Czujniki do pomiaru stanu wewnętrznego robota

Czujniki do pomiaru stanu wewnętrznego robota

1
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Klasyfikacja czujników
Ze względu na mierzone wielkości:
⋄ Czujniki do pomiaru stanu wewnętrznego robota – proprioceptywne lub proprioreceptory. Mierzą wielkości
wewnętrzne systemu (robota), np.: kąt obrotu, prędkość obrotową silnika, przegubu, napięcie zasilania.
⋄ Czujniki do pomiaru stanu zewnętrznego (otoczenia) – eksteroceptywne lub eksteroreceptory. Służą do
pomiaru takich wielkości: odległość, natężenie światła, amplituda dźwięku.
Ze względu na wpływ na otoczenie:
⋆ Czujniki bierne (pasywne) – biernie odbierają energię z otoczenia. Przykłady: czujniki temperatury,
kamery CCD lub CMOS, mikrofony.
⋆ Czujniki aktywne – emitują energię do otoczenia lub modyfikują otoczenie. Przykłady: enkodery optyczne,
dalmierze laserowe, sonary ultradźwiękowe.
Ze względu na typ kontaktu z otoczeniem:
X czujniki kontaktowe – bezpośredni kontakt z otoczeniem
X czujniki bezkontaktowe – nie ma bezpośredniego kontaktu z otoczeniem
2
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Podstawowe klasy czujników
• czujniki dotykowe (taktylne) – wykrycie bezpośredniego kontaktu czujnika z otoczeniem;
• czujniki odległości (zakresu) – pomiar odległości między czujnikiem a obiektami;
• czujniki położenia bezwzględnego – pomiar położenia robota (lub wybranych składowych wektora
położenia) w wartościach bezwzględnych (np. długość i szerokość geograficzna);
• czujniki kierunku – pomiar orientacji, np. względem biegunów pola magnetycznego;
• czujniki ruchu/prędkości – wykrywają ruch, mierzą prędkość ruchu;
• czujniki środowiska – pomiar pewnych własności środowiska np. temperatury, wilgotności, ciśnienia,
dźwięku, itp.;
• czujniki inercyjne – mierzą drugą pochodną położenia robota (tj. przyspieszenie).
3
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Ogólny podział (typowe zastosowanie)
Czujniki dotykowe (detekcja fizycznego
kontaktu) lub zbliżeniowe
Odometryczne (położenie i prędkość kątowa)
Kierunku (orientacji robota w układzie
inercjalnym)
Naziemne latarnie kierunkowe (lokalizacja w
stałym układzie odniesienia)
Aktywne czujniki pomiaru odległości
(odbiciowe, czas-lotu, triangulacja)
Czujniki ruchu/prędkości (prędkość względna
do stacjonarnych lub ruchomych obiektów)
Czujniki wizyjne (odległości, analizy obrazu,
segmentacji, rozpoznawania obiektów)
Czujniki wielkości fizycznych i chemicznych
środowiska (np. temperatury, wilgotności,
ciśnienia, promieniowania radioaktywnego)
Czujniki
Przełączniki kontaktowe, „czułki” (anteny), zderzaki (zamykanie
pętli np. mikrowyłączniki), „sztuczna skóra”
Bariery optyczne
Bezkontaktowe czujniki zbliżeniowe
potencjometry
rezolwery i selsyny
enkodery optyczne: przyrostowe i bezwzględne
enkodery magnetyczne, indukcyjne, pojemnościowe
kompasy (mechaniczno-magnetyczne, magnetyczne, efekt Halla,
magnetorezystywne, magnetoelastyczne)
żyroskopy (mechaniczne i optyczne)
inklinometry
GPS
Aktywne optyczne lub radiowe latarnie
Aktywne ultradźwiękowe latarnie
Latarnie odbiciowe
Czujniki odbiciowe
czujniki ultradźwiękowe–sonary
radary, lidary
optyczna triangulacja (1D)
światło strukturalne (2D)
radary dopplerowskie
sonary dopplerowskie
Kamery CCD/CMOS
układy wizyjne (pomiaru odległości, śledzenia obiektów)
termometry, termopary, higrometry, tensometry,
Geigera-Müllera, itp.
liczniki
PC/EC
EC
A/P
P
EC
EC
PC
PC
PC
PC
EC
A
A
P
A
A
A
P
PC
EC
EC
EC
EC
EC
EC
EC
EC
EC
EC
EC
P
A/P
A
A
A
A
A
A
A
A
A
A
EC
EC
A
P
EC
A/P
Tabela 1: Klasyfikacja czujników stosowanych w robotach mobilnych (A-aktywne, P-pasywne, PC-proprioceptywne,
EC-eksteroceptywne)
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
4
Podstawowe własności/parametry czujników
• Szybkość działania – pasmo, częstotliwość. Czas pomiaru dla pomiarów ciągłych, okres
próbkowania dla pomiarów dyskretnych.
• Błąd pomiaru. Błąd bezwzględny, względny, średni, maksymalny, itp.
• Odporność. W jakim zakresie może pracować czujnik w stosunku do warunków idealnych? Odporność
na różne zakłócenia.
• Wymagania obliczeniowe. Proste czujniki np. dotykowe nie wymagają żadnych nakładów
obliczeniowych dla uzyskania wyniku, podczas gdy przetworzenie obrazu z kamery może wymagać
bardzo dużych nakładów obliczeniowych.
• Wymagania na moc, wagę i wymiary.
• Koszt.
Własności rzeczywistych czujników:
• występują zakłócenia i szumy pomiarowe
• dostarczają niepełną informację o otoczeniu
• zazwyczaj nie dają się w pełni modelować
5
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Podstawowe charakterystyki czujników:
• Zakres dynamiczny – stosunek maksymalnej wartości wejściowej czujnika do minimalnej, mierzalnej
wartości sygnału wejściowego. Wartość zakresu dynamicznego zazwyczaj wyrażana jest w decybelach.
Dla wielkości typu napięcie, prąd jest to wzór:

