Intelligens Robotok Érzékelők, szenzorrendszerek Dr. Vajda Ferenc docens 2013-09-06 Digitális célrendszerek kutatócsoport Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Miről lesz szó? Érzékelők Tapintásérzékelés alapjai Technológiák Mérendő információk Példák a tapintásérzékelésre Egyéb érzékelés szenzorai Alapok Érzékelők osztályozása, típusai Látás, hallás stb. ommunikációs szenzorok Főbb elvek, technikák 2/47
Érzékelők P 3/47
A mérnök mér...
Fogalmak Jel: Információt hordozó pillanatszerű, vagy ismétlődő fizikai mennyiség Jelentés: valamilyen értéket, adatot asszociációs, hasonlósági, vagy megállapodásos alapon ábrázoló értelmezés; alapvetően jelek gyűjteménye Információ: jelentések, tények vagy (feldolgozott / tárolt / átvitt) adatok gyűjteménye; ill. egy kísérlet kimenetének bizonytalanságához rendelt számszerű érték Jelátalakító: Eszköz, amely egy energiatípust, vagy fizikai tulajdonságot egy másikba alakít át Érzékenység: megadja, hogy a mérendő tulajdonság értékének megváltozása esetén mekkora a jel megváltozása Méréstartomány: A mérőátalakító méréstartományának azon intervalluma, amelyen az érzékenység eléri a minimálisan elvárt szintet 5/47
Fogalmak arakterisztika: Egy rendszernek a különféle környezeti paraméterek mellett különféle bemenetekre adott válasza Lineáris / nem lineáris linearizálás Tranziens hiba: Olyankor megjelenő hiba, amikor az eszköz nem képes követni a mért mennyiség értékének hirtelen változását. Pl. átlagolás miatt Érzékelő: eszköz, amely jeleket, ingereket fogad, és hatásukra valamilyen ember, vagy műszer számára értelmezhető kimenetet generál (jelátalakítók egy osztálya) Belső érzékelő (intrinsic s. proprioception): Egy adott zárt struktúrán belüli információk mérését végző érzékelő Csuklópozíció, szögsebesség, túlterhelés stb. ülső érzékelő (extrinsic s. exteroception): Az adott eszköz viszonylatában a struktúrán kívül található jelek mérésére szolgáló érzékelő. örnyezeti információk, objektum- és környezetleírás 6/47
Hiszterézis Egy rendszer kimenete nem csak az aktuális állapottól függ, hanem az állapotváltozás aktuális irányától is Nem időfüggő! i is használható (pl. schmitt trigger) i Hiszterézis hiba Schmitt trigger meghajtó i Be Be 7/47
Mire vagyunk kíváncsiak, mit mérünk? Mérhető fizikai mennyiségek Elmozdulás hagyományos mérő eszközök Feszültség elektronikus mérő eszközök Számlálás időbeli viselkedéshez Származtatott mennyiségek Többnyire igen összetett Pl. tömegmérés: F =m a F = k x dr d dl = 1 2 R L U =R I SI alapmennyiségek: m, kg, s, A,, mol, cd 8/47
Mérés: érzékelés és becslés A A priori priori információk információk Érzékelt Érzékelt értékek értékek iértékelés, iértékelés, becslés becslés Eredmény Eredmény Bizonytalanság Bizonytalanság Mérés 9/47
Érzékelés: ember gép Látás Hallás Mikrofonok Ultrahang érzékelők Értelmezés! Értelmezés! Értelmezés! Tapintás komplex! Fény-, színérzékelés amerák: sor~, mátrix~, eseményalapú~ ontaktus érzékelők: bináris Nyomásérzékelők: analóg Mátrix-érzékelők: bináris/analóg tömb Szaglás, ízérzékelés Biológiai érzékelők mobilis robotikában nem használjuk... 11/47
