Embed Size (px)
Citation preview
AB TAMS
Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik
Vorlesung: Angewandte Sensorik
Prof. J. Zhang
Universitat Hamburg
Fachbereich Informatik
AB Technische Aspekte Multimodaler Systeme
11. November 2003
Prof. J. Zhang
[email protected]. November 2003
AB TAMS
Fachbereich Informatik Vorlesung: Angewandte Sensorik
Inhaltsverzeichnis4. Sensoren in der Robotik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Perzeption-Aktion-Zyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Optische Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Inkrementalgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Einschub: Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Richtungserkennung bei Inkrementalgebern . . . . . . . . . . . . . . . 88
Anwendung: Inkrementalgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Winkelgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
Resolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
Prof. J. Zhang
[email protected]. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik Kapitel: Sensoren in der Robotik
Sensoren in der Robotik
l Spezielle Sensoren, sowie deren Einsatzmoglichkeiten sollen amBeispiel der Robotik erlautert werden.
l Der Sensoreinsatz gewinnt bei der Entwicklung autonomer undintelligenter Robotersysteme zunehmend an Bedeutung.
l Dabei steht der Perzeption-Aktion-Zyklus im Vordergrund.
l Hierbei wird die Umwelt uber Sensoren wahrgenommen und adaptivverandert.
l Vor allem bei der interaktiven Zusammenarbeit mit Robotersystemenist das situierte Verandern von Arbeitsablaufen erforderlich.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 76
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Perzeption-Aktion-Zyklus
Perzeption-Aktion-ZyklusDer Perzeption-Aktion-Zyklus durchlauft sieben Phasen:
1. Datenerfassung: Die Sensoren erfassen die Stimuli und geben ein analoges oderdigitales Signal aus.
2. Signalvorverarbeitung: Filtern, Normieren, usw.
3. Sensordatenfusion: Redundante oder hochimensionale Sensordaten werdenzusammengefasst, um robustere Messdaten zu erhalten.
4. Merkmalsextraktion: Fur die technische Realisierung biologischer/menschlicherWahrnehmung werden Merkmale berechnet, die die Perzeption mathematischbeschreiben.
5. Mustererkennung: Auf den extrahierten Merkmalen werden Muster gesucht(Klassifikation).
6. Umweltmodellierung: Mit den Mustern wird die Umgebung und Umwelt desRoboters modelliert.
7. Manipulation: Auf Basis des Modells werden Aktionen durchgefuhrt, mit denender Roboter die Umwelt verandert (Roboterarm, Greifer, Rader, . . . ).
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 77
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Perzeption-Aktion-Zyklus
Signal-vor-
verarbeitung
Sensor-daten-fusion
Merkmals-extraktion
Muster-erkennung
Umwelt-modellierung
Perzeption-Aktion-Zyklus
Umwelt
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 78
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Perzeption-Aktion-Zyklus
Anwendung von Sensoren in der RobotikIn den nachsten Kapiteln sollen folgende Sensoren naher betrachtet werden:
l Intrinsische Sensoren:Inkrementalgeber, Winkelgeber, Tachometer, Gyroskop
l Externe Kraftsensoren:Dehnungsmessstreifen, Kraft-Momentsensoren, Piezokristall- undPiezokeramik-Sensoren, Kraftsensoren auf Basis von Induktivitat undKapazitat
l Externe Abstandssensoren:Ultraschall, Infrarot, Laser, Abstandssensoren auf Basis von Induktivitatund Kapazitat
l Visuelle Sensoren:Lineare Kameras, CCD-Kameras, Stereo-Sichtsysteme, Omnidirektionale
Sichtsysteme
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 79
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Optische Encoder
Optische Encoder
l Optische Encode basieren auf einer Maske mit transparenten undnicht-transparenten Flachen.
l Ein Lichtstrahl fallt auf die Maske und wird gegebenenfalls von einemdahinter liegenden Empfanger registriert.
l Die Maske ist auf einen Streifen oder auf eine Scheibe aufgedruckt.
l Bei einem Inkrementalgeber besteht die Maske aus gleichgroßen,aquidistanten transparenten und nicht-transparenten Flachen.
l Bei einer Scheibe wird die Maske gedreht und der Empfangerregistriert schrittweise Anderungen der Winkelstellung der Scheibe.
