Behzad AZ
06-20-2010, 04:11 PM
سنسورها در ربات (http://www.bargh-electronic.com/2008/02/blog-post_4070.html)
سنسورها اغلب برای درک اطلاعات تماسی، تنشی، مجاورتی، بینایی و صوتی بهکار میروند. عملکرد سنسورها بدینگونه است که با توجه به تغییرات فاکتوری که نسبت به آن حساس هستند، سطوح ولتاژی ناچیزی را در پاسخ ایجاد میکنند، که با پردازش این سیگنالهای الکتریکی میتوان اطلاعات دریافتی را تفسیر کرده و برای تصمیمگیریهای بعدی از آنها استفاده نمود. سنسورها را میتوان از دیدگاههای مختلف به دستههای متفاوتی تقسیم کرد که در ذیل میآید:
a.سنسور محیطی: این سنسورها اطلاعات را از محیط خارج و وضعیت اشیای اطراف ربات، دریافت مینمایند.
b.سنسور بازخورد: این سنسور اطلاعات وضعیت ربات، از جمله موقعیت بازوها، سرعت حرکت و شتاب آنها و نیروی وارد بر درایورها را دریافت مینمایند.
c.سنسور فعال: این سنسورها هم گیرنده و هم فرستنده دارند و نحوه کار آنها بدین ترتیب است که سیگنالی توسط سنسور ارسال و سپس دریافت میشود.
d.سنسور غیرفعال: این سنسورها فقط گیرنده دارند و سیگنال ارسال شده از سوی منبعی خارجی را آشکار میکنند، به همین دلیل ارزانتر، سادهتر و دارای کارایی کمتر هستند.
سنسورها از لحاظ فاصلهای که با هدف مورد نظر باید داشته باشند به سه قسمت تقسیم میشوند:
§سنسور تماسی: این نوع سنسورها در اتصالات مختلف محرکها مخصوصا در عوامل نهایی یافت میشوند و به دو بخش قابل تفکیکاند.
i.سنسورهای تشخیص تماس
ii.سنسورهای نیرو-فشار
§سنسورهای مجاورتی: این گروه مشابه سنسورهای تماسی هستند، اما در این مورد برای حس کردن لازم نیست حتما با شی در تماس باشد. عموما این سنسورها از نظر ساخت از نوع پیشین دشوارترند ولی سرعت و دقت بالاتری را در اختیار سیستم قرار میدهند.
دو روش عمده در استفاده از سنسورها وجود دارد:
i.حس کردن استاتیک:در این روش محرکها ثابتاند و حرکتهایی که صورت میگیرد بدون مراجعه لحظهای به سنسورها صورت میگیرد.به عنوان مثال در این روش ابتدا موقعیت شی تشخیص داده میشود و سپس حرکت به سوی آن نقطه صورت میگیرد.
ii.حس کردن حلقه بسته:در این روش بازوهای ربات در طول حرکت با توجه به اطلاعات سنسورها کنترل میشوند. اغلب سنسورها در سیستمهای بینا اینگونهاند.
حال از لحاظ کاربردی با نمونههایی از انواع سنسورها در ربات آشنا میشویم:
a.سنسورهای بدنه (Body Sensors) : این سنسورها اطلاعاتی را درباره موقعیت و مکانی که ربات در آن قرار داردفراهم میکنند. این اطلاعات نیز به کمک تغییر وضعیتهایی که در سوییچها حاصل میشود، به دست میآیند. با دریافت و پردازش اطلاعات بدست آمده ربات میتواند از شیب حرکت خود و اینکه به کدام سمت در حال حرکت است آگاه شود. در نهایت هم عکسالعملی متناسب با ورودی دریافت شده از خود بروز میدهد.
b.سنسور جهتیاب مغناطیسی(Direction Magnetic Field Sensor):با بهرهگیری از خاصیت مغناطیسی زمین و میدان مغناطیسی قوی موجود، قطبنمای الکترونیکی هم ساخته شده است که میتواند اطلاعاتی را درباره جهتهای مغناطیسی فراهم سازد. این امکانات به یک ربات کمک میکند تا بتواند از جهت حرکت خود آگاه شده و برای تداوم حرکت خود در جهتی خاص تصمصمگیری کند.این سنسورها دارای چهار خروجی میباشند که هرکدام مبین یکی از جهتها است. البته با استفاده از یک منطق صحیح نیز میتوان شناخت هشت جهت مغناطیسی را امکانپذیر ساخت.
