4.2.1 Rotary Encoder:
Rotary encoder hay còn gọi là shaft encoder, là một thiết bịđiện cơ dùng đểđo vận tốc hoặc vị trí. Encoder sử dụng các cảm biến quang đểđưa ra một chuỗi xung có thể chuyển
đổi thành các giá trị của chuyển động như vận tốc, vị trí hay hướng.Hình dưới mô tả cấu tạo một dạng encoder: một đĩa rất mỏng và một diode phát quang (LED) gắn ở một phía, phía bên kia có một transistor nhạy sáng (light activate) phát hiện ánh sáng từ LED. Đĩa
được gắn vào trục quay và khi trục quay thì đĩa quay. Khi đĩa quay đến vị trí mà ánh sáng
từ LED có thể truyền qua khe trên đĩa đến transistor làm nó bão hòa, transistor sẽ phát ra
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot t
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguy
§ Incremental Encoder :
Encoder với một chu
thể. Các encoder lo
chuỗi thứ nhất. Encoder này s các trạng thái đượ
Hình 4.2 (a): Mã hóa tín hi
Trường hợp encoder quay thu
§ Absolute encoder :
và lưu trong bộ đ
Trong trường một thi
n dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành
Incremental Encoder :
Hình 4.1 Nguyên lý incremental encoder
t chuỗi xung thì khó để nhận biết chiều chuyển đ
. Các encoder loại incremental có thêm chuỗi xung thứ hai l
t. Encoder này sử dụng hai ngõ ra A, B vuông pha v
ợc mã hóa như sau :
(a)
(b)
Hình 4.2 (a): Mã hóa tín hiệu từ incremental encoder băng mã gray; (b) :
p encoder quay thuận chiều chiều kim đồng hồ
Absolute encoder : hạn chế của incremental encoder là số xung ph
đệm hoặc bộ đếm ngoài, nếu mất nguồn, giá tr t thiết bị cần tắt nguồn định kì để bảo dưỡng thì khi c
——————————————————————————————————————
Trang 32
n động của vật hai lệch pha so với
ng hai ngõ ra A, B vuông pha với nhau, có
ã gray; (b) :
xung phải được đếm n, giá trị đếm sẽ mất. ng thì khi cấp nguồn
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 33
lại nó sẽ không biết tiếp tục ở vị trí nào. Absolute encoder có thể khắc phục
điều này bằng thiết kế đĩa với các vòng đồng tâm trên đĩa, mội vòng đều có những chỗ hở cho ánh sáng đi qua và những chỗ kín xen kẽ nhau gọi là các phần tử nhị phân. Các vòng này bắt đầu từ tâm đĩa và càng ra xa thì số phần tử
nhị phân lại tăng gấp đôi. Giá trịđọc được sẽ có dạng số nhị phân duy nhất cho mội vị trí tương đương của đĩa. Việc mã hóa được thể hiện trong hình sau :
Hình 4.3 : Mã hóa từng vị trí theo mã gray nhị phân của absolute encoder
4.2.2 Gia tốc kế : (accelerometer)
Gia tốc kếđo gia tốc mà nó nhận được tương đối so với gia tốc rơi tự do, tức là bằng gia tốc quán tính trừ gia tốc trọng trường, trong đó gia tốc quán tính được hiểu theo khái niệm của Newton về gia tốc thuộc một hệ quy chiếu đứng yên. Một điều hơi phản trực giác là nếu gia tốc kếđứng yên trên mặt đất sẽ cho ra gia tốc 1 g hướng lên. Để có được gia tốc theo chuyển động, giá trị offset này phải được trừ ra. Nếu gia tốc cần đo nẳm ngang thì gia tốc kế sẽ cho giá trị trực tiếp.
Về nguyên lý, gia tốc kế họat động như một vật nặng đặt trên lò xo. Khi chịu tác động một gia tốc , vật nặng được dịch chuyển đến vị trí mà lò xo có thểđạt được với cùng một gia tốc. Sự dịch chuyển này được đo để cho ra gia tốc.