Amit az ember már nem... Látás Alacsonyabb, magasabb frekvencián IR, UV, röntgen, gamma stb. Mérettartomány mikroszkópikus nem feltétlenül fotonok! Hallás Alacsonyabb, magasabb frekvencián pl. ultrahang Tapintás Érzékenység Egyebek Mágneses térerő Elektromos térerő Összetett érzékelők pl. akusztikai jellel modulált fényforrás 12/47
Szenzorok csoportosítása Taktilis / Érintésmentes Mért fizikai mennyiség Giroszkóp / Iránytű Passzív / aktív szenzorok elektromos, optikai, mágneses stb. Belső / külső érzékelők pl. erőmérő / kamera Ütköző / Ultrahangos távolságmérő özelcsatolt / távolcsatolt Viszonyítási koordinátarendszer özelcsatolt: mérendő objektum koordinátarendszerében 13/47
Érzékelők típusai Osztályozás Érzékelő típusa B/ A/P étértékű érzékelők apcsoló/ütköző özelségérzékelő P A/P Tapintásérzékelők (érintés/tapintás/csúszás) ontaktus-tömb Erő/nyomaték-mérő Rezisztív apacitív B/ P P P P Motor/tengely érzékelők Mechanikus jeladó Potenciométer Optikai jeladó Mágneses jeladó Induktív jeladó apacitív jeladó B B B B B P P A A A A Irányérzékelők Iránytű Giroszkóp Inklinométer B P P A/P 14/47
Érzékelők osztályozása Osztályozás Érzékelő típusa B/ A/P ibocsájtott sugarakat érzékelő eszközök GPS Aktív optikai Rádió-frekvenciás Ultrahang A A A A Távolságmérés apacitív érzékelők Mágneses érzékelők amera Szonár Lézeres távolságmérő Strukturált fény P P A/P A/P A A Sebesség/mozgás Doppler radar Doppler hang amera Gyorsulásmérő A A P P Azonosítás amera Rádiófrekvenciás azonosítás, RFID Lézeres távolságmérés Radar Ultrahang Hang P A A A A P 15/47
Tapintásérzékelők
Tapintásérzékelés Tapintásérzékelés: A környezetben található objektumokkal történő fizikai kapcsolat során létrejövő fizikai jellemzők és események meghatározásának folyamata Tapintásérzékelők: Egy tárgy, vagy azzal történő kapcsolat során bekövetkező esemény adott jellemzőinek az érzékelő és a tárgy közötti fizikai kapcsolat segítségével történő mérésére alkalmas eszközök. Gyakran a manipuláció része iértékelés: sokszor a képfeldolgozás eszköztárával 17/47
Nehézségek kevéssé elterjedt Nem kötődik egy konkrét helyhez (a többi érzékelést egy-egy konkrét szerv végzi) Összetett érzékelés Nem egy fizikai jellemző elektromos jellé konvertálása: alakzat, textúra, súrlódás, erő, fájdalom, hőmérséklet stb. Nehéz megfelelő technológiai analógiát találni Tesztrendszer létrehozása, bemérés Mesterséges bőr szimulációja bonyolult Nem egyértelmű a mérendő jellemző Feladattól függ, melyik a legalkalmasabb ~épfeldolgozás, csak itt még az érzékelés alapjai hiányosak 18/47
Alapvető mérési elvek Ellenállás és vezetőképesség alapú apacitív Piezoelektromos, piroelektromos Mágneses Magnetoelektromos Mechanikus Optikai Ultrahangos 19/47
Jelek értelmezése Alapvetően képfeldolgozás Dinamikus feldolgozás ~ videojel feldolgozás Szegmentálás Élkeresés üszöbözés Szűrés Geometriai mérések Csúszás, nyúlásváltozás stb. Nem igazán megoldott eménység Felületi textúra 20/47
Tapintásérzékelők tulajdonságai Mérendő paraméter Térbeli felbontás Érzékelési terület méretei Érzékelő elemek (taktelek) térbeli eloszlása Szenzor válasz-profil érzékelő válasza a változásra Erő Nyomaték apcsolat léte/nem léte Hővezetőképesség Csúszás Mikrotextúra (felületi) Stb. Legyen monoton, stabil, megismételhető, hiszterézismentes Időbeli felbontás mp-enkénti minták száma 21/47
