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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 детьми. Наличие большего или меньшего количества вспомогательной электроники повлияет не на процесс качественного обучения школьников, а главным образом — на цену самого изделия.
Об авторе: Шевцова Алиса, инженер-конструктор по робототехнике.
