Descripción, Tipos y utilización de sensores y actuadores en robótica.

1. Sensores para robots móviles

2. Un sensor es un dispositivo que convierte magnitudes físicas en magnitudes
eléctricas proporcionales a la intensidad de la entrada.
En la actualidad, casi cualquier magnitud puede medirse utilizando sensores.
¿Qué es un sensor?
Sensor
Magnitudes físicas
- Luz
- Distancia
- Posición
- Velocidad
- Inclinación
- Aceleración
- ...
Variables eléctricas
- Resistencia
- Tensión
- Corriente
- Capacidad
- ...

3. La salida de los sensores puede ser tanto digital como analógica.
En algunos casos, incluso pueden estar preparados para conectarse a buses de
comunicación estándares, que permiten conectar más de un sensor en el mismo
cableado.
Tipos de salida
Sensor
Salida Analógica
Salida Digital
- Paralelo
- Bus
- SPI
- I²C
- CAN
- Serie
- ...

4. Sensoresdeubicación

5. En esta categoría veremos los sensores que pueden brindarle información al
sistema sobre la ubicación actual del robot.
Entre los más simples se pueden mencionar los sensores de choque, de
inclinación, de seguimiento de línea o incluso los encoders para motores.
También hay sensores más complejos como los LIDAR, o los GPS.
Tipos de sensores de ubicación

6. Son switches mecánicos que se activan al contacto, y permiten detectar cuando
el robot móvil ha impactado contra un obstáculo.
El montaje de estos sensores es externo al robot, y normalmente se usan como
último sensor frente a una situación de colisión.
Sensores de choque

7. También llamados Tilt switches en inglés, son dispositivos que indican si el
robot está inclinado más allá de cierta pendiente.
Son sensores digitales basados en una gota de líquido conductor (antiguamente
se utilizaba mercurio) para cerrar o abrir un circuito.
Sensores de inclinación

8. Estos sensores incorporan un emisor de luz infrarroja, y un fotodiodo o
fototransistor que cumple la función de receptor de luz.
Al estar paralelos, el receptor detecta la intensidad del reflejo de la luz emitida
sobre un objeto. Mientras más claro es el objeto, mayor es la reflexión y por lo
tanto mayor es la tensión de salida. Vienen modelos con salida analógica y con
salida digital.
Sensores de seguimiento de línea

9. Estos sensores miden desplazamiento angular de forma discreta.
Se montan sobre el eje de un motor o rueda, y permiten medir el desplazamiento
angular de dicho eje. Tienen dos salidas, desfasadas 90º entre sí, por lo que
permiten también detectar el sentido de giro.
Encoders relativos

10. Estos sensores miden posición angular de forma discreta.
Son similares en funcionamiento a los relativos, pero la salida codifica la
posición actual en grados del eje. Normalmente la salida utiliza un bus de
comunicaciones estándar.
Encoders absolutos

11. Son sensores de distancia mediante la estimación de tiempo de vuelo,
montados sobre un motor, que permite tomar distancias a puntos alrededor del
robot sobre el que está montado.
De acuerdo a la posición angular del sensor, se va mapeando el entorno
completo hasta cubrir los 360º, y ese mapa se actualiza varias veces por
segundo.
LIDAR

12. LIDAR
Fuente: Video de YouTube

13. Posicionamiento global (GPS, GALILEO, GLONASS...)
El sistema global de posicionamiento (GPS) es un sistema basado en satélites
que permite estimar la posición de un receptor en tierra con un cierto margen de
error, normalmente inferior a los 10 metros. Los satélites transmiten en todo
momento una señal de reloj extremadamente precisa.
Es necesario tener visibilidad de al menos cuatro satélites para poder
determinar la posición. El cálculo se hace en el receptor, teniendo como
referencia el tiempo que demora la señal de cada satélite en llegar.

