Robótica

Clase 12

Semana 13 - 09/06/2025

Percepción

Una de las tareas más importantes en sistemas autónomos es la de adquirir información acerca del entorno a través de Sensores

Fuente: Clearpath (clearpathrobotics.com)

Sensores: algunas clasificaciones

Propioceptivos: Miden variables internas del robot

• Velocidad de una rueda/motor
• Ángulo de articulación de un brazo
• Voltaje de la batería

Extraceptivos: Adquieren información del entorno del robot

• Medida de distancia
• Intensidad de la luz
• Amplitud de sonido

Sensores: algunas clasificaciones

Pasivos: Miden la energía que ingresa del medio que los rodea

• Sondas de temperatura
• Micrófonos
• Cámaras

Activos: Emiten energía y luego miden la reacción del medio ambiente

• Encoders ópticos o magnéticos
• Sonares o ultrasónicos
• Cámaras de luz estructurada

Caracterización

• Sensibilidad: Cambio en la salida según la variación de la magnitud física de entrada

Caracterización

• Rango: Valor máximo y mínimo

Caracterización

• Exactitud: Diferencia entre la salida del sensor y el valor real
  • Error de sensibilidad: desviación a la pendiente de la curva ideal
  • Error de corrimiento: desviación de la medida 0

Caracterización

• Resolución: Mínima diferencia que puede detectarse entre dos valores

Caracterización

• Presición: Grado de reproducibilidad de la medida

Caracterización

• Linealidad: Comportamiento lineal del sensor

Caracterización

• Tiempo de respuesta: Tiempo que tarda la salida de un sensor en cambiar a un valor final

• Ancho de banda: Rango de frecuencia que puede detectar adecuadamente

Encoders

Dispositivos que pueden detectar o medir desplazamiento angular (o lineal)

• Propioceptivos
• Clasificación primaria: Incrementales y Absolutos
• Principios de funcionamiento:
  • Mecánico (Pasivo)
  • Óptico (Activo)
  • Magnético (Activo)

Fuente: AsahiKASEI (www.akm.com)

Encoders de cuadratura

Encoder magnético montado en motor DC con escobilla

Fuente: Pololu (www.pololu.com)

Características de los encoders

• Rango: Ángulo o cantidad de vueltas (absolutos)
• Resolución: Angular (absolutos) - CPR (incrementales)
• Linealidad: (no aplica)
• Ancho de banda: Tiempo de conmutación, max RPM (generalemente sobredimensionada)
• Error: angular para los absolutos. En el caso de los incrementales depende del sistema de decodificación
• Otros parámetros: Tipo de salida (NPN, PushPull, protocolo, etc). Velocidad máxima. Voltaje/Corriente de trabajo.

Acelerómetro

Dispositivos electromecánicos que miden la aceleración a la que se encuentran afectados (propioceptivos y pasivos)

ADXL362: Accelerómetro de 3 ejes (3DoF)

Fuente: Sparkfun (www.sparkfun.com)

Medición de la aceleración asociada a una masa en movimiento

Fuente: Analog Devices (www.analog.com)

Características de los acelerómetros

• Rango: Aceleración máxima (en múltiplos de gravedad, ej: \(\pm2 g\), \(\pm4 g\))
• Resolución: en mV/g (analógicos) o en LSB/g (digitales)
• Ancho de banda: Rango de vibraciones al que puede responder
• Error: Densidad de ruido y salida para 0-g
• Otros parámetros: Tipo de salida (analógico o digital y el protocolo)
• Problemas asociados: Ruido de alta frecuencia. Vector gravedad.

Giróscopos

Dispositivos electromecánicos que miden la velocidad angular a la que se encuentran afectados (propioceptivos y pasivos)

LPY503AL: Giróscopo de 2 ejes (2DoF)

Fuente: Sparkfun (www.sparkfun.com)

Medición de la velocidad angular

Fuente: Analog Devices (www.analog.com)

Características de los acelerómetros

• Rango: Velocidad máxima (en °/s o rad/s)
• Resolución: Resolución: en mV/°/s (analógicos) o en LSB/°/s (digitales)
• Ancho de banda: Rango de variación al que puede responder
• Error: Densidad de ruido
• Otros parámetros: Tipo de salida (analógico o digital y el protocolo)
• Problemas asociados: Bias (valor a velocidad angular 0)

IMU (Inertial Measurement Unit)

• 3 giróscopos ortogonales y 3 acelerómetros ortogonales
• Permite estimar:
  • Directamente: aceleración (A), velocidad angular (G)
  • Primera integral: velocidad lineal (A), orientación (G)
  • Segunda integral: posición (A)
• Errores cuadráticos y de acumulación
• Mediciones absolutas (GPS o cámara) permiten cancelar esta deriva de error

