Сенсор

Сенсор, или датчик (sensor) - это устройство для преобразования некоторой физической величины в электрический сигнал. Сенсоры являются по сути нервной системой робота и служат для обеспечения обратной связи между контроллером и окружающим миром.

Поскольку на поведение автоматической системы могут оказываться влияние многие физические факторы, существует и множество различных сенсоров способных эти факторы фиксировать.

Тактильный сенсор

Датчик прикосновения реализует одно из самых востребованных чувств примитивных BEAM роботов и прочих ползающих электронных существ. Самый простой вариант такого сенсора представляет собой небольшой отрезок стальной проволоки с пружиной на конце. Этот ус припаивается к плате со стороны пружины, так чтобы он мог свободно двигаться в нужные стороны. По центру пружины, в плату впаивается короткий стержень из прочной негибкой проволоки. Прикасаясь такими усами к препятствию, происходит замыкание между пружиной и центральным стержнем, что интерпретируется как столкновение.

Существуют и другие типы тактильных датчиков. Так, датчик силы преобразует прикладываемую к сенсору физическую силу в аналоговый электрический сигнал. В основе таких устройств, как правило, лежит пьезоэлектрический эффект. Суть этого эффекта состоит в возникновении разности потенциалов на противоположных поверхностях пьезоэлектрического материала при воздействии на него силы. Подобное явление можно наблюдать и в обычной "пьезо" зажигалке. При ударе своеобразного молоточка по кристаллу, между электродами возникает настолько сильное напряжение, что появляется электрическая дуга.

Также с помощью датчика можно измерять степень изгиба пьезоэлектрической пластины, а также величину её вибрации, что используется для детектирования звука. К достоинством данного типа сенсоров можно отнести отсутствие энергопотребления. Недостатком же является хрупкость материала датчика.

Датчик угла поворота

Для определения положения шарнирных актуаторов в пространстве и для позиционирования колесных роботов применяются датчики угла поворота. Как правило, используются два типа таких устройств: датчики на основе потенциометра (potentiometer) и энкодеры (encoders). Встречаются и другие типы датчиков угла поворота, среди которых: сельсины, магнесины, поворотные трансформаторы и индуктосины.

Потенциометр

Потенциометр DFRobot V2
Самым простым в изготовлении и использовании является, пожалуй, потенциометр. Этот прибор имеет три вывода, два из которых соединены с резистивной пластиной, а третий с подвижным контактом, который передвигается по поверхности пластины при вращении вала. Таким образом, схематично потенциометр можно представить как делитель напряжения.

Обычно вал потенциометра вращается на один полный или неполный оборот, но бывают и такие, которые могут сделать несколько полных оборотов. Несомненным плюсом датчиков такого типа является возможность достаточно точно измерять абсолютный угол поворота. Другими словами, подавая питание на устройство сразу становится известно в каком положении находятся его актуаторы, что проблематично сделать при использовании инкрементальных энкодеров. К недостаткам же можно отнести достаточно высокую погрешность измерения сопротивления. Кроме того, со временем резистивная пластина истирается и появляются мертвые зоны, в которых либо вообще пропадает контакт, либо проявляется повышенная нестабильность показаний датчика.

Энкодер

В отличие от потенциометров, выходной сигнал энкодера имеет цифровой а не аналоговый характер. Имеются два вида энкодеров: инкрементальные и абсолютные.

Инкрементальный энкодер

Оптический инкрементальный энкодер представляет собой тонкий диск с нанесенными на него чередующимися прозрачными и черными участками. Диск закреплен на валу двигателя, а на его краю размещается фото датчик. При вращении диска происходит последовательное перекрывание щели фото датчика. Получая такой сигнал, контроллер может определить скорость вращения диска и величину угла на который повернулся вал.

Помимо фото датчиков, в инкрементальном энкодере могут применяться датчики холла. В этом случае вместо диска с рисунком применяется магнит. Разрешающая способность у такого энкодера значительно ниже чем у оптического. Также возможна фиксация положения диска при помощи щеточной системы.

