Sensores de posición

6 09 2010

Para que un robot realice su tarea de forma eficiente, rápida e inteligente, es preciso que tenga conocimiento de una serie de parámetros o características internas. Tales características son muy diversas y se intentará controlar unas u otras en función de las necesidades. Por ejemplo, puede ser necesario controlar la temperatura a la que está cierta parte del robot o la presión de sus ruedas. Sin embargo, hay ciertas características que resulta interesante poder controlar para la mayoría de los robots: la posición, la velocidad y la aceleración.

El problema de poder determinar la posición en la que se encuentra el robot en un momento determinado es uno de los más importantes e interesantes en el campo de estudio de la robótica. Actualmente no existe un método infalible y universal para calcular la posición, sino que, por el contrario, existen una serie de métodos basados en diversas técnicas que intentan resolver el problema. En la mayoría de los casos reales, la solución adoptada pasa por el empleo de varios de estos métodos. A continuación vamos a comentar los principales, en que se basan así como su funcionamiento.

  • Encoders Incrementales

    Los codificadores ópticos o encoders incrementales se utilizan fundamentalmente para el cálculo de la posición angular. Básicamente constan de un disco transparente, el cual tiene una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre si; de un elemento emisor de luz ( como un diodo LED); y de un elemento fotosensible que actua como receptor. El eje cuya posición angular se va a medir va acoplado al disco. ( Ver figura )

    El funcionamiento es el siguiente: cuando el sistema comienza a funcionar el emisor de luz empieza a emitir; a medida que el eje vaya girando, se producirán una serie de pulsos de luz en el receptor, correspondientes a la luz que atarviesa los huecos entre las marcas. Llevando una cuenta de esos pulsos es posible conocer la posición del eje.
    Sobre este esquema básico es habitual encontar algunas mejoras. Por ejemplo, se suele introducir otra franja de marcas por debajo, desplazada de la anterior, para poder controlar el sentido del giro; además suele ser necesario el empleo de una marca de referencia que nos ayudará a saber si hemos completado una vuelta.
    Realmente los encoders incrementales miden la velocidad de giro, pero podemos extrapolar la posición angular. Como es lógico, la resolución de este tipo de sensores depende directamente del número de marcas que podamos poner físicamente en el disco.

  • Encoder absoluto

    La función de este tipo de dispositivos es similar a la de los anteriores, medir la posición angular. Sin embargo en este caso lo que se va a medir no es el incremento de esa posición, sino la posición exacta. La disposición es parecida a la de los encoders incrementales. También se dispone de una fuente de luz, de un disco graduado y de un fotorreceptor. La diferencia estriba en la graduación o codificación del disco. En este caso el disco se divide en un número fijo de sectores (potencia de 2) y se codifica cada uno con un código cíclico ( normalmente un código de Gray); este código queda representado en el disco por zonas transparentes y opacas dispuestas radialmente, como se puede apreciar en la figura. No es necesaria ninguna mejora para etectar el sentido del giro, ya que la codificación de los distintos sectores angulares es absoluta.
    La resolución de estos sensores es fija y viene dada por el número de anillos que posea el disco, o lo que es lo mismo, el número de bits del código utilizado. Normalmente se usan códigos de 8 a 19 bits.
    Tanto los encoders absolutos como los incrementales pueden presentar provlemas debido a la gran precisión que es necesaria en el proceso de fabricación. Además son dispositivos especialmente sensibles a golpes y vibraciones.

  • Potenciometro

    Los potenciometros son unos dispositivos capaces de medir la posición angular y pequeños desplazamientos de posición lineal. Según el tipo de posición a medir tendremos dos tipos distintos de dispositivos pero la idea básica es común.
    Constan de una resistencia através de la cual hay una determinada diferencia de potencial. Además hay un contacto unido a la resistencia pero que se puede deslizar a su alrededor; este elemento es conocido como wiper. El wiper se conecta físicamente al elemento cuyo movimiento vamos a medir. Cuando este elemento se mueva el wiper se ira moviendo por la resistencia y la tensión de salida en él ( en el wiper) irá cambiando. Si medimos está tensión de salida, podremos determinar cuanto se ha desplazado el wiper, y por lo tanto cuanto se ha desplazado el elemento que pretendiamos controlar.

  • Transformador diferencial de variación lineal (LVDT)

    Como la mayoría de los dispositivos vistos hasta ahora, este tipo de sensores se basan en fenómenos eléctro-magnéticos. En el LVDT se une al eje cuyo desplazamiento vamos a medir un núcleo ferromagnético. Si situamos este núcleo entre una serie de inductancias, tal y como muestra el esquema, la diferencia de potencial E0 será proporcional al movimiento del núcleo ( y por lo tanto al del eje).
    Este sistema se utiliza ampliamente debido a su gran resolución, alta linealidad y rápida respuesta. Sin embargo, tiene el inconveniente de q ue no permite medir grandes desplazamientos ( por razones obvias).

