Comanda Deplasarii Unui Robot Mobil Autonom, Actionat de Motoare Pas cu Pas

CAPITOLUL I

INTRODUCERE

PREZENTAREA GENERALĂ A LUCRĂRII

Problema supervizată în cazul vechiculelor de patrulare, este de a vizita in mod repetat o zonă marcată pentru a monitoriza schimbările efective în acea zonă, fie interioară fie exterioară pentru a asigura securitatea. Vechiculul propus, nu numai că poate înlocui cu usurință munca depusă de catre om, dar poate asigura și performanța prin excluderea erorilor omenești.

Această procedură de patrulare este diferită față de procedura tradițională, ce se axa pe sistemul manipulat de catre om care includea controlul manual și o cameră pentru determinarea poziției. Pentru a inova aceasta procedură, această lucrare iși propune realizarea unui vehicul, care își poate modifica poziția automat, în cadrul unei arii mult mai extinse, și care poate monitoriza zona propusă prin înregistrarea imaginilor capturate, de catre o cameră, fară a avea o rută predefinită. Pe de o parte, utilizatorul poate creea oriunde și oricand o legatură între el și vehicul prin intermediul unui echipament, manipulând poziția acestuia pentru a obține înregistrarea imaginilor propuse.

Poziția vehiculului poate fi detectată prin intermediul unui feedback trimis de către un modul bluethoot și dispus pe afisajul unui calculator sau a unui telefon. Imaginile înregistrate pot fi deasemenea transmise catre un server prin intermediul unui sistem wireless de recunoaștere facială a utilizatorului. Pe de o parte zonele de patrulare ale vechicului propus pot fi modificate prin intermediul unui device ce deține sistemul de operare Android sau prin intermediul unui calculator.

Odată cu creșterea numărului de incidente provocate de catre infractori, sistemele de securitate au devenit din ce în ce mai populare la prevenirea daunelor cauzate atât acasă cât și în alte zone dorite.

Tradiționalul vechicul pentru patrulare și securitate asigură protecția, dar prezintă anumite zone moarte care nu pot fi monitorizate. Un vehicul de patrulare propriu zis, se comportă ca un paznic într-un sistem de securitate înaltă, ce poate monitoriza zonele moarte omise de catre traditionalul sistem. Putem defini o zonă moartă ca fiind o zona greu accesibilă utilizatorului.

Așadar, această lucrare iși propune inovarea sistemului tradițional prin implementarea unui sistem de monitorizare mobil. Putem vedea efectiv noile imbunatatiri ale sistemului prin compararea imaginilor Figura 1 si Figura 2. [1]

Fig. 1.1.1 Sistemul tradițional de orientare a robotului autonom în cadrul unui perimetru

Fig. 1.1.2 Sistemul propus de orientare a robotului autonom în cadrul unui perimetru

EXEMPLE DE APLICAȚII ACTUALE ALE ROBOȚILOR DE PATRULARE ȘI SUPRAVEGHERE

Robotica mobilă este într-o continuă dezvoltare și evoluție, încă de când a apărut conceptul la mijlocul secolului al XX-lea.

În anul 1970, programul spațial rusesc lansează primul robot mobil controlat la distanță, denumit Lunokhod 1 (fig.1.2.1). Acesta a transmis de pe suprafața Lunii peste douăzeci de mii de poze, timp de unsprezece luni, după care transmisia a fost întreruptă până în anul 2010, când a fost localizat la o distanță de un centimetru față de coordonatele cunoscute.

Fig. 1.2.1 Robotul Lunokhod

Robotul mobil Sojourner (fig.1.2.2) a fost folosit în timpul misiunii Pathfinder de către NASA, în explorarea planetei Marte în vara anului 1997. Chiar dacă era comandat de pe Terra, Sojourner era echipat cu un sistem de detectare a obstacolelor de tip Hazard, permițându-i robotului să găsească traiectoria optimă pe terenul accidentat de pe Marte

Fig. 1.2.2 Robotul Sojourne

În anul 2002 apare robotul Roomba Intelligent Florbac, primul robot mobil autonom domestic (fig.1.2.3). Sarcina acestui robot este de a curăța pardoseala, fiind considerat primul robot comercial de succes. Datorită sistemului său de navigare, Romba putea evita obstacolele, curățind tot ce era în jurul lor.

Fig. 1.2.3 Robotul Roomba Intelligent Florbac

Compania Bostons Dynamic în parteneriat cu Defence Advanced Research Project Agency a realizat prima versiune în anul 2004 a robotului BigDog, iar în anul 2008 a îmbunătățit această versiune (fig 1.2.4). Scopul acestui robot a fost de a transporta diferite încărcături pe teren accidentat și greu accesibil. Cu o utilitate puternic militară BigDog a constituit o revoluție în lumea roboticii mobile, în special datorită faptului că a fost primul robot care își poate păstra echilibrul. Poate merge pe gheață, urca trepte, să escaladeze un zid etc.; robotul cântărește 106kg și poate transporta aproximativ o sarcină de 155kg.

Fig. 1.2.4 Robotul BigDog

Evoluția în timp a variantelor roboticii mobile poate fi concretizată prin reprezentarea din fig.1.2.7.

Figura 1.2.7 Evoluția roboticii mobile

Așadar în urma acestei evoluții putem clasifica aplicațiile actuale ale roboților mobili in funcție de domeniul activității:

Aplicații în curățenie și alte accesorii

Acest domeniu este foarte atractiv pentru roboții 5resen deoarece suplinește activitățile curente ale omului. Acest lucru a dus la dezvoltarea multor programe guvernamentale cu privire la aprofundarea cercetărilor în acest domeniu. Un exemplu în acest sens este proiectul DustBot finațat de către Uniunea Europeană și realizat de către Robotech. Ca urmare a acestui proiect a fost realizat robotul DustClean (fig. Fig. 1.2.8). Acesta este un robot echipat cu perii pentru strângerea gunoiului 6resent în zonele pedestre, cum ar fi: țigări, pahare de plastic, hârtii etc.

Robotul este echipat cu patru roți pentru deplasare, având două perii în față, o perie centrală, container pentru gunoi și rezervor de apă pentru a curăța traseul. De asemenea, este echipat cu senzori (un senzor cu laser și doi senzori tactili) și componente electrice care îi permit să acționeze autonom și în condiții de siguranță, evitând obstacole cum ar fi oameni și mobilă.

Fig. 1.2.8 Robotul DustClean

Aplicații în educație

Acest domeniu are o largă deschidere în lumea roboticii mobile. La ora actuală există numeroase firme care s-au specializat în proiectarea și realizarea diferitelor modele de roboți mobili. Scopul acestor roboți este de a simula la un nivel mai scăzut acțiunile pe care le realizează roboții mobili folosiți în celelalte domenii.

Din acest motiv ei folosesc multe din principiile care stau la baza roboților mobili folosiți în zona industrială și științifică. Dintre aceste concepte putem exemplifica robotul mobil Boe-Bot de la Parralax, fig.1.2.9 Acest robot folosește electronică și elemente senzoriale foarte similare cu roboții utilizați în aplicațiile din domeniul industrial. Are o gamă largă de senzori, ceea ce permite utilizarea lui pentru o mulțime de sarcini .

Fig. 1.2.9 Robotul Boe-Bot

Un alt exemplu de robot mobil este și robotul hexapod CH3-R combo kit (fig.1.2.10). Acesta este un robot care folosește toate cele șase membre ale sale, construite din aluminiu și lexan și 18 servomotoare. Cinematica corpului structurii robotice îi permite acestuia să se deplaseze în orice direcție.

Fig. 1.2.10 Robotul pășitor CH3-R

Un concept interesant (apropiat de filozofia mecatronică) este abordat de firma LEGO (fig.1.2.11). Aceasta a lansat pe piață kit-ul educațional LEGO MAINSTORM, care este unic datorită faptului că permite utilizatorului să creeze structuri robotice mobile atât cu roți, cât și elemente pășitoare. Aceste structuri sunt create cu ajutorul unor simple piese de lego. Unitatea centrală și senzorii sunt blocuri care se integrează în structura creată de piese.

Fig. 1.2.11 Diferite structuri robotice realizate cu ajutorul pieselor lego

Aplicații în combaterea incendiilor

Frigo-M (fig. 1.2.12) este un robot mobil dezvoltat în Japonia și este capabil să recunoască și să urmărească autonom un pompier care este echipat cu echipament antiincendiu. Recunoaște și memorează automat calea pe care o parcurge și transportă autonom la loc sigur victimele găsite de către pompier. Are corpul principal protejat împotriva apei, prafului, exploziilor și a șocurilor puternice .

Fig. 1.2.12 Robotul Frigo-M

Aplicații în industria alimentară

Snackbot (fig.1.2.13) este un robot de mărimea unui copil, care folosește ca sistem de locomoție roata, având ca principal scop distribuirea gustărilor. La ora actuală este întrebuințat în cadrul Universității Carnegie Mellon, unde folosește aplicația în interesul studenților, profesorilor și angajaților instituției. Folosește principiul fuziunii dintre mai mulți senzori pentru a se deplasa și a interacționa cu mediul .

