Giáo trình IUH Kỹ thuật robot Chương 5 Cơ cấu chấp hành và cảm biến

Chương Cơ cấu chấp hành cảm biến Trong chương này, hai thành phần robot đề cập: cấu chấp hành cảm biến Trong phần đầu tiên, tính hệ thống dẫn động trình bày bao gồm nguồn cung cấp, khuếch đại nguồn, động servo truyền động Dựa tính linh hoạt điều khiên, hai loại động servo sử dụng, động servo điện dùng để dẫn động cho khớp tay máy có kích thước nhỏ vừa, động servo thuỷ lực dùng để dẫn động cho khớp tay máy cỡ lớn Các mơ hình tốn học mô tả mối quan hệ vào/ra cho động dẫn ra, với sơ đồ diều khiển cho diều khiển Các dộng servo điện sử dụng dể dẫn dộng cho bánh xe robot di động Kế đến, cảm biến nội Vĩ (proprioceptive) trình bày cho phép thực phép đo lường đại lượng đặc trưng nội cua tay máy, cụ the mã hoá (encoder) giải mã (resolver) cho việc đo vị trí khớp, đo tốc độ góc (tachometer) dùng đo tốc độ khớp; thêm nữa, cảm biến ngoại m (exteroceptive) trình bày bao gồm cảm biến lực dùng để đo lực tác động' lên khâu tác động cuối, cảm biến khoảng cách để phát đối tượng không gian làm việc, cảm, biến hình ảnh dùng đo thơng số đặc trưng đối tượng vậy, tay tương tác vói mơi trường 5.1 Hệ thống dẫn động khớp Sự chuyển động cho khớp tay máy thực bơi hệ thống dẫn động, thơng thường bao gồm: • nguồn cung cấp, • khuếch đại cơng suất, • động servo, • truyền động Sự kết nối thành phần khác hệ thống dẫn động minh họa Hình 5.1 105 TRUYỀN ĐỘNG Hình 5.1: Các thành phần hệ thống dẫn động khớp Với mối quan hệ vào/ra toàn hệ thống, Pc biểu thị cho lượng (thường điện) hên quan đến tín hiệu luật điều khiển, Pu đại diện cho lượng cần thiết để khốp thực chuyển động Các kết nối trung gian đặc trưng cho nguồn cung cấp Pa động (điện, thủy lực, khí nén), lượng cung cấp nguồn Pp có chất vật lý giống Pa, lượng Pm sinh động Hơn nữa, pda, Pds Pdt biểu thị lượng tiêu hao tản nhiệt trình chuyển đổi thực khuếch đại, động truyền động Dể chọn thành phần hệ dẫn động, nên yêu cầu lượng học Pu bơi lực vận tốc mô tả cho chuyển động khớp 5.1.1 Bộ truyền động Việc thực thi chuyển động khớp tay máy đòi hỏi tốc độ thấp vởi mơ-men lớn Nhìn chung, địi hỏi khơng giúp ích cho việc sử dụng hiệu tính học động servo, loại động thường cung cấp tốc độ cao với mô-men nhỏ điều kiện hoạt động tối ưu Do đó, truyền động (bánh răng) cần thiết để tối ưu việc chuyển đổi cơng suất học từ động (Pm) cho tói khớp (Pu) Trong q trình chuyển đổi này, cơng suất Pdt bị tiêu hao ma sát Việc lựa chọn truyền động’ cịn tuỳ thuộc vào u cầu cơng suất, loại chuyển động mong muốn, vị trí động so với khóp Thực ra, truyền động cho phép đầu dộng chuyến đổi lượng (vận tốc mô-men) chất (chuyến động quay quanh trục động thành chuyển động tịnh tiến khớp) Ngồi cho phép hiệu suất tĩnh động tay máy tối ưu hoá, cách giảm bớt tải hiệu động đặt nằm ngược lên khóp; ví dụ, vài động lắp lên phần đế robot tổng trọng lượng tay máy giảm tỷ lệ công suất trọng lượng tăng lên Các truyền dộng sau thường sử dụng cho robot cơng nghiệp: • Bánh trụ trịn điều chỉnh đặc tính chuyển động quay động cách thay đoi trục quay và/hoặc cách dịch chuyển diem áp dụng • Trục vít me (vít dẫn hướng) chuyển đổi chuyển động quay động thành chuyển dộng tịnh tiến, cần thiết cho dẫn động khớp tịnh tiến; để giảm bớt ma sát, vít bi thường sử dụng ứng lực trước để tăng độ cứng giảm khoảng chết 106 • Dẫy đai curoa (timing belt) dây xích sử dụng để định vị động cách xa trục khớp dẫn động, ứng suất dây đai gây biến dạng, sau thứ sử dụng ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao lực nhỏ Mặt khác, dây xích sử dụng ứng dụng địi hỏi tốc độ thấp, khối lượng lớn chúng gây dao dộng tốc độ cao Vói giả định truyền dẫn chắn mà khơng có khoảng chết mối quan hệ lực đầu vào (vận tốc) lực đầu (vận tốc) hoàn toàn tỷ lệ thuận Các tính học động sử dụng cho hệ thống dẫn động đơi cho phép kết nối trực tiếp động vởi khớp mà không sử dụng thành phần truyền động (điều khiển trực tiếp) Vì khơng có xuất giảm tốc nên đại lượng ghép nối phi tuyến mơ hình động lực học bỏ qua, hạn chế độ đàn hồi truyền động khoảng chết loại bỏ, thuật tốn điều khiên địi hỏi phức tạp Việc sử dụng hệ thống dẫn động điều khiển trực tiếp chưa phổ biến cho tay máy cơng nghiệp yếu tố chi phí, kích thước động phức tạp điều khiển 5.1.2 Động Servo Dẫn động cho chuyến động khớp thực động cơ, cho phép thực chuyển động mong muốn cho hệ thống khí Dựa loại lượng đầu vào Pa, động phân thành ba nhóm: • Động khí nén mà sử dụng lượng khí nén cung cấp máy nén khí chuyển đổi thành lượng học piston tua-bin • Dộng thủy lực chuyển hoá lượng thủy lực lưu trữ hồ chứa thành lượng học máy bơm thích hợp • Dộng điện có nguồn cung cấp lượng điện có sẵn từ hệ thống phân phối điện Một phần lượng đầu vào Pa chuyển đổi đổ xuất dưói dạng lượng học Pm, phần lại (Pds) bị tiêu tán tiêu hao cơ, điện, thủy lực khí nén Các động sử dụng lĩnh vực robot cải tiến động sử dụng tự động hóa cơng nghiệp có cơng suất khoảng từ 10 w đến khoảng 10 kW Vói hiệu suất yêu cầu động nên có yêu cầu sạn so với động sử dụng ứng dụng thơng thường: • qn tính thấp tỷ số cơng suất trọng lượng cao, • khả q tải cung cấp mơ-men xung, • khả phát gia tốc cao, • dải vận tốc rộng (1-1000 vịng / phút), • dộ xác định vị cao (ít 1/1000 vịng trịn), • gợn mô-mcn xoắn thấp để đảm bảo quay liên tục tốc độ thấp Những đòi hỏi tăng lên việc bám quỹ đạo tốt độ xác định vị yêu cầu hệ dẫn động cho robot, động phải đóng vai trị 107 động servo, ó khía cạnh