Czujniki
Programowanie robota za pomocą mikrokontrolera polega na programowaniu jego czujników, siłowników i efektorów
końcowych.
Czujniki, siłowniki i efektory końcowe sprawiają, że roboty są czymś interesującym, że mogą wykonywać zadania i nawiązywać interakcję z otoczeniem. Każdy czujnik dostarcza robotowi jakieś informacje dotyczące otoczenia, w którym się znajduje. Ale na początek zdefiniujmy różnicę między zmysłem a czujnikiem.
Zmysł jest wyspecjalizowaną funkcją organizmu, która pozwala odczuwać bodźce zewnętrzne. Czujnik jest natomiast komponentem reagującym na bodziec fizyczny. Czujnik wykrywa i mierzy parametr środowiska, a następnie generuje dane wyjściowe uzyskane na podstawie przeprowadzonego pomiaru lub otrzymanego bodźca.
Czujniki można porównać do ludzkich oczu, uszu i skóry. Roboty są wyposażone w czujniki takie jak kamery, a także moduły czułe na ultradźwięki i podczerwień. Mogą być wyposażone nawet w setki czujników — pojedynczy robot może mieć tyle czujników, ile się na nim zmieści, ile można podłączyć do danego mikrokontrolera i ile może obsłużyć jego układ zasilający. W tabeli 5.1
porównaliśmy ludzkie narządy zmysłów i czujniki robotów.
Robot wyposażony w wiele rodzajów czujników i siłowników może wykonywać dowolne zadania. Roboty mogą symulować pracę różnych mechanizmów za pomocą kombinacji swoich czujników, siłowników i innych komponentów.
Co wykrywają czujniki?
Niektóre czujniki są przetwornikami — urządzeniami przekształcającymi jedną formę energii na inną. Przetworniki są używane do wykrywania między innymi następujących form energii:
- magnetyzm,
- ruch,
- siła,
- sygnały elektryczne,
- promieniowanie,
- ciepło.
Rysunek 5.1. „Czujniki” ludzi i czujniki robotów
| Zmysł | Ludzie | Roboty |
| Wzrok | Oczy (receptory kolorów, pręciki reagujące na jasność światła) | Kamera, czujnik odległości (np. ultradźwiękowy), czujnik koloru |
| Smak | Receptory smaku (język) | Brak |
| Węch | Receptory zapachu (nos) | Czujnik gazu? |
| Dotyk | Zakończenia nerwowe | Czujnik dotyku, sztuczna skóra |
| Słuch | Bębenki | Czujniki dźwięku i głośniki |
| Ból | Powierzchniowy (skóra), somatyczny (kości i stawy), trzewny (organy wewnętrzne | Brak |
| Równowaga | Ucho wewnętrzne (układ labiryntów przedsionkowych) | Żyroskop |
| Napięcie | Mięśnie | Brak |
| Temperatura | Receptory ciepła i zimna | Barometr, czujniki temperatury, termometr korzystający z podczerwieni |
| Magnetorecepcja | Brak | Czujniki magnetyzmu |
| Czas | Kora mózgowa, móżdżek i jądra podstawne | Zegar |
| Głód | Hormon grelina | Brak |
| Pragnienie | Receptory pragnienia | Brak |
| Echolokacja (nawigacja) | Brak | Czujniki ultradźwiękowe, kompas, moduł GPS |
| Elektrorecepcja (pola elektryczne) | Brak | Czujniki pola elektrycznego |
| Kierunek | Hipokamp, kora śródwęchowa | Kompas |
| Bliskość | Brak | Czujnik ultradźwiękowy, elektroniczno-optyczny czujnik zbliżeniowy, czujnik podczerwieni |
| Siła, ciśnienie | Brak | Czujniki siły i ciśnienia |
Czujniki są urządzeniami wejściowymi, które zmieniają określoną wielkość fizyczną na odpowiadający jej sygnał elektryczny. Takie mierzone czy rejestrowane wielkości fizyczne nie są zwykle elektrycznością.
Wiele czujników dźwięku to po prostu dynamiczne mikrofony, które wykrywają falę dźwiękową, a następnie zamieniają ją na
analogowy sygnał elektryczny.
