓN ACTIVA
Un sistema de navegación inercial (INS) es un sistema de ayuda a la navegación que estima la posición y la orientación del robot empleando las medidas de movimiento del acelerómetro y la de rotación del giroscopio. tienen un coste mayor que los sistemas odometricos y son más frágiles. la alineación. En cambio. a los sistemas de navegación inercial no les afectan los problemas causados en la interacción del robot con el suelo y las regularidades causadas por las irregularidades del entorno. En concreto la acumulación de errores de orientación causa grandes errores de estimación de la posición. una de las tareas más difíciles es la detección de las marcas. La característica más importante que ELEP 193 . Por lo general. Esta es la principal razón por la que los sistemas de navegación inercial son más fiables y precisos que los sistemas odometricos. Por lo general se emplean formas geométricas o colores pero también existe la posibilidad de emplear distintos códigos de barras o incluso sistemas de infrarrojos o laser más avanzados y precisos. Pueden ser naturales o ser introducidas artificialmente en el entorno. Las marcas naturales son objetos o características del entorno y no tienen la funcionalidad de posicionar el robot aunque se empleen para eso. Por el otro lado se encuentran las marcas artificiales que pueden ser diferentes y variados.Robótica en Movimiento
. Esta técnica se sitúa entre las que interpretan el entorno aunque la estimación de la posición en realidad no se hace dependiendo del entorno sino que por las marcas detectadas. En estos casos la dificultad está en posicionar la marca en el entorno para posteriormente posicionar el robot en ese entorno. Los acelerómetros suelen estar basados en sistemas pendulares.Sensores y Actuadores
La gran ventaja de la odometría es la simplicidad y su bajo coste pero su punto flaco es que el error se va acumulando con el movimiento del robot. La precisión del acelerómetro resulta crítica. En la navegación con marcas naturales. errores de factor escala y errores de compresión son cruciales. ya que. Como sucede en los sistemas odometricos. PERCEPCIÓN ACTIVA
ESTIMACIÓN MEDIANTE MARCAS O BALIZAS
Las marcas o balizas son características del entorno que se emplean para localizar el robot. Estos errores aumentan proporcionalmente con la distancia recorrida del robot. en la búsqueda de marcas naturales se emplean las cámaras de video y como marcas se trata de detectar bordes verticales de gran dimensión que pueden corresponder por ejemplo a marcos de puertas o paredes.
 El posicionamiento basado en mapas permite al robot aprender nuevos entornos y mejorar la precisión de la localización mediante la exploración del entorno. PERCEPCIÓN ACTIVA
POSICIONAMIENTO BASADO EN MAPAS
El posicionamiento basado en mapas es una técnica en la que el robot utiliza sus sensores para crear un mapa de su entorno. Los mapas son importantes para otras tareas de la robótica móvil como son la planificación de rutas y la evitación de obstáculos. Este método determina la posición empleando bien distancias. las desventajas que tiene esta técnica de posicionamiento son básicamente los requerimientos que tiene para satisfacer la navegación:  Debe de haber suficientes características fácilmente detectables para emparejar. ángulos o las dos. Si existe una relación es posible estimar la posición y la orientación del robot en el entorno. Las principales ventajas que tiene el posicionamiento basado en mapas son las siguientes:  Este método ofrece información de posición sin modificar el entorno en el que se mueve el robot.  Se pueden utilizar para tener un mapa actualizado del entorno. En cambio.Sensores y Actuadores
las diferencia de las marcas naturales es que en este caso la posición de la marca en el entorno es conocida por lo que facilita la navegación del robot móvil.  El mapa de sensores debe ser lo suficientemente preciso para que sea útil. El mapa local se compara con un mapa global previamente almacenado en la memoria. Una vez detectadas las marcas necesarias la posición del robot se estima empleando el método de triangulación.Robótica en Movimiento
en un determinado instante.
Son suficientes tres parámetros (X. Y. Además se conoce como "odometría" a las técnicas de posicionamiento que emplean información de sensores propioceptivos (aquéllos que adquieren datos del propio sistema).
