Einführung in die Robotik

Transkript

1 Einführung in die Robotik Vorlesung 4 13 November 2007 Dr. Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik WS 2007/2008

2 Wiederholung vom letzten Mal!

3 Wiederholung vom letzten Mal! Berührungssensor (an/aus) Bumper Widerstandssensoren Potentiometer Temperatur Sensor Kapazitive Sensoren Optische Sensoren (Photo-Diod & Photo-Transistor) Radencoder Abstandsensor

4 Heutiges Thema: Sensoren

5 Abstandssensoren

6 Abstandssensoren Die Daten von Abstandssensoren eignen sich zur Hindernisvermeidung sowie zur Extraktion eines Models der Umgebung, was zur Navigation genutzt werden kann.

7 Abstandssensoren Techniken der Abstandsmessung Signallaufzeit (time-of-flight) Triangulation Messung der Signalintensität Phasendifferenz In dieser Vorlesung behandeln wir nur die Signallaufzeit und die Triangulation.

8 Abstandssensoren Signallaufzeit Messung zwischen aussenden und empfangen eines Impulses: Abstand = gemessene Zeit x Geschwindigkeit des Signals / 2 Sensor Signalstrahl Abstand Objekt Der Sender und der Empfänger müssen auf derselben Achse liegen. Messbereich : 1 m - mehrere km

9 Abstandssensoren Triangulation Sensor (Aktive) Positionsmesselement (Position Sensitive Detector PSD) D α α 2 Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Sensor, ändert sich auch der Winkel Reflexions-Punkte D ist bekannt. X X2 Objekt X = D Tanα X 2 = DTanα 2 Messbereich : 0,1 mm m

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11 Bumper (An/Aus) Bumper (Touch Sensors) sind ein Schalter. Ein Schalter ist ein Bauteil, welches entweder Strom fließen lässt oder nicht. Sie werden durch den direkten Kontakt mit dem Hindernis aktiviert. Jedoch sind sie zur Kollisionsvermeidung nicht geeignet.

12 Infrarot-Sensor Infrarot ist für das menschliche Auge unsichtbare elektromagnetische Strahlung. Ein einfaches IR-Sensor besteht aus einer IR-Diode als Sender und einem Fototransistor als Empfänger. Messbereich: 20cm bis 150 cm Um die Signale vom Infrarotanteil des Sonnenlichtes oder des anderen Sensoren zu unterscheiden, wird eine Frequenzmodulation genutzt. Dann nur Strahlung mit dieser Modulationsfrequenz werden registriert.

13 Ultraschall Ultraschall gibt es in der Natur. Fledermäuse und Delphine nutzen die so genannten SONAR- Techniken. SONAR: SOund NAvigation and Ranging (Schall- Navigation und Messung) Die Frequenzen des Ultraschalls liegen oberhalb des Hörbereiches des Menschen (20 Khz bis Gigaherzbereich).

14 Ultraschall Funktionsprinzip Ultraschall wird hauptsächlich auf Basis des Piezoelektrisches Effekts erzeugt und empfangen. Sensor strahlt Ultraschall ab und erkennt den reflektierten Strahl wieder. Dadurch erkennt die Entfernung, in dem ein Hindernis auftritt. Ultraschallsensor Ultraschall senden Reflexion an Objekt Empfang Echosignal

15 Ultraschall Funktionsprinzip Die Entfernung d lässt sich mit Hilfe der Schallgeschwindigkeit c wie folgt berechnen: 1 d = c. t c 340 m / s 2 Bei 20 Maximale Reichweite: 6-8 Meter

16 Ultraschall Messfehler 1. Das empfangene Signal gibt Informationen über die Entfernung, nicht über die Winkelrichtung.

17 Ultraschall 2. Scheinechos (Crosstalk Problem) Messfehler a) eine Welle kann auf mehreren Objekten reflektiert werden, bevor sie als Echo vom Sensor empfangen wird. Objekt Sensor Objekt

18 Ultraschall Messfehler 2. Scheinechos (Crosstalk Problem) b) bei gleichzeitigem Betrieb von mehreren Ultraschallsensoren kann ein Sensor das Echo einer Welle empfangen, die von einem anderen Sensor gesendet wurde.

19 Ultraschall Messfehler 3. Andere Probleme: Es können Total- oder Doppelreflektionen auftreten. Objekt Objekt Empfangenes Echo Reflektiertes Signal Sensor Signal Sensor Ultraschallsignal wird an glatten Oberflächen abgelenkt Totalreflexion Doppelreflexion

20 Ultraschall Messfehler Ecke Reflektiertes Signal Reflektiertes Signal Sensor Unsichtbare Ecke

21 Laserscanner LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverstärkung durch Induzierte Emission). Grundlage Wenn ein Elektron von einem höheren Energie Zustand zu einem Zustand mit niedrigerer Energie springt, wird die Energiedifferenz in Form eines Photons (Lichtquants) abgegeben. Dies nennt man Emission. Ein Photon trifft auf ein Elektron und regt es an, so dass es ein höheres Energieniveau erreicht. Dies nennt man Absorption. Ein Photon stimuliert ein Atom, so dass ein zweites Photon entsteht. Dies nennt man stimulierte Emission. Eine Rückkopplung (durch Spiegel) dieser Photons verstärkt die stimulierte Emission. Nun kann man mit einem teilweise durchlässigen Spiegel einen Teil der Strahlung entweichen lassen und als LASER nutzen.