này, động khí nén khó để điều khiến xác sai số nén chất lỏng tránh khỏi Do đó, chúng khơng áp dụng rộng rãi, ngoại trừ việc dẫn động cho chuyển động đóng mở hàm cấu kẹp, hay cho việc dẫn động tay máy đơn giản sử dụng ứng dụng mà điều khiển chuyển động liên tục không xem xét Các động sử dụng nhiều ứng dụng robot động servo điện Trong số đó, loại phổ biến động servo DC nam châm vĩnh cửu động servo DC không choi than Một động servo DC nam châm vĩnh cửu cấu tạo bời: • Stator tạo từ thông; phận nam châm vĩnh cửu làm gốm sắt từ dất (trường cao khơng gian kín) • Phần ứng quay gồm có cuộn dây mang dịng điện quấn quanh lỏi sắt từ quay (rotor) • Cổ góp cung cấp kết nối diện chổi than cuộn dây phần ứng quay dây cấp nguồn bên Một động servo DC không chôi than bao gồm: • Lõi quay (rotor) tạo từ thông; phận nam châm vĩnh cửu làm gốm sắt từ đất • Phần ứng đứng yên (stator) làm cuộn dây đa pha • Chuyển mạch tĩnh, sở tín hiệu cung cấp cảm biến vị trí nằm trục động cơ, tạo chuỗi pha cuộn dây phần ứng hàm chuyển động rotor Với mô tả chi tiết cấu trúc loại động servo trên, việc so sánh nguyên tắc hoạt động động servo DC nam châm vĩnh cửu động servo DC khơng chổi than dẫn tói xem xót đáng ý sau động DC không chổi than, nhờ có cảm biến vị trí rotor mà cuộn dây stator mà trực giao với từ trường lõi xác định; sau đó, cấp nguồn cho cuộn dây khiến cho rotor quay Theo đó, mơ-đun điều khiển điện tử đáo mạch cấp nguồn cuộn dây theo trình tự thích hợp cho từ trưịng phần ứng ln giữ trực giao vói từ trường phần lõi Liên quan đến tương tác điện từ, động hoạt động tương tự với động DC nam châm vĩnh cửu chổi than đặt hướng trực giao so với hướng thơng lượng kích từ Thực tế, chổi than cổ góp động DC nam châm vĩnh cửu đóng vai trị tương tự cảm biến vị trí mô-đun điều khiển điện tử động DC không chổi than Lý để sử dụng động DC không chổi than để loại bỏ vấn đề tiếp xúc học chổi than Thực tế, xuất cổ góp làm giới hạn hiệu suất hoạt động động DC nam châm vĩnh cửu, điều gây tiêu hao điện điện áp rơi phần tiếp xúc chổi than cuộn dây phần ứng quay, tiêu hao ma sát phóng hồ quang trình tiếp xúc từ cực sang cực khác Việc loại bỏ yếu tố gây hiệu ứng cho phép nâng cao hiệu suất hoạt động động mặt tốc độ mài mòn vật liệu 108 Sự đảo ngược chức stator rotor mang lại số ưu điểm định Sự xuất cuộn dây stator thay rotor tạo thuận lợi cho việc tản nhiệt tốt Việc cuộn dây rotor, thay vào nam châm vĩnh cửu cho phép cấu trúc rotor nhỏ gọn hơn, đặc trưng mơ-men qn tính nhỏ Chính vậy, kích thước động DC không chổi than nhỏ so với động DC nam châm vĩnh cửu với công suất; việc cải thiện hiệu suất động lực học có the thực cách sử dụng động DC không chối than Một loại cấu chấp hành khác phổ biến robot cơng nghiệp, động bước Loại động điều khiển xung thích hợp ngun lý hoạt dộng khơng địi hỏi phép vị trí góc trục động Đặc tính động lực học động phần lớn ảnh hưởng tải Ngồi ra, chúng cịn gây dao động học lên cấu trúc tay máy Chính hạn chế mà việc sử dụng động bước bị giới hạn ứng dụng tay máy cỡ nhỏ, chi phí thấp xem xét hiệu suất động lực học Một số lượng định ứng dụng có dùng đến động servo thuỷ lực, dựa nguyên lý hoạt động dơn giản biến đổi thể tích dưởi tác động chất lỏng bị nén Các động servo thuỷ lực đặc trưng nhiều khoang làm piston Động servo tịnh tiến có phạm vi chuyển động giới hạn cấu thành piston đơn Dộng servo quay khơng có giới hạn cấu thành nhiều piston Những động cung cấp hiệu suất tĩnh động lực học so sánh vói động servo điện Một số ưu điểm động servo điện so với động servo thuỷ lực: • nguồn cung cấp phổ biến, • chi phí thấp sản phẩm đa dạng, • hiệu suất chuyển đổi cao, • bảo trì dễ dàng, • khơng gây nhiễm mơi trường làm việc Thay vào đó, chúng có hạn chế sau: • tình trạng q tải trạng thái tĩnh gây tác động lực hấp dẫn cánh tay; phanh khan cấp you cầu phải có, • cần bảo vệ đặc biệt hoạt động môi trương dễ cháy Dộng servo thủy lực có hạn chế sau đây: • cần có trạm nguồn thủy lực, • chi phí cao, sản phẩm hạn chế, khó khăn việc thu nhỏ kích thước, • hiệu suất chuyển đổi thấp, • cần bảo trì hoạt động, • nhiễm mơi trường làm việc rị rỉ dầu Tuy nhiên, bên cạnh động servo thuỷ lực có ưu điêm sau: • không bị tải trạng thái tĩnh, 109 • tự bôi trdn chất lỏng lưu thông tạo điều kiện tản nhiệt, • an tồn mơi trường độc hại, • có tỷ số sức mạnh trọng lượng cao Từ khía cạnh hoạt động, thấy rằng: • Cả hai loại động servo có đặc điểm động lực học tốt, động servo điện có tính linh hoạt điều khiển cao Động lực học động servo thuỷ lực phụ thuộc vào nhiệt độ chất lỏng nén • Dộng servo điện thông thường đặc trưng tốc độ cao mơ-men thấp, (lòi hỏi việc sử dụng truyền dộng (gây đàn hồi khe hở chạy) Ngược lại, động thuỷ lực có khả sinh mơ-men cao tốc độ thấp Theo nhận xét trên, động servo thuỷ lực dược sử dụng đặc biệt cho cấc tay máy đòi hỏi phải mang tải trọng lớn; trường hợp này, động thuỷ lực khơng phù hợp nhất, mà cịn giảm chi phí tổng số chi phí cho tồn hệ thống 5.1.3 Bộ khuếch đại công suất Bộ khuếch đại cơng suất có nhiệm vụ điều chỉnh dịng điện dựa tron tín hiệu điều khiên truyền đến cấu chấp hành đế thực chuyển động mong muốn Nói cách khác, khuếch đại sử dụng phần công suất sẵn có nguồn tỷ lệ với tín hiệu điều khiển; sau truyền cơng suất tới động Đầu vào khuếch đại lấy từ nguồn sơ cấp Pp nguồn liên quan đến tín hiệu điều khien Pc Tong công suất phần cấp cho cấu chấp hành (Pra) phần bị tiêu tán (PdaỴ Đe diều khiển động servo điện, cần thiết phải