l Wird die Zeit gemessen, die fur eine Winkelanderung benotigt wird,erhalt man die Winkelgeschwindigkeit.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 80
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Inkrementalgeber
Encoder-Scheibe fur Inkrementalgeber
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 81
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Inkrementalgeber
Funktionsprinzip optischer Encoder
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 82
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Inkrementalgeber
Aufbau optischer Encoderl Meist werden Infrarot-Leuchtdioden eingesetzt.
l Die Empfanger arbeiten in einem spektralen Bereich von 820 bis960 nm.
l Die Scheiben bestehen aus laminiertem Plastik.
l Die nicht-transparenten Linien werden durch einen fotografischenProzess erzeugt.
l Vorteil: Die Scheiben sind leicht, haben ein geringesTragheitsmoment und sind sehr schock- und vibrationsresistent.
l Nachteil: Nur innerhalb geringer Temperaturgrenzen einsetzbar.
l Scheiben fur hohe Temperaturen werden aus gelochtem Metallhergestellt.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 83
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Einschub: Schmitt-Trigger
Einschub: Schmitt-Trigger
l Ein Schmitt-Trigger wandelt eine analoge Eingangsspannung (z.B.Sinus-Spannung) in eine Rechteckspannung um.
l Die Ausgangsspannung UA kippt bei erreichen einer EingangsspannungUE = UEIN .
l Sinkt die Eingangsspannung auf UAUS kippt die Ausgangsspannungwieder auf den vorherigen Wert zuruck.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 84
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Einschub: Schmitt-Trigger
Spannungsverlauf des Schmitt-Triggers
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 85
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Einschub: Schmitt-Trigger
Kennlinie des Schmitt-Triggers
l Die dargestellte Ubertragungskennlinie nennt man Spannungshystereseoder Schalthysterese.
l Sie wird definiert ab welcher Eingangsspannung die Ausgangsspannungauf die maximale Ausgangsspannung bzw. die minimaleAusgangsspannung springt.
l Bei Erhohung der Eingangsspannung werden die Linien auf derwaagerechten Achse langer!
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 86
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Einschub: Schmitt-Trigger
Schaltbild des Schmitt-Triggers
l Schmitt-Trigger konnen mit einem Operationsverstarker (OP)aufgebaut werden.
l Dabei wird der OP mit einem Widerstand R2 mitgekoppelt.
l Die Schaltung arbeitet dann als Sinus-Rechteck-Wandler.
l Diese Schaltungsmaßnahmen gehen auf einen Mann namens Schmittzuruck. ⇒ Daher Schmitt-Trigger!
l Der Schmitt-Trigger funktioniert als Schwellwertschalter. Fur dieSpannungsschwellen sind die Widerstande R1 und R2 verantwortlich.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 87
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Richtungserkennung bei Inkrementalgebern
Richtungserkennung bei Inkrementalgebern
l Verwendet man zwei Leuchtdioden und Empfanger, kann dieBewegungsrichtung ermittelt werden.
l Rotiert die Scheibe im Uhrzeigersinn (CW) fuhrt Signal A.
l Rotiert die Scheibe gegen den Uhrzeigersinn (CCW) fuhrt Signal B.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 88
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Anwendung von Inkrementalgebern
l Haufigster Anwendungsfall: Kombination mit Motoren
l Es wird der relative Drehwinkel, die Drehrichtung und -geschwindigkeitbestimmt.
l Mit Wissen uber angeschlossene Getriebe und Rader, kann diezuruckgelegte Strecke berechnet werden.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 89
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Einfache Lokalisation mobiler Roboter
l Bei mobilen Robotern sind meistens Inkrementalgeber in dieAntriebsmotoren integriert.
l Mit Wissen uber die Radgroße und den Radabstand der angetriebenenRader lasst sich die Position des Roboters bestimmen.
l Dabei wird Bezug auf ein globales Koordinatensystem genommen.
l Dieses Verfahren fur die Lokalisation mobiler Roboter heißtKoppelnavigation (engl. dead reckoning).
l Anhand der Messwerte der Inkrementalgeber wird die relativePositionsanderung des Roboters bestimmt und zur letzten bekanntenPosition hinzuaddiert.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 90
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Koppelnavigation (1)
l Der einfachste Fall von Koppelnavigation lasst sich fur mobile Robotermit einem Differentialantrieb aufstellen.