Fig. 1.2.13 Robotul Snackbot

Aplicații în activități de inspecție

Monitorizarea stării de deteriorare a clădirilor mari este foarte importantă atât pentru prevenirea dezastrelor, cât și pentru întreținerea acestora. Cele mai multe metode de monitorizare din aceste zile constau în metoda de inspecție vizuală cu ochiul liber, dar zonele de acces ale inspectorilor sunt limitate. De asemenea, există multe probleme suplimentare, întrucât o mulțime de lucrări periculoase au fost făcute în mare parte de către om. În consecință, a fost dezvoltat un sistem robotic omniprezent pentru monitorizarea autonomă a stării de deteriorare a clădirilor mari (fig.1.2.14). Robotul poate urca un perete înclinat la 450, poate fi comandat la distanță și poate să aibă un canal video de transmisie wireless .

Fig. 1.2.14 Robotul de inspecție a clădirilor

Aplicații în medicină

SpeciMinder (fig.1.2.15) este un robot mobil total autonom care ajută la transportul materialelor medicale în interiorul diverselor laboratoare. Poate funcționa 24 de ore pe zi. Utilizarea lui nu necesită modificări ale instalațiilor din laborator. Astfel, în scurt timp robotul realizează o hartă a rutei pe care circulă. Are 12 programe pre-setate, se ghidează cu ajutorul hărții laboratorului pe care și-o creează singur, nu are nevoie de calculator principal, iar pentru evitarea obstacolelor și a interferenței cu operatorul uman folosește un senzor cu laser.

Fig. 1.2.15 Robotul SpeciMinder

Aplicații în domeniul explorării

Un aspect care a dus la folosirea roboților mobile in domeniul explorării sunt condițiile severe impuse de o misiune spațială:

aspectele tehnice ale unei călătorii spațiale: problemele de decolare și de aterizare a navetei; limitarea masei de transport, autonomie limitată, legătura dintre nava spațială și centrul de comandă, perioade lungi de stagnare etc.

condițiile extreme datorate spațiului: forța de gravitație redusă, instabilitatea mediului, vidul, variația de temperatură, praful și exploziile solare etc.

De-a lungul timpului s-au folosit diferite vehicule pentru explorarea Lunii, dar care în acest moment sunt depășite.

La ora actuală se pregătește pentru o misiune de explorare a planetei Marte robotul Curiosity (fig.1.2.16) care va fi lansat în spațiu la sfârșitul acestui an. Robotul are o înălțime de aproximativ 2m și a fost realizat de către Jet Propulsion Laboratory.

Fig.1.2.16 Robotul Curiosity

De asemenea, nici roboții mobili pășitori nu au fost ignorați. În acest sens, Jet Propulsion Laboratory în colaborare cu NASA au proiectat un robot mobil pentru mentenanță în spațiu. Cu cât volumul și complexitatea activității umane în spațiu va crește, cu atât vor fi mai mari riscurile și costurile pentru desfășurarea activităților în spațiu. Acest lucru a dus la crearea unei tehnologii speciale pentru roboții de mentenanță. În ultimii ani JPL a dezvoltat roboți mobili pășitori de dimensiuni reduse, dar cu un grad de dexteritate ridicat. Un exemplu din această categorie este robotul Lemur 2 (fig.1.2.17). Acest robot are greutatea de 10kg, are șase membre cu un grad ridicat de dexteritate. Membrele sunt special proiectate, atât pentru operațiuni de deplasare, cât și de manipulare.

Fig. 1.2.17 Robotul Lemur

Aplicații în domeniul militar

Robotul Foster-Miller TALON (fig.1.2.18) este un robot militar pe șenile, mic, conceput pentru misiunile de recunoaștere. Poate fi folosit în medii cu nisip, apă, zăpadă, precum și la cățărat. Datorită senzorului video, acest robot poate transmite operatorului datele în alb-negru, color, infraroșu, chiar și pe timp de noapte. Raza câmpului „vizual” este de până la 1000 de metri. O altă caracteristică este fiabilitatea sa. A fost folosit la decontaminare în Zona 0 după atacurile din 11 septembrie timp de 45 de zile, fără eșuări electronice.

Fig. 1.2.18 Robotul Foster-Miller TALON

Unul dintre cei mai de succes și testați roboți de luptă din lume, este iRobot 510 PackBot (fig.1.2.19). Acesta dezamorsează bombe și efectuează alte misiuni periculoase în locul soldaților din teatrele de luptă. Prezintă o gamă largă de senzori, include o varietate de efectori și se adaptează cu ușurință la cerințele în continuă schimbare de identificare a bombelor și a misiunilor care pun viața în pericol.

Fig. 1.2.19 Robotul iRobot 510 PackBot

În concluzie, au fost prezentate câteva aplicații împreună cu domeniile lor de aplicabilitate. Numărul de aplicații illustrate anterior scoate în evidență utilitatea și aplicabilitatea pe scară largă în diverse domenii.

Se poate constata și numărul ridicat de variante constructive. Apelerarea la un robot mobil cu o anumită structură impune o alegere optimală pe baza unor criterii de performanță.[2]

CAPITOLUL II

NOȚIUNI INTRODUCTIVE

NOȚIUNI GENERALE DESPRE ROBOTUL MOBIL

Termenul “robot” și-a făcut apariția pentru prima dată în secolul 20, fiind utilizat în cadrul lucrărilor de literatură science fiction ale frațiilor scriitori cehi Josef Capek și Karel Capek.

Putem defini termenul de “robot” ca fiind un operator artificial, mecanic sau virtual ce deține un sistem compus din mai multe elemente aparținând de domenii diferite: mecanică, senzori și actuatori precum și un mecanism de direcționare. În cadrul acestui sistem, mecanica stabilește atât fizionomia robotului cât și mișcările acestuia pe parcursul funcționării. Senzorii și actorii sunt folosiți la interacționarea cu mediul exterior. Obiectivul mecanismului de funcționare este de a superviza robotul să iși ducă la bun sfârșit obiectivele impuse de către utilizator, evaluând spre exemplu informațiile primite de la senzorii implementați. Acest mecanism are rolul și de a manipula și regla sistemele cu motoare pentru a planifica mișcările care trebuiesc efectuate.

De asemenea termenul “robot”, prescurtat și “bot” în unele cazuri, poate fi asociat cu programe software de calculator, menite să îndeplinească automat anumite funcții și operațiuni impuse de către utilizator. Tehnica de baza existentă în spatele acestui termen “robot”, reprezintă combinația disciplinelor: mecanică, electrotehnică și informatică. Pe parcursul timpului s-a creat din legătura celor 3 discipline precizate mecatronica. Pentru a realiza sisteme autonome este necesară o legatura a cât mai multor discipline de robotică. În cadrul acestui domeniu de robotică se pune cel mai mult accent pe conceptul de inteligență artificială.

Deoarece termenul “robot” face referire la un domeniu foarte vast, s-a ales clasificarea roboților mobili pe mai multe categorii:

În funcție de dimensiuni, roboții pot fi: macro-roboți, micro-roboți și nano-roboți;

În functie de mediul în care acționează roboții pot fi: roboți tereștrii (aceștia se deplasează doar pe sol), roboți subacvatici (aceștia se deplasează doar în apă), roboți zburători (aceștia se deplasează doar în aer);

În funcție de sistemul ce le permite deplasarea într-un anumit mediu: deplasarea pe sol

În cadrul acestui sistem putem clasifica roboții tereștrii în felul urmator:

Roboți pășitori: bipezi, patrupezi, hexapozi, miriapozi

Roboți cu sistem mobil pe roți sau pe șenile

Roboți târâtori (acestă categorie face referire la tipurile de roboți ce adoptă mișcarea unor reptile)

Roboți săritori (această categorie face referire la tipurile de roboți ce adoptă mișcarea animalelor ce se deplasează prin salturi)

Roboți în formă sferică (această categorie face referire la tipurile de roboți ce se deplasează prin rostogolire)

Roboți subacvatici (această categorie face referire la tipurile de roboți ce operează uzual la adâncimi destul de mari, folosiți în special pentru explorare subacvatică: cartografiere, detectarea obiectelor pierdute, salvarea naufragiaților etc).

Robotul poate fi privit în contextul realizării sarcinilor specifice, prin prisma propriei capacității de a prelua semnale preluate din mediu și a le procesa în vederea planificării și executării acțiunilor mecanice, corespunzătoare sarcinii pe care trebuie s-o îndeplineascǎ. Altfel spus, pe lângǎ flexibilitate, robotul este caracterizat și de faptul cǎ realizeazǎ funcții tipic umane, precum ar fi: citire de informații din zona de lucru prin intermediul senzorilor cu care este utilat, interacțiune cu mediul de lucru, prin executarea de acțiuni mecanice (de manipulare de obiecte, sau generării și aplicării de forțe, etc.), deplasare, luare de decizii conform propriului program, comunicare despre îndeplinirea sarcinilor cerute, cǎtre operatorul uman sau cu alți roboți cu care conlucreazǎ, etc.

