Kognitive Robotik. Sensoren (außer visuelle Sensoren) HK WS 2010/11. Hans-Dieter Burkhard Humboldt-Universität Berlin Institut für Informatik

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1 Kognitive Robotik HK WS 2010/11 Sensoren (außer visuelle Sensoren) Hans-Dieter Burkhard Humboldt-Universität Berlin Institut für Informatik Siehe auch Vorlesungen zu Wahrnehmung

2 Sensoren Sensus (lat.) = der Sinn Aufnahme von Information bzgl. Zustand oder Zustandsänderung (physikalisch, chemisch ). Durch Integration/Differentiation können Zustände und Zustandsänderungen gegenseitig berechnet werden. Dabei: Driftprobleme (z.b. Odometrie). Umwandlung in intern verarbeitbare Information (Technisch: meist elektronische Signale Natur: elektrochemische Prozesse) Auch: Direkter Einfluss auf Aktoren Wahrnehmung 2

3 Sensoren Interne Sensoren: Propriozeptive Sensoren ( selbst ) Temperatur (innen) Gelenkstellung Bewegung Lage Ressourcen Energie Wahrnehmung 3

4 Sensoren Externe Sensoren ( Umwelt ) Abstand Krafteinwirkung Temperatur (außen) Licht Schall Wahrnehmung 4

5 Sensoren Passive Sensoren Vorhandene Signale erfassen Keine Beeinflussung der Umgebung Aktive Sensoren Signale provozieren (z.b. Echo) Beeinflussung der Umgebung Wahrnehmung 5

6 Menschliche Sinne Sehen Hören Riechen Schmecken Tasten Wärme Feuchtigkeit Schmerz Gleichgewicht Muskelspannung Hunger Durst... Wahrnehmung 6

7 Verarbeitung von Sinneseindrücken Reiz erregt einen Sinnesrezeptor Auslösung von Nervenimpulsen Weiterleitung zum Rückenmark/Gehirn: Pro Sekunde treffen im Zentralen Nervensystem ca. 1 Million Rezeptorsignale ein. Auf Rückenmarksebene und im Hirnstammbereich erfolgen Antworten unbewusst in Form von Reflexen. Filterung im Thalamus: Nur ausgewählte Signale werden in der Großhirnrinde bewusst wahrgenommen. Wahrnehmung 7

8 Reflexe Vom Willen unabhängige Reaktionen auf Reize ( Sensor-Aktor-Kopplung ) Ermöglichen schnelles Reagieren (bewusste Überlegungen benötigen mehr Zeit) Regeln ständig Körperfunktionen Bewusstsein wird entlastet für komplexere Aufgaben Funktionsprinzip: Regelkreis Wahrnehmung 8

9 Reflexe Reflexbogen: Rezeptor nimmt Reiz auf und übersetzt ihn in neuronale Erregungen Sensorische Nervenfasern leiten den Impuls weiter Reflexzentrum (z.b. Rückenmark) bildet Reflexantwort Motorische Nervenfasern übermitteln Reflexantwort zum Effektor (ausführendes Organ) Komplexe Abläufe möglich, Beispiel: Stolperreflex. Rezeptor an anderem Ort als Effektor. Schnelle Reaktionen mehrerer Muskelgruppen. Wahrnehmung 9

10 Menschliche Sinnesorgane: 5 Sinne Auge: Sehen Haut: Tasten/Druck, Temperatur, Feuchtigkeit Ohr: Hören, Gleichgewicht, Lage Zunge: Geschmack Nase: Geruch, Geschmack Wahrnehmung 10

11 Menschliche Sinnesorgane: mehr als 5 Sinne Muskelspannung Sehnen Gelenke Hunger Durst Schmerz Bauchgefühle... Wahrnehmung 11

12 Auge In der Natur unterschiedliche Formen: Einfache Lichtsensoren bis Umfangreiche räumliche Wahrnehmung Helligkeit, Farben, Bewegung Beim Menschen 50% des Gehirns für räumliche Wahrnehmung Menschliches Denken stark an räumliches Empfinden geknüpft Später mehr dazu Wahrnehmung 12

