chương 5 một số cảm biến thông dụng dùng trong robot

CHƯƠNG 5 : MỘT SỐ CẢM BIẾN THÔNG DỤNG DÙNG TRONG ROBOT 5.1 Giao tiếp với cảm biến : Trong chương này, chúng em xin trình bày một số cảm biến đơn giản và cách giao tiếp chúng với bộ vi

CHƯƠNG 5 : MỘT SỐ CẢM BIẾN THÔNG DỤNG DÙNG

TRONG ROBOT 5.1 Giao tiếp với cảm biến :

Trong chương này, chúng em xin trình bày một số cảm biến đơn giản và cách giao tiếp chúng với bộ vi xử lý Xuyên suốt trong chương này là những ví dụ khác nhau về các cách giao tiếp với cảm biến Các loại cảm biến khác nhau như ø: cảm biến quang, công tắc tiếp xúc, microphone, cảm biến nhiệt, cảm biến tiếp cận dùng hồng ngoại, cảm biến lực, sonar … có chi phí không cao và có thể dùng trong mobile robot Trong khi chúng ta muốn robot của chúng ta hiểu và nhận biết được môi trường của nó, thì thực tế khả năng của robot bị giới hạn bởi các cảm biến mà chúng ta trang bị và các phần mềm chúng ta viết cho nó Cảm nhận không phải là nhận thức, các cảm biến chỉ đơn giản làchuyển đổi một số hiện tượng vật lý sang các tín hiệu điện để các bộ vi xử lý có thể đọc nó Điều này được thực hiện bằng cách dùng chuyển đổi analog sang digital trên board vi xử lý, bằng cách đọc giá trị từ cổng I/O hoặc dùng ngắt ngoài Thông thường, cần có một số mạch giao tiếp giữa cảm biến và vi xử lý để xử lý và khuyếch đại tín hiệu

5.1.1 Giao tiếp giữa cảm biến và bộ vi xử lý :

Một khi các bộ cảm biến đã được lựa chọn và mạch giao tiếp thích hợp đã được thiết kế để nối các bộ cảm biến này đến bộ vi xử lý, thì bộ vi xử lý cần phải được lập trình để đọc các cảm biến Những chương trình được lập trình để giao tiếp giữa cảm biến và bộ vi xử lý liên quan đến giao tiếp phần cứng-phần mềm Những thủ tục này có thể thường xuyên hỏi vòng tại một ngõ vào A/D, chờ một xung kích bên ngoài, hoặc có thể được dùng như trình xử lý ngắt Các chương trình này nhận giá trị từ cảm biến và lưu nó vào một vị trí bộ nhớ của bộ vi xử lý

Do đó ngõ ra từ một cảm biến có thể được xem là giá trị của một biến hay của một cờ, từ đó một bộ phận khác trong hệ thống điều khiển dùng các cờ này để kích hoạt các hành vi, các lớp điều khiển cấp cao

5.1.2 Đô nhạy và tầm đo :

Hai đặc tính quan trọng của bất cứ cảm biến nào đó là độ nhạy và tầm đo Độ nhạy là mức độ tín hiệu ra sẽ thay đổi khi đại lượng đo thay đổi Gọi ngõ ra của

cảm biến là r và đại lượng vật lý cần đo là x, độ nhạy của cảm biến được định nghĩa:

∆

r =S ∆ x

r x

Trong đó, một sự thay đổi nhỏ trong đại lượng đo ∆x liên hệ đến một sự thay đổi nhỏ trong đáp ứng ngõ ra ∆r của cảm biến bởi độ nhạy S Một cảm biến phản ứng đối với những thay đổi khác nhau của một số kích thích vật lý bằng cách phát

ra một điện áp đặc trưng Thông thường, một mạch điện gắn với cảm biến sẽ khuyếch đại hoặc biến đổi điện áp này và đưa nó sang bộ biến đổi A/D sau đó được nối đến bộ vi xử lý Bộ biến đổi A/D chỉ nhạy với một tầm giới hạn của điện áp, thường là 0-5v Đối với bộ biến đổi A/D được sử dụng trong luận văn này

vi mạch ADC 0809 chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital chuyển đổi tín hiệu điện áp ở ngõ vào sẽ được chuyển thành 256 giá trị rời rạc Do đó, bất kỳ hiện tượng vật lý phức tạp nào, đều có thể biến thành một con số : ánh xạ tuyến tính và ánh xạ logarithm