STRUCTURA ROBOTULUI MOBIL

Pentru o înțelegere mai ușoară a structurii robotului se face analogia cu strucutura umană. Astfel, robotul este un sistem de rangul 1, ce comunică cu mediul, și poate fi compus din mai multe subsisteme, în a cǎror componențǎ sunt incluse:

sistemul de interfațare cu mediul și operatorul uman – PC, touchpad, touchscreen, touch/(control)-panel, joystick. Totalitatea obiectelor cu care robotul interacționează constituie "periferia" acestuia.

sistemul de conducere-control – este un ansamblu de programe și de echipamente care decide realizarea acțiunilor și mișcărilor specifice îndeplinirii sarcinilor robotului. Sistemul de control al robotului (calculatorul) prelucrează informațiile despre starea mediului de acțiune (percepția externă) și despre starea interioară a acestuia (percepția internă) și emite, în conformitate cu aceste informații și prin program, comenzi către sistemul de acționare robot. Acest sistem prelucrează informații preluate din mediu, de la propriul sistemul mecanic și de acționare, și emite comenzi către sistemul de acționare, având rol similar sistemului nervos uman.

sistemul senzorial al robotului include elemente de la care se culeg informațiile – senzori și traductoare. Pentru reprezentarea mediului se utilizează senzorilor necesari recunoașterii formelor, utili pentru stabilirea poziției și orientării proprii și față de obiectele din spațiul de lucru. În această direcție se înscriu și abilitățile specifice de recunoaștere a obiectelor, de evitare a ostacolelor (obiecte fixe sau mobile din spațiul de lucru), probleme ce implică navigarea sistemelor robot chiar în medii dinamice. Mărimea sistemului senzorial ia în considerare sarcina robotului sau tipurile specifice de sarcini, mediul de lucru, funcțiile robotului și procesele interne de realizare a acestor funcții, structura robotului (mobilă sau cu bază fixă) și structurile specifice de execuție, comandă și control.

sistemul mecanic este structura mecanică, cu rol analog scheletului uman, ce definește natura și amplitudinea mișcărilor ce pot fi realizate de robot. Subsistemul mecanic de locomoție specific roboților mobili, asigură poziționarea și orientarea corpului robotului în raport cu suprafața de susținere în vederea deplasării întregului ansamblu. Sistemele de contact cu suprafața de susținere pot fi: roți, șenile, talpa pedipulatorului sau combinațiile acestora.

sistemul de acționare – motoarele și elementele de acționare, realizează mișcarea relativă a elementelor mecanismelor sistemului mecanic, având rolul asemănător sistemului muscular al omului.

Făcand referire la roboții mobili,aceștia sunt platforme mobile (folosind în acest scop: roți, șenile, sisteme ce permit pășire, sau târâre), a cǎror mișcare poate fi autonomǎ – structuri inteligente, care își dirijeazǎ procesul locomotor fǎrǎ intervenție exterioarǎ robotului, sau structuri controlate de un sistem automat, sau operator. În cazul structurilor inteligente, robotul ia următoarele decizii:

control al traiectoriei de deplasare, al direcției dorite, al orientǎrii propriului sistem senzorial,

evitare a obstacolelor aleatoare statice/dinamice întâlnite în zona acțiune, prin propriul program, în funcție de informațiile de la sistemul senzorial îmbarcat.

Deși la modul general sistemele de conducere a roboților mobili, care evoluează pentru îndeplinirea unui scop, se încadrează în domeniului sistemelor de conducere a proceselor, totuși ele presupun noțiuni specifice, și datorită interacțiuni cu operatorul uman pe care trebuie să-l deservească. În acest context scopul conducerii sistemului robot îl reprezintă traiectoriile pe care trebuie să le parcurgă și care presupun proceduri de planificare și mai puțin de prescriere ca în cazul sistemelor de reglare. [3]

2.3. SENZORISTICA

2.3.1 CONSIDERAȚII GENERALE, DEFINIȚII, CLASIFICĂRI

Dicționarele din prima parte a anilor '70 nu cuprind cuvântul "senzor". Acesta a apărut odată cu dezvoltarea microelectronicii, împreună cu alte noțiuni de mare impact, cum ar fi cele de „microprocesor”, „microcontroller”, „actuator” etc., adăugând o noțiune nouă unei terminologii tehnice având o anumită redundanța. Astfel, o mare parte din elementele tehnice senzitive sunt încadrate în categoria de traductor. Putem să definim un traductor ca fiind un dispozitiv care convertește efecte fizice în semnale electrice, ce pot fi prelucrate de instrumente de măsurat sau calculatoare.

În anumite domenii, dar mai ales în sfera dispozitivelor electro-optice, se utilizează termenul de detector (detector în infraroșu, fotodetector etc.).Traductoarele introduse într-un fluid sunt denumite, uneori, probe. O categorie largă o constituie sistemele terminate în "-metru": de exemplu, "accelerometru" pentru măsurarea accelerației, "tahometru" pentru măsurarea vitezei unghiulare.

Trebuie spus că nu există o definiție unitară și necontestată a „senzorului”, motiv care lasă mult spațiu pentru interpretari, ambiguități și confuzii.Mulți autori preferă să folosească sintagma „senzori și traductoare”, în cadrul careia, fie pun pe picior de egalitate senzorul și traductorul, utilizand, alternativ sau preferențial, unul dintre termeni, fie consideră că unul reprezintă o categorie ierarhică superioară, incluzându-l pe celălalt.

Denumirea senzorului provine din cuvântul latin „sensus”, care însemnă “simț” și înainte de a fi folosit pentru sisteme tehnice, a fost și este utilizat pentru a desemna capacitățile organelor de simț ale oamenilor și ale organismelor vii, de a culege și prelucra informații din mediul inconjurător și a le transmite creierului. În acest proces mărimile fizice, neelectrice, sunt convertite în semnale electrice, pe care creierul le poate prelua și interpreta și pe baza cărora coordonează acțiunile mușchilor. Modelul din biologie îl întâlnim, în mare măsură, la sistemele mecatronice, astfel că nu este inutilă o scurtă trecere în revistă a sistemelor senzoriale ale omului, cu unele comentarii privind contribuția acestora în supervizarea proceselor de producție de către om:

Cea mai solicitată și importantă funcție senzorială este cea vizuală, care asigură cantitatea preponderentă de informație, având și cea mai mare viteză de transfer (cc.3.106 biti/s). Vederea facilitează omului cvasi-totalitatea acțiunilor de investigare a mediului – identificarea obiectelor și a configurației, poziției și orientării lor, aprecierea distanțelor.

Extraordinara perfecționare a simțului vizual explică, poate, absența altor senzori de investigare la om, cum ar fi cei ultrasonici, cu care sunt dotate specii de animale, ca lilieci,delfini, balene s.a. Funcția ochiului nu se rezumă la simpla preluare a unei imagini pe retină și transmiterea ei către creier, ci presupune și o serie de reglări inteligente, prin intermediul mușchilor optici, ale cristalinului și irisului, precum și o prelucrare și compresie a datelor transmise.

Simțul auzului permite omului recepționarea undelor sonore din domeniul "audio", având frecvențe cuprinse între aproximativ 16 Hz și 16 kHz. Rata de transfer a informației auditive este de circa 2.104 biti/s. Acest simț stă la baza comunicației dintre oameni; asigură si funcții de investigare a mediului, prin receptarea unor sunete, precum și funcții de supraveghere a procesului de producție, în baza unor semnale sonore provenite de la sisteme de avertizare, a unor zgomote anormale.Foarte importantă, inclusiv în procesele de producție, este sensibilitatea cutanată a omului, asigurată de multipli receptori implantați în piele. Au fost identificate următoarele forme de sensibilitate cutanată: sensibilitatea tactilă, sensibilitatea termică și sensibilitatea dureroasă. Cele trei feluri de sensibilitate cutanată nu sunt răspândite uniform pe suprafața pielii. Sensibilitatea tactilă este dezvoltată, în special, pe pielea de pe fața volară a vârfurilor degetelor, iar sensibilitatea termică este mai accentuată pe fața dorsală mâinii, unde există și o sensibilitate dureroasă accentuată. Receptorii cutanați sunt specializați.

Simțul mirosului (olfactiv) (102 biti/s) și cel gustativ (10 biți/s) sunt extrem de utile omului în viața de zi cu zi, dar utilizate de om într-un număr restrâns de procese de producție, din industria alimentară, cea cosmetică etc.

Fig.2.3.1.1 Structuri ale sistemelor senzoriale

Sistemele mecatronice trebuie să fie capabile să identifice, în anumite condiții și limite, parametri ai mediului ambiant și să reacționeze la modificări ale acestora. Extrapolând considerațiile despre sistemele senzoriale ale lumii vii la sistemele mecatronice, prin senzor se va înțelege dispozitivul tehnic destinat înzestrării mașinilor cu simțuri. Are rolul determinării unei sau unor proprietăți, și, în funcție de nivelul de integrare, poate avea funcții mai simple sau mai complexe (Fig.2.3.1.1). Senzorul cuprinde traductorul/traductoarele pentru transformarea mărimii de intrare într-un semnal electric util, dar și circuite pentru adaptarea și conversia semnalelor și, eventual, pentru prelucrarea și evaluarea informațiilor. Senzorul care include și unitățile micromecanice și microelectronice de prelucrare, realizate prin integrare pe scară largă (LSI) sau foarte largă (VLSI), se întâlnește în literatura de specialitate și sub denumirile de "sistem senzorial" sau "senzor inteligent". Producerea senzorilor inteligenți este facilitată de dezvoltarea tehnicii microsistemelor, care permite integrarea în volume extrem de mici atât a traductoarelor de diferite tipuri, cât și a micromecanicii și microelectronicii de prelucrare.

