Пироэлектрические датчики

Пироэлектричекие датчики способны обнаруживать тепло, исходящее от человеческого тела или от огня. В самом деле, живые существа - люди или теплокровные животные - излучают инфракрасное излучение (в диапазоне от 8 до 10 мкм), которое может быть обнаружено пироэлектрическими датчиками. Эта особенность используется для обнаружения несанкционированного движения человека в системах тревожной сигнализации. Пироэлектрические датчики другого типа используются для обнаружения возгорания и подачи сигнала срабатывания на систему пожарной сигнализации. Датчики последнего типа представляют собой УФ-датчики, чувствительные к излучениям, исходящим от огня (от 185 до 260 нм).

 

Звуковые датчики

Окружающие нас предметы могут передавать полезные звуки, которыми даже лечат больных или проводят релаксацию работников, подверженных стрессу. Но они могут издавать и вредные звуки, которые называют источниками звуковых «загрязнений». Чем выше частота звука, тем с большей точностью можно определить направление на него. Звуки распространяются со скоростью 320 м/с, если их измерять на уровне моря при температуре 25 °С. При других условиях скорость может отличаться от приведенной. Звуки используются разными способами. С их помощью можно общаться с роботом или обнаруживать препятствия, на которых звуки образуют эхо.

Датчик детектирования звуков представляет собой классический микрофон, сигнал которого усиливается до определенного уровня. Декодирование звуковой команды для исполнения роботом может потребовать значительных ресурсов, если речь идет о распознавании звуков человеческого голоса. Но если для общения с роботом довольствоваться выбором одной определенной частоты, положение дел значительно упрощается. В этом заключается причина успеха небольших роботов, которые реагируют на такие простые однотонные звуки, как хлопанье в ладоши или свист.

В данном случае, как правило, используется два электронных устройства: частотный детектор селектирующий из множества одну определенную частоту, и преобразователь «частота-напряжение», генерирующий напряжение, пропорциональное поступающей на его вход частоте.

Схема, показанная на рисунке 2.8, является одной из возможных реализаций преобразователя частоты в напряжение. Устройство работает по следующему принципу: сигнал, вырабатываемый микрофоном, усиливается интегральной схемой LM386. Она представляет собой усилитель звуковых частот определяемых источником питания +5 В, работающий в диапазоне низких напряжений. Интегральная схема LM2917 –- это преобразователь частота-напряжение.

Рисунок 2.8 – Схема преобразования частоты в напряжение

 

Ультразвуковые частоты лежат выше диапазона звуковых частот и обладают узкой направленностью. Это свойство ультразвуковых сигналов позволило использовать их для измерения расстояний от нескольких сантиметров до 11 м. Ультразвуковая система измерения расстояния излучает спектр частот в полосе частот 40 кГц, а затем измеряет время возврата (отклика) отраженного сигнала. Так как излученный сигнал прошел расстояние от источника до препятствия дважды, измеренное время должно быть разделено на два. Для получения расстояния остается умножить полученный результат на скорость звука.

Теоретически измерить расстояние с помощью ультразвука может показаться простой задачей, но на практике возникают проблемы с правильным приемом отраженного сигнала. Первая проблема - паразитное взаимодействие передатчика и приемника, когда часть сигнала передатчика «просачивается» на вход своего же приемника, в результате чего через несколько секунд после излучения импульса генерируется ложное эхо. Во-вторых, амплитуда отраженного сигнала уменьшается пропорционально пройденному расстоянию.

Первой решение этих проблем предложила компания Polaroid, которая уже 20 лет тому назад изобрела мгновенный фотоаппарат со встроенной системой распечатки снимков.

Polaroid решила проблему, изменяя коэффициент усиления в зависимости от времени (минимальный коэффициент усиления в начале увеличивается с прошествием времени), и блокируя в течение нескольких миллисекунд любой принятый отраженный сигнал.

 

Датчики положения

Знание положения для выбора направления движения - это одна из проблем для ориентации робота. Точное знание своего положения и ориентация относительно отправной точки представляет собой непростую задачу, которая требует привлечения значительных математических ресурсов [15]. Но не всегда требуется знать точное положение. Для некоторых роботов достаточно простого указания для ориентации направления их движения.

