Este documento resume los conceptos fundamentales de los sensores más comúnmente usados en robots. Explica sensores digitales como switches y microswitches, sensores infrarrojos reflectivos y de ranura, sensores de efecto Hall, y sensores activos como ultrasonido e infrarrojos que producen un estímulo y miden su interacción. También cubre problemas comunes como interferencia de luz ambiental y cómo la modulación de luz puede ayudar a evitarla.

1. COLEGIO INTERDISCIPLINARIO SAN AGUSTIN
TECNOLOGÍA
PROF.: RAINIERO LUNA
3º DE SECUNDARIA
ALEXIA SERRATO
Sensores de robots

2. Introducción:
 Una parte importante a la hora de construir
un robot es la incorporación de sensores.
 Los sensores trasladan la información desde
el mundo real al mundo abstracto de los
 microcontroladores.
 En este documento se explican los
conceptos fundamentales de los sensores
mas
 comúnmente usados.

3. Sensores Digitales de uso
general:
 Existe una gran variedad de sensores digitales.
Muchos de ellos se conectan en forma
 similar, la cual es haciendo uso de una resistencia
de Pull-Up conectada a VCC para
 mantener la entrada forzada a nivel alto, con lo
cual el sensor la forzaría a nivel bajo
 cuando se active.

4. Switch o llaves:
 Uno de los sensores mas básicos son los
switch (llaves o pulsadores). En la siguiente
 figura se puede apreciar el conexionado
clásico de un switch a una entrada digital:
 Para evitar pulsos de rebote al accionar el
switch se puede usar un capacitor de bajo
 valor (0.1uF a 1uF) en paralelo con los bornes
del switch.

5. Microswitch:
 Un tipo de switch muy útil en robótica es el microswitch como el que se
puede apreciar
 en la siguiente figura:
 Al presionar la lámina, el borne común C pasa a conectarse con el borne
activado A. Si
 la lámina no está presionada, el borne C está unido con R (reposo).
 En la práctica el borne R viene identificado como NC (normal closed) y el
borne A
 viene identificado como NO (normal open) .
 La forma de conectar un microswitch a una entrada digital es la misma
usada para todo
 tipo de switch (ver punto anterior).
 En la siguiente figura podemos ver uno de los usos


6. característicos de estos
microswitch:
 En este ejemplo se los utiliza para la
detección de obstáculos en un pequeño
robot.
 Sensores infrarrojos optoacoplados:
 Existen dos tipos de sensores infrarrojos:
reflectivo y de ranura. En ambos casos estos
 se basan en un conjunto formado por un
fototransistor (transistor activado por luz) y un
 LED infrarrojo.

7. Reflectivo:
 Este tipo de sensor presenta
 una cara frontal en la cual se encuentran
 tanto el LED como el Fototransistor.
 Debido que no están colocados en forma
 enfrentada, la única forma posible para que
 la luz generada por el LED active el
 Fototransistor es haciendo reflejar esta luz
 en una superficie reflectiva.

8. De Ranura
 El motor posee un disco ranurado
 acoplado a su eje. De esta forma
 podemos detectar el movimiento
 del motor, ya que al girar irá
 obturando y liberando el haz de luz
 entre el LED y el Fototransistor.
 En la siguiente figura se aprecia un conexionado típico para este tipo de sensores. En el
 caso del reflectivo se debería además modular el encendido del LED para luego poder
 realizar el filtrado necesario para evitar la activación por luz ambiente.
 Sensor de Efecto Hall:
 Otro sensor muy útil y simple de usar es el de efecto Hall. Se trata de un semiconductor
 que actúa como detector de proximidad al enfrentarse al polo sur de un imán. Utilizando
 el efecto Hall para proporcionar una conmutación sin rebotes.
 La distancia a la que produce la conmutación el campo magnético del imán es de
 alrededor de 2mm (dependiendo del modelo usado).
 Son muy usados en circuitos lógicos en donde se precisa conmutar sin que se produzcan
 rebotes, o en donde se quiera evitar el contacto mecánico. Como por ejemplo es posible
 realizar un circuito que mida las revoluciones a la que está girando una rueda.