Nivelul de dezvoltare a capacităților senzoriale ale unui sistem mecatronic se determină, în general, după modul în care acesta reușește să realizeze funcții de recunoaștere similare cu cele ale omului. Între sistemele de recunoaștere ale omului si ale unui sistem mecatronic există însă două mari deosebiri:

omul are posibilități multiple de recunoaștere, fiind dotat cu organe de simț complexe, care îi asigură capacitățile de vedere, auz, miros, gust și percepție tactilă; la un sistem mecatronic acest lucru nu este nici necesar și nici posibil, tinzându-se spre limitarea funcțiilor senzoriale la cele strict necesare impuse de utilizările concrete ale acestuia;

un sistem mecatronic poate fi dotat cu facilități senzoriale pe care nu le întâlnim la om, asigurate, de exemplu, de senzorii de proximitate inductivi, capacitivi, fluidici, sau cei de investigare, bazați pe radiații ultrasonice sau radiații laser și funcționând pe principiul radarului.

O rețea de senzori ai unui robot este compusă dintr-un număr mare de noduri de senzori și o echipă de roboți . Ei sunt interconectați prin comunicare multi – hop . După acesta rețea robot – senzor este implementat într-un mediu complex necunoscut, cum ar fi o parte a unui oraș , nodurile de senzori sunt utilizate pentru a executa o sarcină de supraveghere. La detectarea unor tințe interesate, nodurile de senzori selectează roboți pentru a intercepta ținte .

Comunicarea este absolut necesară în cazul în care această partiție trebuie să fie actualizată.În principiu, coordonarea între senzor – robot poate fi scalabilă deoarece nodurile de senzori sunt limitate de catre resurse. Astfel, valoarea comunicării și a calculului pentru realizarea coordonării senzor-robot nu trebuie să fie prea sensibil la un număr de obiective sau la un număr de roboți .

După implementarea într-un mediu necunoscut a unui sistem de rețea de robot – senzor, nodurile de senzori vor fi utilizate pentru supravegherea zonei de lucru. Atunci când unele dintre nodurile de senzori detectează o tință, atunci ei vor alege un lider de urmărire. Liderul, prin urmare, este nodul care se gasește situat cel mai aproape de tintă.

Odată ce liderul a fost ales, următorul pas este selectarea unui robot disponibil pentru a putea intercepta o tința. Apoi robotul navighează prin nodurile de senzori. Având ca scop menținerea unei rutări stabile în grupuri, fiecare robot iși găsește nodul său de senzor reprezentativ, care pentru robot este cel mai apropiat nod. Un robot comunică cu rețeaua senzorului prin nodul senzor cel mai reprezentativ.

Partea senzoristică a robotului oferă actiunea de a se mișca robotul în punctele de lucru dorite de utilizator, însă și permite înregistrarea coordonatelor, acestea din urmă se pot ultiliza ulterior în acțiunile programate de mișcare anterioare.

„Sarcinile complexe ne dau informații bogate și precise asupra mediului astfel nu este necesară utilizarea unui set de senzori care formează un sistem multi – senzor. Combinația de date primită de la senzori ne poate oferi mai multe avantaje. Fiabilitatea și toleranța de defect a sistemului de control general poate fi îmbunătățită.

Combinația informațiilor rezultate în urma unei fiabile informații a avantajului caracteristicii a detectării redundanței de date – competitiv integrate. Un model ierarhic de integrare senzorială ierarhic reprezintă un model în care se utilizează ca integratori cu robotul senzori. Un exemplu îl reprezintă roboții industriali manipulatori.

Urmarind un model ierarhic vom definii trei niveluri de integrare senzoriala:

1 ) prelucrarea informațiilor, cât și planificarea structurală la cel mai înalt nivel.

2 ) ramificarea logică structurală de control la un nivel intermediar.

2.1.2 Clasificări ale senzorilor

Există astăzi senzori pentru mai mult de 100 de mărimi fizice, iar dacă se iau în considerare și senzorii pentru diferite substanțe chimice, numărul lor este de ordinul sutelor. Se pot pune în evidență circa 2000 de tipuri distincte de senzori, oferite în 100.000 de variante.Datorită marii diversități a principiilor de conversie a mărimilor fizice în mărimi electrice, precum și a soluțiilor de implementare a acestor principii, există și o multitudine de criterii de clasificare a senzorilor, dintre care vor fi enumerate câteva dintre cele mai importante:

Senzorii pot fi clasificați în funcție de tehnologiile utilizate pentru realizarea lor:

Tehnologii ale materialelor feromagnetice;

Tehnologii ale materialelor piezo-ceramice;

Tehnologii ale microeelectronicii și microsistemelor;

Tehnologii ale staturilor subțiri;

Tehnologii ale staturilor groase;

Tehnologii pentru materiale sinterizate;

Tehnologii ale foliilor etc.

În funcție de tipul mărimii fizice de intrare senzorii pot fi clasificați în:

absoluți, când semnalul electric de ieșire poate reprezenta toate valorile posibile ale mărimii fizice de intrare, raportate la o origine (referință) aleasă;

incrementali, când nu poate fi stabilită o origine pentru toate punctele din cadrul domeniului de măsurare, ci fiecare valoare măsurată reprezintă originea pentru cea următoare.

Foarte importantă este clasificarea în funcție de tipul mărimii de ieșire, în:

senzori analogici, pentru care semnalul de ieșire este în permanență proporțional cu mărimea fizică de intrare;

senzori numerici (digitali), la care semnalul de ieșire poate lua numai un număr limitat de valori discrete, care permit cuantificarea semnalului fizic de intrare.

Privind problema semnalului de ieșire din punctul de vedere al numărului de valori posibile, pot fi puse în evidență alte două clase distincte:

senzori binari, care prezintă la ieșire numai două valori distincte;

senzori cu un număr mare de valori, pentru măsurarea unei mărimi într-o anumită plajă; pot fi analogici sau numerici.

Un alt criteriu de clasificare ține cont de numărul elementelor traductoare și de numărul de dimensiuni atribuite valorilor măsurate și clasifică senzorii în scalari (un traductor, o dimensiune), vectoriali (măsurări după trei direcții ortogonale) și matriciali (un anumit număr de traductoare dispuse după o matrice mono-, bi- sau tridimensională

Combinarea ultimelor două criterii de clasificare permit clasificări mai complexe, de tipul celei prezentate în Fig.2.3.1.2

Fig.2.3.1.2 Clasificarea senzorilor după două criterii combinate

Senzorii pot fi clasificați și în funcție de domeniul în care sunt utilizați:

În industrie Robotică, fabricație flexibilă, controlul calității, activități de birou etc.;

În protecția mediului;

În transporturi;

În automatizarea clădirilor și locuințelor.

Dacă analiza se extinde la nivelul diferitelor domenii de utilizare, pot fi utile și pertinente noi criterii de clasificare. De exemplu, în cazul senzorilor utilizați în robotică, una dintre principalele clasificări are al bază sistematizarea proprietăților și parametrilor robotului și mediului din Fig.2.3.1.3

Fig.2.3.1.3 Variantă de clasificare a senzorilor din dotarea roboților

Cele două ramificații principale permit gruparea senzorilor în două categorii mari:

Senzorii interni (denumiți de unii autori și intero-receptori), care servesc la obținerea unor informații legate de funcționarea robotului, cum ar fi poziția relativă a elementelor cuplelor cinematice, vitezele și accelerațiile liniare și unghiulare, deformațiile elementelor lanțului cinematic ș.a.

Senzori externi (denumiți de unii autori și extero-receptori), utilizați pentru culegerea unor informații asupra mediului înconjurător și asupra interacțiunii robot/mediu; servesc la identificarea prezenței și stabilirea tipului, poziției, orientării, culorii sau a altor proprietăți ale obiectelor din mediu, la identificarea unor obstacole, la determinarea forțelor de interacțiune robot/mediu.

Un criteriu care poate permite clasificarea senzorilor externi este cel referitor la contactul cu obiectele din mediu (Fig.2.3.1.4). Un senzor care măsoară pozițiile/deplasările în cuplele cinematice este un senzor intern, un senzor de investigare, care baleiază mediul înconjurător pe principiul radarului, este un senzor extern fără contact, un senzor tactil este un senzor extern cu contact direct, iar un senzor de forță/moment este un senzor extern cu contact indirect, întrucât forțele de interacțiune cu mediul nu sunt exercitate direct asupra senzorului, ci sunt resimțite de acesta prin propagarea lor de-a lungul unor elemente intermediare.

Fig. 2.3.1.4 Clasificarea senzorilor

2.3.2 CLASIFICAREA SENZORILOR EXTERNI

Senzorii fără contact pot servi la recunoașterea obiectelor, a poziției și orientării lor și la controlul calității. Senzorii de proximitate sunt senzori de zona foarte apropiată; ei furnizează informații despre existența obiectelor și sunt montați pe efectorul final sau în apropierea acestuia. Senzorii optici sunt senzori de zonă apropiată, iar cei de investigare de zonă îndepărtată. Montarea acestora se poate face și în afara robotului, în spațiul său de lucru.

Informațiile de la senzorii cu contact sunt generate prin cuplare directă sau indirectă. Cuplarea indirectă permite măsurarea forțelor și momentelor care solicită un întreg sistem mecanic, de exemplu, efectorul final. În cazul cuplării directe, informația este generată de contactul nemijlocit dintre senzor și obiect.