Для определения направления вращения диска в систему добавляется еще один фото датчик. Такой энкодер называется квадратурным. Второй датчик сдвигается относительно первого таким образом, чтобы можно было зафиксировать четыре состояния: первый открыт, второй закрыт; оба открыты; первый закрыт, второй открыт; оба закрыты (10-11-01-00). При этом канал одного датчика называется синусом (A) а канал другого косинусом (B). Таким образом, если при движении диска сначала открывается датчик A, а затем датчик B (т.е. последовательность 10-11) то это движение в одну сторону. Если же сначала B а затем A (01-11) то имеет место обратное вращение.

Помимо возможности определить направление вращения, квадратурный энкодер позволяет увеличить точность позиционирования вдвое. Недостатком инкрементальных энкодеров является тот факт, что после включения устройства невозможно определить положение вала двигателя без проведения дополнительной процедуры инциализации. В рамках этой процедуры происходит вращение двигателей до обнаружения специальной метки (reference mark). Нахождение метки отдельным фото датчиком означает что двигатель прибыл в начальное положение и готов к работе.

Абсолютный энкодер

Для устранения главного недостатка инкрементальных энкодеров - потеря позиции при выключении питания, был разработан абсолютный энкодер. Диск с метками в этом энкодере устроен несколько сложнее. Начиная от края диска, на нем размещаются несколько слоев меток. Каждый слой отвечает за одну позицию в бинарном выходном коде. Для снятия сигнала с каждого слоя, напротив него размещается свой отдельный фото датчик. При этом, в каждом фиксированном положении диска, на выходе имеется строго уникальный бинарный код.

Часто, для кодирования угла на диске используется код Грея. Последовательность состояний датчика с таким кодом выглядит следующим образом: 000-001-011-010-110-111-101-100. В коде Грея, каждое последующее состояние отличается от предыдущего только на один бит.  Применяются также и другие системы кодирования состояний. Например, на рисунке представлен диск энкодера с обычным двоичным кодом.

Следует отметить, что принципы заложенные в датчиках поворота применяются и в датчиках линейного перемещения. В частности, рисунок энкодера может наноситься не на диск а на подвижный элемент линейного актуатора. То же самое касается и потенциометров.

Датчик расстояния, дальномер

Ультразвуковой датчик расстояния
Для оценки расстояния до объекта служат ультразвуковые (ultrasonic range finder), а также оптические инфракрасные (IR range finder) и лазерные (laser range finder) дальномеры. 

Работа ультразвукового датчика основана на принципе эхолокации. Динамик прибора издает УЗ импульс на определенной частоте и замеряет время до момента его возвращения на микрофон. Зная скорость распространения звука в окружающей среде и время замеренное таймером можно рассчитать расстояние до препятствия.

Ультразвуковые сенсоры широко применяются в промышленности и медицине. В отличие от оптических сенсоров они легко могут определять расстояние до прозрачных и бликующих предметов. Из недостатков эхолокации следует отметить достаточно большой угол диаграммы направленности, что приводит к неоднозначности измерений расстояния до поверхностей с неровностями. 

Средняя цена ультразвуковых дальномеров, оформленных в виде готовых модулей, составляет $3 (HC-SR04), что делает их весьма доступными для наших целей. 

В основе оптических дальномеров для коротких расстояний (до сотен метров) лежит подход, называемый триангуляцией. Инфракрасный светодиод через фокусирующую линзу излучает очень узкий пучок света. Отраженный от препятствия свет попадает на приемник, представляющий собой CCD матрицу. На основе анализа изображения CCD матрицы встроенный контроллер рассчитывает угол наклона принятого луча, и с помощью нехитрых тригонометрических выражений для прямоугольного треугольника вычисляет расстояние до препятствия. 

Благодаря использованию узконаправленного луча оптические дальномеры могут использоваться для сканирования поверхностей и целых предметов, с достаточно высоким разрешением. Стоимость датчика с оптической триангуляцией выше стоимости ультразвукового дальномера в несколько раз и составляет в среднем $15.