c.سنسورهای فشار و تماس (Touch and Pressure Sensors) : شبیهسازی حس لامسه انسان کاری دشوار به نظر میرسد. اما سنسورهای سادهای وجود دارند که برای درک لمس و فشار مورد استفاده قرار میگیرند. از این سنسورها در جلوگیری از تصادفات و افتادن اتومبیلها در دستاندازها استفاده میشود. این سنسورها در دستها و بازوهای ربات هم به منظورهای مختلفی استفاده میشوند.مثلا برای متوقف کردن حرکت ربات در هنگام برخورد عامل نهایی با یک شی. همچنین این سنسورها به رباتها برای اعمال نیروی کافی برای بلند کردن جسمی از روی زمین و قرار دادن آن در جایی مناسب نیز کمک میکند. با توجه به این توضیحات میتوان عملکرد آنها را به چهار دسته زیر تقسیم کرد: 1- رسیدن به هدف، 2- جلوگیری از برخورد، 3- تشخیص یک شی.
d.سنسورهای گرمایی (Heat Sensors):یکی از انواع سنسورهای گرمایی ترمینستورها هستند. این سنسورها المانهای مقاومتی پسیوی هستند که مقاومتشان متناسب با دمایشان تغییر میکند. بسته به اینکه در اثر گرما مقاومتشان افزایش یا کاهش مییابد، برای آنها به ترتیب ضریب حرارتی مثبت یا منفی را تعریف میکنند. نوع دیگری از سنسورهای گرمایی ترموکوپلها هستند که آنها نیز در اثر تغییر دمای محیط ولتاژ کوچکی را تولید میکنند. در استفاده از این سنسورها معمولا یک سر ترموکوپل را به دمای مرجع وصل کرده و سر دیگر را در نقطهای که باید دمایش اندازهگیری شود، قرار میدهند.
e.سنسورهای بویایی (Smell Sensors):تا همین اواخر سنسوری که بتواند مشابه حس بویایی انسان عمل کند، وجود نداشت. آنچه که موجود بود یکسری سنسورهای حساس برای شناسایی گازها بود که اصولا هم برای شناسایی گازهای سمی کاربرد داشتند. ساختمان این سنسورها به این صورت است که یک المان مقاومتی پسیو که از منبع تغذیهای مجزا، با ولتاژ 5+ ولت تغذیه میشود، در کنار یک سنسور قرار دارد که با گرم شدن این المان حساسیت لازم برای پاسخگویی سنسور به محرکهای محیطی فراهم میشود. برای کالیبره کردن این دستگاه ابتدا مقدار ناچیزی از هر بو یا عطر دلخواه را به سیستم اعمال کرده و پاسخ آن را ثبت میکنند و پس از آن این پاسخ را به عنوان مرجعی برای قیاس در استفادههای بعدی به کار میبرند. اصولا در ساختمان این سیستم چند سنسور، به طور همزمان عمل میکنند و سپس پاسخهای دریافتی از آنها به شبکه عصبی ربات منتقل شده و تحلیل و پردازش لازم روی آن صورت میگیرد. نکته مهم درباره کار این سنسورها در این است که آنها نمیتوانند یک بو یا عطر را به طور مطلق انداره بگیرند. بلکه با اندازهگیری اختلاف بین آنها به تشخیص بو میپردازند.
f.سنسورهای موقعیت مفاصل : رایجترین نوع این سنسورها کدگشاها (Encoders) هستند که هم از قدرت بالای تبادل اطلاعات با کامپیوتر برخوردارند و هم اینکه ساده، دقیق، مورد اعتماد و نویز ناپذیرند. این دسته انکدرها را به دو دسته میتوان تقسیم کرد:
i.انکدرهای مطلق: در این کدگشا ها موقعیت به کد باینری یا کد خاکستری BCD (Binary Codded Decible ) تبدیل میشود. این انکدرها به علت سنگینی و گرانقیمت بودن و اینکه سیگنالهای زیادی را برای ارسال اطلاعات نیاز دارند، کاربرد وسیعی ندارند. همانطور که میدانیم بهکار گیری تعداد زیادی سیگنال درصد خطای کار را افزایش میدهد و این اصلا مطلوب نیست. پس از این انکدرها فقط در مواردی که مطلق بودن مکانها برای ما خیلی مهم است و مشکلی هم از احاظ بار فابل تحمل ربات متوجه ما نباشد، استفاده میشود.
ii.انکدرهای افزاینده: این کدگشا ها دارای قطار پالس و یک پالس مرجع که برای کالیبره کردن بکار میرود هستند، از روی شمارش قطارهای پالس نسبت به نقطه مرجع به موقعیت مورد نظر دست مییابند. از روی فرکانس (عرض پالسها) میتوان به سرعت چرخش و از روی محاسبه تغییرات فرکانس در واحد زمان (تغییرات عرض پالس) به شتاب حرکت دوارنی پی برد. حتی میتوان جهت چرخش را نیز فهمید. فرض کنید سیگنالهای A و B و C سه سیگنالی باشند که از کدگشا بهکنترلکننده ارسال میشود. B سیگنالی است که با یک چهارم پریود تاخیر نسبت به A. از روی اختلاف فاز بین این دو میتوان به جهت چرخش پی برد.