Figura E1. dado que están ELEP 193 . Como ventajas ofrece precisión y exactitud suficiente en distancias cortas sin necesidad de emplear sistemas externos adicionales. con lo que si se quiere precisar la localización hay que corregir la estimación con datos del exterior.Robótica en Movimiento
ODOMETRÍA Y FILTRO DE KALMAN
La odometría es el estudio de la estimación de la posición de vehículos con ruedas durante la navegación. respecto a un sistema de referencia inicial. Mientras que los errores sistemáticos. aquellos causados por la diferencia entre el robot real y el modelado. para obtener una aproximación de la posición real a la que se encuentra un sistema móvil. θ) para conocer la posición de un sistema móvil: posición respecto al eje "x". son predecibles y por tanto se pueden corregir. La posición del robot respecto a un sistema de referencia inicial es uno de los parámetros más importantes de los que debe disponer un robot móvil. los errores no sistemáticos no. Los robots móviles usan la odometría para estimar (y no determinar) su posición relativa a su localización inicial. Gráfico de posicionamiento de un sistema odométrico. respecto al eje "y" ángulo respecto al eje "x". El inconveniente reside en que el error crece indefinidamente con la distancia recorrida. Para realizar esta estimación se usa información sobre la rotación de las ruedas para estimar cambios en la posición a lo largo del tiempo.
ya que es un filtro.  Fuerzas externas (interacción con cuerpos externos).  La tasa de muestreo del encoder es discreta.  Derrapes (debidos a una rotación excesivamente rápida). Dados unos estimadores iniciales y los parámetros propios del sistema dinámico.  Mal alineamiento de las ruedas. Algoritmo de procesado de datos óptimo recursivo. pero sirve además cuando el sistema está sometido a ruido blanco aditivo. pensado para sistemas discretos.  Desplazamiento en suelos desnivelados. Recursivo porque no precisa mantener los datos previos.Sensores y Actuadores
causados por la interacción entre el vehículo y el entorno. Óptimo porque minimiza un criterio determinado y porque incorpora toda la información que se le suministra para determinar el filtrado.  La media de los diámetros de las ruedas difieren del diámetro de fábrica de las ruedas. el filtro va prediciendo y auto ajustándose con cada nueva medida. de manera que se minimiza el índice del error cuadrático medio. El filtro de Kalman es capaz de escogerla de forma óptima cuando se conocen las varianzas de los ruidos que afectan al sistema.Robótica en Movimiento
. ODOMETRÍA Y FILTRO DE KALMAN
El filtro de Kalman es una técnica recursiva para determinar los parámetros correctos de un sistema que evoluciona con el tiempo.  Resolución discreta (no continua) del encoder.  No hay ningún punto de contacto con el suelo. Aquí es donde entran las técnicas inerciales. algoritmo de procesado de datos. El filtro de Kalman se utiliza en situaciones donde un proceso continuo es muestreado en intervalos de tiempo y tiene especial interés en problemas de seguimiento de objetos en secuencias de imágenes.  Sobre-aceleración. Sirve para poder identificar el estado oculto (no medible) de un sistema dinámico lineal.  Desplazamiento sobre objetos inesperados que se encuentren en el suelo. Por último. Errores no sistemáticos.  Patinaje de las ruedas debido a:  Suelos resbaladizos. Errores sistemáticos  Los diámetros de las ruedas no son iguales. lo que facilita su implementación en sistemas de procesado en tiempo real. ELEP 193 . Entonces los errores se agrupar en dos categorías. El objetivo del filtro de Kalman es estimar los estados de una manera óptima.
aunque los sensores no dependen unos de otros directamente. y con base a esta toma una decisión. la fusión se realiza a través de la complementariedad y contraste de información procedentes de la red de sensores. Aunque no todo es favorable en la fusión sensorial. para que se pueda utilizar en un ambiente real.
