Fondamenti di Robotica Autonoma
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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 2 Fondamenti di Robotica Autonoma ATTUATORI A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 3 Fondamenti di Robotica Autonoma 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 A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 4 Fondamenti di Robotica Autonoma Attuatori Motori Elettrici Tipologie Sincrono Asincrono CORRENTE ALTERNATA MOTORI ELETTRICI CORRENTE CONTINUA A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali Passo­Passo 5 Fondamenti di Robotica Autonoma 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. A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 6 Fondamenti di Robotica Autonoma Attuatori Motore Elettrico Passo­Passo Costruzione Elettro­Meccanica AVVOLGIMENTI STATORE ROTORE ALBERO A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 7 Fondamenti di Robotica Autonoma 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. A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 8 Fondamenti di Robotica Autonoma SENSORI A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 9 Fondamenti di Robotica Autonoma 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. A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 10 Fondamenti di Robotica Autonoma Sensori Classificazione Passivo Analogico Attivo SENSORE Continuo Digitale Binario (ON/OFF) A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 11 Fondamenti di Robotica Autonoma Sensori Panoramica VIDEOCAMERA SONAR RFID BUMPER SCANNER LASER A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 12 Fondamenti di Robotica Autonoma 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. A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 13 Fondamenti di Robotica Autonoma 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. A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 14 Fondamenti di Robotica Autonoma Sensori di Posizione P Encoder Funzionamento Encoder Ottico Circuito di conversione Sensore Foto emettitore fotosensibile Disco graduato A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 15 Fondamenti di Robotica Autonoma 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 A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 16 Fondamenti di Robotica Autonoma 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) A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 17 Fondamenti di Robotica Autonoma 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 A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 18 Fondamenti di Robotica Autonoma 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) A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 19 Fondamenti di Robotica Autonoma 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) A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 20 Fondamenti di Robotica Autonoma 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) A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 21 Fondamenti di Robotica Autonoma 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) A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 22 Fondamenti di Robotica Autonoma 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] A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 23 Fondamenti di Robotica Autonoma 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 A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali Lettore RFID Computer Database 24 Fondamenti di Robotica Autonoma 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. A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 25 Fondamenti di Robotica Autonoma 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 A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 26 Fondamenti di Robotica Autonoma ROBOT VISION A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 27 Fondamenti di Robotica Autonoma Sensori di Visione E Sistema di visione Schema dei componenti CALCOLATORE VIDEO CAMERA SCHEDA DI ACQUISIZIONE OGGETTI A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 28 Fondamenti di Robotica Autonoma Sensori di Visione E Sistema di visione Tipologie di video camere Analogico VIDEO CAMERA Tipologie di connessione Digitale A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali • USB 2.0 • Firewire • Ethernet 29 Fondamenti di Robotica Autonoma Sensori di Visione E Computer Vision A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 30 Fondamenti di Robotica Autonoma 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 A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 31 Fondamenti di Robotica Autonoma 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 A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 32 Fondamenti di Robotica Autonoma 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 A.2 – Elementi Strutturali Fondamentali 33
