El documento describe diferentes tipos de sensores y sistemas de comunicación que se pueden usar en robots. Incluye detalles sobre sensores como cámaras, LIDAR, ultrasonido, infrarrojos, GPS, acelerómetros, giróscopos y más. También cubre temas como comunicaciones inalámbricas, sistemas de navegación inercial y fusiones de sensores.

1. Hardware y sensores de robots

2. El ROMEO-4R: Universidad de Sevilla

3. ESTRUCTURA (CAD) Ejemplo: Roboworks

4. Simulación 3D e interfaz Matlab Virtual Reality Toolbox

5. Simulación 3D Robotic Studio: Visual Simulation Environment

6. Sojourner

7. Justificación de Sistemas CAD Retos de experimentos en robots: Hardware puede ser caro Dificultades en reparación y puesta a punto A menudo existe un único prototipo: limita uso y experimentos Ventajas de la simulación: Acceso más general Costo reducido Puede evaluarse si un diseño de robot es el más adecuado Ausencia de datos ruidosos

8. Sistema de dirección Universidad de Sevilla: ROMEO 3R

9. Sistemas de dirección Robot Universidad Central Florida (UCF) Robot Austin

10. Detalle Robot Austin Motor sin escobillas: Quicksilver 34HC-1 I-Grade Alimentación: 12-48V DC Encoder integrado de 16000 pulsos/rev Factor de reducción: 10:1

11. Sistema de frenos Robot Austin: Actuador linear BUG (Ultramotion) Robot Caltech: 4 pistones 0-15 posiciones

12. Sistemas integrados Espíritu de Berlin: Aceleración y freno Espíritu de Berlin: Control de dirección Drive-by-wire : Las acciones del conductor se convierten a señales electrónicas que se transmiten para el control de los servos EMC_AEVIT

13. E-Stop Robot Stanford Robot Universidad de Utah Interruptores

14. Computador central (vibraciones) Robot Universidad de Cornell (2005)

15. Fuente de alimentación Robot Austin: 12V del alternador del vehículo 24V 150A de alternador adicional Por espacio: Batería en compartimiento del vehículo

16. Fuente de alimentación (II) Robot: Victor Tango(Escape Hybrid) Utiliza voltage de la batería híbrida MIT: Generador Berlin: Inversor 12V-1600W (230V) + 2 baterías en maletero

17. Partes del Sojourner Computador central Baterías Sensores Cámara

18. Diseñadores del Sojourner

19. Conectores y baterías Alimentación del hardware: Baterías, 24V Alimentación de motores: Baterías, 36V

20. Conectores 1.- Rápida reparación del sistema 2.- Reducen fallos 3.- Facilitan la implementación del sistema detector de fallos 4.- Reducen cantidad de cables exteriores 5.- Aumenta la fiabilidad del sistema

21. Otras consideraciones Software diagnóstico 1.- Diagnóstico por Software 2.- Diagnóstico por Hardware 3.- Preferiblemente almacenado en ROM Otras consideraciones Uso de cables apantallados para la protección de señales débiles frente a la interferencia Pares trenzados para anular las interferencias electromagnéticas Mantener alejadas las zonas por la que circula señales débiles de las fuentes de alimentación Amplificar las señales débiles cerca de las fuentes de señal (reduce ruído)

22. Ejemplo de módulos

23. Sensores Adquieren información del entorno Sensor : Dispositivo eléctrico, mecánico o químico que convierte un atributo del entorno a una magnitud cuantitativa Se basan en el principio de conversión de un tipo de energía en otra

24. Órganos sensoriales humanos Visión: ojos (óptica, luz) CCD Audición: oídos (sonido,acústica) Micrófono Táctil: piel (mecánica, calor) Presión, fuerza, temperatura Olor: nariz (química fase vapor) Nariz electrónica Sabor: lengua (química fase líquida)

25. Clasificación de sensores Sensores internos: Miden variables internas del robot Nivel de la batería Ángulo de las articulaciones Velocidades de los servos, etc. Sensores externos: Carácterísticas del entorno Presencia de obstáculos (sónares, infrarrojos..) Imagen del entorno Mapa para la navegación (láser)

26. Sensores del PUMA 560 Variables: Posición Velocidad V Puente de Wheastone

27. Sensores en algunos robots

28. Comunicaciones: Control remoto Resistivos: Posición, deformación, peso Sensores en algunos robots (II) Sensores Elastómetro: Incremento de la densidad Fuerza aplicada

29. Sensores táctiles: Sensores en algunos robots (III) Capacidad Carga Fuerza Elastómetro Dieléctrico Placas Elastómetro Elastómetro transparente Fibra transmisora Fibra receptora Ópticos Capacitivos Cargas de esfuerzo