ELEP 193 . pero si se disponen de modo que puedan combinarse para obtener una mayor visión del fenómeno a medir. competitiva. Un ejemplo de esto es un desatornillador con un brazo robotico el cual tiene sensores de visión para reconocer el tornillo. determina cual es la más relevante. como podemos ver en la figura. en ella nos podemos encontrar con algunos contras como lo es el emplear múltiples sensores puede producir una sobrecarga de información. o más bien como trabajan entre ellas. estas pueden definirse como: complementaria. Cuando la información recibida es imprecisa y muchas veces lo es. sensores de posición y orientación del efector del robot para controlar el movimiento y sensores de fuerza en el par aplicado al destornillado. FUSION SENSORIAL
El complementar se refiere a la información del entorno que un solo sensor no puede realizar. Uno de los métodos utilizados para aprovechar al máximo la poca información entregada por los sensores. cooperativa e hibrida. Existe diferentes tipos de fusión sensorial. no controlado. la cual utiliza la fusión obtenida por distintos tipos de sensores. es la fusión sensorial.Sensores y Actuadores
FUSION SENSORIAL
Se define como la combinación de lecturas de varios sensores en una única estructura de datos.Robótica en Movimiento
. así mismo la integración sensorial se define como el uso de información de varios sensores para llevar a cabo una operación especifica. Una red multisensorial puede presentar diversas arquitecturas. es necesario que se adapte el robot para que tome decisiones confiables. además la velocidad de respuesta se compromete y se necesitan técnicas para evitar datos contradictorios y filtrar errores.
distribuida. Tiene como ventaja que generalmente es más preciso y como inconveniente que se trasmite la totalidad de datos Hasta la unidad central. e hibrida. obtención de gradientes o probabilidades. Entre los tipos de fusión sensorial de medidas podemos encontrar la fusión centralizada. FUSION SENSORIAL
FUSIÓN CENTRALIZADA
En esta los datos se fusionan antes de la etapa de clasificación. FUSION SENSORIAL
Cuando la fusión sensorial realiza la combinación de las magnitudes de las medidas de la red de sensores obteniendo una nueva magnitud. y se ordenan de la siguiente manera: Fase de alineamiento y asociación: Es la que permite transformar las unidades de medida de cada sensor en única.Sensores y Actuadores
La competitividad existe. donde los datos fusionados se consideran como si procediesen de un solo sensor abstracto. se obtienen más datos fiables y precisos. ya que al obtener información redundante sobre una magnitud física se produce una competencia entre los sensores.Robótica en Movimiento
. como filtros de kalman y sus variantes. ELEP 193 . por ejemplo la visión estereoscópica. es el caso donde es imposible obtener con sensores individuales. estos sensores no tienen que ser idénticos y se pueden usar diferentes métodos de medida. Como ya vimos la fusión consiste en combinar datos independientes en una sola lectura. FUSION SENSORIAL
Es cuando una determinada disposición física de sensores puede presentar características de mas de una configuración anterior. Fase de correlación de los datos: Se usa para determinar que datos representan medidas de la misma magnitud Fase de fusión: Estas tienen técnicas de estimación. hace que la seguridad y precisión decrezca al contrario de la competitiva.
generando un vector de estado por cada vector.
ELEP 193 . solo sobre los vectores de estado de cada vector. de igual manera el proceso de correlación es menos complejo. en la figura Podemos ver un esquema.Robótica en Movimiento
. ya que los datos están comprimidos en los vectores.
Figura F2. la fusión se produce sobre los vectores. asociación y correlación pero no se realiza sobre todos los datos. es decir de alineamiento. Esto se realiza igual que las fases anteriores. pero no es tan precisa como la centralizada. y esto hace que se reduzca notablemente la comunicación. Esquema de fusión centralizada
FUSIÓN DISTRIBUIDA
Cada sensor realiza una estimación de la medida teniendo en cuenta únicamente sus propios datos.Sensores y Actuadores
En la figura podemos ver un esquema de fusión centralizada.
FUSIÓN HIBRIDA
Esta es la que combina las dos anteriores.Robótica en Movimiento
ELEP 193 . en la figura se puede ver su arquitectura. en modo normal opera como distribuida y si se requiere mas precisión se usa la arquitectura centralizada.
pudimos ver los diferentes tipos de sensores.Sensores y Actuadores
En el informe pudimos apreciar lo que se trato en lo que sensores a distancia respecta.Robótica en Movimiento
. ahondando un poco más en lo que son los sensores de ultrasonido y pudimos aprender el cómo funcionan y sus posibles fallos a la hora de llevarlo a la practica en robótica. y sus técnicas. o más bien saber qué tipo de fusión sensorial es el que ocupa cada uno de los robot a analizar en el curso. así pues pudimos saber que es de lo que trata la fusión sensorial. a la vez que podemos saber cuál es la mejor alternativa a la hora de usar una estructura de fusión sensorial en nuestro robot.
ELEP 193 . sus diferentes tipos de estructuras y como funciona esto en robótica y sus diversos sensores que podemos ocupar usando la modalidad de fusión sensorial.
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