13 Ohr Aufnahme von Schallwellen durch Trommelfell Weiterleitung und Verstärkung (ca. 200-fach) durch Hebelwirkung (Gehörknöchelchen) Verkleinerung Auftrittsfläche ovales Fenster/Trommelfell Reizaufnahme durch ca Hörzellen für unterschiedliche Frequenzen an unterschiedlichen Stellen der Schnecke Richtungshören durch paarige Anordnung: Zeitunterschied (30 ms ausreichend) Geometrie von Kopf (Schallschatten) und Ohrmuscheln Wahrnehmung 13

14 Ohr: Vestibulärsystem/Gleichgewichtssinn Orientierung und Bewegung des Kopfes (!) Schwerkraft messen Trägheit messen Sinneshärchen werden abgelenkt durch Flüssigkeit drei Richtungen in den Bogengängen Weiterhin für Gleichgewichtsüberwachung: Anspannung im Stützapparat (Muskeln, Gelenke, ) Audio-Visuelle Information (Hören, Sehen) Wahrnehmung 14

15 Nase, Zunge In der Natur: Chemische Stoffe (Pheromone) als Informationsträger Aktive Erzeugung: Markierung Nicht Dauerhaft Geruchssinn beim Menschen vergleichsweise schwach entwickelt Wahrnehmung 15

16 Haut: Tastsinn Empfindliche Zellen in unterschiedlichen Schichten Haare zur Verstärkung Reaktion auf Druck, Dehnung und Bewegung Berührung Druck Rutschen/Gleiten Weitere Sinneszellen in der Haut für Temperatur, Feuchtigkeit, Schmerz. Wahrnehmung 16

17 Sinnesorgane In der Natur weitere Sinnesorgane Magnetismus, Elektrizität, Hoch entwickelte/angepasste Fähigkeiten zur Integration multisensorieller Daten Technik: Sensoren zur Erfassung von Signalen auch für Signale, die der Mensch nicht erfassen kann bzw. über menschliche Wahrnehmungsfähigkeiten hinaus gehende Fähigkeiten (Messbereich, Genauigkeit,... ) Wahrnehmung 17

18 Sensoren des Nao (Academic Version) 4 Microphones 2 CMOS digital cameras 32 Hall effect sensors (Gelenke) 1 Gyrometer 2 axis 1 Accelerometer 3 axis 2 Bumpers (Füße) 2 Channel sonar 2 I/R Tactile sensor (touch sensor) 8 FSR (kapaz. Kraftsensoren, Füße) Wahrnehmung 18

19 Sensorik Physikalische Zusammenhänge ausnutzen Strom Spannung Widerstand Magnetismus Induktivität Leitfähigkeit... Wellenlänge Frequenz Phasenverschiebung Echo Laufzeit... Masse Kraft Geschwindigkeit Beschleunigung Trägheit... Geeignete Kopplungen Wahrnehmung 19

20 Beispiel: Messung von Entfernungen Impuls senden Echo empfangen: Zeitdifferenz proportional zur Entfernung Impuls senden - Phasenverschiebung des Echos: Phasenverschiebung proportional zur Entfernung V proportional zur Phasenverschiebung Wahrnehmung 20

21 Sensor + Verarbeitung Elementarsensor: Erfassung der Messgröße Integrierter Sensor: Zusätzliche Signalaufbereitung Verstärkung, Filterung, Linearisierung, Normierung Intelligenter Sensor: Rechnergesteuerter Auswertung Wahrnehmung 21

22 Form von Signalen Signalverlauf: Analog vs. Diskret abhängig von Erfassung und Verarbeitung (Wandlung in beiden Richtungen möglich) Informationsübertragung durch Frequenz, Amplitude, Impulsdauer, (siehe Vorlesung Signalverarbeitung) Problem: Informationsverlust Wahrnehmung 22

23 Abtasttheorem Problem: Die rote Kurve wird nur an wenigen Punkten gemessen: Es werden nur die schwarzen Punkte ermittelt. Wahrnehmung 23

24 Abtasttheorem Der Verlauf der schwarzen Punkte wird als eine Kurve niedrigerer Frequenz interpretiert: Alias Wahrnehmung 24

25 Abtasttheorem Wie oft müsste man messen? Beispiel: Verkleinerung der Messintervalle -- Mehr Messpunkte Wahrnehmung 25

26 Abtasttheorem Wie oft müsste man messen? Beispiel: Verkleinerung der Messintervalle -- Mehr der Messpunkte Wahrnehmung 26