Для определения своего местоположения робот может воспользоваться несколькими способами. Используемая информация бывает абсолютной или относительной.

Система глобального позиционирования (GPS - Global Position System) позволяет определить местоположение любого мобильного (сухопутного или водного) транспортного средства на земном шаре с точностью, достаточной для него, но недостаточной для робота, установленного на предприятии. Решение заключается в установке неподвижных маяков на маршруте движения робота для передачи ему необходимой информации. Для повышения точности определения местоположения в качестве возможного дополнительного навигационного маяка можно использовать электронный компас, но магнитные поля двигателей часто снижают достоверность его работы.

В некоторых случаях достаточно знать угол вращения относительно оси. Робот-пылесос, направляясь к разъему зарядного устройства, довольствуется изменением угла вращения относительно источника света, установленного в устройстве.

Ориентиры выполняют для роботов ту же роль, что и маяки для морских судов. Они могут указывать на препятствия, от которых следует уклониться, или передавать другую нужную роботу информацию. В случае с роботами маяк может быть пассивным или активным. Простейшие пассивные маяки представляют собой отражающую ленту, а самые сложные – штрих-коды. Они могут передавать простую или более сложную информацию. Таким образом, несколько маяков, установленных на маршруте движения робота, передают ему информационные сообщения об относительном или абсолютном положении.

Активные маяки дают возможность проводить измерения на базе сигналов различных диапазонов частот. Для общения с роботом используются инфракрасные, ультразвуковые или звуковые сигналы. Ультразвуковые сигналы обеспечивают возможность измерения расстояний или курсовых углов между маяками и роботом. Задача робота заключается в идентификации этих маяков. ИК-сигналы позволяют кодировать излучения для различения маяков. Звуковые сигналы способны при необходимости заменить ультразвуковые сигналы. Первый вариант взаимодействия сигналов различных частот – маяки передают кодированные ИК-сигналы, которые робот получает, направляясь к ним. Второй вариант взаимодействия - робот излучает ИК-луч, активирующий маяки. В свою очередь, маяки излучают спектр ультразвуковых сигналов, измеряемый роботом.

Еще один вид датчиков положения – гироскопы представляют собой датчики, позволяющие измерять угол вращения робота относительно выбранной оси. Гироскоп предназначен для двух следующих измерений: угла поворота робота или его угловой скорости. Он представляет собой датчик угловой скорости, основанный на явлении кориолисовых сил. Это явление возникает в результате передачи на гироскоп определенной угловой скорости вращения. На рис. 2.9 представлен принцип работы датчика.

Рисунок 2.9 – Принцип роботы пьезоэлектрического гироскопа

 

2.2.7 Датчики внутреннего состояния робота

Датчики этого типа сообщают информацию о внутреннем состоянии робота [16]. Плата управления робота обрабатывает информацию с датчиков – прежде всего, ток потребления двигателей и напряжение питания батареи. Но внутренние датчики могут также сообщать информацию о температуре или выполнять тестирование внешних датчиков.

Для измерения напряжения батареи используется делитель напряжения с активным сопротивлением, который обеспечивает напряжение 5 В при полной зарядке батареи. Получаемые при измерениях значения напряжений меняются в зависимости от того, работает ли робот, или он выключен. В состоянии покоя напряжение всегда выше значения для батареи, подающей ток. О реальном состоянии батарей следует судить по их напряжению при работе робота.

Измерение тока потребления двигателей также является очень важной информацией. Оно может либо подтвердить нормальную работу робота, либо указать блокировку одного из двигателей. В случае блокировки робот должен вращаться вокруг своей реи вместо движения по прямой. Если эта неисправность не будет вовремя устранена, двигатель может выйти из строя при повышении тока больше максимально допустимого. Как правило, для определения тока, потребляемого двигателями, используются резисторы небольшого номинала, подключаемые последовательно с каждым из двигателей.

Чрезмерное увеличение температуры электронных компонентов или двигателей представляет собой верный признак неисправности в их работе. В этом случае достаточно использовать терморезистор с отрицательным или положительным температурным коэффициентом сопротивления совместно с каким-либо резистором для образования делителя напряжения, напряжение с которого можно прочесть через аналоговый вход платы управления. Существуют также датчики температуры, которые вырабатывают аналоговое напряжение, пропорциональное температуре.