30. Sensores ultrasónicos: Medición de distancias a través del tiempo que transcurre entre la transmisión y recepción de una onda ultrasónica (onda de presión, entre 40-500Khz) Micrófonos de alta frecuencia Sensores en algunos robots (IV) Distancia (cm) Ángulo de percepción

31. Espectro electromagnético

32. Ondas de radio (parte del espectro) Longitud de onda : Distancia entre dos picos Frecuencia : Número de ondas por segundo AM : 750KHz, 400m FM : 100MHz, 3m Onda larga: Barcos Onda media: AM, radiodifusión Onda corta: Policía, aviones VHF: FM, modelos radiocontrol UHF: Televisión Microondas: Celulares, TV satélite, cocina

33. Comunicaciones (Radio-Modem) 460MHz

34. Cámaras infrarrojas Animales Rescate Bomberos Incendios forestales

35. Basados en intensidad Modulados (proximidad) Barrido (distancia) Sensores en algunos robots (V): Infrarrojos

36. Sensores inerciales: Segunda derivada de la posición Acelerómetros Giróscopos Sensores de orientación: Compás Inclinómetro Sensores láser, Visión, GPS... Sensores en algunos robots (VI)

37. Comunicaciones: Conducción espacial remota

38. Radio-Modem (Sojourner) Radio Modem Enlace con la tierra Enlace con la tierra durante el viaje Enlace con el rover

39. Características del radio-modem Características: Modulación- demodulación FM (analógico-digital) Frecuencia central: 459.7 MHz Ancho de banda: 25KHz Interfase con computador: RS232 – TTL Tensión alimentación: 9V Tasa máxima de transferencia: 9600 (2600 efectivo) Radio modem en Estación base es idéntica, pero a 24V

40. Teleoperación:Radio-Modem Interior Exterior 2.4GHz 180m 5Km 900MHz 450m 11Km

41. Sensores resistivos: Desplazamientos lineales y giros 10-15K

42. Baja resistencia cuando hay gran iluminación Interfaz: Puente de Wheastone Sensores resistivos: Fotocélulas

43. Sensores tactiles: Resistivos Miden la fuerza aplicada Área activa Extremidad

44. Sensores tactiles Examinar mamas de forma remota Romper huevos

45. Arreglo de sensores tactiles Atención multiplexada a cada sensor: Semejante a la atención a un teclado

46. Sónares en Robots

47. Sónares Mide distancia calculando el tiempo de rebote de la onda Utilizados en cámaras para autofoco al objeto más próximo Frecuencia de 50kHz, no le afecta el ruido ambiente Genera corriente (4-20mA): 4mA distancias más cortas Distancias aproximadas (Siemens): Corto alcance: 400-3000 milímetros ( 3RG6125-3BF00 ) Largo alcance: 600-6000 milímetros ( 3RG6124-3BF00 ) Se combinan de corto y largo alcance

48. Sónar SRF-04 Se le genera un pulso de disparo El sensor genera 8 períodos con frecuencia de 40 KHz Se devuelve el Eco , su ancho es proporcional a la distancia del obstáculo (distancias de hasta 10m)

49. Fusión sensorial de sónares

50. Creación de mapas usando sensores ultrasónicos Silla Longitud del eco Puerta Silla Barrido sónar de izquierda a derecha

51. Sónares en aplicaciones marinas

52. Medición de un escáner ultrasónico Frecuencia Amplitud Precisión Valores típicos: 200 metros o más: 150KHz 50-200 metros: 300KHz 20-75 metros: 600KHz La frecuencia de operación determina la precisión y la amplitud de la zona de barrido

53. Sensores infrarrojos basados en intensidad

54. Aplicaciones del conmutador optoelectrónico

55. Sensores infrarrojos reflexivos LED transmisor Fotodiodo o fototransistor Luz emitida es infrarroja (no visible) Aplicaciones : Detección de obstáculos, Seguimiento de líneas, Seguimiento de paredes Desventajas: Sensibles a luz ambiente y reflectividad de objetos

56. Modulación y Demodulación Fuente intermitente de luz a determinada frecuencia Un demodulador sintonizado a la frecuencia de intermitencia (32kHz~45kHz) Menos susceptible a la luz ambiente y reflexibidad de los objetos Usados en la mayoría de sensores de proximidad Sensores infrarrojos modulados

57. Sensores infrarrojos (distancia) Sensor infrarrojo Sharp GP2D02 Alcance: 10cm ~ 80cm Immune a la luz ambiente Resistente a cambios de colores y reflectividad

58. Sensores para odometría LED Fotodiodo Circuíto decodi- ficador Encoder incrementales A B A adelanta a B

59. Encoder incrementales Características: A adelanta a B en sentido horario Z indicador absoluto de una revolución Pulsos por revolución: Número de pulsos que genera un canal para girar 360 grados Resolución real: 360/(4PPR), dos canales