cung cấp điện áp dịng điện dạng thích hợp tuỳ thuộc vào loại động sử dụng Diện áp (dòng điện) chiều động servo DC nam châm vĩnh cửu, động servo DC không chổi than xoay chiều Giá trị diện áp cho động servo DC nam châm vĩnh cửu hay giá trị điện áp tần số cho động servo DC không choi than xác định bỏi tín hiệu diều khiển khuếch đại, đế làm cho động thực chuyển động mong muốn Dối với dải công suất thường yêu cầu cho chuyển động khớp (cỡ vài kW), khuếch đại transistor sử dụng để thực điều khiển chuyển mạch cách sứ dụng phương pháp PWM Chúng cho phép đạt hiệu suất chuyển doi lượng Pa/(P.p + Pc) lởn 0.9 độ lợi công suất Pa/P( mức 106 Các khuếch đại sử dụng để điều khiển động servo DC nam châm vĩnh cửu biến đói áp chiều DC-DC, động servo DC không choi than biến tần DC-AC Điều khiến động servo thuý lực thực cách thay đoi tốc độ dòng cháy chất lỏng nén tới động Nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ dòng chảy thường giao cho van servo điện-thuỷ lực Diều cho phép thiết lập liên hệ tín hiệu điềiu khiên điện vị trí van để điều chỉnh tốc độ dịng chảy từ nguồn sơ cấp tởi động Tín hiệu điều khiển diện thường khuếch đại dòng cấp cho cuộn solenoid đe dịch 110 chuyến (trực tiếp gián tiếp) phân phối, mà vị trí đo cảm biến phù hợp Độ lớn tín hiệu điều khiển xác định tốc độ dịng chảy chất lỏng thông qua phân phối, theo đặc tính mà làm tuyến tính thiết kế khí chất lượng 5.1.4 Nguồn cung cấp Nhiệm vụ nguồn cung cấp để cung cấp cồng suất cho khuếch đại cần thiết cho hoạt động củèi hệ thống chấp hành Trong trường hợp động servo điện, nguồn cưng cấp bao gồm biến áp chỉnh lưu cầu thông thường Những linh kiện cho phép chuyển điện áp xoay chiều từ trạm phân phối thành điện áp chiều với biên độ phù hợp để cấp cho khuếch đại công suất Trong trường hợp động servo thuỷ lực, nguồn cung cấp rõ ràng phức tạp Thực tế, bơm bánh bơm pit-tông điều khiển động không đồng pha tốc độ không đổi để nén chất lỏng Dể giảm dao động áp suất gây tín hiệu điều khiển tốc độ dòng chảy mà tuỳ thuộc vào điều kiện hoạt động động cơ, hồ chứa kết nối để tích trữ lượng thuỷ lực Hồ chứa đóng vai trị tụ lọc sử dụng ngõ cầu chỉnh lưu Trạm nguồn thuỷ lực hoàn thiện cách sử dụng nhiều phận khác (các lọc, van áp suất, van kiểm tra) đế đảm bảo hệ thống hoạt động ốn định 5.2 Bộ điều khiển Phần trình bày hoạt động điều khiển điện điều khiển thủy lực cho cấu chấp hành khớp tay máy Bắt đầu từ mơ hình tốn học mơ tả hành vi động lực học, sơ đồ khối dẫn cho phóp nhấn mạnh vào tính điều khiển hiệu việc sử dụng truyền động khí 5.2.1 Bộ điều khiển điện khía cạnh mơ hình hố, động DC nam châm vĩnh cửu động DC không chổi than mơ tả phương trình vi phân Trong miền biến phức s, phương trình cân điện áp phần ứng mô tả bởi: Va — (Ra + sLa)Ia + Vg Vg = ẨyQ 77? (5.1) (5.2) Va Ia biểu thị diện áp dòng điện phần ứng, Ra La điện trở điện cảm phần ứng, Vg biếu thị lực điện động mà tỷ lệ thuận với vận tốc góc Qm thơng qua số diện áp kv 111 Hình 5.2: Sơ đồ khối điều khiển điện Cân mô tả phương trình: Cm = (sIm + Fm)Qm + Ct (5.3) cm = ktIa (5.4) Cm Ci biểu thị mô-men dẫn động mô-men phản ứng tải, Im Fm tương ứng niơ-men qn tính hệ số ma sát nhớt trục động cơ, số mô-men kt với kv hệ đơn vị SI Liên quan đến khuếch đại công suất, mối quan hệ vào/ra điện áp điều khiển Vc điện áp phần ứng Va cho hàm truyền: va Vc Gv + sTv (5.5) Gv biểu thị độ lợi điện áp Tv số thời gian bỏ qua so với số thời gian khác hệ thống Thực tế, cách sử dụng tần số điều chế khoảng từ 10 đến 100 kHz, số thời gian khuếch đại khoảng 10~5 đến 10“4 s Sơ đồ khối động servo với khuếch đại công suất (điều khiển điện) minh hoạ Hình 5.2 Theo sơ đồ khối, bên cạnh khối tương ứng vói mối quan hệ trên, cịn có vịng hồi tiếp dịng điện phần ứng, dòng điện xem dược đo cảm biến ki đặt khuếch đại công suất cuộn dây phần ứng động Ngoài ra, sơ đồ cịn có khối ổn định dịng Cị(s) hoạt động tương tự phần tử bão hồ phi tuyến Vịng hồi tiếp nhằm mục đích Một mặt, điện áp V' đóng vai trị tham chiếu dịng vậy, cách chọn khối ổn định dòng phù hợp Ci(s), độ trễ dòng điện phần ứng ỉa điện áp V7 giảm so vói độ trễ Ia Vc Mặt khác, việc sử dụng khối bão hoà phi tuyến cho phép giới hạn biên độ V/, có tác dụng khối giới hạn dòng đảm bảo bảo vệ khuếch dại cơng suất có trường hợp bất thường xảy 112 Hình 5.3: Sơ đồ khối điều khiển điện giống phát điều khiển vận tốc Trong trường hợp ki — 0, hộ số nia sát nhớt khí không đáng ke (lối với hệ số ma sát nhớt điện: ki ì k) (5.6) a giả sử số độ lợi đơn vị chơ Ci(s) Ci — 0, có được: (5.7) Ị k, hệ thống điều khiển hoạt động phát dược điều khiển vận tốc Thay vào đó, kị Ạ 0, việc chọn độ lợi vòng lớn cho vòng hồi tiếp dòng (Kki T> /?,;) dẫn đến trạng thái ổn định: kJt Ị / ('m ~ Ậ— *'r ^rn (5.8) Bộ diều khiển hoạt động phát điều khiển mơ-men, trường hợp Gv có giá trị lớn mơ-men điều khiên độc lập với vận tốc góc Liên quan đến đặc tính động lực học, xem xét mõ hình giảm bậc có dược cách bỏ qua số thời gian điện La/Rn đối vói số thời gian Im/Fm, giả sử Tv ~ diều khiển tỷ lệ Những giả thiết này, với kị — dẫn đến sơ đồ khối Hình 5.3 cho phát điều khiển vận tốc Mặt khác, dược giả sử Kki Ra kiSl/Kki ~ 0, sơ đồ khối kết phát điều khiển mơ-men Hình 5.1 Từ sơ dồ trẽn, mối quan hệ vào/ra điện áp điều khiển, inô-men phản ứng, vận tốc góc dược dẫn ra: Rạ ky kị ky _ Q R'l kill kykt 113 (5-9) Cl Hình 5.4: Sơ đồ khối điều khiển điện giống phát điều khiển mô-men phát điều khiển vận tốc, ta có: Q 777 