Ku[dB] = 20 · log10 
U2 
U1

Przykładowo, czujnik pomiaru prądu silnika, mierzący wartości z przedziału 1mA do 10A ma zakres
dynamiczny


10 

20 · log
= 80 dB
0.001
Dla stosunku mocy jest wzór:


P1 

P [dB] = 10 · log10
P0
• Rozdzielczość pomiaru – minimalna różnica między dwiema wartościami, która może być wykryta
przez czujnik. Dla czujników analogowych rozdzielczość zazwyczaj odpowiada dolnej granicy zakresu
dynamicznego. Dla czujników cyfrowych rozdzielczość zależy od zakresu pomiarowego i rozdzielczości
przetwornika A/C (liczby bitów). Np. dla czujnika cyfrowego mierzącego napięcie z zakresu 0–5V z
8-bitowym przetwornikiem A/C rozdzielczość wynosi 5V /255 ≈ 20mV .
• Liniowość – zależność między wejściem i wyjściem czujnika. Oznacza to, że dla dwóch wejść x oraz y i
odpowiadających im wyjść f (x) i f (y), dla dowolnych liczb a i b zachodzi f (ax+by) = a f (x)+b f (y).
6
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
• Pasmo lub częstotliwość – określa szybkość z jaką czujnik dostarcza pomiary. Zazwyczaj jest górne
ograniczenie pasma wynikające z szybkości odpowiedzi czujnika i częstotliwości próbkowania.
Powyższe wielkości opisujące działanie czujnika można wyznaczyć w warunkach laboratoryjnych. Jednakże
istnieją inne wielkości, których określenie wymaga zrozumienia złożonych zależności między własnościami
środowiska i czujnika. Do tych wielkości zalicza się:
• Czułość – stosunek zmiany wejścia do zmiany wyjścia sygnału czujnika. W praktyce bardzo często,
czujniki są bardzo czułe na zmianę innych wielkości, np. oświetlenia, temperatury.
• Błąd/dokładność – różnica między wartością wyjściową czujnika a rzeczywistą wartością:
dokładność = 1 −
|m − w|
w
gdzie m – wartość zmierzona, a w – wartość rzeczywista, zaś e = m − w błąd pomiaru.
• Błędy systematyczne – błędy deterministyczne spowodowane przez czynniki, które można modelować
(w teorii). Możliwa jest predykcja tych błędów i ich kompensacja.
• Błędy losowe – błędy niedeterministyczne, których predykcja jest niemożliwa. Możliwy jest opis
probabilistyczny tych błędów.
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
7
Rysunek 1: Czujniki dla robota mobilnego – Robart II
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Rysunek 2: Robot mobilny BibaBot, BlueBotics Szwajcaria
8
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
9
Rysunek 3: Robot mobilny Elektron z różnymi modułami czujników
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
10
Enkodery optyczne – przetworniki impulsowo-obrotowe
Zasada działania enkodera optycznego – skupiona wiązka światła padająca na fotodetektor jest okresowo
przerywana przez kodowany wzór (prążki) na obracającej się tarczy.
Enkodery przyrostowe:
• jednokanałowe (tachometryczne) – problemy przy małych prędkościach (utrata stabilności, błędy
kwantowania), nie umożliwiają określenia kierunku obrotów,
• fazowo-kwadraturowe – trójkanałowe (trzy tarcze), przebiegi w dwóch kanałach w postaci fal
prostokątnych lub sinusoidalnych przesuniętych względem siebie o 90◦. Trzecia tarcza – wyjście
indeksowe generuje jeden impuls na jeden obrót wału.
Rysunek 4: Zasada działania enkodera fazowo-kwadraturowego
11
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Enkodery bezwzględne: wykorzystywane przy wolnych ruchach
Rysunek 5: Budowa enkodera bezwzględnego
Rysunek 6: Tarcze kodowe – 8-bitowe: a. kod Gray’a, b. naturalny kod binarny
12
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Czujniki kierunku (orientacji)
Wykorzystywane są do określenia kierunku (orientacji) oraz nachylenia (pochylenia) robota mobilnego.