Fala dźwiękowa jest zaburzeniem wywołanym przemieszczającą się w powietrzu energią, która jest emitowana przez źródło dźwięku. Czujnik dźwięku jest tak naprawdę mikrofonem, który wykrywa tę formę energii.
Sygnał elektryczny jest generowany przez membranę — cienki arkusz metalu, który zbiera fale dźwiękowe, wprawiając w drgania otaczające go magnesy. Drgania magnesów wywołują drgania wykonanej z drutu cewki, która otacza magnesy, a to indukuje prąd elektryczny w cewce — w ten sposób powstaje sygnał elektryczny. Czujnik wytwarza sygnał o sile odpowiadającej głośności
dźwięku odbieranego przez membranę. Rysunek 5.1 przedstawia czujnik dźwięku przekształcający falę dźwiękową na sygnał elektryczny, co umożliwia pomiar natężenia dźwięku (decybeli).
Rysunek 5.1. Przekształcanie fal dźwiękowych przez czujnik
Czujniki mierzą różne formy energii istniejące w otoczeniu robota. W większości wypadków interesuje nas otoczenie robota, ale czasami czujniki mogą być używane do określania wewnętrznego stanu robota — czujniki takie określamy mianem propriocepcyjnych, a ich przykłady to żyroskopy, przyspieszeniomierze i kompasy.
Żyroskop może określać zmianę położenia, ruchu obrotowego lub prędkości kątowej wyrażanej w obrotach na minutę lub stopniach na sekundę. Przyspieszeniomierze mierzą przyspieszenie ruchu robota wyrażone w metrach na sekundę podniesioną do kwadratu. Kompas mierzy pole magnetyczne Ziemi i na tej podstawie określa kierunek, w którym zwrócony jest robot.
Czujniki mierzące środowisko zewnętrzne i jego wpływ na robota określamy mianem czujników eksteroreceptywnych. Punktem odniesienia tych czujników jest robot. Są to na przykład czujniki kontaktowe, a także czujniki odległości i dalmierze.
Czujniki kontaktowe są używane do określenia kontaktu pomiędzy robotem a innymi obiektami znajdującymi się w jego otoczeniu. Czujniki odległości mierzą odległość pomiędzy robotem a innymi przedmiotami (lub robotami), z którymi się on nie styka. Czujniki ultradźwiękowe i optyczne są przykładami czujników, które korzystają z fal ultradźwiękowych i świetlnych w celu określenia odległości między obiektami.
Czujniki mierzące wielkości fizyczne otoczenia, takie jak na przykład temperatura powierzchni gruntu, odczyn pH cieczy, mętność wody, ciśnienie powietrza i pole magnetyczne, określamy mianem czujników środowiskowych. Do pomiaru tych wielkości nie jest potrzebna perspektywa robota. Rysunek 5.2 przedstawia związek między perspektywą robota a czujnikami propriocepcyjnymi,
eksteroreceptywnymi i środowiskowymi oraz czujnikami odległości. W tabeli 5.2 wymieniliśmy różne rodzaje czujników, ich charakterystyki i przykłady.
Tabela 5.2. Różne typy czujników
| Typ | Opis | Przykłady |
| Propriocepcyjne | Mierzą wewnętrzny stan robota | Żyroskop Przyspieszeniomierz Kompas |
| Eksteroreceptywne | Dokonują pomiaru środowiska zewnętrznego — elementów wpływających na robota lub stykających się z nim | Czujniki odległości — mierzą odległość między robotem a przedmiotem, z którym się on nie styka (ultradźwiękowe, optyczne) Czujniki kontaktowe — określają kontakt między robotem a przedmiotem (dotykowe, ciśnienia) |
| Środowiskowe | Mierzą wielkości fizyczne w środowisku otaczającym robota | Termometr Czujnik pH Czujnik mętności Czujnik pola magnetycznego |
Rysunek 5.2. Perspektywy czujników robota
Programowanie robotów. Sterowanie pracą robotów autonomicznych Autorzy: Cameron Hughes, Tracey Hughes Wydawnictwo: Helion