27 Abtasttheorem Abtasttheorem Für korrekte Wiedergabe muss gelten: oder: Pro Wellenlänge T mehr als 2 Abtastpunkte, d.h. Abtastrate x < T/2. (Nyquist-Bedingung) Abtast-Frequenz mehr als doppelt so groß wie höchste vorkommende Frequenz. Gilt für zeitliche und räumliche Signale (z.b. Bilder) Wahrnehmung 27

28 Darstellung von sin(x y) in ungenügender Rasterung x,y [-2, 2] x,y [-20, 20] x,y [-1000, 1000] Wahrnehmung 28

29 Darstellung von sin(x y) in ungenügender Rasterung 10 x,y [-20, 20] 0 x,y [-2, 2] Winter-Semester / Wahrnehmung 29

30 Sensormodelle Sensormodell: Vorwärtsmodell s = Zustand/Eigenschaft der Welt Beobachtung mittels Sensor (Sensordaten) o = f sensor (s) Beispiele: Kameramodell (Linse, Brennpunkt, Bildebene) Reflexionsmodell für Sonarmessung Wahrnehmung 30

31 Sensormodelle: Projektionsmodel X,Y: Kamera-Koordinaten X w,y w,z w : Welt-Koordinaten Bei gegebener Kamerapose (R,T) sind Bildkoordinaten (x,y) durch Objektkoordinaten (X,Y,Z) eindeutig bestimmt. Wahrnehmung 31

32 Sensormodelle: Sonarmodell Schallausbreitung (ca. 330 m/sec) Echo Wahrnehmung 32

33 Sensormodelle Beobachtungsmodell: Rückwärtsmodell : Zustand/Eigenschaft ermitteln aus Beobachtungen gewünscht: s = f -1 sensor (o) Beispiele: Räumliche Beziehungen aus Bild ermitteln Räumliche Beziehungen (Abstand) aus Sonarmessung Wahrnehmung 33

34 Sensormodelle: Sonarmodell Schallausbreitung (ca. 330 m/sec) Echo Wahrnehmung 34

35 Sensormodelle Probleme: f sensor oft nicht eindeutig umkehrbar (z.b. unterschiedliche Dimensionen) Verrauschte Sensordaten o = f sensor (s) + f störung (s) Wahrnehmung 35

36 Störungen Fehlerhafte Echos bei Sonarsensoren: Crosstalk Fehlende Reflektion Mehrfach-Reflektion Total-Reflektion direkt indirekt Wahrnehmung 36

37 Störungen: Rauschen Hochfrequente Störungen: f störung (s) = k sin(ωs) Differentiation (z.b. Geschwindigkeit aus Positionsdifferenz): ergibt hohen Fehler für o = f sensor (s) + f störung (s) mit f störung (s) = k ω cos(ωs) bei hohem Wert für ω (hohe Frequenz) Wahrnehmung 37

38 Güte von Sensoren Empfindlichkeit Messbereich Störsignale (Rauschen): Filterung Korrekte Einstellung: Kalibrierung Wahrnehmung 38

39 Messung/Umwandlung Licht in elektrische Signale: photoempfindliche Systeme Lage/Kraft/Bewegung in elektrische Signale z.b. mittels Kontakt: Schalter Widerstand: Schiebe-Potentiometer Induktion: Spule mit beweglichem Kern Kapazität: Kondensator mit beweglichen Platten Magnetismus in elektrische Signale: Spule im Magnetfeld Wahrnehmung 39

40 Messung/Umwandlung Messung mechanischer Größen mittels Kraft/Bewegung unter Ausnutzung von Trägheit Trägheitsmoment Vergleich mit Schwerkraft Wahrnehmung 40

41 Potentiometer Spannung abhängig von Position auf einer geeigneten Widerstandsbahn (Metallschicht, leitfähiger Kunststoff) Anwendungen Umformung mechanischer Messwerte in elektrische Signale (z.b. Abstandsmessung mit einem Kontaktsensor) Lagemessung (z.b. Gelenkstellung) Wahrnehmung 41

42 Dehnungsmessstreifen Widerstand abhängig von Länge relativ geringe Empfindlichkeit: ggf. mäanderförmig Anwendungen Verformungen messen Wahrnehmung 42