Czujniki kierunku mogą być proprioceptywne (żyroskopy, inklinometry) lub eksteroreceptywne (kompasy).
Pierwowzór kompasu był już znany w Chinach ponad 400 lat p.n.e.
Kompasy – pomiar kierunku sił pola magnetycznego Ziemi:
• mechaniczno-magnetyczne,
• magnetyczne,
• wykorzystujące efekt Halla,
• magnetorezystywne,
• magnetoelastyczne.
Kompas wykorzystujący efekt Halla
Problemy z kompasami:
• słabe pole magnetyczne ziemi
• zakłócenia przez obiekty „magnetyczne” znajdujące się w pobliżu
• często nie nadają się do pomiaru kierunku w pomieszczeniach
13
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Żyroskop mechaniczny – pomiar prędkości kątowej.
Zasada działania opiera się na własności inercji szybko wirującej bryły sztywnej (tarczy) wokół swej osi
symetrii.
Rysunek 7: Żyroskop mechaniczny
Podstawowe równanie opisujące zachowanie żyroskopu:
dL d(Iω)
=
= Iα,
dt
dt
gdzie τ – moment siły, L – moment pędu żyroskopu, I – moment bezwładności, ω – prędkość kątowa, α –
przyspieszenie kątowe, t – czas.
τ=
Moment pędu:
L=I ×ω
14
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
• W 1852 r. fizyk francuski L. Foucault zbudował żyroskop dla udowodnienia, że istnieje ruch obrotowy
Ziemi wokół jej osi (zasada zachowania momentu pędu). Żyroskop ten był zawieszony na przegubie
kardanowskim i mógł obracać się względem trzech wzajemnie prostopadłych osi. Oś wirowania
żyroskopu zachowuje stały kierunek w przestrzeni (tj. względem gwiazd).
• Żyroskop o trzech stopniach swobody wykonuje dodatkowy ruch obrotowy, zwany precesją, jeśli
zostanie przyłożona siła zewnętrzna starająca się zmienić kierunek jego osi wirowania. Tę własność
wykorzystuje się w żyrokompasie i lotniczym wskaźniku, zwanym sztucznym horyzontem (żyrokompas
wskazuje kierunek „północ–południe”, a sztuczny horyzont stale wskazuje odchylenie samolotu od
płaszczyzny rzeczywistego horyzontu). Częstość precesji ΩP wynika ze wzoru
τ = ΩP × L
• Warunkiem dobrej pracy żyroskopu jest duża prędkość obrotowa i małe tarcie w łożyskach. Osiąga się to
łożyskując żyroskop na strumieniu sprężonego powietrza lub „zawieszając” go w polu elektrostatycznym
w próżni (wówczas żyroskop o prędkości 24000 obr/min wskazuje stały kierunek w przestrzeni z błędem
nie większym niż 0, 0001◦/h, czyli 1◦ na 14 miesięcy).
• Pierwszy żyrokompas zbudowano w 1903 r. (H. Anschütz-Kaempfe), pierwszy „sztuczny horyzont”
– w 1914 roku, pierwszy autopilot nowoczesnego typu – na początku lat dwudziestych XX w., zaś
stabilizator statku morskiego – w 1911 roku (E. Sperry).
15
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Żyroskop optyczny – interferometr Sagnaca:
Rysunek 8: Zasada działania interferometru Sagnaca
• Wiązka światła z jednego źródła monochromatycznego lub laserowego jest rozdzielana na dwie wiązki.
Wiązki są wysyłane, w przeciwnych kierunkach, do zwojów światłowodu nawiniętego na cylinder
wykonany z materiału piezoelektrycznego, który rozszerza lub zwęża się po doprowadzeniu do niego
zmiennego napięcia.
• Wiązka poruszająca się w kierunku obrotu ma krótszą ścieżkę optyczną, czyli większą częstotliwość.
Różnica częstotliwości ∆f dwóch wiązek jest proporcjonalna do prędkości kątowej ω cylindra.
• Nowoczesne żyroskopy optyczne mają pasmo szersze niż 100 kHz i rozdzielczość mniejszą od 0.001
stopnia/godz.
16
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Akcelerometr – pomiar przyspieszenia.
Urządzenie zbudowane w postaci masy zawieszonej na sprężynach. Mierzy przemieszczenie x pod wpływem
przyspieszenia a, wykorzystując prawo Newtona F = m · a oraz relację (idealną) sprężyna-masa F = k · x,