Для оценки больших расстояний применяются лазерные дальномеры, работа которых аналогична работе ультразвуковых эхолотов. Вместо звука, в этом типе дальномеров использует отраженный от препятствия лазерный луч. Цена готового прибора варьируется от $500 до нескольких тысяч $.

Следует заметить, что в оптическом дальномере на основе триангуляции в качестве излучателя часто используется лазер. Такой модуль тоже может называться лазерным дальномером.

Гироскоп

Классический механический гироскоп представляет собой устройство, состоящее из массивного тела (ротора), вращающегося с большой скоростью вокруг своей оси симметрии. Гироскоп обладает двумя замечательными свойствами, в основе которых лежит закон сохранения вращательного момента. Эти свойства делают гироскоп незаменимым инструментом для целей навигации.
 
Первое свойство - способность гироскопа сохранять направление главной оси относительно пространства. Другими словами, если разместить ротор гироскопа в кардановом подвесе с возможностью вращения вокруг всех трех осей, то гироскоп будет сохранять свое положение при любом движении основания подвеса. Проще всего представить себе работу гироскопа на примере полета самолета. Перед вылетом, разместим в кабине самолета гироскоп, и развернем его так, чтобы ось ротора смотрела на полярную звезду. Затем сильно раскрутим ротор, а еще лучше подключим к ротору небольшой двигатель. Самолет взлетает и начинает выполнять фигуры сложного пилотажа, включая бочку и мертвую петлю. Так вот, какие бы маневры не совершал самолет, ротор гироскопа по-прежнему будет смотреть на полярную звезду. Надо думать, что гироскопы чаще всего и применяются в самолетах для определения их положения в пространстве.

Ко второму замечательному свойству можно отнести возникновение прецессии ротора при приложении к нему внешнего вращательного момента. Суть этого явления заключается в том, что если пытаться повернуть ротор вокруг оси, перпендикулярной оси его вращения, то гироскоп будет сопротивляться этому движению но, что неожиданно, станет вращаться вокруг оси, перпендикулярной оси принудительного вращения. Это свойство используется в корабельных гирокомпасах - устройствах которые в отличие от магнитного компаса указывают на истинный полюс земли и не подвержены влиянию электромагнетизма.

Ввиду высокой сложности изготовления, цена настоящего механического гироскопа для авиации, начинается от $1500. Кроме того, размер и масса такого устройства достаточно велики чтобы использовать их в тех же авиамоделях.

МЭМС гироскопы

Появление МЭМС-технологии (микроэлектромеханические системы) позволило создать дешевый миниатюрный гироскоп, который встречается сегодня практически в каждом смартфоне. Справедливости ради, следует сказать что этот самый микро-гироскоп не то же самое что авиационный гироскоп. Это устройство правильнее называть гиротахометр, то есть измеритель  скорости угла поворота. В основе МЭМС-гироскопа лежит так называемый вибрационный гироскоп, в котором роль вращающегося ротора играет своеобразный вибрирующий маятник. При повороте гироскопа, вибрирующий маятник пытается сопротивляться приложенной силе. Возникающее сопротивление маятника фиксируется различными способами и преобразуется в электрический сигнал.

МЭМС-гироскопы различаются по ряду параметров:
  • диапазон измеряемой скорости поворота: 100гр/с, 400гр/с, 2000гр/с;
  • оси, для которых производится измерение, любые комбинации осей X,Y и Z (Pitch, Roll, Yaw);
  • наличие встроенных фильтров (обычно ФНЧ (low pass filter) и ФВЧ (high pass filter)).
Как правило, МЭМС-гироскоп имеет от одного до трех аналоговых выходов, напряжение на которых пропорционально скорости поворота корпуса устройства вдоль соответствующих осей. Также, готовые модули гироскопов могут иметь встроенный АЦП и цифровой внешний интерфейс, например I2C.