43 Hall Effekt Sensor Hall Effekt N Resultierende Hall-Spannung ist senkrecht zur Stromrichtung und proportional zur Lage der Platte im Magnetfeld (magnetische Flussdichte) S Stromdurchflossene Platte im Magnetfeld Wahrnehmung 43

44 Hall Effekt Sensor Hall Effekt Als Sensor: Hall-Spannung misst die Lage der Platte: Veränderungen der Platte durch Hallspannung messbar. Dementsprechend sind -Drehung der Platte -Verschiebung der Platte -Einwirkende Kräfte messbar. Wahrnehmung 44

45 Hall Effekt Sensor Hall Effekt Zahlreiche Anwendungen. Halbleitertechnik in Schaltkreise integrierbar Schutz vor äußeren Einflüssen (außer Magnetfelder) ggf.verstärker erforderlich Wahrnehmung 45

46 Induktive Sensoren Krafteinwirkung senkrecht zur Sensorfläche Änderung des Spulenquerschnitts Änderung der Eigeninduktivität Wahrnehmung 46

47 Induktive Sensoren Differentialtransformator: Spannung an Sekundärspulen S1, S2 abhängig von Stellung des magnetischen Kerns Analog mit drehbarem Kern Wahrnehmung 47

48 Induktive Sensoren Tachogenerator: Gleichstromgenerator erzeugt Strom in Abhängigkeit von Rotationsgeschwindigkeit Wahrnehmung 48

49 Piezoelektrische Sensoren Bei speziellen Materialien (z.b. Bergkristall, SiO 2 ) treten Ladungsunterschiede an der Oberfläche auf, die proportional zu der einwirkenden Kraft (Druck) sind. als Sensor Druck verschiebt Ionen Ladungen messen Umgekehrt auch als Antrieb verwendbar Wahrnehmung 49

50 Licht-/Infrarotsensor Fotowiderstand (-diode, -transistor) mit Lichtstärke variierender Widerstand Als Sensorfeld in Verbindung mit Optik: Bildaufnahme 2-D: Matrix 1-D: Zeile (Siehe auch Visuelle Sensoren ) Wahrnehmung 50

51 Lichtschranke Prinzip: Aktiver Sensor Anwendung: z.b. Radencoder Sender und Empfänger räumlich getrennt: Sender Empfänger Sender und Empfänger räumlich zusammen: Sender Empfänger Reflektor Wahrnehmung 51

52 Licht-/Infrarotsensor Infrarotsensor (dicht unterhalb sichtbarem Licht) meldet Objekt im Nahbereich (RoboCupJunior) als Wärmesensor: reagiert auf Temperaturänderungen (Alarmsysteme) Aktiver Infrarotsensor sendet kodierte Signale, misst Echostärke Reflexion der Umgebung: Abstand, Hindernisse Keine genaue Messung, billig, störanfällig Anordnung als Ring: non-contact bumpers Wahrnehmung 52

53 RoboCupJunior: Soccer Spielfeld (z. B. im Eigenbau) Infrarot-Ball (dazugekauft) Wahrnehmung 53

54 Wahrnehmung 54

55 Wahrnehmung 55

56 Radencoder Messung der Umdrehungen eines Rades durch Beobachtung von Markierungen: Licht-Reflexion Lichtschranke Magnetische Markierungen Anwendung: Richtung, Geschwindigkeit des Roboters Wahrnehmung 56

57 Inkrementelle Radencoder Inkrementell: Geschwindigkeit messen Weg durch Integration Keine Radstellung Fehler pflanzen sich fort Einkanal-Drehimpulsgeber: keine Drehrichtungserkennung Wahrnehmung 57

58 Inkrementelle Radencoder Mehrkanal-Drehimpulsgeber: Bewegung Richtung Nullstellung (C) C Wahrnehmung 58

59 Absolute Radencoder Jede Radposition hat individuelles Wortmuster Störungen ohne Auswirkung bei 12 Bit: Genauigkeit ca. 0,1 Grad Aufwendigere Konstruktion Wahrnehmung 59

60 Absolute Radencoder Kodierungen: Gray-Code (a): Änderung jeweils nur bei einem Bit Binär-Code (b): mehrere Bits verändert Wahrnehmung 60