gdzie k – stała sprężystości sprężyny. Przyspieszenie jest wyznaczane jako:
a=
k · x2
m
Istnieją mikro-elektromechaniczne (MEMS) układy scalone akcelerometrów (np. firmy Analog Devices,
Honeywell).
Inklinometr – pomiar orientacji (kierunku) wektora sił grawitacji.
a)
b)
Rysunek 9: Inklinometer a) zasada działania ; b) Inklinometer pojemnościowy
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
17
Czujniki odległości (zakresu) – dalmierze
Metody pomiaru odległości:
1. Pomiar czasu propagacji impulsu sygnału od nadajnika do obiektu i powrotu impulsu odbitego do
odbiornika (czas przelotu).
2. Pomiar przesunięcia fazowego fali sygnału emitowanego i odbitego.
3. Pomiary wykorzystujące radary z modulacją częstotliwości.
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
18
Odległość mierzona za pomocą czasu przelotu sygnału:
Obliczenie odległości d do obiektu na podstawie pomiaru czasu przelotu fali/impulsu (zazwyczaj
ultradźwiękowej, radiowej lub świetlnej):
v·t
d=
2
gdzie v – prędkość propagacji fali, t–czas przelotu.
Potencjalne źródła błędów:
• Zmiany prędkości propagacji sygnału (w szczególności sygnałów akustycznych przy zmianie temperatury,
wilgotności i ciśnienia powietrza).
• Niepewność określenia dokładnej chwili odebrania odbitego impulsu, związana z szerokim zakresem
zmian mocy odbitego sygnału spowodowana zmiennością kąta odbicia od powierzchni obiektu.
• Niedokładność układu odmierzania czasu związana z koniecznością pomiaru bardzo krótkich czasach w
przypadku fal elektromagnetycznych – rozdzielczość 1 mm wymaga pomiaru czasu z dokładnością 3
pikosekund (3 × 10−12s).
• Odbicia od powierzchni. Odbierane echo sygnału jest niewielką częścią emitowanego sygnału, pozostała
część energii jest odbijana w różnych kierunkach i następnie jest odbierana przez odbiornik. Część
energii jest pochłaniana.
• Szybki ruch robota i ewentualnie poruszających się obiektów.
19
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Skaner (dalmierz) laserowy:
lu
st
ro
Œwiat³o odbite
W
iru
j¹
ce
Wysy³ane œwiat³o
Œwiat³o odbite
Laser
Czujnik
Skaner laserowy z obrotowym lustrem – zasada działania
Typowy obraz pomiaru odległości skanerem z
obrotowym lustrem – długość linii określa
niepewność pomiaru dla danego punktu
Skaner laserowy firmy SICK, Niemcy
20
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Czujniki ultradźwiękowe:
Prędkość rozchodzenia się dźwięku w gazie (np. powietrzu):
ñ
v= γRT
gdzie
γ – stosunek ciepła właściwego gazu przy stałym ciśnieniu do ciepła właściwego w stałej objętości
R – stała gazowa
T – temperatura gazu w stopniach Kelwina
Czujnik ultradźwiękowy –
typowy zakres częstotliwości
40–180 kHz
Prędkość dźwięku w powietrzu przy normalnym ciśnieniu w temperaturze 20◦C wynosi około v = 343 m/s.
0°
-30°
-60°
measurement cone
30°
60°
Amplitude [dB]
Typowy rozkład natężenia dźwięku w czujniku ultradźwiękowym
Obraz ultradźwiękowy pomieszczenia
21
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Pomiar przesunięcia fazowego fali sygnału:
Wysyłana w kierunku celu fala (laserowa, radiowa, akustyczna) jest modulowana amplitudowo.
d
Nadajnik
P
cel
L
Emitowana wi¹zka
Pomiar fazy
Odbita wi¹zka
Schemat pomiaru odległości przez pomiar fazy
Przesunięcie fazowe fali odbitej względem wysłanej
22
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Przesunięcie fazowe fali odbitej względem wysłanej:
ϕ=
4πd
λ
⇒
d=
ϕλ
ϕc
=
4π
4πf
gdzie
ϕ – przesunięcie fazy
d – odległość do celu
λ – długość fali
f – częstotliwość modulacji fali
Najczęściej jest mierzony cosinus kąta przesunięcia fazy a nie sam kąt