Aùnh xạ tuyến tính Aùnh xạ loga

+5 +5 B

A

Điện áp giữa điểm A và mass có quan hệ tuyến tính với vị trí con chạy của biến trở Photodiode tạo ra một đáp ứng tuyến tính với tầm rất rộng của ánh sáng Sau khi tín hiệu từ diode được khuyếch đại bởi khuyếch đại loga, điện áp tại B tỉ lệ logarithm với độ sáng Aùnh sáng logarithm cho tầm đo rộng hơn là ánh xạ tuyến tính

5.2 Cảm biến quang :

Cảm biến ánh sáng thấy được và cảm biến hồng ngoại có vùng phổ khá rộng Các photocell dễ giao tiếp với vi xử lý nhất trong số các cảm biến quang, gồm có các loại như : quang trở, photodiode, phototransitor … Ngõ ra của photocell không phức tạp để diễn dịch

R

5.2.1 Quang trở :

Các cảm biến quang làm cho robot có được các hành vi như là trốn trong bóng tối, tìm nguồn sáng … Quang trở có điện trở thay đổi phụ thuộc cường độ ánh sáng chiếu vào nó Phototransistor có độ nhạy lớn hơn quang trở và cách giao tiếp với vi xử lý tương tự như quang trở Photodiode có độ nhạy lớn nhất, cho ra một tín hiệu tuyến tính với một tầm rất rộng của ánh sáng và đáp ứng nhanh với sự thay đổi của nguồn sáng Điều này làm cho nó hữu dụng trong các thiết bị thông tin để phát hiện ánh sáng đã điều chế Tuy nhiên, tín hiệu lấy từ photodiode cần khuyếch đại trước khi đưa vào vi xử lý

Dưới đây là mạch điện giao tiếp quang trở với vi xử lý thông dụng :

+5 +5 + 5

Phân tích mạch điện của quang trở bên trái: hai điện trở hình thành cầu chia điện áp, Điện trở tổng trong mạch này RT=R+RL, dòng qua mạch là I=V/RT Để mạch chuyển đổi A/D trong vi mạch ADC 0809 đo được điện áp thì phải có dòng vào chân INT1 Tuy nhiên, vì ngõ vào của trở kháng rất cao nên dòng này khá nhỏ so với dòng điện tổng chạy trong mạch Do đó có thể xem điện áp trên INT1 là :

VINT1=IRL Trở kháng của quang trở giảm khi cường độ sáng tăng, nghĩa là điện áp VINT1

giảm Thay thế vào biểu thức trên ta được :

INT = RL

V 1

R +RL

Bộ biến đổi A/D trong mạch ADC 0809 ánh xạ điện áp biến thiên VINT1 vào tầm 0-255 R nên chọn giá trị tương đương với trở kháng của quang trở khi được

+

IN1 IN2

Vint2

R

R

Vint1

RR

R

-+

RL

đặt trong vùng ánh sáng có độ sáng trung bình trong tầm có thể biến đổi của quang trở

5.2.2 Cảm biến tiếp cận hồng ngọai (Near-infrared proximity detector) :

Các cảm biến tiếp cận hồng ngoại gần (gọi tắt là IR) không nhạy cảm với bước sóng hồng ngoại dài thường được thu bởi cảm biến pyroelectric (hỏa điện), mà thường nhạy cảm với bước sóng khoảng 880-900 nanomet Mặc dù các cảm biến này không trả về khoảng cách thực sự đến vật thể, chúng báo hiệu rất chắc chắn sự hiện hữu của một vật thể trong vùng phát hiện hình nón

Một hệ thống hồng ngoại thường gồm phần phát và phần thu Phần phát chỉ đơn giản là một hoặc nhiều Led phát hồng ngoại bước sóng 880nm, phần thu có thể là photodiode hoặc phototransistor Để gọn nhẹ, các nhà sản xuất đã tích hợp phần thu bao gồm bộ khuyếch đại, bộ lọc tần số, bộ giới hạn vào một module Module dò hồng ngọai GP1U52X đáp ứng với sóng mang có tần số 40kHz Tần số