Alegerea și aprecierea unui anumit tip de senzor are la bază o serie întreagă de parametri dintre cei mai diferiți, cum ar fi: dimensiunile, greutatea, costul, gradul de protecție electrică, domeniul de măsurare, consumul de energie, natura semnalelor de ieșire și complexitatea lanțului de prelucrare a acestora, sensibilitatea, rezoluția, precizia, fidelitatea, repetabilitatea. Problema definirii unor caracteristici (sensibilitate, rezoluție, precizie) este mai dificilă decât în cazul traductoarelor, întrucât senzorul reprezintă o categorie mai complexă, ce poate include un număr mare de traductoare, la care se adaugă circuite electronice de achiziție, prelucrare și evaluare a semnalelor.

Există, pe de alta parte, o varietate foarte mare de senzori, funcționând după principii complet diferite și având caracteristici specifice grupei din care fac parte. Orice senzor poate fi privit însă ca o "cutie neagră", la intrarea căreia se aplică mărimile fizice care urmează a fi măsurate, ieșirea fiind constituită din semnale electrice, adecvate transmiterii către sistemul de comandă (fig.2.3.2.1); fig.2.3.2.2 sintetizează caracteristicile senzorilor, structurate pe mai multe grupe.

Fig.2.3.2.1 Schema bloc a unui senzor cu semnalele de intrare/ieșire

Fig.2.3.2.2 Clasificarea caracteristicilor senzorilor

Ținând cont de marea diversitate a senzorilor, atât în ceea ce privește principiile lor constructive, cât și domeniile de aplicație, acest capitol nu își propune o trecere în revistă, chiar sumară, a mai multor categorii de senzori, ci o focalizare pe un singur tip, ales în contextul obiectivelor acestui curs, pe baza următoarelor motivații:

Senzorii de poziție/deplasare pot fi întâlniți în cvasi-totalitatea sistemelor mecatronice și se bazează pe cele mai variate principii de măsurare: pot fi senzori analogici sau numerici, optoelectronici, inductivi, magneto-rezistivi, magneto-strictivi, cu traductoare Hall etc. În cadrul fiecărui ansamblu motor – mecanism de acționare – sarcină există, în general, cel puțin un senzor de poziție/deplasare, care măsoară deplasarea sarcinii și furnizează informațiile pentru buclele de reglare.

Considerațiile legate de prelucrarea informațiilor în cazul senzorilor numerici incrementali, care vor fi prezentate în detaliu, permit o înțelegere sugestivă a rolului pe care îl are integrarea cât mai multor prelucrări și funcții într-un singur circuit în reducerea eforturilor și timpului de proiectare și realizare a unui produs mecatronic.

Senzori de poziție și deplasare

Senzorii de poziție/deplasare fac parte din categoria senzorilor interni . Câte un astfel de senzor este amplasat în fiecare cuplă cinematică a unui sistem mecatronic, care trebuie comandată pe baza măsurării poziției, în vederea determinării poziției relative a celor două elemente ale cuplei. Toți roboții industriali, indiferent de generație, sunt dotați cu senzori de poziție/deplasare în fiecare cuplă cinematică, aceștia reprezentând elementul esențial în vederea rezolvării celor două probleme cinematice (directă și inversă). Totodată acest tip de senzor poate fi regăsit în anumite cazuri și la nivelul efectorului final, servind la măsurarea deplasării bacurilor de prindere. Roboții mobili pot fi dotați, în anumite cazuri, cu senzori de poziție/deplasare, montați la nivelul roților motoare sau a mecanismului de direcție. În cazul unui automobil performant, în rulmenții (lagărele) care susțin roțile, sunt integrați senzori incrementali, care permit măsurarea deplasărilor.

În foarte multe cazuri cuplele nu sunt înzestrate și cu senzori distincți pentru măsurarea vitezelor și accelerațiilor, vitezele și accelerațiile curente, utilizate de sistemul de comandă, fiind obținute prin derivarea informațiilor recepționate de la senzorii de poziție/ deplasare. (fig 2.3.2.3)

Fig.2.3.2.3 Formele semnalelor ale ieșirilor aferente

Clasificarea senzorilor de poziție și deplasare

Pentru acționarea modulelor de rotație se folosesc preponderent motoare rotative. Excepție fac unele module cu acționare hidraulică sau pneumatică, la care, în situațiile în care nu se dispune de motoare rotative performante, se preferă acționarea cu doi cilindri, prin intermediul mecanismelor pinion-dublă cremalieră sau prin intermediul transmisiilor cu lanțuri sau curele dințate. În cvasi-totalitatea cazurilor măsurarea unghiurilor de rotație se face cu senzori rotativi. Utilizarea senzorilor liniari poate fi eficientă în cazurile în care cilindrii de acționare sunt prevăzuți cu sisteme senzoriale proprii pentru măsurarea deplasării tijei .

În cazul modulelor de translație acționarea poate fi realizată cu motoare rotative, in principiu electrice, caz în care se preferă senzorii rotativi, sau cu motoare liniare, situație în care își găsesc locul și senzorii liniari. Și în acest ultim caz se apelează de multe ori la senzorii rotativi, datorită unor avantaje importante ale acestora: gabarit mult mai redus, sensibilitate mai mică la imperfecțiuni de montaj, erorile de montaj fiind preluate de cuplaje adecvate, rezistență și robustețe superioare la factori perturbatori și medii agresive. Sunt însă necesare mecanisme adecvate, care să transforme mișcarea de translație într-o mișcare de rotație la nivelul axului senzorului. Acestea pot fi mecanisme pinion-cremalieră de precizie foarte înaltă, furnizate de firme specializate, sau mecanisme cu curea dințată.

La amplasarea senzorilor care măsoară deplasările trebuie respectat un principiu foarte important și anume acela ca acestea să măsoare direct deplasarea elementului final al cuplei cinematice, sau, dacă acest lucru nu este posibil, pe cea a unui element cât mai apropiat de acesta. Se elimină astfel efectele unui lanț întreg de erori care nu pot fi suprimate constructiv și nu pot fi controlate de sistemul de comandă (jocuri în articulații, jocuri între flancurile angrenajelor dințate, deformații elastice ale mecanismelor de acționare etc). Cea mai comodă soluție presupune cuplarea senzorului direct pe axul motorului de acționare, cu atât mai mult cu cât firmele constructoare livrează motoare electrice rotative echipate cu senzori incrementali sau absoluți (eventual și cu tahogeneratoare pentru măsurarea vitezelor unghiulare) sau cilindri hidraulici/pneumatici care au încorporate sisteme pentru măsurarea deplasării tijei.

Această soluție poate fi utilizată în cazul unor mecanisme de mare precizie, cu jocuri și uzuri minime, cum ar fi reductoarele armonice, sau angrenajele șurub cu bile-piuliță cu sistem de preluare a jocurilor.

O atenție deosebită trebuie acordată elementelor constructive care servesc la cuplarea senzorului cu elementul mobil, a cărui deplasare se măsoară, astfel încât să nu fie afectată precizia senzorului și să nu se producă deteriorarea acestuia datorită unui montaj defectuos. Firmele producătoare de senzori pun la dispoziția utilizatorilor cuplaje cu caracteristici și performanțe deosebite.

Dezechilibrările dinamice, determinate de masele excentrice ale șuruburilor de prindere, sunt compensate prin execuția unor găuri de centrare adecvate, astfel încât cuplajele pot lucra până la turații de circa 12.000 rot/min. În încheierea acestei secțiuni se vor expune câteva considerații privind utilizarea diferitelor tipuri de senzori de poziție/deplasare în echiparea sistemelor mecatronice, din care se pot deduce și unele criterii pentru alegerea lor.

Este evident faptul că sistemului de comandă îi sunt necesare valorile absolute ale coordonatelor generalizate, raportate la sistemul de coordonate atașat unei anumite cuple. Aceste valori pot fi furnizate fără alte complicații de către senzorii absoluți. În cazul senzorilor relativi (incrementali), odată cu decuplarea de la rețea, conținutul registrelor care contorizează impulsurile primite de la senzori se alterează și robotul își pierde orientarea. La o nouă cuplare la rețea sistemul mecatronic trebuie să parcurgă o fază de calibrare, care se bazează pe valori sau repere absolute. De exemplu, în cazul roboților PUMA 700 valorile absolute sunt furnizate de senzori potențiometrici fixați pe același ax cu senzorii incrementali și cu servomotoarele de c.c. de antrenare. În timpul fazei de calibrare robotul execută mici mișcări din toate cuplele, pornind din faza în care se găsea în momentul recuplării, în timpul cărora, bazându-se pe valorile grosiere furnizate de potențiometre, își stabilește poziția cu precizia pe care o pot asigura senzorii incrementali și își încarcă valorile inițiale ale pozițiilor în registrele corespunzătoare. Alți roboți presupun deplasarea tuturor elementelor mobile ale lanțului cinematic în poziții inițiale adecvate, până la atingerea unor microîntrerupătoare, de la care începe apoi contorizarea.

