Датчики в робототехнике. Урок технологии. 6 класс

1.

Датчики
в робототехнике
Урок технологиии
6 класс

2.

Какие бывают датчики для роботов?
Датчики играют в робототехнике одну из
важнейших ролей. При помощи различных
сенсоров робот ощущает окружающую среду и
может ориентироваться в ней. По аналогии с
живым организмом — это органы чувств. Даже
обычный самодельный робот не может
полноценно функционировать без простейших
датчиков. В этой статье мы подробно рассмотрим
все виды датчиков, которые можно установить на
робота, и полезность их применения.

3.

Тактильные сенсоры
Тактильные сенсоры наделяют робота возможностью реагировать на
контакты (силы), возникающие между ним и другими объектами в
рабочей зоне. Обычно этими датчиками оснащают промышленные
манипуляторы, а также роботов с медицинским применением.
Машины, оснащенные тактильными сенсорами, эффективно
справляются с операциями сборки и контроля, то есть функциями,
требующими учитывать тонкости работы.
Разрабатывая современных гуманоидных роботов, производители
оснащают их этими сенсорами, чтобы сделать машины ещё более
«одушевленными», способными воспринимать информацию об
окружающем мире буквально на ощупь.

4.

Оптические датчики
При построении робота просто не обойтись без оптических
датчиков. С помощью них аппарат будет «видеть» все вокруг. Эти
сенсоры работают с помощью фоторезистора. Датчик отражения
(излучатель и приемник) позволяет определять белые или черные
участки на поверхности, что позволяет, к примеру, колесному
роботу двигаться по нарисованной линии или определить
близость препятствия. Источником света часто служит
инфракрасный светодиод с линзой, а детектором — фотодиод
или фототранзистор.
Отдельного внимания заслуживают
видеокамеры. По сути, это глаза робота.
Этот тип датчиков на сегодняшний
широко используется благодаря росту
технологий в сфере обработки
изображений. Как понимаете, кроме
роботов, применений видеокамерам
достаточно: системы авторизации,
распознавания образов, обнаружения
движения в случае охранной
деятельности и т.п.

5.

Типы датчиков для робототехники,
описание.
Обзор для различных платформ
Роботизированное устройство не сможет функционировать
без поступления необходимой информации об окружающем
расположении объектов, с которыми оно должно
взаимодействовать. Источниками такой информации служат
разнообразные датчики, передающие данные на контроллер
— «мозг» — робота, который обрабатывает поступающие
сигналы и «принимает решение» о дальнейших действиях.
Рассмотрим датчики, применяемые в некоторых известных
детских конструкторах для измерения различных
физических величин.

6.

Электронные помощники для платформы LEGO Mindstorms
Education EV3
В набор одной из самых популярных конструкторских платформ входит 5
сенсоров, поставляющих необходимые данные:
Светочувствительный датчик — Education EV3 Color Sensor.
Два тактильных датчика (касания) — Education EV3 Touch Sensor.
Ультразвуковой датчик расстояния — Education Ultrasonic Sensor.
Гироскоп — Education EV3 Gyro Sensor.

7.

Инструмент, дающий «зрение» системе
Первый по списку сенсор дает возможность различать наличие или
отсутствие света, а также, 7 оттенков цветов (белый, черный, синий,
красный, зеленый, коричневый, желтый). Постоянный опрос
происходит с частотой в 1000Гц.
Устройство действует как два компонента в одном — датчик
освещенности (фоторезистор) и трехцветный, излучающий красный,
зеленый и синий свет светодиод. Оно полностью совместимо с
программным обеспечением EV3.
В функцию сенсора входит измерение частоты различных волн,
отражающихся от поверхности исследуемого предмета. Для этих целей
объект освещается тремя цветами с последующим измерением частоты
отраженного света, благодаря чему формируется понятие о цвете
предмета.
Данные датчики могут найти применение в сфере сортировки
изделий, переработки и других отраслях промышленности.

8.