kt kj Fm y! + sịỉj c (5.10) Rm máy phát điều khiển mô-men Các hàm truyền đạt cho thấy cách tốt hơn, mà khơng dùng đến hồi tiếp dịng, mà hệ thống loại mô-men nhiễu dạng độ lợi tương đương (Ra/kvkị 1/Fm) đáp ứng thời gian (RaIm/kvkt rp _ RaCn lm ~ k _ ~ 77 (5.12) đối vói phát điều khiển vận tốc, phát điều khiển mô-men là: k,„ = Ty T„, = ệi(5.13) m Fm Lưu ý trường hợp điều khiển vận tốc, khuếch đại cơng suất đóng góp vào mối quan hệ vào/ra vói số Gv, trong trường hợp điều khiển mơ-men, đóng góp bên vòng hồi tiếp nội, biếu thức km với hệ số 1Â, ' Như vậy, ứng dụng đòi hỏi hệ thống điều khiển phải loại bỏ mô-men nhiễu (như trường hợp điều khiển khớp độc lập) sơ đồ điều khiến với vịng hồi tiếp dịng khơng khuyến khích Trong trường hợp này, vấn đề thiết lập bảo vệ cho hệ thống giải cách sử dụng giới hạn dòng với khối vùng chết phi tuyến hồi tiếp dòng biểu diễn Hình 5.5 Do đó, giới hạn dịng thực tế có độ xác cao độ dốc khối vùng chết; hiểu độ ón định vịng dịng kiểm sốt hoạt dộng theo cách 114 Hình 5.10: Sơ đồ khối điều khiển dẫn động vởi hồi tiếp vị trí Bên cạnh việc giảm tác động nhiễu lên tín hiệu ngõ cấu trúc diều khiển phải đảm bảo dược cân tối ưu tính ổn định hệ thống diều khiển phản hồi khả bám theo tín hiệu tham chiếu ngõ Việc giảm tác động nhiễu lên ngõ đạt cách chọn độ lợi có giá trị lớn trước cộng với tín hiệu nhiễu, mà khơng ảnh hưởng đến tính on định Nếu mong muốn loại bỏ tác động nhiễu lên ngõ trạng thái ổn định (ứr Ci khơng đói), điều khiên phải có chức khâu tích phân lên sai số krptìmTừ yêu cầu trên, việc sử dụng điều‘khiển đơn giản với khâu tỷ lệ khâu tích phân tín hiệu sai số cần thiết; khâu tỷ lệ thêm vào để nhận biết hành động ổn định mà cung cấp đáp ứng độ giảm dần thời gian lấy mẫu dủ ngắn cho hệ thống kín Điều bơi tồn cặp cực trị gốc toạ độ hàm truyền thẳng Sơ đồ điều khiến cho điều khiển minh hoạ Hình 5.10, km Tm số độ lợi điện áp - vận tốc số thời gian đặc trưng động (5.12) Các thông số điều khiển Kp vằTp nên chọn cho đảm bảo tính ổn định hệ thống điều khiển hồi tiếp có đặc tính động lực học tốt Đê cải thiện đáp ứng q độ, điều khiển điện cơng nghiệp bao gồm vòng hồi tiếp nội dựa phép đo vận tốc góc (hồi tiếp vận tốc) Sơ đồ tổng quát với hồi tiếp vị trí vận tốc minh hoạ Hình 5.11; bên cạnh chuyển đổi vị trí, chuyển dổi vận tốc sir dụng với số kyv, điều khiển tỷ lệ với dộ lợi Kp Với việc áp dụng hồi tiếp vận tốc, diều khiển tích phân-tỷ lệ với thơng số Ky Ty dược giữ lại vòng hồi tiếp vận tốc để loại bỏ ảnh hưởng nhiễu lên vị trí trạng thái on định Sự xuất hai vòng hồi tiếp, thay một, quanh cộng tín hiệu nhiễu dẫn đến việc giảm nhiều ảnh hưởng nhiễu lên ngõ ra, trình độ Việc áp dụng hồi tiếp vận tốc cải thiện đáp ứng độ hệ thống điều khiển so với trường hợp trước Vói việc lựa chọn thơng số điều khiển, có hàm truyền 'ởr với băng thông lớn giảm tượng cộng hưởng Kết qua đáp ứng độ nhanh với dao động giảm, cải thiện khả dm(t) để bám quỹ dạo tham chiếu ứr(í) tốt 120 Dfia Hình 5.11: Sơ đồ khối điều khiển với hồi tiếp vị trí vận tốc 5.3 Cảm biến nội vi Việc áp dụng cảm biến quan trọng để có hệ thống robot hiệu suất cao Có thể phân loại cảm biến thành cảm biến nội vi, dùng để đo lường trạng thái nội tay máy cảm biến ngoại vi, dùng để cung Cấp thông tin môi trường xung quanh cho robot Đe đảm bảo chuyển động kết cấu khí có tương ứng với quỹ đạo chun động hoạch định thuật tốn nhận dạng thông số điều khiển phù hợp sử dụng, địi hỏi việc đo lường trực tuyến, cảm biến nội vi, dại lượng đặc trưng cho trạng thái nội tay máy, chẳng hạn như: • vị trí khớp, • vận tốc khớp, • mô-men khốp Mặt khác, cảm biến ngoại vi điển hình bao gồm: • cảm biến lực, • cảm biến xúc giác, • cảm biến tiệm cận, • cảm biến khoảng cách, • cảm biến tầm nhìn Các cảm biến nhu’ sử dụng để trích xuất tính đặc trưng cho tương tác robot với đối tượng môi trường, để tăng cường mức độ tự chủ hệ thống Những cảm biến phục vụ cho ứng dụng robot thuộc loại cảm biến ngoại vi, chẳng hạn cảm biến âm thanh, độ am, khói, áp suất, nhiệt độ Tống hợp liệu cảm biến có sẵn sử dụng cho việc hoạch định tác vụ, dó đặc trưng robot kết nối thơng minh nhận thức đến hành động Phần sau đây, chức cảm biến nội vi trình bày, cảm biến ngoại vi trình bày phần 121 15 Hình 5.12: Sơ đồ biểu diễn mã hóa tuyệt đối 5.3.1 Bộ chuyển đổi vị trí Mục đích chuyển đơi vị trí để cung cấp tín hiệu điện tỷ lệ thuận với chuyển vị tuyến tính chuyển vị góc kết cấu khí so với vị trí tham chiếu Các chuyển đổi chủ yếu ứng dụng điều khiển máy công cụ, phạm vi sử dụng chúng rộng Chiết áp (potentiometers), biến áp vi sai (LVDT), cảm điện (inductosyn) dùng đe đo chuyển vị tuyến tính Chiết áp, mã hố (encoder), cảm biến đo góc tuyệt đối (resolver) thiết bị đồng có the dùng đê đo chuyển vị góc Các chuyển đổi chuyển vị góc thơng thường sử dụng ứng dụng robot vì, áp dụng cho khớp tịnh tiến, động servo loại quay Xét độ xác, độ bền vững độ tin cậy chuyển đổi phổ biến mã hoá đo góc tuyệt đối, mà nguyên lý hoạt động chúng mô tả chi tiết phần sau Mặt khác, chuyển đổi chuyển vị tuyến tính chủ yếu sử dụng việc đo lường robot Bộ mã hố Có hai loại mã hoá: tuyệt đối (absolute) tương đối/gia lượng (incre­ mental) Bộ mã hoá tuyệt đối bao gồm đĩa quang đưịng trịn đồng tâm (tracks) xử lý; mồi vịng trịn có chuỗi ln phiên cung (sectors) suốt cung mờ Một chùm tia sáng phát tương ứng vói rãnh tròn tiếp nhận photodiode phototransistor đặt phía đối diện đĩa quang Bằng xếp phù hợp cung suốt