S-ar putea trage concluzia că trebuie preferați senzorii absoluți, fiindcă evită complicațiile pe care le implică faza de calibrare. În multe sisteme mecatronice predomină totuși senzorii numerici incrementali rotativi, datorită unor avantaje incontestabile: construcție simplă și robustă, preț de cost redus, modul facil de prelucrare a semnalelor de către sistemele de comandă. La roboții proiectați și fabricați în ultimii câțiva ani se constată însă, odată cu tendința de trecere de la acționarea cu servomotoare de c.c. la cea cu servomotoare de c.a. și tendința de utilizare, cu predilecție, a senzorilor absoluți analogici, din familia potențiometrelor și resolverelor, ale căror semnale pot fi exploatate în mod optim pentru comanda motoarelor de acționare. În acest context firmele constructoare de servomotoare de c.a. livrează și astfel de motoare echipate cu resolvere, tot așa cum servomotoarele de c.c. au fost și sunt livrate și împreună cu senzori incrementali.

Senzori de poziție/deplasare analogici

Principiul măsurării analogice a deplasărilor

Principiul măsurării analogice a deplasării este prezentat în Fig.9.

a) b)

Fig.9. Principiul măsurării analogice a deplasărilor; a) semnale liniare; b) semnale sinusoidale

Senzorul emite un semnal electric dependent de deplasare, materializat printr-o tensiune electrică, având o variație liniară (fig.9,a) sau sinusoidală (fig.9, b). Dacă se consideră amplitudinea semnalului pornind din punctul d0 (fig.4.8, a) și până în punctul df, se constată că există o corespondență biunivocă între deplasare și mărimea tensiunii la ieșirea senzorului; în mod similar se petrec lucrurile și în cazul sinusoidei din fig.9, b, în condițiile în care se lucrează cu arcele de sinusoidă corespunzătoare domeniului -T/4 – T/4, sau T/4 – 3T/4. În fiecare asemenea domeniu, unei anumite mărimi a tensiunii îi corespunde un singur punct pe axa deplasărilor și numai unul (metoda analogic-absolută). Ca urmare senzorul funcționează ca senzor de poziție. În cazul în care mărimea deplasării ce trebuie măsurată o depășește pe cea corespunzătoare perioadei T, semnalul la ieșirea senzorului va repeta dreapta sau sinusoida din figura 4.8 de mai multe ori, până la acoperirea distanței de măsurat. Astfel tensiunea U1 determină poziția punctului d1i numai dacă se cunoaște numărul, i, de perioade pe care le-a furnizat senzorul până în acel moment (metoda ciclic absolută). În aceste condiții senzorul funcționează ca senzor de deplasare.

Senzori cu infrarosu

Putem numi un detector de mișcare un dispozitiv de recunoaștere a miscarilor de corpuri (obiecte, persoane) in vecinatatea sa. Un detector este alcatuit dintr-un mecanism fizic sau un senzor electronic, acesta cuantificand miscarea si fiind integrat sau conectat la alte dispozitive prin care sa alerteze utilizatorul de prezența unui obiect in miscare in raza de actiune a senzorului. Detectoarele de miscare sreprezinta o componenta vitala a sistemelor de securitate,sunt necesare atat pentru locuinte, cat si pentru firme (companii).

Senzorul infraroșu pasiv este utilizat cel mai des ca si senzor in detectare de miscare. Se adapteaza optimal la detectia miscarilor ce provoaca schimbari in pozitionarea unghiulara fata de el a corpurilor, atunci cand ele se afla in raza de actiune a senzorului.

Senzori cu ultrasunete

Senzorii de miscare radar putand fi denumiti si senzori cu ultrasunete ori senzori de inalta frecventa ( HF – high frequency), functioneaza prin transmiterea undelor sonore de inalta frecventa, care scaneaza obiectele aflate in jur si emit senzorului informatiile din mediu.In campul de actiune, orice miscare detectata a senzorului perturba modelul undelor reflectate și activeaza senzorul.

Senzorul de miscare cu ultrasunete emite unde sonore de frecvente inalte nepercetibile de auzul uman.Cel mai mare avantaj al senzorului de miscare de inalta frecventa (HF) il reprezinta de fapt si cel mai mare dezavantaj. Senzorii HF sunt sensibili la orice miscare, nu doar miscarile umane si prin urmare pot crea alarme false. Atunci cand senzorii HF se utilizeaza pentru controlul luminilor, exista posibilitatea ca luminile sa fie aprinse chiar daca in campul vizual al senzorului nu se afla nicio persoana.

Senzorii HF pot avea incorporata tehnologia-duala, insemnand ca pe langa senzorul HF este inclus și un senzor PIR. Senzorii cu tehnologie duala utilizeaza senzorul PIR care are o sensibilitate moderata pe distanțe mari si senzorul HF care are o sensibilitate ridicata pe distante mici. Impreuna senzorul HF și PIR imbunatatesc capacitatea generala de detectie.

Senzorii HF au o acoperire similara cu senzorii de miscare cu infrarosu (PIR). Senzorii HF au raza de acțiune de 3 metri in inaltime si 8 metri in lungime.Un alt avantaj/dezvantaj al senzorului HF este acela ca detecteaza miscarea prin obiecte solide (sticla, perete).

In zonele in care nu exista o vedere directa, senzorul poate detecta miscarea. In acest caz faptul ca senzorul detecteaza miscarea prin obiecte solide reprezinta un avantaj. In cazul in care senzorul HF detecteaza miscarea dintr-o zona adiacenta populata, senzorul va declansa lumina din zona nepopulata, creand alarme false.Alegerea și montarea corecta a senzorului conduce la o optiune viabila pentru controlul luminilor atat in zona rezidentiala cat si in cea industriala/comerciala.

Senzorii tactili

Utilizarea acestor senzori este limitata totusi la aplicatii specifice. Acest lucru se datoreaza in principal fiabilitatii relativ reduse, posibilitatilor de blocare si uzurii tijelor.O varianta acestui senzor, utilizeaza pentru aprecierea deplasarii tijelor,traductoare inductive toroidale. De aceasta data, senzorul este sensibil direct la variatiile de deplasare si nu la deplasarea insasi. Pentru aceasta,suportul sistemului senzorial este supus unor

Deplasari incrementale la fiecare pas, fie se estimeaza variatia deplasarii tijelor palpatoare, fie se contorizeaza numarul tijelor ce au suferit o anumita deplasare dZi.Se poate astfel obtine practice o “tomografie” incremental a obiectului vizat,“recunoasterea formei” acestuia fiind mai aproape de cea reala, la fiecare pas. [4]

CAPITOLUL III

MOTORUL SINCRON PAS CU PAS

GENERALIĂȚI

Motorul pas cu pas (MPP) este un motor sincron special, un convertor electromecanic numeric – analogic, care realizează conversia unui tren de impulsuri de comandă – de obicei dreptunghiulare – aplicate fazelor motorului, într-o miscare de rotație ce constă din deplasări incrementale discrete, de mărime egală. Înfașurarile fazelor sunt concentrate pe poli aparenți și sunt alimentate cu impulsuri de curent. Acesta produce un câmp magnetic învârtitor a cărui axă ocupă numai anumite poziții, fapt care determină rotorul să ocupe la rândul lui poziții discrete. Trecerea de la o poziție la alta, ceea ce reprezintă pasul motorului, se face direct sub influența schimbării repartiției discrete a câmpului magnetic, adică motorul pas cu pas convertește impulsul primit sub formă de treaptă într-o deplasare unghiulară discretă, precis determinată. De aici rezultă un prim mod de definire a motorului pas cu pas – acela de convertor discret impuls/deplasare. Caracterul de motor sincron se pastrează, deoarece viteza de deplasare a rotorului exprimată prin numărul de pași efectuați în unitatea de timp, depinde direct de frecvența impulsurilor de comandă. O caracteristică proprie numai a motorului pas cu pas este că deplasarea unghiulară totală, fiind constituită dintr-un număr bine determinat de pași, reprezintă univoc numărul de impulsuri de comandă aplicat pe fazele motorului. Prin acesta motorul pas cu pas se poate defini și ca element integrator numeric, caracterizat printr-o constantă de integrare egală cu inversul frecvenței de comandă. Poziția finală a rotorului corespunde ultimului impuls de comandă aplicat și această poziție se pastrează, este “memorată” până la apariția unui nou impuls de comanda. Proprietatea de univocitate a conversiei impulsuri/deplasare, asociată cu aceea de memorare a poziției, fac din motorul pas cu pas un excelent element de execuție adecvat sistemelor de reglare incrementală a poziției.

Încă o proprietate a motorului pas cu pas este aceea că, spre deosebire de motoarele sincrone, motoarele pas cu pas pot intra în sincrosnim din starea de repaus fără alunecare, iar franarea se poate realiza fără ieșirea din sincronism. Datorită acestui fapt ele asigură, în domeniul de lucru, porniri, opriri și reversari bruște fără pierderea informației, adică fără pierdere de pași. Cele arătate până aici identifică motorul pas cu pas ca element de execuție specific poziționărilor incrementale, definit prin conversia dublă:

a informației numerice (impuls) în deplasare determinată (unghi)

a energiei electrice în energie mecanică

Motoarele pas cu pas se clasifică în funcție de numărul infășurărilor de comandă și de construcția circuitului magnetic. Se disting în general trei mari categorii de motoare pas cu pas, clasificarea facându-se după principiul lor de funcționare:

motoare pas cu pas cu magnet permanent în rotor (rotor cilindric și disc)

motoare pas cu pas cu reluctanță variabilă (rotor cilindrid dințat din tole)

motoare pas cu pas hibride (cu magnet permanent și reluctanță variabilă)

Motorul pas cu pas cu reluctanță variabilă mai poartă și denumirea de motor pas cu pas de tip reactiv, iar motorul pas cu pas cu magnet permanent, respectiv motorul pas cu pas hibrid sunt denumite motoare pas cu pas de tip activ. Toate tipurile pot fi realizate cu un singur stator (monostatorice) sau cu mai multe statoare (polistatorice), înfasurarile de comandă pot fi concentrate sau distribuite.