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 34
Hình 4.4 : Cấu tạo một gia tốc kế dùng lò xo
Một loại gia tốc kế thông dụng là MEMS ( Micro Electro-Mechanical System) . MEMS là công nghệ tích hợp các phần tử cơ khí, cảm biến, chấp hành và điện tử trên cùng một đế silicon. Trong khi phần điện tử có thể chế tạo bằng quy trình sản xuất vi
mạch, phần vi cơ học (micromechanical) được chế tạo bằng quy trình “micromachining”
: làm ăn mòn các tấm sillicon (wafer) hoặc thêm vào các lớp cấu trúc mới để tạo nên các thiết bị cơ và điện cơ. Gia tốc kế lọai MEMS bao gồm một thanh đỡ mang trọng lượng, khi nhận các tác động gia tốc bên ngoài, thanh đỡ này bị lệch khỏi vị trí cân bằng của nó.
Độ lệch này có thểđược đo theo kiểu tương tự ( analog) hoặc số (digittal).
Hình 4.5 : Gia tốc kế 2-trục ADXL202 và sơđồ nguyên lý mạch đo
Một gia tốc kế có thể là loại một hay nhiều trục, do robot có thể phát hiện lực trên một hay nhiều hướng. Robot dùng gia tốc kế loại một hướng, nó có thể nhận biết khi nào robot đụng phải tường ( theo hướng đó ) nhưng không thể biết được nếu robot khác đâm
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 35
vào nó theo hướng vuông góc. Do đó dùng gia tốc kế nhiều trục sẽ tiện lợi hơn. Một ứng
dụng khác là cho robot đi bằng hai chân và ta muốn robot cân bằng trên mặt phẳng. Do
gia tốc kế có thể tính được góc lệch của gia tốc so với gia tốc trọng trường nên ta chỉ cần dùng loại hai trục, nếu gia tốc trên hai trục X-Y ( 2 trục nằm ngang) bằng không, có
nghĩa là robot đang cân bằng hòan tòan.
4.2.3 Con quay ( Gyroscopes)
Gyroscopes có hai loại : mechanical gyroscopes và optical gyroscope.
§ Mechanical Gyroscopes : dựa trên nguyên lý lệch trục của con quay hồi chuyển.
Trong trường hợp con quay đạng quay với tốc độ cao, ta tác động vào một trục thì con quay sẽ phản ứng ở trục còn lại. Trong sơ đồ con quay hình dưới, phần quay (rotor ) có ba bậc tự do và trục của nó ( spin axis) có hai bậc tự do. Khi
rotor quay với vận tốc cao, ta tác động vào trục nằm ngang ( input axis ) thì con
quay sẽđáp ứng ở trục thẳng đứng ( output axis)
Hình 4.6 : Cấu tạo và nguyên lý họat động của con quay hồi chuyển
Trong thực tế, con quay hồi chuyển gồm một rotor được lắp trên một khung động quay quanh trục Y’Y với tốc độ lớn (~ 10000 vòng / phút) nhờ một động cơ. Tốc độ
quay ω cần đo theo trục Z’Z vuông góc với trục Y’Y. Nó làm xuất hiện một ngẫu lực Cg( tỉ lệ với ω) theo hướng X’X vuông góc với hai trục Y’Y và Z’Z có xu hướng làm cho khung động của con quay hồi chuyển quay theo. Ngẫu lực Cgcân bằng với lực đàn hồi của lò xo và thể hiện qua góc quay α của khung. Góc quay αtỉ
lệ với vận tốc góc ω cần đo, để tiện cho việc xử lý thì góc α được chuyển thành tín hiệu điện nhờ vào một điện thế kế.
§ Optical Gyroscopes : mới được phát triển gần đây và được thương mại hóa vào
năm 1982 với ứng dụng trên máy bay. Optical gyroscopes dựa trên nguyên lý : khi
các sóng truyền theo hai hướng ngược nhau trên chu vi hình tròn bán kính r ( chu vi
2
L= πr), và hình tròn quay với tốc độ ω, biểu thức hiệu hai quãng đường có dạng :
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 36
21 12 2 r d d L c ω − = (4.1) Trong trường hợp này, hiệu quãng đường đi sóng tỷ lệ với tốc độ quay cần đo.