mờ, có the chuyển đối số vị trí góc thành giá trị số tương ứng số lượng rãnh tròn xác định độ dài liệu này, từ dẫn đến độ phân giải mã hố Dể tránh vấn đề sai sót phép đo chuyển đổi liên tục cung suốt cung mờ mã hoá với mã Gray sử dụng, thể Hình 5.12 với rãnh trịn cho phép biểu diễn 16 vị trí góc quay Có thể nhận thấy rằng, phép đo mập mờ bị loại bỏ chuyển tiếp có số thay đoi (Bảng 5.1) Đối với độ phân giải tiêu biểu cần thiết cho điều khiển khởp, mã hố 122 Bảng 5.1: Bảng mã hố vói mã Gray # Mã # Mã 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 10 11 12 13 14 15 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000 tuyệt số lượng tối thiểu 12 rãnh tròn (bit) sử dụng (độ phân giải 1/4096 cho vòng quay) Những mã hố cung cấp phép đo xác vịng trịn Nếu biết tỷ số truyền giảm, vịng phía khớp tương ứng với vài vịng phía động cơ, thiết bị điện tử sử dụng để đếm lưu trữ số vòng thực tế Các mã hoấ tương đối sử dụng rộng rãi so vói mã hố tuyệt đối chúng đơn giản cấu trúc, giá thành rẻ Giống mã hoá tuyệt đối, mã hoá tương đối bao gồm đĩa quang có hai rãnh trịn Trên rãnh trịn có cung suốt cung mờ (bằng số lượng) đặt xen kẽ Các cung hai rãnh trịn đặt lệch góc 90o Cách đặt cho phép thiết bị điện tử ngồi việc xác định góc quay, cịn xác định chiều quay Thơng thường, vịng rãnh thứ ba với cung mờ thêm vào cho phép định nghĩa vị trí zero tuyệt đối tham chiếu cho vị trí góc Sơ đồ biểu diễn minh hoạ Hình 5.13 Việc sử dụng mã hoá tương đối cho hệ dẫn động khớp rõ ràng đòi hỏi việc đánh giá vị trí tuyệt đối Việc thực bơi mạch điện tử đếm lưu trữ thích hợp Cuối cùng, cần lưu ý thơng tin vị trí sẵn có nhớ khả biến, bị hỏng ảnh hưởng nhiễu tác động lên mạch điện tử, hay biến động khác điện áp cấp Hạn chế rõ ràng không xảy cho mã hố tuyệt đối, thơng tin vị trí góc mã hoá trực tiếp đĩa qưang Bộ mã hố quang có mạch điện tử xử lý tín hiệu riêng bên cho phép cung cấp giá trị đo vị trí góc quay dạng số trực tiếp để giao tiếp với máy tính điều khiển Nếu mạch điện bên sử dụng, giá trị đo vận tốc xây dựng từ giá trị đo vị trí Thực tế, xung tạo chuyển tiếp giá trị đo vận tốc có theo ba cách, cụ thể là, cách sử dụng chuyển đổi điện áp - sang - tần số (vói tín hiệu ngõ tương tự), (kỹ thuật số) việc đo tần số xung, việc đo thời gian lấy mẫu xung Trong đó, cách thứ hai thích hợp cho phép đo tốc độ cao, cách thứ ba thích hợp cho phép đo tốc độ thấp 123 Hình 5.13: Sơ đồ biểu diễn mã hóa tương đối Bộ đo góc tuyệt đối Bộ đo góc tuyệt đối chuyển đổi vị trí điện nhỏ gọn bền vững Nguyên lý hoạt động dựa cảm ứng lẫn hai mạch điện, cho phép truyền tải liên tục vị trí góc mà khơng có giói hạn mặt Thơng tin vị trí góc kết hợp với biên độ hai điện áp hình sin, xử lý chuyển đổi số phù hợp (RDC: resolver-to-digital converter) để có liệu số tương ứng với giá trị đo vị trí Sơ đồ điện đo góc tuyệt đối vởi sơ đồ chức RDC minh hoạ Hình 5.14 Xét mặt cấu trúc, đo góc tuyệt đối máy điện cỡ nhỏ với rotor stator; cuộn dây thứ cấp dược đặt rotor, stator có hai cuộn dây sơ cấp đặt lệch 90° Bằng cách cấp cho rotor điện áp xoay chiều hình sin Vsinut (với tần số khoảng 0.4 đến 10 kHz), điện áp cảm ứng cuộn stator có biên độ phụ thuộc góc quay Hai tín hiệu điện áp đưa tới nhân số, mà ngõ vào chúng (bộ nhân số) a ngõ chúng dưa tới tổng để có tín hiệu V — O'); tín hiệu sau khuếch đại đưa tới ngõ vào dò đồng bộ, có ngõ lọc tỷ lệ thuận với đại lượng sìti(0 — u) Tín hiệu kết sau bù dược lấy tích phân sau đc5 đưa tới ngõ vào dao động điều khiên áp (VCO: a voltage-controlled oscillator) (bộ chuyến đổi điện áp sang tần số) mà xung ngõ ngõ vào đếm thuận-ngược Dữ liệu số đại lượng a sẵn sàng ghi ngõ đếm, đại diện cho phép đo góc Có the nhận thấy chuyên đổi áp sang tần số hoạt động theo nguyên tắc phản hồi Sự diện hai khâu tích phân (trong khâu thể đếm thuận-ngược) vịng kín đảm bảo phép đo vị trí (dưới dạng số) vận tốc (dưởi dạng tương tự) sai số miễn rotor quay vói tốc độ khơng đổi; thật ra, sai số làm trịn xảy ảnh hưởng đến phép đo vị trí Việc bù sai số cần thiết để hệ thống có tính ổn định băng thông phù hợp Nếu mong muốn phép đo vận tốc trả giá trị dạng số cần thiết đến chuyển đổi tương tự-số (ADC) Vì góc tuyệt dối chuyển đổi xác nên ngõ RDC nên có độ phân giải 1/16 bit 124 Hình 5.14: Sơ đồ điện đo góc tuyệt đối 5.3.2 Bộ chuyển đổi vận tốc Mặc dù phép đo vận tốc có thể' thực gián tiếp từ chuyển đổi vị trí, song phép đo trực tiếp vận tốc thường ưu tiên chọn lựa cách sử dụng chuyên đổi phù hợp Các chuyển đổỉ vận tốc sử dụng nhiều ứng dụng gọi vận tốc kế Các thiết bị phổ biến loại dựa nguyên lý hoạt động máy điện Có hai loại vận tốc kế vận tốc kế chiều vận tốc kế xoay chiều Vận tốc kế DC Vận tốc kế chiều chuyển đổi sử dụng nhiều ứng dụng Nó máy phát điện chiều cỡ nhỏ có từ trường cung cấp nam châm vĩnh cửu Cấu trúc đặc biệt trọng đe đạt mối quan hộ vào/ra tuyến tính để giảm tác động nhiệt độ tượng trễ từ trường Vì từ thơng khơng đoi nên rotor quay điện áp ngõ tỷ lệ với tốc độ góc theo đặc tính liên tục máy Vì diện cổ góp nên điện áp ngõ có gợn sóng mà khơng thể loại bỏ cách lọc, tần số phụ thuộc vào tốc độ góc Dải tuyến tính đạt vào khoảng 0.1 đến 1%, hệ số gỢn dư đến 5% giá trị trung bình tín hiệu ngõ Vận tốc kế AC Đe tránh hạn chế gây điện áp gợn sóng ngõ vận tốc kế chiều, ta có the xem xét vận tốc kế xoay chiều Trong vận tốc kế chiều máy phát điện chiều vận tốc kế xoay chiều khác với máy phát điện Thực tế, máy phát điện đồng sử dụng tần số