سنسورها اغلب برای درک اطلاعات تماسی، تنشی، مجاورتی، بینایی و صوتی بهکار میروند. عملکرد سنسورها بدینگونه است که با توجه به تغییرات فاکتوری که نسبت به آن حساس هستند، سطوح ولتاژی ناچیزی را در پاسخ ایجاد میکنند، که با پردازش این سیگنالهای الکتریکی میتوان اطلاعات دریافتی را تفسیر کرده و برای تصمیمگیریهای بعدی از آنها استفاده نمود. سنسورها را میتوان از دیدگاههای مختلف به دستههای متفاوتی تقسیم کرد که در ذیل میآید:
a.سنسور محیطی: این سنسورها اطلاعات را از محیط خارج و وضعیت اشیای اطراف ربات، دریافت مینمایند.
b.سنسور بازخورد: این سنسور اطلاعات وضعیت ربات، از جمله موقعیت بازوها، سرعت حرکت و شتاب آنها و نیروی وارد بر درایورها را دریافت مینمایند.
c.سنسور فعال: این سنسورها هم گیرنده و هم فرستنده دارند و نحوه کار آنها بدین ترتیب است که سیگنالی توسط سنسور ارسال و سپس دریافت میشود.
d.سنسور غیرفعال: این سنسورها فقط گیرنده دارند و سیگنال ارسال شده از سوی منبعی خارجی را آشکار میکنند، به همین دلیل ارزانتر، سادهتر و دارای کارایی کمتر هستند.
سنسورها از لحاظ فاصلهای که با هدف مورد نظر باید داشته باشند به سه قسمت تقسیم میشوند:
§سنسور تماسی: این نوع سنسورها در اتصالات مختلف محرکها مخصوصا در عوامل نهایی یافت میشوند و به دو بخش قابل تفکیکاند.
i.سنسورهای تشخیص تماس
ii.سنسورهای نیرو-فشار
§سنسورهای مجاورتی: این گروه مشابه سنسورهای تماسی هستند، اما در این مورد برای حس کردن لازم نیست حتما با شی در تماس باشد. عموما این سنسورها از نظر ساخت از نوع پیشین دشوارترند ولی سرعت و دقت بالاتری را در اختیار سیستم قرار میدهند.
دو روش عمده در استفاده از سنسورها وجود دارد:
i.حس کردن استاتیک:در این روش محرکها ثابتاند و حرکتهایی که صورت میگیرد بدون مراجعه لحظهای به سنسورها صورت میگیرد.به عنوان مثال در این روش ابتدا موقعیت شی تشخیص داده میشود و سپس حرکت به سوی آن نقطه صورت میگیرد.
ii.حس کردن حلقه بسته:در این روش بازوهای ربات در طول حرکت با توجه به اطلاعات سنسورها کنترل میشوند. اغلب سنسورها در سیستمهای بینا اینگونهاند.
حال از لحاظ کاربردی با نمونههایی از انواع سنسورها در ربات آشنا میشویم:
a.سنسورهای بدنه (Body Sensors) : این سنسورها اطلاعاتی را درباره موقعیت و مکانی که ربات در آن قرار داردفراهم میکنند. این اطلاعات نیز به کمک تغییر وضعیتهایی که در سوییچها حاصل میشود، به دست میآیند. با دریافت و پردازش اطلاعات بدست آمده ربات میتواند از شیب حرکت خود و اینکه به کدام سمت در حال حرکت است آگاه شود. در نهایت هم عکسالعملی متناسب با ورودی دریافت شده از خود بروز میدهد.
b.سنسور جهتیاب مغناطیسی(Direction Magnetic Field Sensor):با بهرهگیری از خاصیت مغناطیسی زمین و میدان مغناطیسی قوی موجود، قطبنمای الکترونیکی هم ساخته شده است که میتواند اطلاعاتی را درباره جهتهای مغناطیسی فراهم سازد. این امکانات به یک ربات کمک میکند تا بتواند از جهت حرکت خود آگاه شده و برای تداوم حرکت خود در جهتی خاص تصمصمگیری کند.این سنسورها دارای چهار خروجی میباشند که هرکدام مبین یکی از جهتها است. البته با استفاده از یک منطق صحیح نیز میتوان شناخت هشت جهت مغناطیسی را امکانپذیر ساخت.