9.  http://www.todorobot.com.ar/
 http://www.todorobot.com.ar/document
os/sensores.pdf

10. Sensores en el Robot
http://www.profesormolina.c
om.ar/tecnologia/robotica/s
ensores_robot.htm

11. Sensores:
 Definen el mundo del robot
Constituyen el sistema de percepción del robot.
No proporcionan el estado.
Dispositivos físicos que miden cantidades físicas de
propiedades (distancias, sonido, magnetismo, olores,
presiones, altitud, etc.)
Son limitados, ruidoso e inexactos.
La misma propiedad puede medirse por varios sensores

12. De señales a símbolos
Un sensor no proporciona símbolos
Puede hacer falta mucha capacidad de proceso para
convertir señales en símbolos
El paso implica diversas disciplinas:
o Electrónica: Un sensor de colisión (detectar si pasa o no
corriente)
o Procesamiento de señales: Un micrófono (separar la voz
del ruido)
o Informática: Un cámara que devuelve los bordes
(reconocer un objeto)

13. Diseño de la sensorización de
un robot
La naturaleza evoluciona sensores para
resolver problemas: ojos de las moscas,
nuestros
Un diseñador de robots generalmente no
puede crear nuevos sensores
El trabajo del diseñador es integrar los
sensores existentes
La integración debe hacerse sin perder de
vista la tarea a realizar

14. Integración de sensores
Fusión de información sensores
Diferentes sensores devueleven diferentes
tipos de información
No es precisamente sencillo fusionar sensores
Suele requerir gran capacidad de
procesamiento de información
Puede llevar a conclusiones peligrosas

15. Sensores sencillos
 División: sencillos/complejos, activos/pasivos Sensores
sencillos:
Se pueden usar sin mucha capacidad de cálculo
Necesitan cierta electrónica:
o Conectores a los puertos
o Convertidores analógicos-digitales
Necesitan cierta programación:
o Acceso a los puertos
o Interpretación de la información

16. Sensores de interruptor
Principio básico: Circuito abierto/cerrado (pasa corriente, no pasa).
Los más sencillos de todos.
No necesitan procesamiento a nivel electrónico.
Usos variados:
o Contacto: el robot choca con algo (ej. detector de pared)
o Límite: un dispositivo ha alcanzado el máximo de su rango (ej. pinza abierta)
o Contador: cada vez que se abre/cierra (ej. contador de vueltas)
Dependiendo de la aplicación el estado normal será abierto o cerrado
El encapsulado depende de la aplicación (el de LEGO es muy simple/flexible)

17. Otros tipos sensores simples
Sensores de luz polarizada (células
fotoeléctricas)
Sensores de resitencia (Nintendo
Powerglobe)
Botones y teclas.
Potenciómetros (en robótica para detectar
posición de dispositivos mecánicos)
Intentamos replicar los sensores biológicos

18. Sensores Activos
 Recordar división preliminar (activos/pasivos,
simples/complejos)
Sensores pasivos: simplemente miden señales del
entorno.
Sensores pasivos: interruptores, luz, botones, etc.
Sensores activos: producen un estímulo y miden
su interacción en el entorno.
Sensores activos: Ultrasonido, laser, infrarojos etc.
 Necesitan más energía, más procesamiento

19. Fotosensores activos
El sensor consta de un emisor y un receptor.
La situación de ambos define el tipo de sensor:
 Reflexión (reflective):
 Se colocan juntos y detectan la reflexión de los
objetos.
 Barrera (break-beam):
 Se oponen y detectan cuando algo interrumpe
el haz.

20. Uso de los fotosensores activos
Detectar la presencia de objetos.
Medir la distancia a los objetos.
Detección de características: encontrar
una marca, seguir una línea, etc.
Lectura de códigos de barras.
Implementar sensores de rotación.

21. Problemas con los fotosensores
activos
La reflexión depende del color y de las carectísticas del
material.
En principio, colores más claros reflejan más que los más
oscuros:
o Es más difícil (menos fiable) detectar objetos oscuros.
o Los objetos claros ``parecen'' estar más cerca y los oscuros más
lejos de lo que realmente están.
La luz ambiente es una fuente de ruido:
o Calibrar: restar la luz ambiente (p.e. leer en modo pasivo).
o La luz ambiente cambia: es necesario calibrar cada cierto
tiempo.

22. Sensores de rotación
Miden la rotación angular: odómetros (número de vueltas),
velocímetros (velocidad)
Marcar el elemento que gira (p.e. haciendo agujeros a un disco:
cada vez que la luz pasa se cuenta).
Resolución: número de agujeros (Uno: baja resolución, problema
con errores. Muchos: requiere velocidad en el sensor).
Otra técnica: pintar sectores blancos y negros y medir la reflexión
En el segundo caso se obtiene una onda que puede procesarse.
¿Cómo detectar el cambio de dirección?
Ruido de los efectores (las ruedas patinan y deslizan)

23. Modulación de luz
Una forma de evitar la interferencia de luz ambiente
Los sensores de luz modulada se usan para los mismos
fines que los normales
La idea de infra-rojos modulado se usa mucho, p.e.
mandos a distancia.
Los sensores de luz modulada son más fiables que los
sensores de luz normales. Usos:
o Detectar presencia de objetos
o Medir distancias (se necesita electrónica especial)