tín hiệu ngõ tỷ lệ thuận với tốc độ góc 125 b) Hình 5.15: a) Sơ đồ biểu diễn miếng dán đo biến dạng, b) Kết nối vào cầu Wheatstone Đe có điện áp xoay chiều mà biên độ tỷ lệ thuận với tốc độ, ta có tho dùng đến máy điện, mặt cấu trúc khác so vói máy phát điện đồng Vận tốc kế xoay chiều có hai cuộn dây sơ cấp stator rotor Nếu hai cuộn dây cung cấp điện áp xoay chiều hình sin vói biên độ điện áp cảm ứng cuộn dây lại vởi tần số, biên độ tỷ lệ với tốc độ góc có ngược pha với điện áp ngõ vào tuỳ thuộc chiều quay; tần số thường thiết lập 400 Hz Đe có ngõ tương tự phép đo vận tốc góc cần sử dụng cấu dò đồng Trong trưòng hợp này, điện áp gợn sóng loại bỏ bơi lọc thích hợp tần số gấp đơi so với tần số nguồn cung cấp Hiệu suất vận tốc kế xoay chiều so sánh với hiệu suất vận tốc kế chiều Hai ưu diem vận tốc kế xoay chiều khơng có tiếp xúc chổi mơ-men qn tính thấp Tuy nhiên, có lượng điện áp dư xuất rotor đứng n, ghép nối ký sinh khơng tránh khỏi cuộn dây stator mạch đo lường 5.4 5.4.1 Các cảm biến ngoại vi Cảm biến lực Việc đo lực mô-men đo trực tiếp mà phải thông qua kết đo biến dạng gây lực (hoặc mô-men) tác động lên phần mở rộng cấu thích hợp Do vậy, phép đo gián tiếp lực thực phép đo dịch chuyển nhỏ Phần tử cảm biến lực miếng dán đo biến dạng, dựa nguyên lý thay đổi điện trở sợi dây xảy biến dạng dưởi tác động lực Miếng dán đo biến dạng Miếng dán đo biến dạng bao gồm sợi dây nhỏ với hệ số nhiệt thấp Sợi dây xử lý cách nhiệt mỏng (Hình 5.15a) dán lên bề mặt phần tử, nơi có biến dạng tác động lực Chiều dài sợi dây thay đổi từ khiến cho điện trở thay đói Miếng dán đo biến dạng chọn cho điện trở Rs thay đổi tuyến tính phạm vi biến dạng cho phép phần tử mơ rộng Để chuyển biến thiên điện trở thành biến thiên điện áp miếng dán đo biến dạng đặt cầu điện trờ Wheatstone Từ Hình 5.15b thấy điện áp cân cầu điện trở mơ tả bởi: 126 Ví) = (1 Vi \ 7?1 + R‘2 R;ì T R.S / (5.30) Khi nhiệt độ thay đoi chiều dài sợi dây thay đổi mà không cần tác động ngoại lực Để giảm tác động thay đổi nhiệt độ lên kết đo, miếng dán đo biến dạng khác thêm vào cầu Wheatstone Miếng đo biến dạng thứ hai dán phần mở rộng vị trí cho khơng chịu biến dạng Cuối cùng, để tăng độ nhạy cho cầu Wheatstone, hai miếng đo biến dạng phải dán cho miếng dùng để đo lực kéo miếng lại đo lực nén Cảm biến mô-men xoắn trục Một cách gián tiếp đe đo mô-men dẫn động khớp thông qua việc đo dòng điện phần ứng động servo DC nam châm vĩnh cửu Nếu muốn đảm bảo kết phép đo không bị tác động thay đổi thông số lực mô-men liên quan (lực ma sát, mơ-men qn tính, ) đến đại lượng cần đo nên nghĩ đến phép đo mơ-men trực tiếp Mô-men xoắn sinh động truyền đến khớp đo miếng đo biến dạng dán phần mở rộng xen động khớp, chẳng hạn phần trục có lỗ Phần phải có độ cứng xoắn thấp độ cứng uốn cao, phải đảm bảo quan hệ tỷ lệ thuận mô-men tác động biến dạng Mô-men xoắn đo mồ-men Cm sơ đồ khối Hình 5.2 Hình 5.6 Thực tố, phép đo khơng bao gồm mơ-mcn qn tính ma sát truyền tải vị trí trước điểm đo Cảm biến lực cổ tay Khi cấu tấc động cuối tay máy tương tác với môi trường làm việc cảm biến lực đo lường ba thành phần lực ba thành phần mô-men so với hệ toạ độ gán cấu tác động cuối Như minh hoạ Hình 5.16, cảm biến sử dụng thiết bị kết nối co tay khâu tay máy cấu tác động cuối Kết nối làm số thành phần mở rộng nhằm tạo sức căng dưởi tác động lực mô-men Các miếng đo biến dạng dán thành phần để đo sức căng Các thành phần xếp thiết kế cho có thành phần chịu biến dạng với hướng tác động lực mơ-men Hơn nữa, thành phần lực đơn hệ toạ độ gắn với cảm biến nên gây số biến dạng để có thành phần lực tách rời cách tốt Vì việc tách rịi hồn tồn khơng the nên số lượng biến dạng đáng ke đổ tái thiết sáu thành phần vec-tơ lực mô-men lớn sáu Cảm biến lực điển hình cảm biến có chi tiết mở rộng bố trí hình chữ thập Maltese thể Hình 5.17 Các chi tiết kết nối khâu ngồi vói cấu tác động cuối gồm có bốn với khung hình chữ nhật Trên mặt đối diện thanh, cặp miếng đo biến dạng dán tạo thành hai nhánh cầu Wheatstone; có tong cộng tám cầu đo cho phép đo tám sức căng 127 Hình 5.16: Sử dụng cảm biến lực khâu tay máy Ma trận liên quan phép đo sức căng vói thành phần lực biểu diễn hệ toạ độ gắn với cảm biến gọi ma trận hiệu chỉnh cảm biến Đặt cơị, với ỉ — 1, ngõ tám cầu đo Wheatstone cung cấp giá trị sức căng gây lực tác dụng lên theo phương Hình 5.17 Ma trận hiệu chỉnh cho chuyển đổi sau: ~fr ỉỹ r £ rì rì 0 C52 c13 0 0 CG1 CG3 C21 0 C32 0 C34 C44 0 0 C17 c25 0 0 Ơ56 0 CG5 CG7 Ơ36 0 a;2 ÚU3 ơ‘38 ƠƯ4 C48 ÍƯ5 0 CƯ7 ÚƯ8 Việc tái thiết phép đo lực thông qua ma trận hiệu chỉnh thực mạch xử lý tín hiệu có sẵn bên cảm biến Các cảm biến đo lực điển hình có đường kính khoảng 10 cm chiều cao khoảng crn, với dải đo từ 50 - 500 N cho lực từ - 70 Nm cho mô-men, độ phân giải 0.1% giá trị lực cực đại 0.05% giá trị mô-mcn cực đại; tần số lấy mẫu ngõ mạch xử lý tín hiệu kHz Cuối cùng, điểm đáng lưu ý phép đo cảm biến lực không the sử dụng trực tiếp giải thuật điều khiển chuyển động/lực giá trị đo mô tả lực tương đương tác động lên cảm biến, khác với lực tác động lên cấu tác động cuối tay máy (Hình 5.16) Vì cần chuyển lực từ Hệ toạ độ cảm biến s sang Hệ toạ độ ràng buộc c sau: 128 Hình 5.17: Sơ đồ biểu diên cảm biến lực chữ thập Maltese Rs o f* S(rcs)R', Rrs J [ nĩ (5.32) địi hỏi phải biết trước vec-tơ vị trí r^s gốc toạ độ Hệ so với Hệ c, ma trận quay R‘s Hệ s so với Hệ c Cả hai đại lượng biêu diễn Hệ c, chúng số cấu tác động cuối