Лекция
Привет, мой друг, тебе интересно узнать все про датчики, тогда с вдохновением прочти до конца. Для того чтобы лучше понимать что такое датчики, сенсоры, извещатили , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Робототехника.
Датчик (извещатель) -устройство, воспринимающее изменение среды, в которой находится, и передающее образованный сигнал “тревоги” на другие приборы. Датчик — конструктивно обособленное устройство, содержащее один или несколько первичных измерительных преобразователей.
датчики — это не что иное, как интерфейс между роботами и той средой, в которой они действуют, обеспечивающий передачу результатов восприятия. Пассивные датчики, такие как видеокамеры, в полном смысле этого слова выполняют функции наблюдателя за средой — они перехватывают сигналы, создаваемые другими источниками сигналов в среде. Активные датчики, такие как локаторы, посылают энергию в среду. Их действие основано на том, что часть излучаемой энергии отражается и снова поступает в датчик. Как правило, активные датчики позволяют получить больше информации, чем пассивные, но за счет увеличения потребления энергии от источника питания; еще одним их недостатком является то, что при одновременном использовании многочисленных активных датчиков может возникнуть интерференция. В целом датчики (активные и пассивные) можно разбить на три типа, в зависимости от того, регистрируют ли они расстояния до объектов, формируют изображения среды или контролируют характеристики самого робота.
Некоторые датчики расстояния предназначены для измерения очень коротких или очень длинных расстояний. В число датчиков измерения коротких расстояний входят тактильные датчики, такие как контактные усики, контактные панели и сенсорные покрытия. На другом конце спектра находится глобальная система позиционирования (Global Positioning System— GPS), которая измеряет расстояние до спутников, излучающих импульсные сигналы. В настоящее время на орбите находятся свыше двух десятков спутников, каждый из которых передает сигналы на двух разных частотах. Приемники GPS определяют расстояние до этих спутников, анализируя значения фазовых сдвигов. Затем, выполняя триангуляцию сигналов от нескольких спутников, приемники GPS определяют свои абсолютные координаты на Земле с точностью до нескольких метров. В дифференциальных системах GPSприменяется второй наземный приемник с известными координатами, благодаря чему при идеальных условиях обеспечивается точность измерения координат до миллиметра. К сожалению, системы GPS не работают внутри помещения или под водой.
Вторым важным классом датчиков являются датчики изображения — видеокамеры, позволяющие получать изображения окружающей среды, а также моделировать и определять характеристики среды с использованием методов машинного зрения,. В робототехнике особо важное значение имеет стереоскопическое зрение, поскольку оно позволяет получать информацию о глубине; тем не менее будущее этого направления находится под угрозой, поскольку успешно осуществляется разработка новых активных технологий получения пространственных изображений.
К третьему важному классу относятся проприоцептивные датчики, которые информируют робота о его собственном состоянии. Для измерения точной конфигурации робототехнического шарнира приводящие его в действие электродвигатели часто оснащаются дешифраторами угла поворота вала, которые позволяют определять даже небольшие приращения угла поворота вала электродвигателя. В манипуляторах роботов дешифраторы угла поворота вала способны предоставить точную информацию за любой период времени. В мобильных роботах дешифраторы угла поворота вала, которые передают данные о количестве оборотов колеса, могут использоваться для одометрии — измерения пройденного расстояния. К сожалению, колеса часто сдвигаются и проскальзывают, поэтому результаты одометрии являются точными только для очень коротких расстояний. Еще одной причиной ошибок при определении позиции являются внешние силы, такие как течения, воздействующие на автономные подводные аппараты, и ветры, сбивающие с курса автоматические воздушные транспортные средства. Улучшить эту ситуацию можно с использованием инерционных датчиков, таких как гироскопы, но даже они, применяемые без других дополнительных средств, не позволяют исключить неизбежное накопление погрешности определения положения робота.
Другие важные аспекты состояния робота контролируются с помощью датчиков
усилия и датчиков вращающего момента. Без этих датчиков нельзя обойтись, если роботы предназначены для работы с хрупкими объектами или объектами, точная форма и местонахождение которых неизвестны. Представьте себе, что робототехнический манипулятор с максимальным усилием сжатия в одну тонну закручивает в патрон электрическую лампочку. При этом очень трудно предотвратить такую ситуацию, что робот приложит слишком большое усилие и раздавит лампочку. Но датчики усилия позволяют роботу ощутить, насколько крепко он держит лампочку, а датчики вращающего момента — определить, с каким усилием он ее поворачивает. Хорошие датчики позволяют измерять усилия в трех направлениях переноса и трех направлениях вращения.