Nyúlásmérő bélyeg Felépítés Elektromos szigetelő fólia Elektromosan vezető réteg Működési elv fajlagos nyúlás bélyegállandó (gauge factor) fajlagos ellenállás L R= A dr d dl da = R L A dl da = ; = 2 L A dr d = 1 2 R GF= R R = d poisson tényező 1 2 piezorezisztív tag: deformáció hatására az anyag fajlagos ellenállása megváltozhat 22/47
Nyúlásmérő bélyeg Mérési elv: Wheatstone híd Négy bélyeges megoldás U ki =U be R1 R2 R1 R 3 R 2 R 4 U ki =U be R g = R R U ki =U be R3 R1 R4 R3 R1 Egy bélyeges megoldás Rg R R g R R R R2 V R4 + R2 - GF R R U be =U be 4R 2 R 4R 4 23/47
Nyúlásmérő bélyeg 24/47
Piezoelektromos érzékelők Mechanikai feszültség anyagban elektromos térerő Inverz hatás: Elektromos térerő deformáció ét elektromos tulajdonság együttes hatása D= E, S =s T D= E d T D E S T s d elektromos töltéssűrűség elektromos térerő permittivitás megnyúlás mechanikai feszültség rugalmassági modulus piezoelektromos együttható mátrix Előnyök Nagyon jó érzékenység Robusztus Jó linearitás Hátrányok Csak dinamikus mérések (apacitív jellegű) Relatív nagy feszültségigény összenyomás U piezo hajlítás nyírás T U 25/47
apacitív érzékelők ondenzátor: két fegyverzet (vezető) között dielektrikum (szigetelő) vezető A C= d permittivitás Mérése: váltófeszültséggel Befolyásolás Távolság (d) Dielektrikum (ε) Felület (A) apacitív tömbök Jó térbeli felbontás szigetelő I ~ d I ~ ε I ~ A I ~ 26/47
Induktív érzékelők LVDT Linear Variable Differential Transformer Differenciáltranszformátoros elmozdulásmérő Mag eltolódik feszültség 0 V Fázis eltolódás iránya D D V B =V A G Lineáris özelségi érzékelők Jelenlét-ellenőrzés Fémes tárgy közelében az induktivitás jelentősen megnő Faraday-féle indukciós törvény d B Mágneses fluxus = N dt B Elektromotoros erő 27/47
FSR Erőmérő ellenállások Force Sensing Resistors FSR: vezető polimert tartalmaz, amelyek ellenállása erő hatására megváltozik Előnyök: egyszerű interfész olcsó, készen kapható (film, lap, szitanyomáshoz tinta) Ütésálló Vékony (< 0,5mm) Hátrányok: nem bírja a hosszú (több óra) terhelést nagyon pontatlan Waseda Waseda WE-4RII WE-4RII 28/47
Erő-érzékelés helye Belső (intrinsic) érzékelés az érzékelő az objektum struktúrájának megváltozását méri Nyúlásmérő bélyegek Piezoelektromos, -rezisztív ülső (extrinsic) érzékelés az érzékelő a tárgy és a beavatkozó közötti kapcsolat tulajdonságait méri közvetlenül Piezoelektromos, -rezisztív apacitív, induktív FSR 29/47
Megvalósítások Szilíciumalapú piezorezisztív erőmérő tömb [Beebe] Felületre helyezhető 4mm-es kupola Előnyök: lineáris, jól ismételhető, alacsony hiszterézis, robusztus, túlterhelés-védett Elérhető felbontás 2-4mm PVDF lemez piezoelektromos tulajdonság [Yamada & Cutkosky] P Csúszásdetektálás özvetlenül CMOS rétegekre építi Piezorezonátor [Omata & Terunuma] Nem erőt mér! Anyag keménysége megváltoztatja a rezonanciafrekvenciát Állandó nyomás (kapcsolat) szükséges Lassú válaszidő 30/47
Termoelektromos, piroelektromos érzékelők Termoelektromosság (hőelemek): Hőmérsékletkülönbség elektromos térerő Elektromos térerő hőmérsékletkülönbség Seebeck-hatás Peltier-hatás Thomson-hatás Piroelektromosság: Hőmérséklet változásakor a töltések eltolódnak potenciálkülönbség A fém V B fém 31/47