Sensores de rango activo

Sensores capaces de medir directamente la distancia a un objeto en la vecindad del robot (extraceptivos)

• Activos: emiten algún tipo de energía en forma de señal y miden la señal de respuesta del entorno

• Costos proporcionales a la precisión, resolución, al rango y aplicación

• Múltiples principios de funcionamientos (con sus respectivas características)

• 2 principios más usados: ToF y Triangulación

Time of Flight (ToF)

Principio de funcionamiento basado en la velocidad del sonido o una onda electromagnética (luz) \[ d = c \cdot t \]

donde \(c\) es la velocidad de la onda, \(t\) es el tiempo de vuelo (ToF) y \(d\) la distancia (generalmente de ida y vuelta)

• Ejemplo con una distancia de 3 metros:
  • Velocidad de la luz: \(c \approx 0.3 [\mathrm{m/ns}]\) \(\to\) \(t = 10 [\mathrm{ns}] = 0.00000001 [\mathrm{s}]\)
  • velocidad del sonido: \(c \approx 0.3 [\mathrm{m/ms}]\) \(\to\) \(t = 10 [\mathrm{ms}] = 0.01 [\mathrm{s}]\)

Time of Flight (ToF)

La calidad de estos sensores depende principalmente de:

• Errores de medición del \(t\) y el tiempo exacto de arribo de la señal reflejada
• Dispersión del haz
• Interacción con el medio (absorción, reflejos, “contaminación”)
• Variaciones o valor exacto de la velocidad de propagación
• La velocidad relativa en objetivos dinámicos

Sensor de ultrasonido ToF

Transmite un ”paquete” de ondas de presión ultrasónicas y mide el tiempo que tardan en reflejarse y volver.

• Generalmente en robótica móvil se utilizan en rangos de 5 a 200 [cm]
• Cuanto más cerrado es el ángulo de apertura del haz mejor resolución direccional
• Principal limitación: se obtiene la profundidad de una región constante (1D)

URM09: Sensor de distancia ultrasónico

Fuente: DFRobot (www.dfrobot.com)

Sensor láser ToF

Emisor que ilumina el objetivo con un láser y un receptor capaz de detectar la componente de luz reflejada alineada al haz emitido

• Mejora respecto del sensor de ultrasonido al utilizar un haz de luz (pero genera problema con objetos translúcidos)
• Formas de medir el ToF:
  • Emisión de un pulso y medir el tiempo que transcurre directamente (picosegundos)
  • Emitir una onda modulada y medir el cambio de fase (desfase)

Sensor láser ToF

TFmini sensor de distancia 1D

Fuente: Adafruit (www.adafruit.com)

VL53L7CX sensor de distancia 2D (8x8)

Fuente: Pololu (www.pololu.com)

Triangulación

Principio de funcionamiento basado en geometría y el ángulo de reflexión

Fuente: Siegwart, R. (2011). Introduction to Autonomous Mobile Robots (2nd ed.)

Triangulación óptica 1D

• Buena exactitud con alta precisión a un bajo costo
• Gran ancho de banda y no sufre interferencia como el ultrasonido
• Rango limitado por la geometría del sensor

GP2Y0A02YK0F (20-150cm) y GP2Y0A60SZLF (10-150cm)

Fuente: Pololu (www.pololu.com)

Light Detection and Ranging - LiDAR

Medir la distancia al objeto más próximo en un radio de 360° sobre un plano con gran precisión angular y lineal

• Utilizan triangulación (mayoría) o ToF
• Extensión a 3D mediante mecanismos mecánicos y/u ópticos

Slamtec RPLiDAR A3M1 (2D)

Fuente: Seeedstudio (www.seeedstudio.com)

Características de los LiDAR

• Rango: Distancia mínima y máxima (entre \(\times 10^{-2}\) y \(\times 10^{2}\) metros)
• Velocidad de rotación: 5, 10, 15 [Hz] (r.p.s)
• Resolución: angular y lineal
• Otros parámetros: Protocolo de comunicación (UART, Ethernet, etc)
• Problemas asociados: Apto o no para ambientes exteriores. Corriente de consumo.

Sistema global de navegación por satélite (GNSS)

• Información relativa a la ubicación, velocidad y sincronización horaria
• Posición absoluta con precisión de 1.5 a 2 metros
• Baja frecuencia de actualización
• Sistemas RTK con mejor precisión y frecuencia (a mayor costo)
• Problemas de recepción de señal

Fuente: S. Miao, Mathematical Approaches to Global Positioning Systems, TomRocksMaths, 2023, fig. 6, p. 6.