Trong thực tế, người ta cho hai chùm tia xuất phát từ cùng một nguồn lazer truyền theo hai hướng ngược nhau trong một sợi cáp quang quay với vận tốc cần đo. Khi ra khỏi cáp, hai tia giao thoa. Bằng cách đếm số vân giao thoa ∆Z bị dịch chuyển do cáp quay có thể tính tốc độ quay : 2Lr Z c ω λ ∆ = (4.2)
trong đó L là chiều dài cáp quang, λ là bước sóng lazer. Con quay quang này cho phép mở rộng phạm vi đo vận tốc về giới hạn dưới ( tốc độ nhỏ) bằng cách tăng độ
dài L của cáp quang khi cuốn nó thành cuộn nhiều vòng
Hình 4.7 Nguyên lý họat động của Optical Gyroscopes
2.2.4 Cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại hoạt động dựa trên nguyên tắc sau : một xung ánh sáng trong vùng
hồng ngoại được phát đi rồi phản xạ lại ( hoặc không phản xạ). Khi ánh sáng phản xạ lại, góc tới của sóng phản xạ sẽ phụ thuộc vào khoảng cách của vật phản xạ. Với việc đo góc phản xạ, ta sẽ suy ra được khoảng cách cần đo. Phép đo như vậy gọi là phép tam giác lượng (triangulation).
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 37
Hình 4.8 Phép đo bằng cảm biến hồng ngoại.
Nhược điểm của cảm biến hồng ngoại là chịu tác động của ánh sáng môi trường và màu sắc của vật phản xạ. Do đó không thể sử dụng cảm biến này cho robot dung ngoải trời. Tuy nhiên một số cảm biến hồng ngoại mới như Sharp IR có thể làm việc tốt với ánh sánh môi trường. Ưu điểm của cảm biến hồng ngoại là góc mở nhỏ nên độ phân giải hướng lớn.
4.3 CẢM BIẾN SIÊU ÂM
4.3.1 Cơ sở vật lý của sóng siêu âm :
Sóng siêu âm là áp suất âm tuần hoàn với tần số lớn hơn ngưỡng nghe trên của tai người. Ngưỡng nghe này thay đổi theo từng người, tính xấp xỉ là 20KHz. Sóng siêu âm được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, chủ yếu là truyền qua môi trường vật chất và đo tín hiệu phản xạ, tín hiệu phản xạ có thể mang theo đặc tính của môi trường đó
.
Hình 4.9 : Vị trí sóng siêu âm trong dải tần số
Siêu âm được sử dụng rộng rãi trong việc đo khoảng cách và định vị vật thể. Sóng siêu âm
được truyền trong không khí với vận tốc 343m/s. Các công thức tính toán cho sóng siêu âm:
f c
=
λ
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 38
m Hz s m khi khong f c 01 . 0 40000 / 343 _ * ≈ = = λ λ (4.4)
Sớng siêu âm truyền trong không khí khi gặp vật cản, môi trường khác hay tương tác với một sóng siêu âm khác có thể xảy ra các hiện tượng sau:
§ Phản xạ § Khúc xạ § Tán xạ § Nhiễu xạ § Giao thoa § Hấp thụ § Suy giảm Trở kháng âm
Trở kháng âm Z là một đại lượng phụ thuộc tần sốđược tính bằng cách lấy áp suất âm
(sound pressure) chia cho vận tốc hạt (particle velocity) và diện tích bề mặt S mà sóng âm
truyền qua.
= (4.5)
Hiện tượng phản xạđược ứng dụng trong thực tế đểđo khoảng cách và định vị vật thể.
Thông sốảnh hưởng đến sự phản xạ sóng siêu âm là trở kháng âm Z =ρ*c. Nếu trở kháng
âm của một môi trường giống như trong môi trường khác, âm sẽđược truyền từ môi trường
này sang môi trường kia. Sự khác nhau trở kháng âm giữa hai môi trường gây ra hiện tượng
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 39
Hình 4.10 : Hiện tượng phản xạ sóng âm, một phần sóng phản xa lại môi trường cũ
và một phần sóng truyền qua môi trường mới
Trong trường hợp đặc biệt, sóng âm có thể phản xạ nhiều lần nếu môi trường không đồng nhất hoặc đi qua nhiều lớp phân cách môi trường.