În continuare se ilustrează principiul de funcționare al motorului pas cu pas. În figura 3.1 este prezentată o secțiune transversală printr-un motor pas cu pas de tip activ monostatoric cu magnet permanent în rotor. Statorul are opt poli aparenți, pe care sunt dispuse patru infășurări de comanda și un rotor, cu magnet permanent, având doi poli.

Fiecare infășurare de comandă este dispusă pe doi poli statorici diametrali opuși.

Pentru MPP cu magneți permanenți este necesară o secvența bipolară, adică la fiecare repetare a alimentării unei faze, trebuie inversată polaritatea tensiunii. În figura 3.1 este prezentată o secvență bipolară simplă, adică o singură fază alimentată momentan. Fiind alimentată faza A-A’ cu polaritatea indicată în figura, rotorul se va orienta astfel încât direcția axei polilor să coincidă cu direcția axei înfășurării(fig 3.2 si fig 3.3). În această poziție atracția între polii statorici și rotorici este maximă.

Prin interuperea alimentării înfășurării A-A’ și alimentarea celei de a doua infășurări B-B’, rotorul iși va modifica poziția pentru a se reorienta după axa noii înfășurări, descriind un unghi numit unghi de pas (θp), astfel încât polii statorici și rotorici de nume contrare vor fi fața în față.

Fig. 3.1 MPP cu magnet permanent comandat in secventa simpla

Unghiul de pas θp este dat de relația:

θp = 360O / 2 ·pr · m = 360 O / 2 · 1 · 4 = 45O

în care:

pr = numărul de perechi de poli rotorici

m = numărul de faze ale MPP

Fig. 3.2 Orientarea rotorului in funcție axa polilor si axa înfășurărilor

Fig. 3.3 Orientarea rotorului in funcție axa polilor si axa înfășurărilor

Motoarele pas cu pas permit o funcționare în regim de viteză constantă sau variabilă. Pentru extinderea funcționării MPP la viteze mai mari decât viteza corespunzatoare frecvenței limită, este necesară o accelerare prin creșterea treptată a frecvenței o accelerare prin creșterea treptată a frecvenței impulsurilor de comandă. Motoarele pas cu pas permit deci deplasarea unui mecanism într-o poziție anumită, cu viteza și direcția dorită în funcție de numărul de impulsuri de comandă, frecvența și sensul de rotație. Deoarece fiecare impuls de comandă rotește axul într-o poziție cunoscută singura eroare de poziționare depinde numai de precizia unui pas unghiular. Acesta este în mod obișnuit de aproximativ 5% din valoarea unghiului de pas. Motoarele pas cu pas sunt utilizate, în special, în aplicațiile unde se dorește realizarea unei mișcări incrementale, fiind relative ușor de interfațat cu sistemele numerice. Prin înlocuirea servomotorului de current continuu cu excitație cu magneți permanenți funcționând în circuit închis cu motoare pas cu pas comandate în circuit deschis se elimină necesitatea unor convertoare D/A, amplificatoare de putere cu coeficient ridicat de liniaritate, traductoare numerice de poziție și viteză. Utilizarea MPP conferă, în principiu urmatoarele, avantaje

asigură univocitatea conversiei impuls-deplasare, putându-se utiliza cu succes în circuit deschis (lipsa traductorului numeric de poziție face ca sistemele de comandă în circuit deschis a MPP să fie în prezent cele mai ieftine sisteme de poziționare),

admit gama largă de frecvența de comandă

precizie de poziționare și rezoluție (număr de pași pe rotație) mărite, ceea ce simplifică lanțul cinematic motor-sarcină,

memorează poziția,

permit porniri, opriri și reversări fără pierdere de pași,

dezvoltă cuplu relativ mare la viteze relativ mici,

comanda lor este simplă, fără regulatoare,

sunt compatibile cu sistemele de comandă numerice.

Dezavantajele utilizării MPP sunt:

unghi de pas, deci incremental de rotație, de valoare fixă, pentru un motor dat,

viteza de rotație relativ scazută,

putere dezvoltată la arbore de valoare redusă,

schema de comandă trebuie adaptată tipului constructiv al motorului.

În cazul utilizării motorului pas cu pas hibrid (MPPH) cu magnet permanent în rotor există câteva avantaje specifice:

dezvoltă un cuplu de fixare a rotorului, chiar cu fazele nealimentate,

are un randament bun, datorită energiei înmagazinate în magnetul permanent din rotor,

poate funcționa cu o frecvență mare de comandă.

Dezavantajele principale ale acestui tip de motor sunt:

inerția mare a rotorului,

performanțele motorului sunt afectate în timp, de schimbarea caracteristicilor magnetului permanent prin îmbătrânire,

tensiunea electromotoare indusă în fazele motorului este mare.

Principiul MPP este cunoscut încă din anii 1930. Totuși, doar dezvoltarea vertiginoasă a microelectronicii a pus cu adevarat în valoare calitățile deosebite ale acestui motor. Preocupările de ultimă oră privesc, atât controlerul cât și driverul, denumite în mod curent “electronică asociată”, cât și motorul însuși, toate în continuă perfecționare. Acestor progrese importante li se adaugă dezvoltarile de soft specific, produse inteligente ale unui domeniu în mare efervescență. Proprietatea deosebită de conversie univocă a impulsului electric în pas unghiular permite realizarea celor mai simple sisteme de poziționare în circuit deschis, fără utilizarea unui traductor de reactive.

Păstrarea proprietății de conversie amintite într-un domeniu cât mai larg de condiții de funcționare apare ca o condiție absolut necesară. MPP hibride, MPP cu reluctanță variabilă și MPP cu magnet permanent sunt frecvent folosite în servosistemele de poziționare. Exemple clasice sunt poziționările de antene, de lasere, scule și dispozitive ale mașinilor unele, poziționări la viteze extrem de mici (de pildă în astronomie), poziționarea meselor rotative, a camerelor de luat vederi, poziționări în două sau trei coordinate a dispozitivelor de roluit, a dispozitivelor de antrenare și focalizare a unor lentile, acționarea axelor miniroboților etc.

Domenii de aplicații prin excelență sunt perifericele utilizate în tehnica de calcul (unități de discuri, plotter, imprimante, perforatoarele de cartele și bandă, cititoarele de carte și bandă, linii de fabricație a circuitelor integrate), industria aviatică, tehnica spatială, industria automobilului, domeniul militar, etc. Există multe posibilități constructive pentru îmbunătățirea performanțelor motoarelor pas cu pas. O posibilitate este perfectionareă construcției mecanice prin optimizarea circuitului magnetic al motorului. Metodele de studio și simulările numerice recente din domeniul teoriei campului electromagnetic aduc contribuții semnificative în acest sens. De asemenea performanțele MPPH pot fi îmbunătăție substanțial prin folosirea unor magneți permanenți de calitate superioară (utilizarea pământurilor rare), realizându-se astfel creșterea fluxul magnetic și implicit a cuplului electromagnetic dezvoltat de motor, procedee de mare ingeniozitate și eficiență, care tind să devină clasice. Este deosebit de important în stabilirea caracteristicilor și performanțelor motoarelor pas cu pas alegerea numarului de faze ale acestuia. De obicei cele mai raspândite MPP sunt cele tetrafazate sau bifazate, dar există MPP trifazate sau pentafazate. Fiecare dintre acestea au anumite particularități constructive și funcționale de care depind în bună parte și caracteristicile electrice ale motorului. Numărul de faze al MPP determină de asemenea și alegerea tipului convertorului electronic și a modului de alimentare a motorului.

Cele mai recente tendințe din domeniul fabricării motoarelor pas cu pas sunt orientate spre realizarea unor MPP modularizate. O categorie de astfel de motoare o reprezintă cele ce încorporează atât traductorul incremental de poziție cât și un redactor de turație. Altă categorie de motoare pas cu pas modularizate sunt cele care includ în aceeași carcasă motorul propriu-zis și convertorul electronic de putere cu semnalele de comandă adecvate. În acest sens, sunt bine cunoscute motoarele modularizate de tip “rucksac” fabricate de firma Colibri Gmbh din Germania. Gradul de modularizare al acestui tip de motor pas cu pas fiind ridicat, la conectorul de pe carcasă motorului, pentru funcționarea acestuia, este necesară doar alimentarea, semnalul TACT și semnalul SENS.

Această construcție permite conectarea simplă și directă a motorului la diferite sisteme de comandă, cu o mare flexibilitate, iar pachetul software livrat de firmă asigură comanda motorului pas cu pas pentru cele mai variate regimuri de funcționare. Motoarele pas cu pas, modularizate se remarcă prin fiabilitate și robustețe în exploatare, integrarea lor într-o gamă largă de aplicații industrial fiind deosebit de ușoară.