Звуковые датчики
Эти датчики служат для безопасного передвижения роботов в
пространстве за счет измерения расстояния до препятствия от
нескольких сантиметров до нескольких метров. К ним относятся
микрофон (позволяет фиксировать звук, голос и шум), дальномеры,
которые представляют собой датчики, измеряющие расстояние до
ближайших объектов и другие ультразвуковые сенсоры. УЗ особенно
широко используются практически во всех отраслях робототехники.
Работа ультразвукового датчика основана на принципе эхолокации. Вот
как это работает: динамик прибора издает УЗ импульс на определенной
частоте и замеряет время до момента его возвращения на микрофон.
Звуковые локаторы излучают направленные звуковые волны, которые
отражаются от объектов, и часть этого звука снова поступает в датчик.
При этом время поступления и интенсивность такого возвратного
сигнала несут информацию о расстоянии до ближайших объектов. Для
автономных подводных аппаратов преимущественно используются
технологии подводных гидролокаторов, а на земле звуковые локаторы в
основном используются для предотвращения столкновений лишь в
ближайших окрестностях, поскольку эти датчики характеризуются
ограниченным диапазоном.
К числу других устройств, альтернативных по отношению к звуковым
локаторам, относятся радары, лазеры и лидары. Вместо звука, в этом
типе дальномеров используется отраженный от препятствия лазерный
луч.

9.

Датчики положения
Этот вид датчиков используется в основном в беспилотных
транспортных средствах, промышленных роботах, а также
устройствах, требующих самобалансировки. К датчикам положения
относятся GPS (система глобального позиционирования), ориентиры
(исполняют роль маяка), гироскопы (определение угла вращения) и
акселерометры. GPS – это спутниковая система навигации,
обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая
местоположение робота в пространстве. GPS позволяет беспилотным
наземным, воздушным и водным транспортным средствам находить
свой маршрут и без труда двигаться от одной точки к другой.
Гироскопы в робототехнике также распространенная вещь. Они
отвечают за балансировку и стабилизацию любого устройства. А за
счет того, что эта деталь относительно недорогая, её можно
установить в любой самодельный робот.
Акселерометр — это датчик, позволяющий роботу измерять
ускорение тела под действием внешних сил. Этот прибор похож на
массивное тело, способное передвигаться вдоль некоторой оси и
соединено с корпусом прибора пружинами. Если такой прибор
толкнуть вправо, то груз сместится по направляющей влево от центра
оси.

10.

Датчики наклона
Данные сенсоры используются в роботах, где нужно контролировать
наклон, для поддержания равновесия и во избежание переворота
аппарата на неровной поверхности. Существуют как с аналоговыми,
так и с цифровыми интерфейсами.
Инфракрасные датчики
Самый доступный и простой вид датчиков, которые применяются в
роботах для определения приближения. Инфракрасный датчик
самостоятельно посылает инфракрасные волны и, поймав
отраженный сигнал, определяет наличие препятствия перед собой.
В режиме «маяк», данный датчик посылает постоянные сигналы, по
которым робот сможет определять примерное направление и
удаленность маяка. Это позволяет запрограммировать робота таким
образом, чтобы он всегда следовал в сторону этого маяка. Низкая
стоимость этого датчика позволяет устанавливать его практически
на все самодельные роботы, и таким образом, оснащать их
способностью уходить от препятствий.

11.

Датчики температуры
Датчик температуры — еще один полезный прибор, который
часто используется в современных устройствах. Он служит
для автоматического измерения температуры в различных
средах. Как и в компьютерах, в роботах прибор используется
для контролирования температуры процессора и его
своевременного охлаждения.
Мы рассмотрели все самые основные сенсоры, которые
используются в робототехнике и позволяют роботу быть
более ловким, маневренным и производительным.

12.

Чувствительные датчики
Два следующих компонента платформы LEGO Mindstorms Education —
аналоговые датчики, определяющие наличие касания на специальную
кнопку, встроенную в прибор, и силу нажатия. В новом исполнении
устройства могут подсчитывать количество тактильных срабатываний.
Аналоговые датчики выдают постоянный усиленный токовый сигнал,
который преобразуется из измеряемой физической величины. В датчике
используются конденсаторы, емкость которых изменяется при
соприкосновении с препятствием, что регистрируется электронной
схемой, посылающей сигнал в процессор платформы.
У данного вида сенсоров могут использоваться и пьезоэлектрические
материалы, выдающие при деформации небольшой электрический ток
или изменяющие сопротивление.
Спектр использования сенсоров очень широк: от поиска и обнаружения
предметов, до нахождения роботом выхода из различной незнакомой
обстановки, в том числе из лабиринта.