Mágneses terek érzékelése Mágneses tér változás Feszültség Hall effektus: mágneses térbe helyezett vezetőben áram folyik vezető két vége között feszültségkülönbség (Lorenz erő) U H = R H IB d U H hall feszültség R H hall állandó I áramerősség B mágneses indukció erőssége d vezető I -re és B -re merőleges vastagsága Fluxuszsilipes érzékelők (iránytűk) Reed kapcsoló Magnetorezisztív érzékelők Magnetoinduktív érzékelők stb. I B UH 32/47
Példa: ombinált megoldás ét egymásba ágyazódó síkbeli spirális tekercs 35 mm apacitív érzékelő tárgy dielektromos állandója módosítja a tekercsek közötti kapacitást Induktív érzékelő az átviteli függvény megváltozásából lehet következtetni a tárgy mágnesességére, vezetőképességére Hőérzékelő P [Li & Shida] Egyik tekercs fűtőszál Másik tekercs hőérzékelő ellenállás Lassú válaszidő (több mp.) Szigetelőanyag (fémtárgyak miatt): celofán Méréskor a nyomás legyen állandó Feldolgozó Feldolgozó E. E. 33/47
Látás, hallás
Fényérzékelés Fotodióda (fotovoltaikus vagy fotovezető) Fotovoltaikus mód Fotovezető mód Fototranzisztor Záróirányba kapcsolt LED-ek Töltéscsatolt eszközök (CCD) CMOS érzékelők (APS, aktív pixel érzékelő) Fotoellenállás (LDR, Light Dependent Resistor) Napelem fény hatására feszültséget és áramot generál Fotoelektronsokszorozó, fotoelektroncső vantumeszközök (fotonok érzékelése) émiai érzékelők (pl. lemez nagy formátumú gépeknél) Hőmérsékletmérés alapú érzékelők 35/47
Színérzékelés Tipikusan fotoellenállások (színszűrővel) Aktív színmérők Három színű gerjesztés (tristimulus colorimeter) Izzó + színszűrők + fényérzékelők -12-9 -6-3 0 n 10 m ozmikus sugárzás Röntgen Gamma sugárzás Mikrohullámok Ultraviola (UV) Infravörös (IR) Rádió Radar Rövid hullámhossz Műsorszórási sáv Hosszú hullámhossz Látható fény Ultraviola (UV) Infravörös (IR) 400 nanométer 500 nanométer 600 nanométer 700 nanométer 36/47
Fotodióda Hagyományos (PN/PIN) dióda + átlátszó ablak Minden dióda fotodióda (röntgenre részben transzparens) iürítési rétegre érkező foton elektron () + lyuk (A) keletkezik (Áram) Fotovoltaikus üzemmód (zérus előfeszültség) Fotoáram + feszültség Nyitóirányú előfeszítés sötét áram (fotoárammal szemben) Fotovezető mód (Záróirányú előfeszítés) Nagyobb kiürítési réteg apacitív hatás csökken (nagyobb sebesség) kisebb a telítési áram Fotoáram marad: lineárisan függ a megvilágítástól Gyors reakció Nagyobb zaj Fototranzisztor Bipoláris tranzisztor: BC kapcsolatot eléri a fény (átlátszó burkolat) Elektron bázisra áramerősítés (β) (kis fénynél nem működik) Lassú 37/47
Töltéscsatolt eszközök Charge-Coupled Devices (CCD) Analóg shift-regiszter (ondenzátorok) Analóg jelek késleltetése Analóg memória Párhuzamos analóg jelek sorosítása Elve +/- apacitások egymásnak adják át a töltéseket Utolsó kapacitás töltéserősítőre kerül (feszültség keletkezik) 38/47
Töltéscsatolt eszközök amera Típusok eptiaxiális réteg (fotoaktív) CCD réteg (transzport) Fullframe-Transfer CCD pixelenként olvasás (külső zár szükséges) Frame-transfer CCD fotoérzékelők egyszerre CCD-re Interline CCD CCD a fotoaktív oszlopok között (rosszabb felbontás) Színes kamera Bayes elrendezés 3CCD trikroikus prizmával Vonal CCD három független színsor 39/47