COMANDA MOTORULUI PAS CU PAS

Motorul pas cu pas este un dispozitiv pentru conversia informațiilor numerice în lucru mecanic pe baza unui consum de energie de la o sursă. Motorul pas cu pas este un motor de curent continuu comandabil digital, cu deplasarea unghiulară a rotorului proportională cu numărul de impulsuri primite. La fiecare impuls rotorul execută un pas unghiular apoi se oprește până la sosirea unui nou impuls. Motorul pas cu pas este capabil de reversarea sensului de miscare. Daca este comandat corect (cu o frecvența mai mică decat cea admisibilă) rămâne în sincronism cu impulsurile de comandă la accelerare, mers constant și incetinire. O schemă bloc de acționare este dată în figura 3.1.

Fig. 3.1 Schema bloc de acționare cu motor pas cu pas

Se poate observa din schema bloc că traductorul de poziție poate lipsi pentru că, în aplicații mai simple motorul va executa numărul de pași comandat și va ajunge în poziția dorită. Se câștiga astfel o simplificare a schemei dar se pierde la performanță. Comanda cu traiectorie de viteză este posibilă prin variația frecvenței impulsurilor dar schema de acționare se complică.

Motoarele pas cu pas pot fi motoare unipolare sau bipolare. La motoarele bipolare comanda pașilor se face prin inversarea curentului prin infășurări. Principiul comenzii seamană cu cel de la comanda motorului de curent continuu, cu diferența că în acest caz de regulă sunt 2 infășurări, figura 3.2.

Fig 3.2 Structura motorului pas cu pas bipolar

În acest caz controllerul trebuie să poată inversa polaritatea pentru o deplasare a curentului în ambele sensuri. Controllerul trebuie să alimenteze înfășurările succesiv cu o anumită secventă pentru un sens și secventa inversă pentru celălalt sens. În fig 3.2 o parcurgere a 4 faze inseamnă o rotire de 360O . Motoarele reale au mai multe infășurari și un pas înseamnă o deplasare unghiulară mică.

Conectarea unei infășurări (de exemplu 1a-1b) la cele 2 canale PWM permite inversarea curentului ca în diagramele din figura 3.3.

Fig. 3.3 Inversarea curentului în înfășurări la motoarele bipolare

Motoarele pas cu pas unipolare folosesc o priză mediană legată la alimentare, inversarea curentului obtinându-se prin legarea la masa succesivă a terminalelor extreme ale infășurării, ca în figura 3.4

Fig 3.4 Inversarea curentului în motoarele unipolare

Se obțin astfel de câmpuri magnetice de sens contrar fără inversarea polarității. Înfăsurările motorului sunt conectate ca în figura 3.5

Fig 3.5 Structura și infășurările motorului unipolar

Prizele mediane sunt legate la alimentare și secvența de impulsuri se aplică terminalelor 1a, 1b, 2a, 2b.

Secvențele digitale pentru comanda unui motor pas cu pas unipolar cu 4 faze în varianta cea mai simplă sunt date în figura 3.6

Fig. 3.6 Secvențele digitale pentru comandă unui motor pas cu pas unipolar

Pentru exemplificare se alege un port paralel pentru microcontrollerelor compatibile x86, linia D0 este cel mai puțin semnificativ bit și un motor pas cu pas cu 3 faze. Un pas inseamnă parcurgerea tuturor fazelor. Schema de conectare și programul care genereaza un pas într-un sens sunt date în figura 3.7.

Fig. 3.7 Schema de conectare a unui motor pas cu pas la un port paralel

Programul din acest exemplu este dat pentru a arăta principiul de comandă. Este necesară introducerea unei intârzieri pentru menținerea alimentării fazei un timp suficient pentru acționarea electromecanică, timp care depinde de motor. Schema mai trebuie completată cu amplificatoare de curent și/sau tensiune pentru acționarea motorului. [5]

CAPITOLUL IV

4. CAMERA TOSHIBA TCM8230MD CMOS

GENERALIĂȚI

Este bine de știut, că orice robot autonom poate beneficia de un dispozitiv cu înregistrare video. Totuși, înregistrarea video este dificilă de realizat în cazul roboților la nivel micro sau macro. Câteodată, cu cât dimensiunea robotului este mai mică, cu atât se reduc resursele necesare procesorului și capacitățile senzorilor. Această cameră a fost aleasă pe criteriile de mărime, masa și constrangerile de cost ale platformei robotului. Mărimea redusă a robotului limitează selecția microcontroller-lor și a camerelor potrivite pentru această aplicație.

Această cameră (Fig. 1) a fost original proiectată pentru utilizarea în cadrul telefoanelor mobile, prin urmare dimensiunea mică și costul redus.

Fig.1 Modelul de cameră TOSHIBA TCM8230MD CMOS

Microcontroller-ul selectat pentru interfațarea cu această cameră a fost PIC32MX250F128D . Pinii acestui microcontroller sunt dispuși în felul următor (Fig. 2):

Fig. 2 Dispunerea pinilor PIC32MX250F128D

4.2 CAMERA PROPRIU-ZISĂ

Modulul camerei (CMOS) este un circuit integrat cu 20 de pini care ocupă un volum de 6x6x4.5 mm. Folosind interfața I2C, camera poate fi comandată prin intermediul a 95 de comenzi pentru a controla anumiți parametrii, spre exemplu: dimensiunea imaginii, culoarea, amplificarea imaginii.

Specificația tehnică nu ne oferă detalii despre proprietațile tuturor registrelor, totuși există o singură comandă și anume 0x02, care trebuie implementată pentru a începe furnizarea de imagini. În urma testării comenzii 0x02, această cameră utilizează pinii VD,HD,DOUT și DCLK pentru transmiterea cadrelor. (Fig. 3)

Tranziția de la 0 la 1 pe pinul VD indică un nou cadru, în timp ce tranziția de la 0 la 1 pe pinul HD indică începutul unei noi linii de scanare.

Atât timp cât ambele pinuri HD și VD sunt setate high, pentru fiecare semnal de undă dreptunghiulară pe pinul DCLK, există câte 8 biți de informație a pixelilor pe pinul DOUT.

Fig 3 Citirea imaginii dintr-un cadru

Pinii HD și VD au fost realizați cu scopul creării de întreruperi pentru microcontroller.Dacă întreruperile sunt configurate pentru detecția de prag atunci fiecare tranziție a pinilor VD și HD poate fi folosită pentru a impune microcontroller-ului începerea preluării de date a pinilor DOUT pentru fiecare ciclu al pinului DCLK.

Temporizarea este critică în cadrul acestei aplicații, cu cât procesorul poate captura și procesa informația, cu atât mai repede pinul EXTCLK al camerei poate furniza cadrele. Specificația tehnică indica faptul că este necesară o formă de undă triunghiulară cu o frecvență de minim 11.9 MHz trimisă catre pinul EXTCLK pentru a stimula furnizarea trimiterii cadrelor.

Prin reducerea vitezei ceasului se produc urmatoarele efecte. În primul rând, reducerea garanției de functionarea a camerei conform specificației tehnice, în al doilea rând, reducerea cadrelor pe secundă ale camerei, în al treilea rând, se majorează timpul de expunere fapt ce duce la o calitate mai slabă a imaginilor, în al patrulea rând, o viteză de ceas redusă crește intervalul de timp avut la dispoziție pentru procesarea instrucțiunilor necesare capturii cadrelor, în al cincilea rând, se produce o estompare a imaginilor în prezența miscării. O aplicație care necesită 30 cadre pe secundă are nevoie de un ceas care să suporte 20 MHz.

Spre exemplu o formă de undă dreptunghiulară de 4 MHz este trimisă către pinul de ceas extern amplasat pe cameră. Atunci, pinul DCLK va funcționa la 2 MHz. Dacă informația este transmisă la o frecvență de 2 MHz, atunci se permite doar o fereastră de timp de 500 nanosecunde pentru a executa instrucțiunile necesare stocării informației pixelilor în buffer. La o frecventă de 4 MHz camera va lucra în 6 cadre pe secundă.

Camera alocă un interval de timp fix pentru fiecare scanare orizontală, independent de rezoluție. Liniile de scanare mai mari, au un necesar de timp mai mare pentru a furniza informația pixelilor, în timp ce liniile de scanare mai mici au nevoie de un timp mai mic.Timpul ramas în fiecare fereastră de timp este folosit pentru a forma informația pixelilor.

Informația pixelilor este primită într-un format de 16 biti RGB 565. Fiecare pereche de biți este alcatuită din 5 biți roșii, 6 biți verzi, 5 biți albaștri.Formatul acestei culori este rezultatul configurării matricei camerei CMOS. Deoarece informația pixelilor RGB:565 necesită 2 biți per pixel, un buffer de 256 biți există pentru fiecare linie de scanare de 128 pixeli. (Fig 5)

Fig. 5 Modul de dispunere a perechilor biților

Timpul rămas în urma scanării unei linii în fereastra de timp este folosit pentru a convertii informația pixelilor din format RGB:565 în imagine alb negru pe 7 biți utilizând cei mai seminificativi 7 biți dintr-un bit.

O precizare importantă ar fi faptul că formatul imaginii este influențat cel mai mult de catre cei 6 biți verzi. Alte formate alb negru pot fi implementate, dar această metodă oferă cele mai bune rezultate. Odată ce linia de scanare este formatată, indiferent daca este color sau alb negru, aceasta este stocată într-un vector de memorie și un index al liniilor scanate este incrementat. Indexul liniilor scanate este setat 0 atunci când pinul VD al camerei este setat high, acest lucru indică începutul unui cadru. [6]