61 Dopplereffekt Frequenzverschiebung bei Signalen, die von bewegten Objekten ausgesandt/reflektiert werden Annäherung: höhere Frequenz (Richtung blau, hellere Töne) Entfernung: niedrigere Frequenz (Richtung rot, tiefere Töne) Messung der eigenen oder fremder Geschwindigkeiten Wahrnehmung 61

62 Positionsbestimmung mittels Odometrie Ausgangspunkt bekannt. Aktuelle Position bestimmen durch Messung des zurückgelegten Weges Messmethoden Radencoder Beinbewegungen Dopplereffekt Steuerbefehle Trägheitssensoren Wahrnehmung 62

63 Odometrie: Messfehler Systematische Fehler Im Bereich der Lauf-Modelle/Messungen (Radencoder, Laufmodelle,...) Nichtsystematische Fehler Bodenbeschaffenheit Übersteuerung äußere Einwirkungen/Behinderung (z.b. andere Roboter) Wahrnehmung 63

64 Odometrie: Messfehler Hauptproblem: Winkelabweichungen Systematische Fehler für Winkelabweichung (2 Arten, Fehler können sich maskieren): (a) Lenkfehler (Achsstand, Lenkungsspiel,...) (b) Ungleichmäßiger Antrieb (Raddurchmesser, Radabstand, Beine,...) Wahrnehmung 64

65 Odometrie: Messfehler Quadrat-Weg-Test: (a) Lenkfehler und (b) Ungleicher Antrieb führen zu gleichem Testresultat Wahrnehmung 65

66 Odometrie: Messfehler Quadrat-Weg-Test: Bei Test in anderer Richtung haben (a) Lenkfehler und (b) Ungleicher Antrieb unterschiedliches Resultat Wahrnehmung 66

67 Odometrie: Messfehler Quadrat-Weg-Tests: (a) Lenkfehler (b) Ungleicher Antrieb Haben ungleiche Auswirkungen Müssen getrennt behandelt werden Sind unterscheidbar Wahrnehmung 67

68 Odometrie: Kalibrierung Test zur Ermittlung der Abweichung Korrektur Mechanisch Softwaretechnisch Wahrnehmung 68

69 Odometrie: Messfehler Quadrat-Weg-Tests Wahrnehmung 69

70 Odometrie: Kalibrierung AIBO (Wdh.) Diplomarbeit Düffert Vermessung der erzielbaren Geschwindigkeiten Korrekturwerte für die Ansteuerung Vermessung ohne (links) bzw.mit Kalibrierung (rechts) Wahrnehmung 70

71 Kraftsensor, Berührungssensor Realisierungen: Mikroschalter (binär: an/aus) Kraftmesswiderstand, -kondensator Dehnungsmessstreifen Anwendungen: Erkennung von Berührung (Kollisionsvermeidung bzw. nur noch -erkennung, Greifer) Direkte Kopplung mit Aktuatoren ( Stop ) Anordnung als Knautschzone Wahrnehmung 71

72 Kraftsensor, Berührungssensor Kombination mehrerer Sensoren für komplexe Bewegungen (Greifen, Laufen) Sensorfelder: berührungsempfindliche Haut Aibo: Wahrnehmung 72 Tastsensoren in den Füßen testen Bodenkontakt

73 Künstliche Haut Weich Verformbar (Gesicht: aktiv verformbar) Druck-/berührungsempfindlich Erfassen gleitender Bewegungen Wahrnehmung 73

74 Haut wichtig für Erscheinungsform Hanson Robotics Ishiguro Repliee + Ishiguro Wahrnehmung 74

75 Künstliche Haut Flächige druckempfindliche Materialien Wahrnehmung 75

76 Künstliche Haut Flächige druckempfindliche Materialien Wahrnehmung 76

77 Lagesensoren Anwendbar sind prinzipiell alle Sensoren, die Stellungen/Bewegungen/Beschleunigungen in elektrische Signale umwandeln (s.o.) Messung der Lage im Raum Messung von Wegen Messung von Bewegungen Messung von Beschleunigung (Gegenseitige Umformung: Differenzen bzw. Integration) Navigation von Systemen mithilfe interner Sensoren: Inertial Navigation System (INS) Wahrnehmung 77