đứng yên 5.4.2 Cảm biến khoảng cách Chức cảm biến ngoại vi để cung cấp cấp thông tin cần thiết cho robot đổ thực hoạt động “thông minh” cách tự động Cuối cùng, việc phát vật thể không gian hoạt động quan trọng, chí việc đo phạm vi từ robot đến vật dọc theo đường cho trưởc Loại liệu cung cấp bơi cảm biến tiệm cận, loại cảm biến khoảng cách đơn giản, có khả phát diện vật thể gần vùng cảm nhận cảm biến mà khơng có tiếp xúc vật lý Khoảng cách phát vật the cảm biến gọi phạm vi cảm nhận Trưòng hợp tổng quát cảm biến khoảng cách có khả cung cấp liệu có cấu trúc, cho khoảng cách vật thể đo hướng đo tương ứng, chẳng hạn vị trí không gian vật the phát so vởi cảm biến Các liệu cung cấp cảm biến khoảng cách sử dụng kỹ thuật robot để tránh vật cản, xây dựng bán đồ môi trường hoạt động, nhận biết vật thể 129 SONAR Hình 5.18: Nguyên lý đo khoảng cách rada siêu âm Các cảm biến khoảng cách phổ biến ứng dụng robot cảm biến dựa lan truyền âm thông qua chất lỏng đàn hồi, gọi rađa siêu âm (sonar: Sound NAvigation and Ranging), cảm biến dựa tính truyền ánh sáng, gọi laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Trong phần mơ tả tính hai loại cảm biến Rada siêu âm Các rada siêu âm sử dụng xung âm tín hiệu dội lại đế đo khoảng cách đến đối tượng Vì vận tốc âm thường xác định môi trường cho trước (khơng khí, nước), nên khoảng cách tới đối tượng tỷ lệ thuận với thời gian di chuyển tiếng dội, thưòng gọi thời gian bay (time-of-flight), nghĩa thời gian mà sóng âm cần để di chuyển quãng đưòng cảm biến-đối tượng-cảm biến Các rada siêu âm ứng dụng rộng rãi lĩnh vực robot, đặc biệt robot di động robot nước Sự biến giá thành thấp, nhẹ, công suất tiêu tốn thấp đơn giản so vởi loại cảm biến phạm vi khác Trong số ứng dụng, chẳng hạn nước mơi trường có tầm nhìn kém, rada siêu âm thường phương thức cảm biến khả thi Mặc dù có vài ví dụ hoi rada siêu âm hoạt động tần số âm cho tai người (khoảng 20 Hz đến 20 KHz), tần số siêu âm (lớn 20 KHz) sử dụng rộng rãi để nhận loại cảm biến Các tần số điển hình sử dụng lĩnh vực robot nằm dải từ 20 KHz đến 200 KHz, giá trị cao (cỡ MHz) đạt cách sir dụng tinh thể thạch anh áp điện Trong dải tần số này, lượng sóng phát bời rada siêu âm coi tập trung vào khối hình nón mà độ rộng tia phụ thuộc vào tần số đường kính đầu dị Hơn để đo khoảng cách, rada siêu âm cung cấp liệu hướng định tính vồ đối tượng tạo tín hiệu dội Dối với cảm biến thông thường robot, độ rộng tia chùm tia lượng thông thường nhỏ 15 độ Rõ ràng, độ rộng tia nhỏ hơn, độ phân giải góc cao có the đạt Các thành phần hệ thống đo lường dùng rada siêu âm gồm chuyển đổi, rung lên biến dổi lượng âm thành lượng điện ngược lại, mạch kích chuyển đổi phát tín hiệu phản xạ Hình 5.18 minh hoạ nguyên lý hoạt động: xung I phát chuyển đổi, sau chạm đối tượng o vùng phát hình nón chuyển đổi, phần lượng phản xạ (tín hiệu dội E) hướng nguồn âm phát đối tượng Thời gian bay tv thời gian bắt đầu phát xung siêu âm thu tín hiệu dội lại Khoảng cách đến đối tượng tính từ tv cơng thức: = 130 (5.33) Hình 5.19: Mơ hình phản xạ bề mặt nhẵn: a) bề mặt khơng phát hiện, b) góc khơng bị phát hiện, c) bề mặt vói phát sai (ơ đối tượng thực, Ov số đối tượng ảo phát hiện) cs vận tốc âm thanh, khơng khí có độ ẩm thấp phụ thuộc vào nhiệt độ T theo biểu thức: cs 20.057^ + 273.16 rn/s (5.34) Trong sơ đồ Hình 5.18, việc sử dụng chuyển đổi đại diện cho phát xung tiếp nhận tín hiệu dội lại Cấu hình địi hỏi chuyển tiếp từ phát đến thu diễn sau thời gian trễ định mà không phụ thuộc vào thời gian xung phát mà phụ thuộc vào quán tính chuyển đổi Tuy nhiên, giá thành thấp dễ sử dụng cảm biến có hạn chế độ phân giải góc hưởng tâm, phạm vi đo cực tiếu cực đại mà đạt Đặc biệt, độ rộng hình nón giảm tần số tăng với độ phân giải góc tăng Tần số cao dẫn đến độ phân giải hướng tâm lớn góp phần làm giảm phạm vi đo cực tiểu có thổ phát rada siêu âm Các chuyển đổi áp điện tĩnh điện hai loại có sẵn mà hoạt động khơng khí hoạt động phát thu Các chuyển đôi áp điện khai thác tính chất vật liệu tinh thể thạch anh để biến dạng tác động điện trường rung len điện áp tần số cộng hưởng áp vào Hiệu việc bắt âm chuyển đổi với mơi trường nén chẳng hạn khơng khí thấp Thường sừng lõm hình nón gắn tinh thể để trở kháng âm tinh thể phù hợp với trở kháng âm khơng khí Là loại cộng hưởng, chuyển đổi đặc trưng băng thơng thấp qn tính đáng kể, điều giói hạn phạm vi phát tối thiếu, thay đổi việc sử dụng hai chuyển đổi riêng biệt phát thu Các chuyến đen tĩnh điện hoạt động tụ điện có điện dung thay đổi theo chuyển động và/hoặc biến dạng hai tụ điện, cấu trúc điển hình bao gồm màng nhựa phủ vàng (bản cực di động) trải dài nhôm trịn có rãnh (bản cực cố định) Khi chuyển đổi hoạt động thu, thay đổi điện dung, gây biến dạng màng áp lực âm thanh, tạo thay đối tỷ lệ điện áp tụ diện Khi hoạt động phát, màng chuyển đổi rung lên cách áp chuỗi xung điện lên tụ điện Sự dao dộng điện tạo lực làm rung cực di động 131 Vì chuyển đói tĩnh điện hoạt động tần số khác nhau, chúng đặc trưng băng thông lởn độ nhạy cao, quán tính thấp bắt âm hiệu khơng khí Tuy nhiên, so với chuyển đổi áp điện, chúng hoạt động tần số cực đại thấp (vài trăm kHz so vói vài MHz) địi hỏi điện áp phân cực, điều gây nên phức tạp cho mạch điều khiển Trong số hệ thống đo siêu âm với chuyển đổi điện dung, có rada siêu âm Polaroid, ban đầu phát triển cho hệ thống tự động lấy nét sau sử dụng rộng rãi cảm biến khoảng cách số ứng dụng robot Các