Fondamenti di Robotica Autonoma

Fondamenti di Robotica Autonoma
Donato Di Paola
A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali
2008
Fondamenti di Robotica Autonoma
Contenuti
Motori
elettrici
Motori elettrici
passo­passo
ATTUATORI
Attuatori
Pneumatici e Idraulici
Encoder
Sensore
ad ultrasuoni
RFID
SENSORI
Sensore
laser
Sensore
di
visione
A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali
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ATTUATORI
A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali
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Attuatori
Motori Elettrici
STATORE
Funzionamento
La corrente elettrica passa in un avvolgimento di spire che si trova su un pezzo di ferro dolce chiamato rotore, che crea un campo elettromagnetico al passaggio di corrente. Questo campo elettromagnetico è immerso in un altro campo magnetico creato dallo statore, il quale è caratterizzato dalla presenza di due o più coppie polari.
Il rotore per induzione elettromagnetica inizia a girare, in quanto il "nord" del campo magnetico del rotore è attratto dal "sud" del campo magnetico dello statore e viceversa. Ogni mezzo giro la polarità cambia, in modo da dare continuità alla rotazione. ROTORE
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Attuatori
Motori Elettrici
Tipologie
Sincrono
Asincrono
CORRENTE
ALTERNATA
MOTORI
ELETTRICI
CORRENTE
CONTINUA
A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali
Passo­Passo
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Attuatori
Motore Elettrico Passo­Passo
Funzionamento
I motori passo­passo sono motori che, a differenza di tutti gli altri, hanno come scopo quello di mantenere fermo l'albero in una posizione di equilibrio; si limitano, infatti, a bloccarsi in una ben precisa posizione angolare.
Solo indirettamente è possibile ottenerne la rotazione: occorre inviare al motore una serie di impulsi di corrente, secondo un'opportuna sequenza, in modo tale da far spostare, per scatti successivi, la posizione di equilibrio.
È così possibile far ruotare l'albero nella posizione e alla velocità voluta semplicemente contando gli impulsi ed impostando la loro frequenza, visto che le posizioni di equilibrio dell'albero sono determinate meccanicamente con estrema precisione.
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Attuatori
Motore Elettrico Passo­Passo
Costruzione Elettro­Meccanica
AVVOLGIMENTI
STATORE
ROTORE
ALBERO
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Attuatori
Motore Elettrico Passo­Passo
Pregi
Difetti
• Hanno un costo non elevato, relativamente ad altri tipi di motore con analoghe prestazioni.
• Richiedono sempre circuiti elettronici per il pilotaggio, in genere di tipo digitale.
• È possibile realizzare azionamenti di precisione controllati da computer in catena aperta, cioè senza utilizzare sensori di posizione o di velocità.
• Hanno un funzionamento a scatti e producono vibrazioni, soprattutto ai bassi regimi.
• Il loro rendimento energetico dipende dalla tecnologia costruttiva adottata.
• Hanno un'elevata robustezza meccanica ed elettrica.
• Permettono una velocità di rotazione massima bassa. Esistono tuttavia motori che velocità maggiori tramite sistemi di retroazione ad anello chiuso. La loro caratteristica di coppia tuttavia scende quasi esponenzialmente al crescere della velocità.
• È facile far compiere all'albero piccole rotazioni angolari arbitrarie in ambedue i versi e bloccarlo in una determinata posizione.
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SENSORI
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Sensori
Classificazione
Sensori Propriocettivi
Misurano grandezze “proprie” cioè relative allo stato interno del robot: es. velocità delle ruote, coppie motrici, carica delle batterie, accelerazione, ecc.
Sensori Eterocettivi
Misurano grandezze esterne al robot, cioè proprie dell’ambiente in cui il robot opera: ed. distanze da muri, campo magnetico, posizione di oggetti, ecc.