60. Encoder absoluto Codificadores absolutos: Posición determinada por lectura del código, que es única No pierden la posición cuando se corta la alimentación Problemática captación de un código a otro en código binario: 0111-1000 Código Gray: Sólo un bit cambia de estado de uno a otro código

61. Tacómetros El PUMA 560 no tiene tacómetros, la velocidad se calcula como incrementos de posición Tacómetro: Mide la velocidad rotacional del motor, a través de convertidor frecuencia a voltaje

62. Velocidad y posición Tiempo (segundos) Distancia recorrida (metros)

63. Ejemplo de tacómetro y configuración básica

64. Aceleración Concepto: Variación de velocidad con respecto al tiempo Unidades: (m/s)/s=m/s 2 “ g”: Unidad de aceleración, corresponde a la gravedad de la tierra al nivel del mar 1g=9.81m/s 2

65. Aceleración y velocidad Tiempo (segundos) Velocidad (metros/segundo)

66. Acelerómetros angulares Cada eje (x, y, z) tiene un acelerómetro Lateral Frontal Superior Principio de funcionamiento: Se basan en la capacidad diferencial , la aceleración provoca el desplazamiento de una estructura de silicio, cambiando la capacidad, los cambios de capacidad se convierten en cambios de voltaje, proporcionales a la aceleración

67. Acelerómetro de tres ejes Analog Devices: ADXL312

68. Giróscopos Eje rotor , que mantiene su orientación debido al al momento angular que genera la masa de la rueda giratoria Potenciómetros Miden la velocidad angular (rad/s)

69. Aplicaciones de acelerómetros y giróscopos Mantener balanceado un robot, prótesis

70. GPS Longitud, latitud y altitud (precision de 4-20 metros) GPS diferencial: 1-3 metros (referencia adicional en tierra) Son los únicos que brindan la posición absoluta Posición de GPS en Google Maps ( programa )

71. GPS (Robotics Studio) Dirección Web: Definido por Service uri Valores adquiridos en Virtual Earth Servicio en MRS

72. Sensores de orientación: Compás Existe un campo magnético terrestre de 0.6 Gauss al aire libre, del polo sur al norte magnético El vector de orientación al polo norte es totalmente horizontal sólo en el ecuador Esencia de la orientación por compás magnético : Se miden las componentes del vector que apunta al campo magnético terrestre (x,y). Compás magnético de tres ejes Honeywell: HMR3000

73. Unidades de medida inercial (IMU) y Sistemas de navegación inercial (INS) Unen la aceleración (acelerómetros) y los cambios de velocidad angular (giróscopos) para establecer la posición en el espacio, a partir de la solución de un conjunto de ecuaciones diferenciales Dan medida de posición relativa Errores acumulativos (igual que odometría) Pueden unirse a otros sensores (GPS, compases..) para corregir desviaciones en la posicíón estimada

74. Procesador de unidad de medida inercial MEMSense: nIMU

75. GPS + IMU Crossbow NAV420

76. Estimación de los seis grados de libertad con la IMU Corrección del sistema de referencia relativo a la tierra Medición de orientación (magnetómetro) Posición absoluta (GPS) Unidad de correción/ Filtro de Kalman Pos Vel 6 grados de libertad para navegación IMU Aceleración en tres ejes

77. IMU de Analog Devices ADIS16367 Giróscopo y acelerómetro de tres ejes

78. Applanix POSLV Sistema de Medición Inercial + GPS

79. Applanix POSLV en un vehículo Devuelve: Posición y orientación en tres ejes (6 GDL) Posición basada en GPS Distancia recorrida por rotación de rueda

80. Aplicaciones: Navegación en vehículos no tripulados UUV UAV UGV

81. LIDAR : Light Detection and Ranging Sensor optoelectrónico Principio de funcionamiento basado en rayo láser reflejado por espejo rotatorio ( esquema ) Mide “tiempo de vuelo”: Intervalo de tiempo desde que se emite la luz a que es reflejada Utiliza zona del espectro con longitud de onda inferior al radar, por lo que detecta pequeñas partículas Usando el tiempo de vuelo y el ángulo del espejo, se determina la localización del objeto Escaner láser de proximidad (PSL)

82. Escaner láser de proximidad (PSL) Rango 2-500 metros Resolución : 10 mm Ángulo de visión : 100 - 180 grados Resolución angular : 0.25 grados Tiempo de barrido : 13 - 40 mseg Devuelve distancia y ángulo de cada punto

83. Escáner de barrido láser Escáner PB-9 (fabricado por Hokuyo Electric ) Rango de detección es de 3 metros, en un ángulo de 162 grados con 91 bloques de resolución