По методу измерения (виду входных величин)
По динамическому характеру сигналов преобразования
По виду измерительных сигналов
По среде передачи сигналов
По количеству входных величин
По количеству измерительных функций
По количеству преобразований энергии и вещества
По наличию компенсационной обратной связи
По взаимодействию с источниками информации
По принципу действия
По технологии изготовления
По измеряемому параметру
По функциональному назначению:
Рассмотрим различные физические явления работы датчиков, лежащие в основе классификации, и принципы их работы.
Основные группы датчиков используемых для блокирования объектов.
По принципу действия датчики делятся: магнитно-контактные, ударно-контактные, электроконтактные, звуковые, вибрационные, ультразвуковые, радиоволновые, комбинированные и т.д.
Электроконтактные датчики. Их работа базируется на принципах потери целостности электрической цепи (разрыв) в случае несанкционированного проникновения перемещением конструктивных элементов, входящих в эту цепь. Фактически они являются электрическими выключателями нажимного типа с нормально разомкнутыми контактами. Такие датчики могут выполняться на основе тонких проводников, разрыв которых нарушает целостность цепи, что расценивается как нарушение состояния охраны. Эти проводники (или ленты) располагают на поверхности или натягивают по периметру определенного пространства.
Магнитоуправляемые датчики. По сравнению с предыдущим типом датчиков разрыв цепи у них наступает вследствие размыкания магнитоуправляемых контактов, которые находятся под действием постоянного магнита. Его смещение относительно контактов и вызывает размыкание цепи.
Вибрационные датчики. Функционирование датчиков этого типа основано на многократном размыкании и замыкании инерционных контактов под действием вибраций, вызываемых ударами по защищаемой поверхности (стекло, стенные и потолочные конструкции и др.). В качестве ударного датчика может быть использован магнитоконтактный датчик, но отличающийся по конструктивному исполнению. Постоянный магнит закрепляется на пружинящем основании, и его колебания при ударе хаотически замыкают и размыкают соответствующие ему контакты. Такие датчики могут выполняться и с использованием бесконтактной фиксации информации об ударах с использованием волоконно-оптических преобразователей.
Пьезоэлектрические датчики. Их работа основана на пьезоэлектрическом эффекте, т.е. возникновении тока при механических колебаниях (ударах) кристаллов некоторых материалов. Например, на основе кремниевой пластинки с мембраной, на которую нанесены резистивные элементы, меняющие свое сопротивление за счет пьезоэлектрического эффекта. Заметное проявление пьезоэлектрического эффекта наблюдается в кристаллических веществах, имеющих аномально высокую диэлектрическую проницаемость. Чаще всего используют кварц, который сочетает пьезоэлектрические свойства с высокой механической прочностью, изоляционными свойствами и независимостью пьезоэлектрических показателей в широком температурном диапазоне. Еще лучшими характеристиками обладает пьезокерамика из титана бария.
Инфракрасные датчики. ИК-датчики разделяются на активные, излучающие и принимающие, и пассивные, только воспринимающие инфракрасное (тепловое) излучение. В первом случае фактом нарушения охраны является пересечение барьера излучатель-приемник, во втором - происходит обнаружение и, возможно, определение направления и расстояния до нарушителя.
В принципе, источниками инфракрасного излучения являются все тела, обладающие температурой выше абсолютного нуля. Излучение носит тепловой характер и обладает широким спектром. Возможно использование собственного излучения объекта и отраженного от него ИК-излучения других естественных или искусственных источников. Пассивные ИК-датчики получили широкое распространение из-за способности обеспечить эффективную защиту при невысокой стоимости.
Емкостные датчики. Работают из-за вариаций емкости антенной системы, в качестве которой можно использовать охраняемый объект (сейф, металлический шкаф и т.п.). Емкость изменяется при приближении или удалении нарушителя от объекта охраны. Такие датчики также эффективны для охраны складов, ангаров и прочих легких металлических конструкций. В этом случае антенной являются отрезки обычного монтажного провода.
Акустические датчики. Принцип их работы основан на регистрации звуковых колебаний, непременно возникающих при преднамеренных попытках проникновения в помещение или преодолении заграждений. Каждое нарушение по характеру проникновения (перелезание, сверление, перекусывание и др.) имеет свой специфический звуковой спектр, сплошной или импульсный, который может быть определен экспериментально, что позволяет повысить обнаружительную способность датчика на фоне помех.