13.

Датчик, измеряющий расстояние
Третий датчик, которым оснащена платформа LEGO, является
ультразвуковым устройством, измеряющим расстояние до объекта при
помощи отраженных ультразвуковых волн. Данное устройство имеет
функцию улавливания сигнала датчиков других роботов (режим сонара),
что дает платформе возможность «слуха».
Сенсор может измерять расстояние до предмета: от 0,03м до 2,5м с
точностью +-1см. Частота опроса сигналом: 1000Гц при дискретности
шкалы измерения в 1 мм. Имеется LED подсветка, помогающая
определить режим работы датчика.
Принцип действия основан на измерении электронной схемой
промежутка времени между отправленным ультразвуковым сигналом и
приемным. Несложно вычислить расстояние, если известно время и
скорость распространения звука в окружающей среде.
Сфера применения ультразвуковых датчиков многообразна. Их
используют в машиностроении, сельском хозяйстве, в любых
автоматизированных производствах, где необходимо четкое измерение
расстояния до предмета.

14.

Датчики для определения положения в пространстве
Последним чувствительным элементом в линейке датчиков
конструктора LEGO Mindstorms Education EV3 является гироскоп.
Для того чтобы робот мог правильно передвигаться, не падая, и
совершать поступательные и вращательные движения, в
конструкторе предусмотрен гироскопический датчик. С его помощью
робот может балансировать, например, на 2 колесах.
Прибор измеряет изменение угла вращения на закрепленной
конструкции. Сверху нанесены 2 красные стрелки, показывающие
рабочую плоскость датчика.
Частота опроса датчика: 1000Гц. Погрешность: +-3° на 90°
измеряемого угла поворота. Максимальный определяемый угол в
режиме гироскопа: 440°.
Гироскоп состоит из поплавка, вращающегося по вертикальной оси
относительно трех систем координат (3 внутренние круглые рамки,
независимо вращающиеся друг от друга). При изменении
направления движения поплавка относительно рамок датчик
передает в контроллер робота данные о пространственном
положении конструкции относительно силы тяжести.
Датчик присутствует только в комплекте образовательных
конструкторов, но его можно дополнительно купить отдельно.

15.

Датчики, используемые в
конструкторах HUNA
Данный производитель имеет разнообразную по возрастной
категории линейку конструкторов. Среди них выделяются наборы
Class 3 Full Kit и MRT3 (1+2+3+4). Это платформы не ограничены
возрастными рамками пользователя (от младших школьников до
старшеклассников). Они включают в себя набор сенсоров:
Два датчика касания (как в конструкторе LEGO).
Датчик освещенности (распознает наличие света).
Три инфракрасных датчика (имеют способность различать границы
предметов, темную и светлую стороны).
Микрофон (улавливает звуки).
По сравнению с конструктором LEGO Mindstorms Education EV3,
отсутствует функция различия цветов, гироскоп и ультразвуковой
измеритель расстояния.

16.

Сенсоры платформы VEX IQ
Конструкторы американского производителя VEX Robotics очень
популярны в мире и принимают участие в соревнованиях по
робототехнике. В состав набора «Супер Кит» входит 7 датчиков:
Гироскоп.
Датчик цвета и освещенности.
Два датчика касания.
Ультразвуковой сенсор.
Два светодиодных устройства с тактильными датчиками.
В данной платформе имеем набор сенсоров, аналогичных LEGO
Mindstorms Education EV3 плюс последние два датчика.
Важно: Любая из перечисленных платформ станет хорошим
началом для постижения азов робототехники. Наличие большего
или меньшего количества вспомогательной электроники повлияет
на цену самого изделия.

17.

Использованные
интернет-ресурсы
1. https://shamrin.ru/datchiki-v-robototehnike-6-klass/
2. https://multiurok.ru/files/konspiekt-zaniatiia-po-tiemievidy-datchikov-datchik-zvuka-naznachieniie-sposobykriepiezha.html
3. https://legoteacher.ru/vidy-datchikov/chto-takoe-datchik/