CMOS érzékelők Elve Fotodióda-tömb Véletlen hozzáférés (sor + oszlop) Típusok Passzív pixel érzékelők Aktív pixel érzékelők (APS, erősítővel) Előnyök és hátrányok isebb fogyasztás isebb késleltetés Olcsóbb kivitel Nagyobb sebesség Nagyobb zaj isebb érzékenység Hozzáadható tulajdonságok Pixelszintű előfeldolgozás (CNN, AER) URST RST UDD 40/47
Akusztikai érzékelők (mikrofonok) Piezoelektromos mikrofon (kristálymikrofon) ondenzátor mikrofon nagy erősítés, de zajos Inkább zenei célokra (viszonylag zajmentes) Tekercses megoldás (~ hangszórók) Lézermikrofon Hangnyomás két fegyverzet közötti távolság változik MEMS (MicroElectrical-Mechanical System) mikrofon Dinamikus mikrofon Főként ultrahang Hidrofon Felületekről (üvegablakról) visszaverve Üvegszálas mikrofon infrahang! Szénmikrofon pl. régi telefonkészülékekben 41/47
Ultrahang 20kHz-200MHz levegőben leggyakoribb 40kHz Vízben akár több MHz (minél magasabb, annál irányítottabb) Legtöbbet használt akusztikai technika özelségi érzékelő Távolságmérés SONAR (Sound Navigation and Ranging) Infrahang is 42/47
ommunikációs érzékelők
ommunikáció Infravörös fénnyel Hullámhossz (CIE) IR-A (NIR): 0,7-1,4μm (kis távolságok) IR-B (SIR): 1,4-3,0μm (pl. üvegszál) IR-C (MIR/LWIR/FIR): 3,0-8,0-15,0-1000,0μm IR led Szenzor: fotodióda + jelfeldolgozás 1k Modulált fényforrás BC547 Philips RC5 Parancsok küldésére 36kHZ modulációs frekvencia (0,25-0,33 kitöltési tényező) Üzenetek: mindig 14 bit (~25ms; 40 parancs/s) Bit: egyenletes kitöltés: 1,778ms (64 impulzus, 2 32) 0 van + nincs 0 1 1 nincs + van 0 1 1 0 1 1 1 5 bit (32) cím 6 bit (64) parancs LSB start tgl MSB cím 100 100 VS 4,7μ OUT GND TSOP1836 0 1 1 1 parancs 44/47
IrDA Infrared Data Association Nagy mennyiségű adatok átvitelére Sebesség: 2,4 kbit/s - 16 Mbit/s Tartomány: 1m UFIR: 100Mbit/s Giga-IR: 1Gbit/s alacsony fogyasztáson 0,2m Szög: min ±15 ISO OSI modell ommunikáció (IrCOMM) Soros (Aszinkron/szinkron) Párhuzamos Alkalmazások IrOBEX IrLAN IrCOMM TTP (Tiny Transport Protocol) IrLMP (Link Management Protocol) IrLAP (Link Access Protocol) IrPHY (Physical Layer) SIR / MIR / FIR / VFIR / UFIR 45/47
Rádiófrekvenciás RF: 3Hz-300GHz elektromágneses hullámok Szenzor speciálisan kialakított antenna omplex rezgőkör + erősítő Jelfeldolgozás CH12 2400 Nagyobb sebesség, robusztusabb, de drágább Változatok BW = 5 MHz 2410 f [MHz] Bluetooth 2,4 GHz 3Mbit/s (53-480MBit/s), max 100m (1. o.) Zigbee 2,4 GHz; 868 MHz (EU) / 915MHz (USA) 250 kbit/s, 30-50m / akár több száz m Wifi 2,4 GHz / 5 GHz RFID RFID Max 600Mbit/s, Max 100m WiMAX RFID GSM, CDMA Wireless USB, Wireless firewire 46/47
Hol érdemes még utánanézni? [1] List of Sensors, http://en.wikipedia.org/wiki/list_of_sensors [2] Tactile sensing, http://www.soton.ac.uk/~rmc1/robotics/artactile.htm [3] M. H. Lee, H. R. Nicholls, Tactile sensing for mechatronics a state of the art survey, Pergamon Mechatronics 9, 1999 [4] Capacitive Sensor Operation and Optimization, http://www.lionprecision.com/tech-library/technotes/cap-0020sensor-theory.html [5] How the iphone Works, http://electronics.howstuffworks.com/iphone1.htm [6] IR Remote Control Theory, http://www.sbprojects.com/knowledge/ir/ir.htm [7] Wikipedia, the Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/ [8] Siciliano hatib, Springer Handbook of Robotics, Springer Verlag, Heidelberg, 2008, ISBN: 978-3-540-23957-4 47/47