cảm biến dòng 600 sử dụng chuyển đổi điện dung loại mơ tả có đường kính khoảng cm, hoạt động tần số 50 kHz đặc trưng độ rộng tia 15 độ, phát mục tiêu khoảng cách tối đa 10 m khoảng cách tối thiểu khoảng 15 cm với độ xác ±1% tồn dải đo Điện áp phân cực 200 V vởi dòng đỉnh A Độ xác cảm biến khoảng cách siêu âm phụ thuộc vào tính chuyển đổi mạch kích/phát hiện, phụ thuộc vào tính chất phản xạ bề mặt va chạm sóng âm Các bề mặt nhẵn, tức bề mặt có đặc điểm bất thường kích thước tương đương với kích thước bước sóng tương ứng với tần số sử dụng, tạo tiếng dội không phát cảm biến (Hình 5.19a, b) góc tói chùm siêu âm vượt góc tới hạn cho trước mà góc phụ thuộc vào tần số hoạt động vật liệu phản xạ Trong trường hợp cảm biến Polaroid, góc 65 độ, tức 25 độ từ bình thường đến bề mặt phản chiếu, bề mặt nhẵn ván ép Khi hoạt động mơi trường phức tạp, phản xạ gương làm phát sinh nhiều phản xạ, gây lỗi đo khoảng cách phát sai (Hình 5.19c) Laser Trong việc xây dựng hệ thống đo lường quang học, tia laser thường ưa thích so với nguồn sáng khác lý sau: • Chúng dễ dàng tạo chùm tia sáng với nguồn trọng lượng nhẹ • Các chùm tia hồng ngoại sử dụng cách kín dáo • Chúng có độ tập trung tốt để từ cung cấp chùm tia hẹp • Các nguồn đơn tần cho phép loại bỏ dễ dàng tần số không mong muốn, không phàn tán từ khúc xạ nhiều nguồn phổ đầy đủ Có hai loại cảm biến khoảng cách dựa laser sử dụng phổ biến: cảm biến ToF cảm biến tam giác Các cảm biến ToF tính tốn khoảng cách cách đo thời gian mà xung ánh sáng cần để từ nguồn đến mục tiêu quan sát sau đến máy dị (thường dặt thẳng hàng với nguồn) Thời gian di chuyển nhân với tốc độ ánh sáng (được điều chỉnh phù hợp vói nhiệt độ khơng khí) cho giá trị đo khoảng cách Nguyên tắc hoạt động cảm biến laser ToF minh hoạ Hình 5.20 132 THÁU KÍNH ĐO LƯỜNG ’ VI xữ LÝ < BÒ ĐẾM THỜI GIAN ĩ Hình 5.20: Nguyên tắc hoạt động cảm biến laser ToF Các giới hạn độ xác cảm biến dựa thời gian quan sát tối thicu khoảng cách tối thiểu quan sát được, độ xác theo thời gian (hoặc lượng tử hóa) thu độ rộng thời gian xung laser Những giói hạn khơng mang tính cơng nghệ Trong nhiều trường hợp, chi phí yếu tố hạn chế thiết bị đo lường Ví dụ, để có độ phân giải mm, độ xác thời gian khoảng ps, đạt cách sử dụng công nghệ dắt tiền Nhiều cảm biến ToF sử dụng có gọi khoảng mơ hồ Cảm biến phát xung ánh sáng theo chu kỳ tính khoảng cách mục tiêu trung bình từ thời diem xung trở lại Thơng thường, để đơn giản hóa thiết bị điện tử phát cảm biến này, thu chấp nhận tín hiệu đến thời gian Af, cửa sổ thời gian quan sát xung trước phản xạ bề mặt xa Điều có nghĩa phép đo không rõ ràng với bội số jcAt, c tốc độ ánh sáng Thơng thường, giá trị |cAí 20 - 40 m Trong số điều kiện định, thuật toán phù hợp sử dụng để khơi phục độ sâu thực cách giả định khoảng cách thay đổi thuận lợi Các cảm biến ToF phát chùm tia nhất, phép đo khoảng cách thu từ điểm bề mặt Để có thêm thơng tin, liệu khoảng cách thường cung cấp dạng vectơ khoảng cách tới bề mặt nằm mặt phẳng dạng hình ảnh Để có biểu diễn dày đặc hơn, chùm tia laser quét qua trường Thơng thưịng chùm tia qt gương thay tự di chuyển tia laser máy dị — gương nhẹ bị hỏng chuyến động Cảm biến ToF điển hình thích hợp cho ứng dụng robot di động có phạm vi -100 m, độ xác 5-10 mm tần số thu thập liệu giây 1000-25000 Hz Nguyên tắc hoạt động cảm biến laser tam giác minh họa Hình 5.21 Chùm tia laser photodiode phát chiếu lên bề mặt quan sát Chùm tia phản xạ hội tụ cảm biến CCD nhị thấu kính thích hợp Rõ ràng, phản xạ phải khuếch tán Vị trí chùm tia hội tụ phản xạ tới máy thu làm phát sinh tín hiệu tỷ lệ với khoảng cách máy phát từ vật the Trên thực tế, từ phép cảm biến CCD dựa vào góc mà lượng phản xạ chạm vào cảm biến Khi biết vị trí hướng tương đối cảm biến CCD so với photodiode, chẳng hạn thông qua quy trình hiệu chuẩn phù hợp, tính tốn khoảng cách từ đối tượng phương pháp hình học đơn giản 133 PHẠM VI bo KHOẢNG ĐO Hình 5.21: Nguyên tắc hoạt động cảm biến laser tam giác Độ xác phép đo bị ảnh hưởng số bề mặt vật thể khơng' có phản chiếu tốt, khác biệt thay đối màu sắc Những yếu tố giảm thiêu chí loại bỏ cơng nghệ điện tử đại tự động điều chỉnh cường độ ánh sáng Khả điều khiển ánh sáng chùm tia laser mang lại ưu điểm sau: • Nếu biết trước bước sóng chùm tia laser, ví dụ bước sóng 670 nm màu đỏ nhìn thấy được, có the sử dụng lọc có tính chọn lọc cao đặt tần số để giảm ảnh hưởng nguồn sáng khác • Chùm tia laser chỉnh sửa lại qua thấu kính gương để tạo nhiều chùm tia dải laser để đo nhiều điểm 3D đồng thời • Hướng chùm tia laser điều khiển trực tiếp hệ thống điều khiển để quan sát có chọn lọc phần cảnh cần quan tâm Những hạn chế loại cảm biến nguy tiềm ẩn an toàn cho mắt sức mạnh tia laser, đặc biệt sử dụng tần số laser khơng nhìn thấy (thường tia hồng ngoại), phản xạ giả từ vật thể kim loại đánh bóng 134 ... Hình 5. 11: Sơ đồ khối điều khiển với hồi tiếp vị trí vận tốc 5. 3 Cảm biến nội vi Việc áp dụng cảm biến quan trọng để có hệ thống robot hiệu suất cao Có thể phân loại cảm biến thành cảm biến nội... trưng robot kết nối thông minh nhận thức đến hành động Phần sau đây, chức cảm biến nội vi trình bày, cảm biến ngoại vi trình bày phần 121 15 Hình 5. 12: Sơ đồ biểu diễn mã hóa tuyệt đối 5. 3.1... đưịng cảm biến- đối tượng -cảm biến Các rada siêu âm ứng dụng rộng rãi lĩnh vực robot, đặc biệt robot di động robot nước Sự biến giá thành thấp, nhẹ, cơng suất tiêu tốn thấp đơn giản so vởi loại cảm