2π(x + nλ) 
4πd 


= cos 
cos ϕ = cos
λ
λ


gdzie
d = (x + n λ)/2 – odległość od celu.
x – odległość odpowiadająca różnicowej fazie ϕ.
n – liczba całkowitych cykli modulacji fali.

23
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Pomiary wykorzystujące radary z modulacją częstotliwości:
Radar z modulacją częstotliwości fali. Fala jest modulowana przez okresowy sygnał trójkątny, który dostraja
częstotliwość nośną powyżej i poniżej częstotliwości średniej.
Rysunek 10: Modulacja częstotliwości
Nadajnik emituje sygnał o zmiennej w czasie częstotliwości:
f (t) = f0 + at
gdzie a - stała, t - czas. Sygnał odbity od celu wraca do odbiornika po czasie t + T
T =
2d
c
gdzie T - czas propagacji sygnału, d - odległość do celu, c - prędkość światła. Odebrany sygnał jest
porównywany z sygnałem odniesienia z nadajnika.
24
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Zmieszane dwie częstotliwości dają częstotliwość dudnień Fb:
Fb = f (t) − f (t + T ) = aT
częstotliwość ta jest mierzona i wykorzystana do obliczenia odległości d
d=
Fbc
4Fr Fd
gdzie Fr - częstotliwość modulacji (repetycji), Fd - całkowity zakres modulacji częstotliwości.
25
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Pomiar odległości metodą triangulacji:
• Czujniki odległości metodą triangulacji wykorzystują własności geometryczne rzutowanych na otoczenie
(obiekty) dobrze zdefiniowanych wzorców świetlnych (np. punktów, linii, tekstur). Odbicie znanego
wzorca jest przechwytywane przez odbiornik (fotodiodę, kamerę linijkową, kamerę CCD lub CMOS) i na
podstawie znanych własności geometrycznych wyznacza się odległość do obiektu prostymi metodami
triangulacyjnymi.
• Jeśli odbiornik mierzy położenie odbitego światła wzdłuż jednej osi, mamy wówczas jednowymiarowy
optyczny czujnik triangulacyjny.
• Jeśli odbiornik mierzy położenie odbitego światła wzdłuż dwóch ortogonalnych osi, mamy wówczas
czujnik światła strukturalnego.
26
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Optyczny czujnik triangulacyjny (1D):
Odległość d celu (obiektu) od czujnika jest wyznaczana jako:
d=f
L
x
gdzie f ogniskowa soczewki. Mierzona odległość jest proporcjonalna do 1/x, dlatego też rozdzielczość
czujnika jest najlepsza dla bliskich obiektów.
Przykładem czujników wykorzystujących optyczną triangulację są czujniki firmy Sharp serii GP, które mierzą
odległość w zakresie od 4cm do 150cm.
d
Laser/skupiona wi¹zka
P
Cel
L
x
Soczewki
a)
b)
Rysunek 11: Optyczny czujnik triangulacyjny a) zasada działania, b) czujnik firmy Sharp
27
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Czujniki światła strukturalnego – skaner 2D:
Aktywna triangulacja dwuwymiarowa: a) zasada działania, b) wzorce struktur świetlnych
• Nadajnik emituje znany wzorzec świetlny tzw. światło strukturalne na obiekty w otoczeniu.
