Chương 4 Cảm biến trong robot.docx

Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
CHƯƠNG 3
CẢM BIẾN DÙNG TRONG ROBOT TỰ HÀNH
Có một lượng lớn các cảm biến khác nhau được dùng trong lĩnh vực robotic, áp dụng nhiều
kĩ thuật đo khác nhau và sử dụng các giao tiếp khác nhau với bộ điều khiển. Điều quan trọng là
tìm ra cảm biến thích hợp cho một ứng dụng cụ thể. Dữ liệu truyền đến bộ điều khiển có 2
dạng : CPU-initiated (hỏi vòng) và sensor-initiated (sử dụng ngắt). Trong trường hợp CPU-
initiated, CPU liên tục kiểm tra xem dữ liệu có sẵn sàng để đọc không bằng một đường tín hiệu
trạng thái. Việc này thì tốn thời gian hơn là giải pháp sensor-initiated, chi đòi hỏi đủ ngõ vào
ngắt thôi. Cảm biến phát tín hiêu ngắt đến CPU và CPU đáp ứng ngay lập tức.
Sau đây là bảng tóm tắt các dạng ngõ ra của cảm biến :
Ngõ ra cảm biến Ứng dụng
Tín hiệu logic (1,0) Công tắc hành trình
Tín hiệu tương tự Cảm biến đo góc
Tín hiệu xung thời gian Cảm biến siêu âm
Dữ liệu nối tiếp (RS232 hoặc USB) GPS Module
Dữ liệu song song Camera số
Bảng 4.1 Phân loại cảm biến theo ngõ ra
4.1 PHÂN LOẠI CẢM BIẾN
Dưới cái nhìn của người kỹ sư, thật hợp lý khi phân loại cảm biến theo ngõ ra vì điều này rất
cần thiết khi giao tiếp chúng với hệ thống nhúng. Tuy nhiên, Bảng 4.2 trích từ [9] cho ta các
cách phân loại khác cũng quan trọng khi nhìn vào khía cạnh ứng dụng của chúng:
Từ cách nhìn của một robot, ta cần phân loại như sau:
• Local hoặc on-board sensors ( cảm biến được đặt trên robot )
• Global sensors (cảm biến được đặt bên ngoài robot và trong môi trường làm việc của nó,
gửi dữ liệu về robot)
Từ cách nhìn của một hệ thống robot tự hành, ta cần phân loại như sau:
• Internal hoặc proprioceptive sensors ( cảm biến khảo sát trạng thái bên trong của robot )
• External sensors ( cảm biến khảo sát môi trường của robot)
Một cách phân biệt khác là :

Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 1
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
• Passive sensors ( cảm biến khảo sát môi trường mà không tác động đến môi trường đó,
ví dụ như camera, con quay gyroscope)
• Active sensors (cảm biến tương tác với môi trường để thực hiện đo đạc, ví dụ như cảm
biến dùng sóng siêu âm, lazer, hồng ngoại)
Local Global
Internal Passive
Cảm biến định lượng (pin,accu)
Cảm biến nhiệt độ cho chip
Encoder đầu trục
Cảm biến góc
Cảm biến gia tốc
La bàn (compass)
Active
External Passive
Camera onboard
Active
Cảm biến siêu âm
Cảm biến hồng ngoại
Cảm biến lazer
Passive
Overhead Camera
GPS từ vệ tinh
Active
Hệ thống định vị dùng cảm biến
siêu âm
Bảng 4.2 Các cách phân loại cảm biến trong robot tự hành
4.2 CÁC CẢM BIẾN THÔNG DỤNG TRONG ROBOT TỰ HÀNH:

4.2.1 Rotary Encoder:
Rotary encoder hay còn gọi là shaft encoder, là một thiết bị điện cơ dùng để đo vận tốc
hoặc vị trí. Encoder sử dụng các cảm biến quang để đưa 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 một xung
vuông. Có hai dạng rotary encoder : incremental encoder và absolute encoder.
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 2
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
 Incremental Encoder :
Hình 4.1 Nguyên lý incremental encoder
Encoder với một chuỗi xung thì khó để nhận biết chiều chuyển động của vật thể.
Các encoder loại incremental có thêm chuỗi xung thứ hai lệch pha so với chuỗi
thứ nhất. Encoder này sử dụng hai ngõ ra A, B vuông pha với nhau, có các trạng
thái được mã hóa như sau :
(a)
(b)
Hình 4.2 (a): Mã hóa tín hiệu từ incremental encoder băng mã gray; (b) :
Trường hợp encoder quay thuận chiều chiều kim đồng hồ
 Absolute encoder : hạn chế của incremental encoder là số xung phải được đếm và lưu
trong bộ đệm hoặc bộ đếm ngoài, nếu mất nguồn, giá trị đếm sẽ mất. Trong trường một
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 3
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
thiết bị cần tắt nguồn định kì để bảo dưỡng thì khi cấp nguồn 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 trị đọc 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 kế đo 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 kế đứng 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 thể đạt được với cùng một gia
tốc. Sự dịch chuyển này được đo để cho ra gia tốc.
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 4
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
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 thể được đo theo kiểu tương tự ( analog) hoặc số (digittal).
Hình 4.5 : Gia tốc kế 2-trục ADXL202 và sơ đồ 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

Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 5
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
đụng phải tường ( theo hướng đó ) nhưng không thể biết được nếu robot khác đâm 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 sẽ đáp
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 cần đo theo trục Z’Z vuông góc với trục Y’Y. Nó làm xuất hiện một ngẫu lực ( tỉ
lệ với ) 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 cân bằng với lực đàn hồi
của lò xo và thể hiện qua góc quay của khung. Góc quay tỉ lệ với vận tốc góc cần đo,
để tiện cho việc xử lý thì góc được chuyển thành tín hiệu điện nhờ vào một điện thế
kế.
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 6
Obj275Obj276Obj277Obj278Obj279Obj280Obj281Obj282
Obj283Obj284

Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
 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 ), và hình tròn quay với tốc độ , biểu thức hiệu hai quãng đường có dạng :
(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 bị dịch chuyển do cáp quay có
thể tính tốc độ quay :
(4.2)
trong đó L là chiều dài cáp quang, 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
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 7
Obj285
Obj286
Obj287
Obj288
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
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).
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
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 8
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
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:
(4.3)
(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
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 9
Obj289
Obj290