 

Todos los sensores de posición que hemos visto hasta ahora suelen ser usados para medir la posición ángular y lineal de uniones de brazos de robot o de efectores finales de los mismos. Quizá la única excepción sean los encoders, que podemos encontra en algunos sistemas móviles.
A continuación, vamos a ver una serie de métodos para determinar la posición que suelen usarse en los sistemas robóticos móviles.

  • Giroscopios

    Los giroscopios son dispositivos que nos ayudan a medir el ángulo de giro de un objeto. Hay muchos tipos de giroscopio con estructuras muy diversas y complejas, pero todos se basan en el mismo principio, en las propiedades inerciales. Todos hemos realizado alguna vez el experimento de coger una rueda por esu eje de giro con las dos manos y hacerla girar. Cuando la rueda gira en su sentido natural notamos que también intenta girar con relación a otro eje, un eje vertical que iría de nuestros pies a nuestra cabeza. Basandose en este principio, los giroscopios son capaces de medir el ángulo de giro de un objeto.

  • Inclinometros

    Estos sensores sirven para medir la inclinación, el ángulo de un objeto con respecto a un eje horizontal. Están formados por un electrolito ( liquido conductor) situado en un recipiente en el cual hay introducidos dos electrodos de platino enfrentados y ambos con una parte fuera del elctrolito. Cuando el sensor se inclina, uno de los electrodos entra más en contacto con el electrolito y el otro menos. Si se miden las corrientes de salida de los electrodos, es posible determinar el ángulo de inclinación.

  • Sistemas basados en “faros”

    Estos sistemas están orientados a conocer la posición de un robot móvil en un sistema de coordenadas. El principio básico de funcionamiento, como indica su nombre, es similar al de los faros usados en navegación marítima. La idea consiste en situar una serie de puntos de referencia (cuya posición es conocida) que el robot pueda consultar en cualquier momento ( su posición, la distancia a ellos, etc..) , y así pueda calcular su posición. El tipo de señal que emiten esos puntos de referncia o “faros” puede ser de muchos tipos, como laser, ultrasonido o radiofrecuencia. Son estas las que ese suelen emplear en sistemas reales. Existen dos subtipos fundamentales: los sitemas pasivos de medición de fase, y los sistemas activos de trilateración mediante radar.

    Los sistemas del primer tipo, se basan en la comparación del tiempo de llegada de dos señales emitidas simultaneamente desde dos transmisores conocidos. Conocida la diferencia en tiempo de la llegada de esas dos señales, es posible concluir que el robot se encontará en algún punto de una linea hiperbólica concreta (ver figura). Si repetimos el proceso con más parejas de transmisores, podremos determinar como posición del robot el punto de intersección de todas estas lineas hiperbólicas.
    Este tipo de medición de la posición tiene un error de unos 100 metros, pero un rango de operación de más de 1500 kilometros. Es por esto, que suele ser empleado en sistemas que se van a desplazar distancias muy amplias, y en los que no se necesita una escesiva precisón en la medida de la posición, como barcos.
    Los sistemas basados en “faros” del segundo tipo, los activos de trilateración mediante radar, se basan en unos elementos fijos llamados transponders. El sistema se dedica a medir el tiempo que tarda en ir y en volver una determinada señal enviada; con este tiempo puede calcular la distancia que hay entre él y ese transponder. Si tenemos las distancias a varios de estos transponders seremos capaces de calcular nuestra posición.
    El error cometido en este tipo de sistemas depende del número de transponders; se suelen emplear desde dos hasta dieciseis, y el error puede acotarse a 2 metros. Aunque mejora el tipo anterior, todavía son errores demasiado grandes para las aplicaciones que suelen tener los robots móviles.

  • Sistema de Posicionamiento Global (GPS)

    Este sis tema para determinar la posición absoluta en un determinado momento fue desarrollado por el Departamento de Defensa estadounidense. El sistema se basa en una constelación de 24 satélites geostacionarios, con una frecuencia de órbita de 12 horas y situados a una altura de 10.900 millas nauticas.
    Para poder usar este sistema de medida se necesita un elemento receptor. Realmente lo que se calcula es la posición de este receptor. El procedimiento es sencillo: el receptor mide el tiempo de vuelo de las señales que le llegan de los distintos satélites y por triángulación es capaz de deducir su posición exacta en terminos de longitud, latitud y altitud.

    A la hora de utilizar este dispositivo de medida es conveniente tener en cuenta cuatro aspectos:

    – El tiempo de sincronización entre los satélites y los receptores
    – La precisa localización en tiempo real de la posición de los satélites
    – La precisión con la que hay que medir el tiempo de propagación de la señal
    – Una relación señal / ruido adecuada a posibles perturbaciones.

    Este sistema de medida puede tener una precisión centimetros, pero la posibilidad de ruido y el tiempo que transcurre en todo el proceso, hace que no sea un método adecuado para su uso en robots móviles que se desenvuelvem en entornos más bien reducidos ( sobre todo comparados con el total de la tierra).


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