Ультразвуковые датчики. На их основе могут создаваться датчики движения (человека, пламени, веществ). По типу действия это активные датчики с передающим и приемным преобразователями. Создаваемое ими стационарное поле нарушается при действии возмущающего фактора, что вызывает сигнал тревоги.
Микроволновые (радиоволновые) датчики. Принцип их действия основан на хорошо известных положениях радиолокации по передаче и приему радиосигналов при обнаружении объектов. На закрытых охраняемых объектах в помещении формируется электромагнитное поле и возбуждаются стоячие волны, картина которых меняется при появлении в этой зоне нарушителя.
Барометрические датчики - новый тип инфразвуковых датчиков, реагирующих на изменение давления воздуха в закрытом объеме.
Сейсмические датчики. Обеспечивают возможность обнаружения проникновения нарушителя за счет колебания почвы или несущих конструкций. В основе его работы положены пьезоэлектрический эффект, модуляция распространяющихся звуковых колебаний и светового потока излучения и др.
Комбинированные датчики. Принцип работы основан на комбинации двух и более физических эффектов (ИК-, СВЧ-излучение и другие комбинации), позволяющей повысить обнаружительную способность за счет снижения уровня помех и ложных срабатываний.
Предполагалось, что конструкция компонентов архитектуры агентов (датчиков, исполнительных механизмов и процессоров) уже определена и осталось лишь заняться разработкой программы агента. Но успехи в создании реальных роботов не в меньшей степени зависят от того, насколько удачно будут спроектированы датчики и исполнительные механизмы, подходящие для выполнения поставленной задачи.
Датчики используются во многих отраслях экономики — добыче и переработке полезных ископаемых, промышленном производстве, транспорте, коммуникациях, логистике, строительстве, сельском хозяйстве, здравоохранении, науке и других отраслях — являясь в настоящее время неотъемлемой частью технических устройств.
В последнее время в связи с удешевлением электронных систем все чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Имеется определенная тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массового использования датчиков, а также по аналогии — на объекты иной природы, например, биологические.
Датчики по своему назначению и технической реализации близки к понятию «измерительный инструмент» («измерительный прибор»). Однако показания приборов воспринимаются человеком, как правило, напрямую (посредством дисплеев, табло, панелей, световых и звуковых сигналов и проч.), в то время как показания датчиков требуют преобразования в форму, в которой измерительная информация может быть воспринята человеком. Датчики могут входить в состав измерительных приборов, обеспечивая измерение физической величины, результаты которого затем преобразуются для восприятия оператором измерительного прибора.
В автоматизированных системах управления датчики могут выступать в роли инициирующих устройств, приводя в действие оборудование, арматуру и программное обеспечение. Показания датчиков в таких системах, как правило, записываются на запоминающее устройство для контроля, обработки, анализа и вывода на дисплей или печатающее устройство. Огромное значение датчики имеют в робототехнике, где они выступают в роли рецепторов, посредством которых роботы и другие автоматические устройства получают информацию из окружающего мира и своих внутренних органов.
В быту датчики используются в термостатах, выключателях, термометрах, барометрах, смартфонах, посудомоечных машинах, кухонных плитах, тостерах, утюгах и другой бытовой технике.
В большинстве мобильных роботов используются дальномеры, которые представляют собой датчики, измеряющие расстояние до ближайших объектов. Одним из широко применяемых типов таких датчиков является звуковой локатор, известный также как ультразвуковой измерительный преобразователь. Звуковые локаторы излучают направленные звуковые волны, которые отражаются от объектов, и часть этого звука снова поступает в датчик. При этом время поступления и интенсивность такого возвратного сигнала несут информацию о расстоянии до ближайших объектов. Для автономных подводных аппаратов преимущественно используется технология подводных гидролокаторов, а на земле звуковые локаторы в основном используются для предотвращения столкновений лишь в ближайших окрестностях, поскольку эти датчики характеризуются ограниченным угловым разрешением. К числу других устройств, альтернативных по отношению к звуковым локаторам, относятся радары (в основном применяемые на воздушных судах) и лазеры. Лазерный дальномер показан на рисунке
пример датчика и его практического применения: лазерный дальномер (датчик расстояния) SICK LMS — широко применяемый датчик для мобильных роботов (а); результаты измерения расстояний, полученные с помощью горизонтально установленного датчика расстояния, спроектированные на двухмерную карту среды (б)
Если я не полностью рассказал про датчики? Напиши в комментариях Надеюсь, что теперь ты понял что такое датчики, сенсоры, извещатили и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Робототехника
Комментарии
Оставить комментарий
Робототехника
Термины: Робототехника