40kHz có nghĩa là Led được chớp tắt vào chu kỳ 25µs Theo bảng chi tiết kỹ thuật

của thiết bị, tín hiệu này nên được điều chế tại tần số thấp hơn Việc chớp tắt sẽ

được thực hiện trong 600µs và ngưng trong 600µs, nghĩa là tần số điều chế

1667Hz Hình vẽ dưới đây sẽ thể hiện giản đồ thời gian và giao thức của bộ

thu-biết bởi độ dò Tương tự, khi ngừng phát phải mất vài microgiây bộ dò mới thay đổi trạng thái Phần dao động 40kHz của mạch phát hồng ngoại sử dụng hai bộ đảo (2/6 của IC74HC04) Mạch dao động này chạy liên tục khi được cấp nguồn , nhưng chỉ chớp tắt Led khi các chân P2.0 và P2.1 của port 2 được sử dụng Led phát khi các bit này ở mức cao và ngược lại Do đó, cần bật và tắt các bit này mỗi

600µs Ngõ ra của module dò sẽ ở mức thấp (0V) khi có tín hiệu phản xạ và ở

mức cao (5V) khi không nhận được tín hiệu, nghĩa là ngõ ra này thuộc loại digital

Do đó chân P3.2 của Port 3 có thể được sử dụng trực tiếp không qua bộ chuyển đổi ADC 0809

Chương trình phát hiện vật thể có thể viết dễ dàng bằng ngôn ngữ Assemply

cho mạch vi xử lý Đầu tiên P2.0 được bật và không làm gì khác trong 600µs, sau

đó P3.2 được kiểm tra và trạng thái của nó được lưu trong ô nhớ trong RAM Tiếp

theo tắt P2.0 và không làm gì trong 600µs kế, sau đó P3.2 được kiểm tra lần nữa

và lưu trạng thái của nó vào một ô nhớ khác trong RAM Một vật thể được phát hiện nếu ngõ ra bộ dò ở mức thấp khi Led phát và ở mức cao khi Led tắt Bằng cách chớp tắt Led liên tục sẽ làm giảm nhiễu của bộ dò

5.2.3 Cảm biến hồng ngoại đo tầm (near-infrared range sensor) :

Module GP1U52X ở trên thì phổ biến, dễ sử dụng Tuy nhiên, để đo chính xác tầm của một vật thể ở gần , cần sử dụng cảm biến GP2D12 có ngõ ra analog cho

ra một điện áp có độ lớn phụ thuộc vào khoảng cách đến vật cản

Module GP2D12 gồm một Led phát hồng ngoại và một bộ dò nhạy với khoảng cách PSD Không như bộ dò tiếp cận IR, GP2D12 tính toán tầm thật sự

micro giây 600

Tín hiệu từ LED phát

t

t Tín hiệu từ bộ dò

600 micro giây

Chú ý rằng tín hiệu phát phải lan truyền trong vài chu kỳ trước khi được nhận

đến vật thể dựa trên phép đo tam giác Module này tương đối không nhạy cảm với màu sắc và bản chất của vật thể phản xạ

Hình vẽ dưới đây thể hiện cách thức bộ dò làm việc Bộ phát chiếu sáng một vùng nhỏ trên bề mặt vật thể với ánh sáng hồng ngoại để điều chế Một thấu kính tạo ảnh của điểm sáng trên phần tử tích cực ở phía sau bộ thu Ngõ ra của phần tử

tích cực là hàm của vị trí mà ảnh hiện lên trên đó Trên (hình b) ảnh hiện ở giữa phần tử tích cực, khi thiết bị xa vật thể hơn (hình a), ảnh lệch về phía đáy …

Như đã thể hiện trên hình vẽ, khi khoảng cách giữa thiết bị và vật thể quá gần, khoảng 8cm, ảnh hoàn toàn mất trong vùng tích cực của phần tử dò Do đó,

module không thể phát hiện một vật thể ở quá gần cũng như quá xa (năng lượng

phản xạ quá yếu để có thể kích họat bộ dò) tầm làm việc Trong khoảng từ 10-40

cm điện áp ngõ ra tương đối tuyến tính với khỏang cách, và giá trị này cần được chuyển đổi A/D trước khi sử dụng