c.سنسورهای فشار و تماس (Touch and Pressure Sensors) : شبیهسازی حس لامسه انسان کاری دشوار به نظر میرسد. اما سنسورهای سادهای وجود دارند که برای درک لمس و فشار مورد استفاده قرار میگیرند. از این سنسورها در جلوگیری از تصادفات و افتادن اتومبیلها در دستاندازها استفاده میشود. این سنسورها در دستها و بازوهای ربات هم به منظورهای مختلفی استفاده میشوند.مثلا برای متوقف کردن حرکت ربات در هنگام برخورد عامل نهایی با یک شی. همچنین این سنسورها به رباتها برای اعمال نیروی کافی برای بلند کردن جسمی از روی زمین و قرار دادن آن در جایی مناسب نیز کمک میکند. با توجه به این توضیحات میتوان عملکرد آنها را به چهار دسته زیر تقسیم کرد: 1- رسیدن به هدف، 2- جلوگیری از برخورد، 3- تشخیص یک شی.
d.سنسورهای گرمایی (Heat Sensors):یکی از انواع سنسورهای گرمایی ترمینستورها هستند. این سنسورها المانهای مقاومتی پسیوی هستند که مقاومتشان متناسب با دمایشان تغییر میکند. بسته به اینکه در اثر گرما مقاومتشان افزایش یا کاهش مییابد، برای آنها به ترتیب ضریب حرارتی مثبت یا منفی را تعریف میکنند. نوع دیگری از سنسورهای گرمایی ترموکوپلها هستند که آنها نیز در اثر تغییر دمای محیط ولتاژ کوچکی را تولید میکنند. در استفاده از این سنسورها معمولا یک سر ترموکوپل را به دمای مرجع وصل کرده و سر دیگر را در نقطهای که باید دمایش اندازهگیری شود، قرار میدهند.
e.سنسورهای بویایی (Smell Sensors):تا همین اواخر سنسوری که بتواند مشابه حس بویایی انسان عمل کند، وجود نداشت. آنچه که موجود بود یکسری سنسورهای حساس برای شناسایی گازها بود که اصولا هم برای شناسایی گازهای سمی کاربرد داشتند. ساختمان این سنسورها به این صورت است که یک المان مقاومتی پسیو که از منبع تغذیهای مجزا، با ولتاژ 5+ ولت تغذیه میشود، در کنار یک سنسور قرار دارد که با گرم شدن این المان حساسیت لازم برای پاسخگویی سنسور به محرکهای محیطی فراهم میشود. برای کالیبره کردن این دستگاه ابتدا مقدار ناچیزی از هر بو یا عطر دلخواه را به سیستم اعمال کرده و پاسخ آن را ثبت میکنند و پس از آن این پاسخ را به عنوان مرجعی برای قیاس در استفادههای بعدی به کار میبرند. اصولا در ساختمان این سیستم چند سنسور، به طور همزمان عمل میکنند و سپس پاسخهای دریافتی از آنها به شبکه عصبی ربات منتقل شده و تحلیل و پردازش لازم روی آن صورت میگیرد. نکته مهم درباره کار این سنسورها در این است که آنها نمیتوانند یک بو یا عطر را به طور مطلق انداره بگیرند. بلکه با اندازهگیری اختلاف بین آنها به تشخیص بو میپردازند.
f.سنسورهای موقعیت مفاصل : رایجترین نوع این سنسورها کدگشاها (Encoders) هستند که هم از قدرت بالای تبادل اطلاعات با کامپیوتر برخوردارند و هم اینکه ساده، دقیق، مورد اعتماد و نویز ناپذیرند. این دسته انکدرها را به دو دسته میتوان تقسیم کرد:
i.انکدرهای مطلق: در این کدگشا ها موقعیت به کد باینری یا کد خاکستری BCD (Binary Codded Decible ) تبدیل میشود. این انکدرها به علت سنگینی و گرانقیمت بودن و اینکه سیگنالهای زیادی را برای ارسال اطلاعات نیاز دارند، کاربرد وسیعی ندارند. همانطور که میدانیم بهکار گیری تعداد زیادی سیگنال درصد خطای کار را افزایش میدهد و این اصلا مطلوب نیست. پس از این انکدرها فقط در مواردی که مطلق بودن مکانها برای ما خیلی مهم است و مشکلی هم از احاظ بار فابل تحمل ربات متوجه ما نباشد، استفاده میشود.
ii.انکدرهای افزاینده: این کدگشا ها دارای قطار پالس و یک پالس مرجع که برای کالیبره کردن بکار میرود هستند، از روی شمارش قطارهای پالس نسبت به نقطه مرجع به موقعیت مورد نظر دست مییابند. از روی فرکانس (عرض پالسها) میتوان به سرعت چرخش و از روی محاسبه تغییرات فرکانس در واحد زمان (تغییرات عرض پالس) به شتاب حرکت دوارنی پی برد. حتی میتوان جهت چرخش را نیز فهمید. فرض کنید سیگنالهای A و B و C سه سیگنالی باشند که از کدگشا بهکنترلکننده ارسال میشود. B سیگنالی است که با یک چهارم پریود تاخیر نسبت به A. از روی اختلاف فاز بین این دو میتوان به جهت چرخش پی برد.