l Beim Differentialantrieb liegen die zwei Antriebsrader eines Robotersauf einer gemeinsamen Achse.
l Die Radgeschwindigkeiten lassen sich getrennt steuern und regeln.
l Der Mittelpunkt des Roboters soll auf der Mitte der Verbindung derbeiden Rader liegen.
l Der Roboter fahrt bei gleichen Radgeschwindigkeiten vor- bzw.ruckwarts.
l Sind die Geschwindigkeiten unterschiedlich fahrt der Roboter auf einerKreisbahn.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 91
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
ICC
vl
vr
Rl
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 92
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Koppelnavigation (2)
l Der Roboter kann sich nur auf einer Kreisbahn um einen Punkt dergemeinsamen Achse der Rader bewegen.
l Dieser Punkt wird als instantaneous center of curvation (ICC)bezeichnet.
l Durch variierende Radgeschwindigkeiten kann die Position des ICCverandert werden.
l Sei ω die Rotationsgeschwindigkeit mit der sich der Roboter um denICC dreht.
l Sei l die Strecke zwischen den beiden Radern.
l Das rechte Rad habe die Geschwindigkeit vr, das linke dieGeschwindigkeit vl.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 93
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Koppelnavigation (3)
Sei R der Abstand zwischen Robotermittelpunkt und ICC, dann gelten diefolgenden beiden Beziehungen:
ω · (R + l/2) = vr
ω · (R − l/2) = vl
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 94
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Koppelnavigation (4)
l Sowohl vl, vr, ω als auch R sind zeitabhangige Funktionen.
l Zu jedem Zeitpunkt lassen sich R und ω wie folgt berechnen:
R =l
2·vl + vr
vr − vl
ω =vr − vl
l
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 95
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Koppelnavigation (5)
vl = vr:
l Gleichung fur den Radius ist nicht losbar.
l Nenner ist gleich Null.
l Praktisch ist der Radius unendlich.
l Roboter fahrt geradeaus.
vl = −vr:
l Zahler der Gleichung fur den Radius wird Null.
l Der Roboter dreht sich auf der Stelle.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 96
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Vorwartskinematik (1)
l Der Roboter andert beim Fahren seine Position (x, y) sowie seineOrientierung (θ) im Bezug zu einem globalen bzw.Weltkoordinatensystem.
l Das aus Position und Orientierung gebildete Tripel (x, y, θ) heißt pose.
l Der Winkel θ ist der Winkel zur x-Achse des Weltkoordinatensystems.
l Die Berechnung der pose, die bei gegebenenRotationsgeschwindigkeiten ωr und ωl der Rader erreicht wird, wird alsVorwartskinematik bezeichnet.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 97
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Vorwartskinematik (2)
Der ICC lasst sich wie folgt berechnen:
ICC = (x − R · sin(θ), y + R · cos(θ))
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 98
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Vorwartskinematik (3)
Mit dem ICC kann die pose (x′, y′, θ′) des Roboters zum Zeitpunkt t + δtbestimmt werden:
x′
y′
θ′
=
cos(ω · δt) − sin(ω · δt) 0sin(ω · δt) cos(ω · δt) 0
0 0 1
·
x − ICCx
y − ICCy
θ
+
ICCx
ICCy
ω · δt
Obige Berechnung gilt solange vr und vl wahrend δt konstant bleiben.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 99
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Vorwartskinematik (4)
l Die pose kann fur jeden Zeitpunkt t ausgehend von einerAnfangssituation (x0, y0, θ0) zum Zeitpunkt t = 0 bestimmt werden.
l Dazu wird die vorrangegangene Gleichung integriert.
l Es mussen die Radgeschwindigkeiten vl(t) und vr(t) bekannt sein.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 100
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Vorwartskinematik (5)Es ergibt sich fur den speziellen Fall des mobilen Roboters mitDifferentialantrieb:
x(t) =1
2
∫ t
0
[vr(t) + vl(t)] cos [θ(t)] dt
y(t) =1
2
∫ t
0
[vr(t) + vl(t)] sin [θ(t)] dt
θ(t) =1
l
∫ t
0
[vr(t) − vl(t)] dt
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 101
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Anwendung: Inkrementalgeber
Vorwartskinematik (6)
l In der Praxis wird die Rotationsgeschwindigkeit der Rader gemessen.