Ngõ ra tín hiệu của cảm biến được đưa vào kênh IN0 của bộ biến đổi A/D

5.2.4 Cảm biến hỏa điện (pyroelectric sensor) :

Một trong những cảm biến hữu dụng cần cho robot để tương tác với con người

là cảm biến hỏa điện Cảm biến pyrolectric là thành phần quan trọng trong một số

loại báo động chống trộm dùng nguyên lý phát hiện chuyển động Ngõ ra của cảm biến pyroelectric thay đổi khi có một sự thay đổi nhiệt độ nhỏ trên cảm biến Thành phần tích cực trong loại cảm biến này là tinh thể lithium tantalate Điện tích được tạo ra khi tinh thể bị đốt nóng Các cảm biến hỏa điện được tối ưu hóa

để phát hiện bức xạ có bước sóng 8-10 µm (còn gọi là bức xạ hồng ngoại dài phát

ra bởi con người ) Khả năng này làm chúng tiện ích trong các loại cảm biến

chuyển động và hệ thống an toàn

Hình vẽ dưới đây mô tả giao tiếp giữa vi xử lý 89C51 và cảm biến pyroelectric Cảm biến Eltec 442-3 gồm 2 tinh thể lithium tantalate Ngõ ra của cảm biến là sai lệch điện áp đã khuyếch đại giữa hai tinh thể Trong trường hợp

cả 2 tinh thể có cùng nhiệt độ, cảm biến tạo ra tín hiệu luôn ở mức 2,5V (nguồn

cung cấp là 5V) Nếu một người đi ngang qua cảm biến từ trái sang phải, tín hiệu

sẽ vọt lên trên 2,5V khoảng 1V và rồi sụt xuống dưới mức đó và trở về trạng thái bền 2,5V Nếu người đó đi từ phải sang trái, tín hiệu đầu tiên sẽ sụt xuống, sau đó vọt lên và sau cùng trở về trạng thái bền

Sử dụng thông qua bộ biến đổi A/D của mạch vi xử lý tín hiệu của cảm biến được trả về dưới dạng số Chương trình xử lý tín hiệu thu về từ bộ A/D nhận biết

V 5.0

INT 3

+ 5

khi nào kết quả đọc từ cảm biến nằm trên hay dưới một ngưỡng đã ấn định trước, để có thể kích hoạt một số hành vi của robot Các chương trình phức tạp hơn có thề biết được hướng đi của người và cố gắng hướng robot đi chỗ khác

5.3 Cảm biến lực :

Trong các loại cảm biến thì cảm biến lực tương đối tin cậy, do không nhạy với nhiễu và cho ra tín hiệu dễ diễn dịch nhất Cảm biến lực được dùng để xác định khi nào robot va chạm với các vật thể và vị trí chạm tương đối với robot Những thông tin như vậy giúp robot xoay trở để thoát đi khi có va chạm Một số loại cảm

biến lực thông dụng như vi công tắc (microswitch), điện trở dán (load cell), cảm

biến bẻ cong Trong khuôn khổ luận văn chúng em xin trình bày về microswitch

Microswitch :

Microswitch là các công tắc đóng nhả nhỏ, được gắn xung quanh robot để báo hiệu khi robot va chạm với vật cản Hình vẽ dưới đây mô tả một phương pháp dùng Microswitch để phát hiện va chạm giữa robot với các vật cản khác nhau Các Microswitch được gắn theo cách thức: khi có va chạm, một hoặc hai công tắc sẽ đóng, do đó thể hiện vị trí tương đối cuả robot và vật cản

Có hai cách để giao tiếp công tắc này với mạch vi xử lý Mạch điện sau tương đối dễ hiểu Một chân của port P 3.2 được dùng cho một công tắc Khi robot va chạm, một hoặc hai công tắc sẽ đóng, làm thay đổi trạng thái của bit tương ứng từ

0 đến 1 Ưu điểm của cách này là ngõ ra có dạng digital nên không cần biến đổi A/D, tuy nhiên nó dùng đến 3 ngõ vào của Port 3

Thân robot Cảm biến lực

Có một cách khác cùng một chức năng như cách trên, nhưng chỉ dùng một ngõ vào của Port 3 Ta dùng một mạng các điện trở để tạo ra các giá trị điện áp khác nhau tại đầu vào của 89C51 phụ thuộc công tắc nào sẽ bị đóng Chế độ A/D của ADC 0809 cần được sử dụng Chương trình xử lý đọc giá trị trả về từ bộ biến đổiA/D, chuyển đổi kết quả rồi đọc một trong tám cờ nhớ lưu trữ trong RAM nội Cờ nào được đặt sẽ phản ánh công tắc hay bộ công tắc nào đã bị đóng, dựa trên tám tầm của điện áp sụt trên các điện trở