78 Lagesensoren Neigungssensor: misst Richtung der Schwerkraft (Auslenkung für jede Richtung getrennt messbar) Kompass Problem: Ortsabhängige Störungen (Roboter selbst) Wahrnehmung 78

79 Lagesensoren: Trägheitssensoren Beschleunigungssensor: Feder/Masse-Kombination (für jede Richtung getrennt) Messen: Auslenkung (proportional zur Beschleunigung) K = m b = k s 2 b = k s 2 / m K=Kraft, m=masse, b=beschleunigung, s=auslenkung k=federkonstante Kein Bezug zur Außenwelt notwendig (interner Sensor) Bei genauer Messung aber: Schwerkrafteinfluss berücksichtigen Wahrnehmung 79

80 Lagesensoren: Trägheitssensoren Orientierung im Raum Gyroscop (interner Sensor) Schnell rotierender Kreisel in Kardanaufhängung läuft stabil wegen Erhaltung des Drehimpulses ( künstlicher Horizont im Flugzeug) Richtungsänderung bewirkt messbare Kraft Driftprobleme Erdrotation Wahrnehmung 80

81 Lagesensoren: Trägheitssensoren Optisches Gyroscop Orientierung im Raum (interner Sensor) Prinzip: Licht (Laser) wird in beiden Richtungen durch Glasfaser geleitet Bei Rotation der Glasfaser ergeben sich unterschiedliche Laufzeiten für das Licht (Sagnac Effekt) Differenz messen durch Inferenz der Lichtstrahlen Wahrnehmung 81

82 Rückschluss auf äußere Kräfte durch Messung des Energieverbrauchs bei ihrer Überwindung: - verbrauchter Strom - erzeugte Wärme Möglichkeiten zur Rückkopplung Wahrnehmung 82

83 Akustische Sensoren: Mikrophon Prinzip: Schallwellen (Kräfte) in elektrische Signale umformen (z.b. mittels Membran in Magnetfeld) Störanfälligkeit: Eigengeräusche Zeitabhängige Signale (beschränkte Abfragehäufigkeit) Anwendungen: Geräuscherkennung (Rückschluss auf Verursacher) Spracherkennung Peilung (Echo) Wahrnehmung 83

84 Akustische Sensoren: Mikrophon Sprachverarbeitung ist (ähnlich der Bildverarbeitung) ein komplizierter Prozess mit mehreren Verarbeitungsstufen: Vorverarbeitung Identifizierung von Lauten, Silben, Wörtern Identifizierung von Zusammenhängen (z.b. Derefenzierung von Pronomen) Identifizierung von Bedeutungen Die Verarbeitung benötigt Wissen über Satzstrukturen, Grammatik, Syntax,... Zusammenhänge, Kontexte,... Wahrnehmung 84

85 Abstandssensoren Messen des Abstands zu Objekten im Raum. Aktive Sensoren: Senden eines gerichteten Impulses (Ultra-)Schall (Sonar) Licht (Laser) Empfang des Echos Radiowellen (Radar) Rückschluss auf Abstand des reflektierenden Objekts z.b. mittels Laufzeit des Signals Änderung des Signals (Phasenverschiebung) Wahrnehmung 85

86 Abstandssensoren Freiburg vs.golem (Italien), Amsterdam 2000 Wahrnehmung 86

87 Sonarsensoren Sonar = sound navigation and ranging Aktiver akustischer Sensor im Ultraschallbereich (> 20 khz) Auswertung des Echos Anwendungen: - Hinderniserkennung - Entfernungsmessung - Unterwasserortung Wahrnehmung 87

88 Sonarsensoren Sonarsensoren sind billig. Anordnung als Ring für Hinderniserkennung. Amplitudenstärke abhängig von der Richtung relativ zum Zentrum des Signals Wahrnehmung 88

89 Sonarsensoren Ultraschallorgane in der Natur: Delphine. Fledermäuse Fledermäuse verwenden unterschiedliche Frequenzen und können fliegende Insekten identifizieren. - sehr komplexe Fähigkeiten - noch nicht vollständig erforscht Wahrnehmung 89

90 Sonarsensoren Laufzeitabhängige Entfernungsbestimmung: Gerät sendet kurzen Ton, dann Arbeit als Mikrophon (Echo aufnehmen) Beispiel: Entfernung: 6,60m Echo nach 38,4 ms Entfernung (in m) d = 0,5 c t aus Laufzeit t (in s) des Echos bei temperaturabhängiger Schallgeschwindigkeit c = c 0 +0,6T m/s mit c 0 =331 m/s, T=Temperatur (Celsius) Wahrnehmung 90