14. Posicionamiento global (GPS, GALILEO, GLONASS...)

15. Sensoresdedistancia

16. Estos sensores miden la distancia de forma indirecta, es decir, miden otra
magnitud relacionada y mediante un modelo matemático estiman la distancia
real.
Los más comunes miden el tiempo de recorrido de una señal en el espacio, tales
como los sensores de ultrasonido, o la posición de un reflejo, como los sensores
ópticos de distancia.
Principio de funcionamiento

17. Estos sensores estiman la distancia a un objeto
mediante la posición de un reflejo sobre una superficie
sensible a la luz.
Es necesario saber de antemano el rango de distancia
que se va a medir, para elegir el sensor correcto.
Los más conocidos de este tipo son los de la
línea GP2Y0A de SHARP.
Sensor de distancia óptico

18. Estos sensores estiman la distancia a un objeto
mediante el tiempo de eco de una señal de sonido.
Los más conocidos de este tipo son los de la
línea HC-SR04.
Sensor de distancia ultrasónico

19. UnidadesdeMediciónInercial(IMUs)
(acelerómetros, giróscopos,
magnetómetros)

20. Unidades de medición inercial - Concepto

21. Estos sensores miden su propia aceleración lineal sobre cada uno de los ejes
coordenados (X, Y, Z) del sistema de referencia del sensor.
Esta medición se hace de forma indirecta, midiendo variación de la capacidad
de un micro-capacitor electromecánico (sistema MEMS).
La aceleración aplicada sobre un objeto
genera una fuerza sobre el mismo, que
desplaza un mecanismo móvil conectado
al capacitor, que en consecuencia modifica
su capacidad.
Acelerómetro - Principio de funcionamiento
Fuente: Video de YouTube

22. Estos sensores miden su propia velocidad de rotación alrededor de cada uno de
los ejes coordenados (X, Y, Z) del sistema de referencia del sensor.
Esta medición se hace de forma indirecta, midiendo variación de la capacidad
de un micro-capacitor electromecánico (sistema MEMS).
Si a un objeto que está en movimiento sobre un
eje, se le aplica una velocidad de rotación, se
produce una fuerza debido al efecto coriolis,
que hace mover las placas del capacitor,
variando su capacidad.
Giróscopo - Principio de funcionamiento

23. Detección de la velocidad angular
Fuente: Video de YouTube

24. Estos sensores miden la posición del norte magnético de la tierra sobre cada
uno de los ejes coordenados (X, Y, Z) del sistema de referencia del sensor.
Esta medición se hace de forma indirecta, midiendo la acumulación de cargas
sobre un sensor de efecto Hall.
Cuando una corriente circula por un conductor
y este conductor está sometido a un campo
magnético (como puede ser el terrestre), se
genera una diferencia de potencial entre los
extremos del conductor perpendiculares al
campo magnético.
Magnetómetro - Principio de funcionamiento
Fuente: Video de YouTube

25. Salida de datos de la IMU
Salida de datos digital mediante
protocolo estándar
- Bus SPI
- Bus I²C
Salida de datos analógica

26. Sensores gráficos

27. Sensor de color RGB
Estos sensores son capaces de brindar información sobre el color del objeto al
cual apuntan, dentro de ciertas restricciones.
El principio de funcionamiento es simple: tiene una matriz de sensores, y cada
sensor un filtro de color. Este filtro se encarga de asegurar que a cada sensor le
llegue luz de un solo color, estimando de esta forma la componente de cada uno
de los valores R, G, y B.
Alrededor del sensor se colocan LEDs para asegurar una correcta iluminación
del objetivo, y lograr una medición más independiente de la iluminación exterior.

28. Sensor de color RGB

29. Cámara 2D
Estos sensores capturan imágenes, tanto estáticas como dinámicas (fotos o
vídeos). Generalmente se comunican por bus, ya que la cantidad de información a
transmitir es muy grande y compleja.
El procesamiento de imágenes y vídeos requiere un procesador potente, aunque
hay sensores con procesador incorporado.
ArduCam OV2640 OV7670 ESP32-CAM

30. Cámara 3D
Estos sensores son similares a las cámaras 2D, pero además capturan
información de distancia a cada punto. La cantidad de información que sale es
incluso superior a las cámaras 2D y por lo tanto requieren aún más capacidad de
procesamiento.
DOMI ToF Sensor pieye Nimbus 3D Kinect (video)