МЭМС-гироскопы используются для стабилизации полета вертолетов, квадрокоптеров и прочих авиамоделей. Как уже говорилось, во многих смартфонах имеется встроенный гироскоп (бывает и акселерометр), который используется в различных интерактивных приложениях. В таком устройстве как Сегвей (Segway) гироскопы, совместно с акселерометрами служат для обеспечения балансирования устройства на двух колесах. Стоимость МЭМС-гироскопа варьируется в районе $10-40.

Акселерометр

Акселерометр - это прибор, позволяющий измерять ускорение тела под действием внешних сил. Схематически, акселерометр можно изобразить в виде массивного тела, которое способно передвигаться вдоль некоторой оси и соединено с корпусом прибора пружинами. Если такой прибор толкнуть вправо (кадр B), то груз сместится по направляющей влево от центра оси. Определяя смещение груза относительно центральной точки и удается определить величину действующего ускорения.

Следует отметить, что на акселерометр, как и на все тела на этой планете, действует гравитационная сила. Если повернуть прибор на 90 градусов, эта сила сместит груз вниз и прибор покажет величину ускорения свободного падения.

Как правило, современные акселерометры позволяют измерять проекцию ускорения сразу на три оси трехмерного пространства. Зная эти величины, легко можно рассчитать угол наклона конкретной оси относительно поверхности земли. Однако, измерение наклона с помощью акселерометра возможно только тогда, когда последний находится в состоянии покоя. Ведь если на гироскоп во время измерения подействует любая другая сила, прибор непременно её зафиксирует и тем самым внесет ошибку в расчет углов.

Готовый модуль акселерометра может снабжаться как аналоговыми выходами - по одному на каждую ось, так и встроенным АЦП с цифровым интерфейсом I2C.

Как и в случае гироскопа, электронные акселерометры в наше время изготавливаются по технологии МЭМС. Благодаря этому, акселерометр можно легко встроить в мобильное устройство, миниатюрный беспилотный аппарат или в балансирующего робота. Цена устройства варьируется от $10 - $40.


Датчик температуры

Такой датчик можно встретить практически в каждом современном электронном приборе. Возьмем, к примеру, персональный компьютер. В нем есть датчики, измеряющие температуру процессора. В зависимости от этих измерений, вентилятор системы охлаждения меняет частоту вращения лопастей. Если же температура превысит все допустмые пределы, компьютер просто выключится. Аналогично устроена и система охлаждения двигателя в любом автомобиле.

Выделяют три основных типа датчиков температуры.

1) Терморезисторы (Thermistor) представляют собой полупроводниковые приборы, сопротивление которых сильно зависит от температуры. По диапазону рабочих температур  терморезисторы делятся на низкотемпературные (до 170 К), среднетемпературные (от 170 до 510 К) и высокотемпературные (выше 570 К).

Подключается такой датчик к контроллеру, по той же схеме что и фоторезистор. То есть, необходимо построить делитель напряжения, верхним плечом которого будет служить терморезистор. 

К этому же типу датчиков относятся и болометры - тепловые приемники излучения, чаще всего оптического. Такие датчики используются в тепловизорах для регистрации ИК-излучения от нагретых объектов.

2) Термопары (Thermocouple) основаны на термоэлектрическом эффекте. Термопарой такой датчик называется потому, что он действительно состоит из двух проводников с различными термоэлектрическими свойствами. 

Подключить термопару к микроконтроллеру можно и напрямую к АЦП, но ЭДС термопары составляет несколько милливольт, и такой способ даст очень неточные результаты измерения. Лучше подключить датчик через операционный усилитель, либо воспользоваться специализированной микросхемой, например, MAX31855.

   

3) Диодные датчики (Silicon bandgap temperature sensor) - ещё один вид термодатчиков, широко применяемых в микроэлектронике. На этот раз, для регистрации температуры используется обычный кремниевый диод. Под воздействием нагрева, меняется прямое падение напряжения, которое можно легко измерить.

При достижении температуры 200-250 гр., растет ток утечки, и показания датчика на основе кремния становятся слишком неточными. Обойти это ограничение позволяет карбид-кремния.

Comments