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Sensori
Classificazione
Passivo
Analogico
Attivo
SENSORE
Continuo
Digitale
Binario (ON/OFF)
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Sensori
Panoramica
VIDEOCAMERA
SONAR
RFID
BUMPER
SCANNER
LASER
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Sensori di Posizione
P
Encoder
L’encoder (o trasduttore di posizione angolare) è un dispositivo elettromeccanico che converte la posizione angolare del suo asse rotante, in segnali elettrici numerici.
Applicazioni
• spostamenti angolari: il rotore dell’encoder è collegato su un asse; viene usato per rilevare direttamente la posizione angolare di quest'ultimo;
• spostamenti lineari: l’encoder viene montato su un asse rotante che movimenta una ruota o un ingranaggio
• velocità di rotazione e accelerazioni: l'apparecchiatura di lettura è utilizzata per rilevare direttamente questi dati.
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Sensori di Posizione
P
Encoder
Encoder Assoluti
Negli encoder assoluti i segnali elettrici d'uscita codificano l'esatta posizione istantanea del rotore rispetto al corpo. I dati relativi allo spostamento dell'asse (direzione, velocità e accelerazione) sono derivati dall'elaborazione della sua posizione assoluta nel tempo.
Encoder Relativi
Negli encoder relativi i segnali elettrici d'uscita sono proporzionali allo spostamento del rotore rispetto al corpo. La posizione assoluta del rotore può essere ricavata mantenendo un costante conteggio dei segnali elettrici d'uscita, previa un'operazione iniziale di ricerca riferimento, la quale viene eseguita ad ogni fine corsa mediante un impulso apposito.
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Sensori di Posizione
P
Encoder
Funzionamento
Encoder Ottico
Circuito di conversione
Sensore
Foto emettitore
fotosensibile
Disco graduato
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Sensori di Prossimità
E
• I sensori di prossimità, o di distanza, (detti anche range sensors), misurano distanze “grandi”!
• Utilizzano il “tempo di volo” (time­of­flight, ToF)
• Si adoperano sensori a ultrasuoni o laser che utilizzano la conoscenza della velocità del suono o della luce per ricavare la distanza
Il calcolo della distanza di basa sulla seguente formula:
dove:
d = ct
­ d è la distanza (andata e ritorno)
­ c è la velocità dell’onda (sonora o elettromagnetica)
­ t tempo impiegato
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Sensori di Prossimità
E
Tabella di comparazione
Sensore ad ultrasuoni
Sensore laser
330 m/s
300 000 km/s
Precisione della misura
Poco accurata
Elevata
Costo della tecnologia
basso
molto alto
Velocità di propagazione dell’onda (nell’aria)
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Sensori di Prossimità
E
Sensori ad ultrasuoni
• Viene generato e trasmesso un pacchetto di onde sonore (di pressione) il cosiddetto chirp
• La velocità del suono nell’aria è data da:
dove:
­ a è la velocità del suono
­ γ rapporto calore specifico
­ R costante universale dei gas
­ T temperatura assoluta
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Sensori di Prossimità
E
Sensori ad ultrasuoni
• Frequenze usate 40­200 kHz
• Generate da un sorgente piezoelettrica
• Trasmettitore e ricevitore possono essere separati o no
• Il suono di propaga in un cono (angolo di apertura 20­40 gradi)
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Sensori di Prossimità
E
Laser scanner
• Raggio trasmesso e ricevuto coassiali
• Raggio collimato che illumina il bersaglio
• Il ricevitore misura il tempo di volo (andata e ritorno)
• Ci può essere un meccanismo per variare alzo e angolo (misure 2D o 3D)
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Sensori di Prossimità
E
Laser scanner
• I sensori laser utilizzati in robotica sono planari (2D)
• Il laser viene utilizzato per il riconoscimento di oggetti fissi o in movimento • Le scansioni acquisite possono essere utilizzate per costruire la mappa dell’ambiente (integrandole con l’odometria)
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Sensori di Contatto
E
Il Sensore di contatto fornisce al robot la capacità di riconoscere oggetti e ostacoli fornendogli il senso del tatto. Attraverso l’analisi dei dati del sensore è possibile riconoscere tre tipi di azione di contatto:
­ pressione
­ rilascio
­ pressione e rilascio in sequenza (rimbalzo)
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Sensori Audio
E
Il Sensore audio è un sensore di tipo elettro­meccanico in grado di convertire le onde di pressione sonora in segnali elettrici. Esso misurare la pressione sonora in decibel [dB].