Obraz jest rejestrowany przez detektor: kamerę CCD lub CMOS, matrycę fotodiod, 2D PSD
(Position-Sensing-Device), a następnie filtrowany w celu określenia wzorca.
• Odległość jest wyznaczana na podstawie prostych zależności geometrycznych.
• Rozwiązany jest problem odpowiedniości (korelacji) obrazu obiektu z fizycznym obiektem.
28
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
u
kamera
f
f ctga-u
b
Soczewka
z
x
(x,z)
Cel
a
Laser
skupiona wi¹zka
Schemat pomiaru położenia z wykorzystaniem światła strukturalnego
b·u
b·f
;
z=
f ctg α − u
f ctg α − u
gdzie f – ogniskowa (odległość od soczewki do powierzchni matrycy).
x=
Stosunek rozdzielczości obrazu do rozdzielczości pomiaru odległości (w granicy) jest definiowany jako tzw.
wzmocnienie triangulacji Gp i obliczany jako:
b·f
∂u
= Gp = 2
∂z
z
29
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Rozdzielczość pomiaru odległości, dla danej rozdzielczości, jest proporcjonalna do rozstawienia b źródła i
detektora i ogniskowej F i zmniejsza się z kwadratem odległości z.
Wpływ kąta α na dokładność pomiaru:
∂α
b sin α2
= Gα =
∂z
z2
Wpływ parametrów na dokładność:
• Odległość bazowa b: im mniejsze b, tym bardziej zwarty (mniejszy) czujnik. Im większe b, tum większa
rozdzielczość pomiaru, ale wówczas bliskie obiekty mogą nie znaleźć się w polu widzenia detektora.
• Rozmiar detektora i ogniskowa f : Większy detektor może zapewnić większe pole widzenia albo
zwiększyć rozdzielczość pomiaru odległości (albo częściowo zwiększyć obie wielkości). Jednakże,
zwiększenie detektora pogarsza jego charakterystyki elektryczne (błędy losowe, ograniczenie pasma).
Skrócenie ogniskowej zwiększa pole widzenia, ale kosztem dokładności i na odwrót.
30
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Pomiar prędkości ruchu – czujniki dopplerowskie
Zasada działania czujnika dopplerowskiego – przesunięcie częstotliwości fali odbitej od powierzchni
poruszającej się względem nadajnika.
Pomiar prędkości z wykorzystaniem efektu Dopplera
Nadajnik emituje falę elektromagnetyczną lub dźwiękową, która odbija się od obiektu. Zmiana częstotliwości
sygnału ∆FD (przesunięcie Dopplera):
∆FD = Ft − Fr =
2Ft cos α
c
31
c
Wstęp do Robotyki – ¥W.
Szynkiewicz, 2009
Prędkość ruchu:
VA =
c · ∆FD
VD
=
cos α 2Ft cos α
(1)
gdzie
VA – prędkość aktualna względem ścieżki
VD – zmierzona prędkość Dopplera
α – kąt nachylenia (między kierunkiem ruchu a osią wiązki)
c – prędkość światła
Ft – częstotliwość nadawanego sygnału
Fr – częstotliwość odebranego sygnału
Radary laserowe i mikrofalowe stosuje się już w pojazdach autonomicznych oraz z kierowanych przez
ludzi poruszających się po drogach (głównie autostradach). Radary laserowe zawodzą trudnych warunkach
pogodowych, gdy występuje mgła, opady deszczu lub śniegu, itp.