Разработка датчиков осуществляется в следующих отраслях промышленности:
- подводные лодки,
- автоматическое открытие дверей,
- устройства безопасности для промышленности,
- сервоприводы для дистанционно управляемых игрушек,
- сотовые телефоны,
- автомобили
- игровые консоли.
Эти отрасли отвечают за предоставление "экзотических" датчиков по низкой цене, определяя приложения массового рынка, например, акселерометры и гироскопы, используемые в смартфонах массового рынка или 3D глубиномер "Кинект" в составе игровой консоли.
Датчики трудно классифицировать по применению. Большинство датчиков используют источники информации, которые они могут получить. Например, локализация может быть достигнута путем подсчета инкрементов энкодера, а также путем измерения ускорения или с помощью визуализации. Эти подходы отличаются по точности и типу предоставляемых данных, но ни один не в состоянии решить проблему локализации в одиночку.
Датчики для роботов.
Хотя датчик способен измерять положение, он используется в этой функции только на манипуляторах роботов. Если робот не является голономным, то закрытые экскурсии в пространстве конфигурации, т.е. движения робота, возвращающие значения датчика в исходное положение, не приводят робота обратно в исходное положение. Поэтому в этих роботах энкодеры полезны для измерения скорости. Вместо этого акселерометр измеряет производную скорости. Гироскоп рассчитывает положение (или интеграл скорости), если окружающая среда оснащена уникальными свойствами. Еще одно различие между этими датчиками заключается в количестве и виде данных, которые они предоставляют. Акселерометр отбирает значения, которые оцифровываются с некоторой точностью. Одометр выдает дискретные значения, соответствующие инкрементам датчика. Наконец, датчик технического зрения обеспечивает оцифровку количеств (цветов). Хотя информационное наполнение этого датчика намного превосходит наполнение других датчиков, выбор полезной информации остается сложной и нерешенной проблемой.
Датчики могут использоваться для измерения положения и скорости соединения, а также - при использовании вместе с пружиной - датчика силы. Выделяют как инкрементальные, так и абсолютные энкодеры. Последние в используются в промышленности, но не являются распространенными в мобильной робототехнике. Существуют магнитные и оптические энкодеры, которые работают на магнитном или оптическом маяке, вращающемся вместе с двигателем и ощущаемом соответствующим датчиком.
Наиболее распространенным датчиком в робототехнике считается квадратурный оптический датчик. Он основан на схеме вращения двигателя и оптическом датчике, который может регистрировать черно-белые переходы. В то время как эти модели могут быть изготовлены с высокой точностью, простые энкодеры могут быть изготовлены лазерным методом и считываться с помощью светового датчика.
Типы датчиков.
1. Сенсоры, использующие свет.
Низкая цена светочувствительных полупроводников привели к распространению светочувствительных датчиков, основанных на множестве физических эффектов. К ним относятся отражение, сдвиг фазы и время полета.
- Отражение: чем ближе объект, тем больше он отражает свет, освещенный им.
- Вместо измерения силы (или амплитуды) отраженного сигнала лазерные датчики расстояния измеряют разницу фаз отраженной волны.
- Точное измерение расстояния, которое может дать свет, это измерение его времени полета. Это можно сделать путем подсчета времени, в течение которого сигнал от излучателя становится видимым в приемнике.
2. Датчики, использующие звук.
Ультразвуковой датчик расстояния работает, излучая ультразвуковой импульс и измеряя его отражение. В отличие от светового сенсора, который измеряет амплитуду отраженного сигнала, звуковой сенсор измеряет время, затраченное на прохождение звука.
Звуковой сигнал состоит из высокочастотных колебаний в диапазоне от 20 Гц до 15 кГц. Поэтому микрофоны подходят для измерения вибраций в этом диапазоне. Эти датчики вычисляют частотный спектр регистрируемого сигнала, который затем можно классифицировать с помощью методов машинного обучения. Способность распознавать текстуру прикосновением важна в таких областях, как захват и навигация по пересеченной местности.
3. Датчики на основе инерции.
Движущаяся масса теряет не кинетическую энергию, а трение. Аналогичным образом, покоящаяся масса будет сопротивляться ускорению. Оба эффекта обусловлены "инерционностью" и могут быть использованы для измерения ускорения и скорости.
- Акселерометр.
Акселерометр можно рассматривать как массу на увлажненной пружине.
- Гироскоп.
Гироскоп - это электромеханическое устройство, которое может измерять ориентацию вращения. Он дополняет акселерометр, измеряющий поперечное ускорение. Классически гироскоп состоит из вращающегося диска, который может свободно вращаться в системе поворотов и качалок. При перемещении инерциальный момент сохраняет первоначальную ориентацию диска, позволяя измерить ориентацию системы относительно места запуска. Вариантом гироскопа является скорость вращения гироскопа, которая измеряет скорость вращения.
4. Датчики на основе маяков.
Локализация объекта путем триангуляции восходит к древним цивилизациям, ориентирующимся с помощью звезд. Поскольку звезды видны только в безоблачные ночи, моряки в конце концов изобрели искусственных маяков, излучающих свет, звук и, в конечном счете, радиоволны.
Большинство датчиков робота либо решают проблему локализации робота, либо локализуют и распознают объекты в непосредственной близости от него. Каждый датчик имеет преимущества и недостатки, которые выражаются в диапазоне, точности, точности и пропускной способности. Поэтому надежное решение проблемы может быть достигнуто только путем объединения нескольких датчиков с принципами работы. Твердотельные датчики (т.е. без механических деталей) могут быть уменьшены и изготовлены в дешевом количестве. Это позволило создать серию доступных и глубинных 3D-датчиков, которые обеспечат базу данных для локализации и распознавания объектов на массовом рынке робототехнических систем.