I valori letti dal sensore sono espressi in percentuale:
­ 4­5% ­ 5­10%
­ 10­30%
­ 30­100%
[Stanza in silenzio, poco rumore di fondo]
[Parlato a elevata distanza dal sensore]
[Normale conversazione vicino al sensore]
[Parlato a voce alta]
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Sensori RFID
E
RFID (Radio Frequency IDentification), cioè Identificazione a radio frequenza,è una tecnologia per la identificazione automatica di oggetti, animali o persone. Il sistema si basa sulla lettura a distanza di informazioni contenute in un tag RFID
IBM video
Sistema RFID
tag RFID
Antenna RFID
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Lettore RFID
Computer
Database
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Sensori RFID
E
Tipologie di TAG
Tag Attivi sono alimentati da batterie
Tag Semiattivi sono alimentati da batterie solo per mantenere attiva la parte circuitale interna mentre per l'irradiazione utilizzano una parte dell'energia ricevuta dall'onda radio che trasmette anche le informazioni
Tag Passivi non hanno nessuna fonte di alimentazione interna ma traggono l'energia dall'onda radio inviata dal lettore che li interroga per attivarsi e ritrasmettere i dati.
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Sensori RFID
E
Applicazioni alla robotica
• Identificazione della posizione di oggetti o persone nelle vicinanze del robot
• Riconoscimento di oggetti a scopo di ispezione/sorveglianza
tag RFID
ATTIVI
tag RFID
PASSIVI
Robot
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ROBOT VISION
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Sensori di Visione
E
Sistema di visione
Schema dei componenti
CALCOLATORE
VIDEO CAMERA
SCHEDA DI ACQUISIZIONE
OGGETTI
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Sensori di Visione
E
Sistema di visione
Tipologie di video camere
Analogico
VIDEO
CAMERA
Tipologie
di connessione
Digitale
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•
USB 2.0
•
Firewire
•
Ethernet
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Sensori di Visione
E
Computer Vision
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Sensori di Visione
E
Applicazioni
Rilevamento e Riconoscimento
• Rilevamento (Detection): L'immagine è analizzata per ricercare caratteristiche di interesse che vengono selezionate per una successiva elaborazione.
• Identificazione (Identification): Le caratteristiche estratte vengono elaborate per identificare l'eventuale presenza di oggetti nell'immagine.
• Riconoscimento (Recognition): Attraverso il confronto con una base di conoscenza viene individuato il tipo di oggetto o la classe alla quale questo
appartiene.
VIDEO
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Sensori di Visione
E
Applicazioni
Analisi del Movimento e Tracking
La stima del movimento di oggetti o della video camera rispetto all'ambiente in una sequenza di immagini è uno dei campi più ricco di applicazioni.
• Rilevamento del movimento (Detection): Frame successivi vengono analizzati per ricercare caratteristiche che identifichino il cambiamento di posizione di un pre­
determinato oggetto.
• Predizione del movimento: Con algoritmi di tipo probabilistico viene calcola la futura traiettoria dell’ oggetto nell’immagine
VIDEO
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Riepilogo
Sensori
Attuatori
• Classificazione
Motore elettrico:
• Funzionamento
• Encoder
• Tipologie
• Sensori di prossimità
• Sensori ad ultrasuoni
Motore Passo­Passo:
• Laser scanner
• Funzionamento • Sensori di contatto
• Costruzione elettro­meccanica • Sensori audio
• Pregi e difetti
• Sensori RFID
• Sensori di visione
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