Hiện tượng tán xạ (hay còn gọi là hiện tượng phản xạ không chính xác) xảy ra khi bề mặt phân cách nhỏ, nhỏ hơn vài bước sóng. Mỗi mặt phân cách đóng vai trò một nguồn âm mới và âm được tán xạ theo tất cả các hướng
4.3.2 Ứng dụng cảm biến siêu âm đo khoảng cách :
Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về sóng phản xạđồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi đến lúc thu về ta có thể xác định được quãng đường mà sóng di chuyển
trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng hai lần khỏang cách từ cảm biến
đến vật cản. theo hướng phát của sóng siêu âm. Khoảng cách từ cảm biến đến vật cản sẽđược
xác định theo nguyên lý TOF (Time Of Flight):
2 .t
v d=
(4.6)
Khi sóng siêu âm phát ra và thu về , cảm biến siêu âm một cách gián tiếp cho ta biết vị trí các chướng ngại vật theo hướng quét của cảm biến. Khi đó dường như trên quãng đường đi
đến vật cản, sóng siêu âm không gặp bất cứ vật cản nào, và đâu đó xung quanh vị trí thông số
cảm biến ghi nhận được có một chướng ngại vật. Vì thế cảm biến siêu âm có thểđược mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ởđâu đó.
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 40
Hình 4.11 : Tầm quét của cảm biến siêu âm
Lựa chọn tần số: Vị trí bất kì của một vật thể trong không gian đều được xác định bằng 1 bước sóng, ngoại trừ những thiết bịđặc biệt có thể đo được ¼ bước sóng nhờ vào việc phân biệt điểm áp suất cao và áp suất thấp.
Một số tần số siêu âm trong thực tế:
§ Robot: f = 30KHz – 80KHz
§ Cá voi , dơi,..: f = 100KHz
§ Thiết bị y tế : f = 1MHz – 50MHz
Ứng dụng của cảm biến siêu âm trong robot
Sự thuận lợi của cảm biến siêu âm nằm ở chỗ giá thành rẻ, khối lượng nhỏ, công suất tiêu thụ thấp và yêu cầu tính toán ít. Trong một số ứng dụng như là dưới nước hoặc trong môi trường khó nhin thấy ( low-visibility), cảm biến siêu âm là thiết bị duy nhất sử dụng được.
Ứng dụng của cảm biến siêu âm trong robot có ba dạng được chia theo mục đích sử dụng: 1. Tránh vật cản (obstacle avoidance) : sóng phản xạ đầu tiên nhận được dùng để đo khoảng cách đến vật thể gần nhấ. Robot sử dụng thông tin này để lập đường đi vòng qua vật cản và tránh va chạm.
2. Lập bản đồ (sonar mapping) : một tập hợp các sóng phản xạ qua quá trình quét quay vòng ( rotational scan) hoặc từ một nhóm cảm biến được sử dụng để xây dựng một bản
đồ của môi trường làm việc. Một tập hợp điểm sẽđược đặt tại cuối khoảng đo được dọc theo hướng phát sóng của cảm biến.
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
Robot trán h hướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 41
3. Nhận diện vật thể (Object Recognition) : một chuỗi các sóng phản xạ hoặc bản đồ được xử lý để phân loại các cấu trúc vật lý của vật thể tạo ra sóng phản xạ. Nếu phân loại thành công, kết quả này có thể dùng để dẫn hướng robot.
Hình 4.12Việc đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm và lập bản đồ
Hình 4.12 mô tả một hệ thống sonar đơn giản, một cảm biến (T/R) vừa đóng vai trò vai trò là đầu phát (T) phát ra sóng âm (P) vừa là đầu nhận (R) của sóng phản xạ (E). Một vật thể O nằm trong vùng giới hạn của sóng ( mô tả bằng vùng màu tối) phản xạ lại sóng tới. Một phần của sóng phản xạ kích thích đầu nhận và đầu nhận phát hiện được
sóng phản xạ. Sóng phản xạ có cùng dạng với sóng tới và cùng có 16 chu kì. Khoảng
cách đo được tính theo nguyên tắc TOF : = với c là vận tốc âm.
Để xây dựng một bản đồ thì các điểm được xác định thông qua việc xoay cảm biến quanh trục thẳng đứng, thể hiện bởi góc , góc quay giữa hai lần đo liên tiếp là ∆ . Các điểm được đặt vào các khoảng cách đo tương ứng. Do khoảng cách từ cảm biến vật thể không đổi nên tập các điểm thu được sẽ vẽ nên một đường bao lấy vật thể. Do
đó bản đồđã được xây dựng.
Cảm biến siêu âm có những hạn chế sau :
• Góc của chùm sóng rộng nên độ phân giải hướng thấp, do trong vùng phát sóng
của cảm biến tồn tại bất cứ vật nào cũng có thể làm sóng phản xạ trở lại.
• Do tốc độ của sóng siêu âm chậm ( so với các cảm biến quang học ) nên giảm