22 Funktionsprinzip Laserscanner Das Lasersignal wird gesendet, reflektiert von einem Hindernis, und empfangen. Laufzeit-Verfahren Aus dieser Flugzeit t (für Hin- und Rückweg) lässt sich die Entfernung d mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit c ( km/s) wie folgt berechnen: 1 d = c. 2 t Messbereich: Die maximale Die Reichweite beträgt ca. 80m

23 Laserscanner Funktionsprinzip von SICK Laserscanner Gemessen wird die Zeit zwischen Aussendung und Empfang eines Laserimpulses.

24 Laserscanner Funktionsprinzip von SICK Laserscanner Der gepulste Laserstrahl wird bei dem SICK Laserscanner über einen rotierenden Spiegel abgelenkt. Für eine Rotation benötigt der Spiegel 13,32 ms (75 Hz). Bei der ersten Rotation wird die Entfernung bei 0, 1, 2,... und bei der zweiten Rotation bei 0,5, 1,5, 2,5,... gemesse n. In einem Abstand von 10 Metern wird c.a 3,13 cm breite keine Messung haben. Objekt

25 Laserscanner Funktionsprinzip von SICK Laserscanner Messmethode: gepulster Laserstrahl (SignalLaufzeitverfahren) Reichweite: ca. 30 m Entfernungsmessgenauigkeit: ± 16 mm Schnittstelle: RS 232 Versorgungsspannung: 24 V DC, ±15%

26 Laserscanner kleiner Öffnungswinkel genauere Daten. kürzere Signallaufzeiten (Laser hat Lichtgeschwindigkeit) Falsche Reflektionen sind sehr viel geringer als beim SONAR Augenempfindlichkeit Glas reflektiert nicht Spiegel lenken Strahl ab Teuer!

27 Radencoder Messung der Umdrehungen eines Rades durch Beobachtung von Markierungen.

28 Radencoder Inkrementeller Radencoder Der Radencoder wertet ein kodiertes Rad aus, wobei Markierungen über Licht- Reflexion beobachtet werden. Da die Anzahl von Impulsen pro Umdrehung fest ist, die resultierende Pulsfolge ist direkt proportional zur Rotation.

29 Rad-Encoder Inkrementeller Radencoder Ein einfacher Rad-Encoder kann aus einer radial gestreiften Drehscheibe bestehen Infrarot Sender Je nach dem ob ein Schwarzer oder weißer Streifen vor die Lichtschranke gedreht wird, wird ihr Licht in ihren Lichtsensor reflektiert oder nicht. Beispiel Empfänger Die Scheibe besitzt 12 weiße Streifen. drei Impulse bedeutet eine 90 -Drehung und 1200 Impulse 100 Umdrehungen.

30 Rad-Encoder Inkrementeller Radencoder Mit Einkanal-Drehimpulsgeber keine Drehrichtungserkennung Infrarot Sender Empfänger Der Mehrkanal-drehimpulsgeber hat ein eine Nullstellung, und kann die Drehrichtung erkennen.

31 Rad-Encoder Absoluter Radencoder Der absolute Radencoder kodiert jede Stelle auf dem Rad durch ein eindeutiges Wortmuster. Gray-Code Binäre Code Somit entfällt ein Zähler.

32 Analog - Digital Wandlung Sensorsignale müssen in eine digitale Repräsentation überführt werden. Dafür nutzt man ein Analog - Digital Wandler

33 Analog - Digital Wandlung Analog Signal I. Vorbearbeitung des Signals A/D Digital Signal Amplitude man muss wissen, in welchem Amplitudenbereich sich das Signal maximal bewegt. Damit das Signal im digitalen verfügbaren Bereich möglichst gut ausgenutzt wird. Frequenz Man muss wissen, in welchem Frequenzbereich sich das Signal bewegt. Theorem von SHANNON (später an die Tafel!)

34 Analog - Digital Wandlung Analog Signal Abtastung Quantisierung Codierung Digital Signal

35 Analog - Digital Wandlung II. Abtastung Nach der Vorbearbeitung wird das Signal mit Hilfe eines Abtasters zu bestimmten Zeitpunkten abgetastet. Eingangsignal Ausgangsignal Abtaster geöffnet (Halten) Abtaster Abtaster geschlossen (Folgen)

36 Abtastung Eingangsignal Ausgangsignal Sampling- Takt T 2T 3T

37 III. Quantisierung Analog - Digital Wandlung Die Spannungswerte im Moment der Abtastung werden in einen Zahlenwert umgewandelt. Spannung t

38 Analog - Digital Wandlung III. Codieren T 2T 3T

39 Shannon-Abtasttheorem Analog - Digital Wandlung Ein kontinuierliches, bandbegrenztes Signal, mit einer Maximalfrequenz f max f muss mit einer Frequenz abtast abgetastet werden, damit man aus dem so erhaltenen zeitdiskreten Signal das Ursprungssignal ohne Informationsverlust rekonstruieren kann. wobei f abtast > 2 f max