91 Sonarsensoren Sensormodell komplex: - Überlagerung von Reflexionen - Überlagerung bei mehrfachen Sensoren - Crosstalk : - Direkt (a) - Indirekt (b) Wahrnehmung 91

92 Sonarsensoren - Artifakte: RCD ( Regionen konstanter Distanz ) Der von einem Sensor ausgesandte Impuls wird gleichzeitig von weiteren Sensoren als Echo registriert. Scheinbar existiert dort eine Region konstanter Distanz. Wahrnehmung 92

93 Sonarsensoren Sonar-Messungen eines Roboters beim Abfahren des eingezeichneten Weges Wahrnehmung 93

94 Sonarsensoren Billig, aber ungenau und störanfällig Einschränkungen Im Nahbereich ( < 6cm) keine Messung möglich ( blanking Intervall : interne Echos) Zur Vermeidung von Überlagerungen nicht gleichzeitig senden Unterschiedliche Charakteristika der Sender (Frequenz, Taktrate, Impulsfolgen) Wahrnehmung 94

95 Sonarsensoren Außer Laufzeit des Echos können zur Entfernungsbestimmung auch verwendet werden: Phasenverschiebung Unschärfe Dämpfung Verfahren wie bei Lasersensoren (siehe dort) Ultraschallorgane in der Natur zeigen, dass im Prinzip sehr gute Resultate möglich sind Wahrnehmung 95

96 Radarsensoren Radar = radio detecting and ranging (aktiver Sensor) Auswertung des Echos von Radiowellen Wahrnehmung 96

97 Radarsensoren Auswertung des Echos von Radiowellen Ermittlung der Entfernung von Objekten aus Phase/Frequenz des Echos von Radiowellen Ermittlung von Oberflächen-Eigenschaften, -geometrie Probleme ähnlich Sonar: mehrfache Reflexion breite Streuung Wahrnehmung 97

98 Lasersensoren aktiver Sensor unter Ausnutzung von Laser-Licht Laser (= light amplification by stimulated emission of radiation) ( = Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) hohe Kohärenz präzise Bündelung: hohe Intensität bei kurzem Impuls Unterschiedliche Formen der Erzeugung sehr genaue Entfernungsmessung sehr hohe Reichweite kurze Tastzeit: auch bei hohen Geschwindigkeiten Wahrnehmung 98

99 Lasersensoren Wesentlich zuverlässiger und präziser als Sonar, aber teuer. Amplitude/Impulsform je nach Material Anwendungen u.a.: - Entfernungsmessung - Oberflächen von Objekten Wahrnehmung 99

100 Lasersensoren Wahrnehmung 100

101 Lasersensoren Ermittlung der Entfernung von Objekten auf verschiedene Weise möglich: Laufzeit Phasenverschiebung Triangulation Unschärfe Probleme: mehrfache Reflexion kein Echo an durchsichtigen Objekten (Glas) Augenempfindlichkeit Wahrnehmung 101

102 Lasersensoren Laufzeit-Verfahren: Laufzeit des Laser-Impuls-Echos wird gemessen Lichtgeschwindigkeit: c = km/s Genaue Zeitmessung erforderlich: Beispiel: bei 6 m Distanz trifft Echo nach ca. 40 ns ein Abstände zwischen Impulsen notwendig Entfernungsberechnung (Laufzeit t in Sekunden): d = 0,5 c t = t km Wahrnehmung 102

103 Lasersensoren:Laufzeit-Verfahren Wahrnehmung 103

104 Lasersensoren Phasen-Verfahren: Intensitätsmodulation Keine Unterbrechungen Wahrnehmung 104

105 Lasersensoren Phasen-Verfahren Phasenverschiebung λ zwischen Sende- und Empfangssignal messen. Es gilt: t / T = φ / 2π mit t = Zeitdifferenz d = t km = T φ / 2π km T = Periodendauer für Laser: bis sec φ = Phasenverschiebung Wahrnehmung 105