24. Sensores de infra-rojos
Un tipo de sensor de luz que utiliza una parte del
espectro denominada infra-rojo
Sensores activos: emisor y receptor
Se usan de la misma forma que los sensores de luz:
barrera y reflexión
Se usan profusamente porque hay menos
interferencias, son fácilmente modulables y no son
visibles
Estudiaremos su programación en la sección de
comunicaciones

25. Sensores de ultrasonidos
Fundamentalmente para medir distancias.
El emisor emite un chirrido y se capta en un micrófono el
reflejo (mismo principio que el SONAR).
Ultrasonidos viajan aprox. 35 cm. por milisegundo (a 20º
Celsius).
Ecolocalización: proceso de localización basado en
ultrasonidos.
Inspirados en la naturaleza: murciélagos
El sonar de los murciélagos es mucho más sofisticado:
múltiples frecuencias, gran resolución, permite
comunicaciones, ...

26. Problemas con ultrasonidos
Reflejos especulares: la dirección del reflejo depende del
ángulo de incidencia
Cuanto menor sea el ángulo, mayor es la probabilidad de
perderse y producir falsas medidas de gran longitud
Las superficies pulidas agravan el problema (las rugosas
producen reflejos que llegan antes)
Resumen: medidas de objetos lejanos pueden ser muy
erróneas
Ejemplo: un robot que se acerca a una pared con muy poco
ángulo puede ``no verla''.
¿Qué ocurre cuando varios robots usan ultrasonidos?

27. Visón artificial
Uso de cámaras como sensores.
Imitan los ojos (que son mucho más sofisticados).
Principio: Luz reflejada en los objetos pasa a través de
una lente (iris) en un ``plano de imagen'' (retina)
formando una imagen que puede ser procesada.
Ese procesamiento suele ser muy costoso
computacionalmente.
Campo tan complejo que tradicionalmente se ha
considerado como un campo de la informática (como
la IA).

28. Visión artificial
En vez de terminaciones se usan particulas de plata (fotografía tradicional)
o Charge-Coupled Devices (cámaras CCD).
El objetivo es ``comprender'' la información obtenida por el dispositivo.
Problema de enfoque en el plano si se usan lentes.
Si se usan cámaras simples (sólo un agujero) simplemente hay que invertir el
plano.
Profundidad de campo: rango en el que los objetos están enfocados en la
imagen.
El plano se suele dividir en partes iguales (pixels) típicamente en forma
rectangular
Cámara típica pixels (en una retina hay terminaciones organizadas
hexagonalmente)

29. Imagen digital
El valor de cada pixel es proporcional a cantidad de luz
reflejada por la parte de la superficie del objeto que se
proyecta sobre ese pixel.
Depende:
o Material del objeto.
o Posición de las luces en la escena.
o Reflejo de otros objetos en la escena.
El valor de cada pixel depende de la reflexión
especular (reflejada directamente) y la reflexión difusa
(absorbida y re-emitida por el objeto).

30. Tratamiento de Imágenes
(preliminar)
 Consideremos un ejemplo de una cámara grises pixels
Cada pixel una intensidad entre blanco y negro.
Visión preliminar: detección de bordes
¿Qué es un borde? Cambio brusco en la intensidad.
Aproximación preliminar:
o Definir como curva y buscar áreas donde la derivada sea grande
o Produce puntos espúreos: ruido
o No permite distinguir sombras de bordes de objetos físicos
Eliminar ruido: convolución elimina los puntos aislados
La convolución aplica un filtro a la imagen (de hecho para detectar bordes se
convolucionan varios filtros en varias direcciones).

31. Tratamiento de imágenes (alto
nivel
 )
Visión basada en modelos:
o Segmentación: proceso de dividir la imagen en partes que corresponden
a objetos.
o Comparar con las posibles combinaciones de bordes con modelos
previos (muchos ángulos, escalas). Proceso muy costoso.
Visión basada en movimiento:
o Los objetos físicos responden a leyes físicas conocidas.
o Saber cuando movemos la cámara entre dos imágenes consecutivas en
relación a la escena.
o Saber que nada se mueve en la escena entre las dos imágenes.
o Permite restar las dos imágenes para encontra objetos.

32. Visión binocular:
o Tener dos cámaras, conociendo la diferencia entre
ellas
o Tomar dos imágenes a la vez.
o Restar una de la otra
Uso de texturas
o Una misma textura tiene la misma intensidad.
o Asumir que texturas uniformes corresponden al mismo
objeto.

33. Visión en tiempo real
o
Simplificar el problema de la visión artificial para uso p.e. en
robótica. Técnicas:
o Usar el color: buscar sólo por determinado color.
o Reducir la imagen: Usar una línea en vez de ( linear CCD.
o Cámaras simplificadas: cámaras IR para detectar personas.
o Uso de información del entorno: uso de las líneas de una carretera.
Aplicación: conducción automática.
Se pueden construir robots sin visión, como siempre depende de la
tarea.