l Dazu dienen die Inkrementalgeber.
l Die Rotationsgeschwindigkeiten werden in konstanten Zeitabstanden∆t gemessen.
l Dadurch wird aus obigen Integralen eine Summe.
l Es wird davon ausgegangen, dass die Geschwindigkeiten wahrend ∆tkonstant bleiben.
l Problem: Die bei den Messungen gemachten Fehler summieren sichim Laufe einer Fahrt immer weiter auf!→ Berechnete und wirkliche Position weichen immer weitervoneinander ab (siehe Aufgabenzettel 3)!
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 102
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Winkelgeber
Winkelgeber
l Im Gegensatz zum Inkrementalgeber liefern Winkelgeber absoluteWinkel.
l Bei Winkelgebern werden binar kodierte Scheiben verwendet.
l Mehrere Leuchtdioden und Empfanger tasten die Scheibe ab.
l Jedem Winkel ist genau ein Binarkode zugeordnet.
l Je nach Anzahl der Binarstellen lasst sich der Winkel unterschiedlichgenau messen.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 103
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Winkelgeber
Codescheibe fur Winkelgeber (1)
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 104
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Winkelgeber
Codescheibe fur Winkelgeber (2)
10Bit-Dualcode1024 Winkelwerte
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 105
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Winkelgeber
Funktionsprinzip eines Winkelgebers
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 106
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Winkelgeber
Paralleles Ausgangssignal eines Winkelgebers
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 107
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Winkelgeber
Anwendung von Winkelgebern
l Roboterarme
l Positioniersysteme
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 108
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Resolver
Resolver (1)
l Resolver sind eine weitere Moglichkeit um absolute Winkel zubestimmen.
l Resolver entsprechen im konstruktiven Aufbau einer 2-strangigenDrehfeldmaschine.
l Meistens wird der Rotor des Resolvers auf der Motorwelle befestigt.
l Die Erregerwicklung im Rotor wird uber eine rotierendenTransformator statorseitig mit der Wechselspannung UR1,R2 gespeist.
l Das Erregerfeld induziert in die Statorwicklungen US1,S3 und US2,S4
eine Spannung.
l Sie weist gegenuber der Erregerspannung eine Phasenverschiebung ϕS
auf.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 109
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Resolver
Ersatzschaltbild und Ausgangssignale
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 110
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Resolver
Spannungsverlaufe
UR1,R2 = U0 · sin(ωt)
US1,S3 = u · U0 · sin(ωt + ϕS) · cos(ε)
US2,S4 = u · U0 · sin(ωt + ϕS) · sin(ε)
u ist das Ubersetzungsverhaltnis des Transformators.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 111
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Resolver
Resolver (2)l Resolver fur Servoantriebe verwenden hohe Speisefrequenzen im
Bereich von 5 kHz bis 20 kHz.
l Die Bestimmung des Drehwinkels aus den Resolversignalen erfolgtunter Anwendung einfacher trigonometrischer Beziehungen.
l In Microcontrollern wird ein direkt abtastendes Verfahren angewandt.
l Resolver sind preiswerte Geber, die bei gemaßigten Anforderungen andie Bewegungsdynamik und Winkelgenauigkeit eingesetzt werden.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 112
11. November 2003
AB TAMSFachbereich Informatik
Kapitel: Sensoren in der Robotik
Abschnitt: Resolver
Literatur
[1] Elektronik-Kompendium: Schmitt-Trigger.http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209241.htm.
[2] Fraden, Jacob: Handbook of modern sensors: physics, design, andapplications, Kapitel 5.7, Seiten 261–264. Springer-Verlag New York,Inc., 2. Auflage, 1996.
[3] Reimer, Jan: Drehzahlsensor nach dem Wirbelstromprinzip furServoantriebe. Doktorarbeit, Technischen UniversitatCarolo-Wilhelmina zu Braunschweig, 2002.http://www.ifr.ing.tu-bs.de.
Prof. J. Zhang
Vorlesung: Angewandte SensorikSeite 113
11. November 2003