106 Lasersensoren Problem beim Phasen-Verfahren: Begrenzung durch Periodendauer T d.h. Mehrdeutigkeit, wenn Distanz zu groß. Distanz messbar modulo λ/2 Beispiel: 10 MHz Signal, d.h. Periodendauer = 100 ns Bei φ = 3,6 : t = 1 ns, d = 0,15 m Bei φ = 180 : t = 50 ns, d = 7,5 m Verbesserung: Messungen mit unterschiedlichen Frequenzen Wahrnehmung 106

107 Lasersensoren: Triangulationsverfahren Wahrnehmung 107

108 Lasersensoren Sick PLS 200: Messmethode: gepulster Laserstrahl (Laufzeitverfahren) Reichweite: ca. 30 m Entfernungsmessgenauigkeit: ± 16 mm Winkelauflösung: 0,5 Scanwinkel: 180 Schnittstelle: RS 232 Messdaten: Echtzeitübertragung Gewicht: 4,5 kg Versorgungsspannung: 24 V DC, ±15% Leistungsaufnahme: ca. 17 W Wahrnehmung 108

109 Abstandsmessung mit strukturiertem Licht Idee: Auf Objekt projiziertes Muster wird durch Geometrie des Objekts verformt. Wahrnehmung 109

110 Stereoskopie 2 Kamerabilder aus unterschiedlichen Positionen (2 Kameras oder Kamera bewegen) Urbild von korrespondierenden Bildpunkten im Schnittpunkt der jeweiligen Geraden ermöglicht Rückrechnung auf Tiefe Korrespondenz-Problem: Welche Bildpunkte gehören zusammen? Vergleich von Bildmerkmalen Korrelationsverfahren Wahrnehmung 110

111 GPS (global positioning system) misst absolute Position/Geschwindigkeit Satelliten-basiert (global 24 Satelliten) Auswertung der Laufzeit von Radiosignalen von jeweils 5-8 sichtbaren Satelliten Differential GPS: Kalibrierung mittels Referenz-Empfänger Probleme: Nur anwendbar bei Empfangsmöglichkeit Abhängigkeit vom Betreiber Wahrnehmung 111

112 GPS (global positioning system) Satelliten (21 aktiv + 3 Reserve) in ca km Höhe, Erdumkreisung in 12 Stunden 6 Satellitenbahnen: jeweils 55 gegen Äquator geneigt in der Äquatorebene um 60 gegeneinander versetzt weltweit stets mindestens 4 Satelliten nutzbar präzise Uhren erforderlich: Nanosekundenbereich Ausgleich für Bahnabweichungen Ausgleich für Zeitabweichungen Wahrnehmung 112

113 GPS (global positioning system) Sender und Empfänger erzeugen zeitgleich den gleichen Code Empfänger vergleicht empfangenen Satelliten-Code mit eigenem Code (Kreuzkorrelation, Verschiebung bis zur Übereinstimmung) Zeitdifferenz aus Verschiebung ermitteln Entfernung aus Zeitdifferenz Kombination für sichtbare Satelliten ergibt Position Mehrfachmessungen zur Verbesserung Genauigkeit ca. 10 m Wahrnehmung 113

114 DGPS (Differential GPS) Referenz-Empfänger auf der Erde mit bekannter Position Referenz-Empfänger ermittelt den aktuellen Fehler durch Vergleich seiner GPS-Berechnung mit der bekannten Position Abweichung wird über Funk an die Empfänger in der Nachbarschaft übermittelt Benachbarte Empfänger können ihre Berechnungen entsprechend korrigieren Genauigkeit: ca. 1m Wahrnehmung 114

115 Quellen: Where am I?" -- Systems and Methods for Mobile Robot Positioning by J. Borenstein(1), H. R. Everett(2), and L. Feng(3) Wahrnehmung 115

Einführung in die Robotik Sensoren. Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik. Tel.: (+49) 731 / 50 24153 mohamed.oubbati@uni-ulm.de 30. 10.

Einführung in die Robotik Sensoren. Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik. Tel.: (+49) 731 / 50 24153 mohamed.oubbati@uni-ulm.de 30. 10. Einführung in die Robotik Sensoren Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik Tel.: (+49) 731 / 50 24153 mohamed.oubbati@uni-ulm.de 30. 10. 2012 Sensoren Was ist ein Sensor? Ein Sensor empfängt ein physikalisches

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