84. Información disponible Muestra de posibles trayectorias

85. Escaner láser de proximidad (PSL) Interpretación de las celdas: Mapa de celdas ocupadas Alta probabilidad de obstáculos: celdas agrupadas P(x,y): Celda ocupada P(x,y): Celda no ocupada

86. Escaner láser de proximidad (PSL) I = imread('celdas_laser.jpg'); imshow(I) background = imopen(I,strel('disk',15)); I2 = imsubtract(I,background); level = graythresh(I2); bw = im2bw(I2,level); imshow(bw)

87. Interfaz (LM 200) Telegramas Respuesta a un Telegrama de solicitud de envío de datos

88. Telegramas (LM 200) Telegrama para verificar conexión con el LIDAR: Status_Chk = uint8([2 0 1 0 49 21 18]); fwrite(s,Status_Chk); Status_Ack = fread(s,161,'uint8'); Telegrama de solicitud de envío de datos: Send_Data = uint8([2 0 2 0 32 36 52 8]); fwrite(s,Send_Data); DataSet = fread(s); Telegrama para detener el envío de datos: Stop_Data = uint8([2 0 2 0 32 37 53 8]); fwrite(s,Stop_Data); StopData_Ack = fread(s,10,'uint8'); Fuente : Olin Robotics

89. Dibujo de mapas Programa en Visual Basic 6 Fuente: Interfaz del LM 200

90. Interfaz con MRS Ejemplo de Andreas Ulbrich: Descripción de la aplicación

91. Entorno en 3D Robot: Gator Nation Techo del vehículo (360 0 ): Equipo Berlin

92. Cámara CCD CCD (Charge-Coupled Device) Cámara CCD : Pieza rectangular de silicio, formado por celdas sensibles a la luz, que representará el valor de un pixel. Se liberan electrones cuando inciden fotones (efecto fotoeléctrico).

93. Aplicaciones Imagen

94. Aplicaciones Imagen (I) Cámaras Identificación y seguimiento Detección de peatones

95. Aplicaciones Imagen (II) Detección de caminos Reconocimientos de caracteres Reconocimientos de personas

96. Aplicaciones Imagen (III) Control de calidad Spray nasal Códigos y caracteres Control de calidad

97. Aplicaciones Imagen (IV) Cápsula para análisis intestinal Escáner huellas dactilares Quemaduras en pacientes

98. Aplicaciones Imagen (V) Referencias para el aterrizaje en Marte del Spirit

99. Grand Challenge: Tormenta Sensores para mapas: Escáner Láser SICK LMS 220: Próximo a la tierra, +/- 90 grados frente al vehículo, 80 metros. Detecta obstáculos Escáner Láser SICK LMS 291-S14 : Techo del vehículo, 10 grados de inclinación al suelo. +/-45 grados, se intersecta en el suelo 10m. Irregularidades Cámara estéreo: Videre Design DCAM, 30 fotos por segundo, 640x480 (gris), rango de visión de 10-80 metros

100. Tormenta (I) Cámara Estéreo Escáneres láser Medición Inercial (IMU) GPS Diferencial Mapa, detección de obstáculos Posición Planificación Controladores Aceleración Freno Curvatura

101. Grand Challenge: Stanley Posición: Applanix POS LV 420 (Encoder, GPS, IMU) Localización:SICK Lidar Localización: RIEGL LMS-Q120 Lidar Radares BOSCH: 5

102. Grand Challenge: Stanley (I) Percepción: SICK LD-LRS Lidars Servidores Rackmount: 2 Intel quad-core c/u

103. Grand Challenge: Stanley (II) Velodyne HD: 64 láseres (360 0 CV) 2.5 0 a -24 0 1.8 e6 puntos/seg Ancho: 120 m Precisión < 2 cm Ethernet 100 MBPS Percepción: Cámara (Bus IEEE-1394)

104. Grand Challenge: Carolo Uso de Radar, Lidar y Laser Scanner

105. Ibeo Alaska XT (Berlin) Campo de visión: 270 0 en la horizontal 3.2 0 en la vertical (4 rayos láser)

106. Radar Delphi ACC3 (MIT) Basada en el efecto Doppler, sólo detecta obstáculos en movimiento: Campo de visión: 15 0 en la horizontal Alcance: 150m

107. Control de mobilidad electrónica Computador para el control de mobilidad Entradas muestreadas: Ángulo de curvatura volante Aceleración/freno Control manual: E-Stop, luces, etc. Bus-CAN: Odometría Salidas: Panel de Operador: Cambios de marcha, encendido, luces, etc. Actuador de curvatura del volate Actuador de Aceleración/freno Otros controles conductor Deben existir módulos que admitan interfaz a Ethernet

108. Sistema de percepción (MIT) Puntos de paso (DARPA)

109. Vehículos marinos

110. Vehículos aéreos