Phân tích kỹ ta thấy đây chỉ là một mạch cộng điện áp, miễn là dòng điện chảy từ nguồn 5V qua điện trở 2.2K và hai điện trở 1K xuống mass lớn hơn nhiều

so với dòng chảy vào bất cứ phần nào của mạch Điện áp nguồn được lấy ra tại các điểm 1/4, 1/2, 1 lần điện áp nguồn , do đó điện áp tổng sẽ là 1/3 x(A+B+C)

(trong đó mổi điểm A,B,C được nối vào các điểm ra tương ứng hoặc xuống mass).

Vì bộ biến đổi A/D cho ra các giá trị số từ 0-255 nên điện áp đọc được sẽ là 1/3 của 255 lần điện áp tổng từ các công tắc Ví dụ, khi chỉ có công tắc A bị đóng (nối xuống mass), giá trị đọc được từ A/D sẽ là:

4.7 K

k 4.7

P3.2 P3.3

4.7 K

P3.4

A

2.2 K

K

47 k 1

INT3

47 K

B

+ 5

C

K

47

1 K

1 K

Khi các công tắc B,C bị đóng giá trị đọc là 85

5.4 Các cảm biến vị trí và hướng :

Bộ mã hóa trục quay (shaft encoder)

Shaft encoder là một cảm biến đo vị trí hoặc tốc độ quay của một trục Thông thường, shaft encoder được gắn trên trục ra của motor dẫn động Tín hiệu phát ra

bởi cảm biến này có thể là mã tương ứng với vị trí nào đó của trục quay (còn gọi

là bộ mã hóa tuyệt đối) hoặc là một chuỗi xung Bộ mã hóa phát ra một chuỗi

xung được gọi là bộ mã hóa tăng dần Mỗi lần trục quay một góc nhỏ,trạng thái ngõ ra của nó thay đổi từ mức cao xuống mức thấp hoặc ngược lại Do đó, tốc độ các xung được phát ra tương ứng với tốc độ quay của trục

Một biến trở có thể được dùng như bộ mã hóa tuyệt đối Mỗi vị trí của trục xoay có một trở kháng duy nhất Mã hóa tuyệt đối dùng để xác định vị trí của cánh tay robot

Mã hóa tăng dần thường được dùng để phản hồi vị trí của robot trong không

gian (bánh xe được quay bao xa) hay để đồng nhất vận tố của 2 bánh xe (mỗi bánh

được gắn một bộ mã hóa) Có 2 loại mã hóa tăng dần phổ biến: photoreflector

hoặc photointerrupter

• Photointerrupter : Loại này chứa một đĩa xoay trên đó có khắc các rãnh Đĩađược gắn trên trục động cơ và xoay cùng với nó Một Led hồng ngoại được đặt ở một phía của đĩa và một phototransistor ở phía còn lại Khi đĩa quay, ánh sáng xuyên qua đĩa bị ngắt bởi các khe chuyển động Do đó tại ngõ ra của phototransistor tín hiệu sẽ có dạng chuỗi xung Chuỗi xung này được đếm bằng bộ vi xử lý Toàn bộ hệ thống gồm : Led phát hồng ngoại và photodetector được gắn ở hai bên của đĩa xoay được gọi là bộ photointerrupter

• Loại photoreflector : Loại này dựa trên nguyên lý phản xạ của chùm tia hồng ngọai Chùm hồng ngoại từ một Led phát, chiếu lên một đĩa có các vạch đen trắng xen kẽ nhau và phản xạ về một phototransistor Tùy thuộc vào vạch đen hay trắng mà tia hồng ngïoại có phản xạ trở lại đến phototransistor hay không, do đó tại ngõ ra của phototransistor, tín hiệu có dạng chuỗi xung Ưu điểm của photoreflector là hệ thống thu và phát được đặt cùng một phía với đĩa quay Đĩa quay không nên mỏng quá, nếu không năng lượng phát ra từ Led hồng ngoại có thể xuyên qua giấy