Capítulo 2. Sensores

Para transportarse de un lugar a otro, un robot móvil requiere obtener información del entorno en donde se traslada. Para esto los robots móviles cuentan con diversos tipos de sensores que les permite conocer su posición y detectar objetos. En este capítulo se presentan  diversos tipos de sensores así como su funcionamiento.

Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transducible que es función de la variable medida [1].

Los sensores que son utilizados en robótica presentan en su salida una señal eléctrica dependiente del valor de la variable física medida. Esta señal puede ser acondicionada   para   su         utilización   como   señal   de   medición   o   variable   de instrumentación.

Debido a la gran cantidad de sensores que existen en el mercado, es necesario clasificarlos. Para ello existen diversos criterios como son el aporte de energía, la señal de salida y el modo de operación, figura 2.1:

Figura 2.1: Clasificación de los tipos de sensores.

Cuando se habla del aporte de energía se refiere a que los sensores  utilizan una fuente auxiliar (moduladores) o generan su propia energía (generadores). En el caso del modo de operación, este puede ser por medio de deflexión o comparación. En el modo de deflexión la magnitud medida produce un efecto físico, similar pero opuesto, en alguna parte del instrumento. Para los sensores que funcionan por comparación, ellos intentan mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido y opuesto al generado. Por ejemplo, en un galvanómetro la deflexión de la aguja es directamente proporcional a la corriente que pasa por su bobina. Por otro lado un sistema de comparación es el puente de Wheatstone, cuyo valor de una resistencia desconocida es determinado ajustando el valor de una resistencia conocida para llevar la corriente que pasa por el elemento central a cero.

Dependiendo de la forma en que se encuentra la señal en su  salida se pueden clasificarse en analógicos y digitales. La señal de salida analógica es una función continua de la variable medida. La señal de salida digital representa la magnitud de la variable medida en forma de una serie de cantidades discretas (ceros y unos) codificadas en un sistema de notación [2].

Si bien esta clasificación nos permite dar un panorama general de los tipos de sensores, de acuerdo a sus características, en la robótica móvil debemos también conocer el funcionamiento particular de acuerdo a la variable física que es capaz de detectar.

Así se presenta a continuación algunos de los sensores más utilizados en la robótica móvil de acuerdo a la variable que detectan.

2.1 DESPLAZAMIENTO LINEAL Y GIRO

En la robótica móvil la posición y el desplazamiento son variables importantes debido a que sirven para conocer la ubicación y orientación del robot. A continuación se mencionan algunos ejemplos de este tipo de sensores.

2.2 POTENCIÓMETROS PARA LA MEDIDA DE DESPLAZAMIENTO

Los potenciómetros están formados por una pista resistiva con un contacto móvil sobre ella. Por medio de una variación en la posición del punto de contacto se produce  un  cambio  en  la  resistencia.  Este  puede  ser  utilizado  para  generar  una diferencia de potencial proporcional al desplazamiento. Según se pretenda medir un giro o un desplazamiento, existen los potenciómetros lineales y rotatorios, tal como se muestra en la figura 2.2.

Figura 2.2: Potenciómetro a) lineal y b) giratorio.

Los potenciómetros son sensores relativamente de bajo costo, sin embargo, la precisión  es  limitada.  En  general,  presentan  problemas  de  fiabilidad  debido  a desgaste, fricciones, polvo, entre otros.  Nótese también que la salida que suministran es analógica, por lo que es necesario un convertidor analógico digital para poder utilizarlo en un control digital.

2.3 CODIFICADORES ÓPTICOS

Los  codificadores  ópticos,  por  el  contrario,  convierten  el  desplazamiento lineal en una señal digital sin necesidad del convertidor. Este consta de un emisor, un receptor y una rejilla. Para realizar la medición del desplazamiento, una fuente incandescente o un diodo emisor de luz debe ser detectado por un elemento foto- sensible (fotodiodo). Transiciones oscuro-luz y luz-oscuro son generadas cuando la luz incide en la rejilla, como se muestra en la figura 2.3.

Figura 2.3: Principio del codificador óptico.

Para medir el desplazamiento se cuenta el número de dichas transiciones por medio de un circuito digital. El tipo de movimiento que registran estos sensores puede ser rotacional o lineal como se muestra en la figura 2.4.

Figura 2.4: Codificadores ópticos rotacionales y lineales.

En los codificadores ópticos lineales no es posible detectar la dirección del desplazamiento por que en su rejilla solamente tiene una hilera de orificios. A este tipo de dispositivo se le conoce como de desplazamiento absoluto. En cambio, en los rotacionales si es posible detectarlo a través del agregado de una o más rejillas. A este tipo de dispositivo se les conoce como incrementales.

Existen varios tipos de codificadores ópticos incrementales entre los cuales se encuentran los de cuadratura y los que nos permiten generar un código asociado a la posición del eje (codificador de posición digital).

Los codificadores ópticos de cuadratura constan de dos rejillas las cuales generan las respectivas señales digitales desfasadas en 90°. Dependiendo de cual se active primero se determina el sentido del giro.

Los codificadores ópticos de posición digital están formados por varios grupos de rendijas concéntricas, alternadas de forma tal que produzcan un código para cada posición del eje angular, como se puede ver en la figura 2.5. Normalmente este código es Gray (para evitar errores de lecturas). Una ventaja que existe en el uso de estos dispositivos es que tiene una buena resolución, sin embargo puede tener una mala robustez mecánica.

Figura 2.5: Principio del codificador óptico.

En el diseño del robot móvil se utiliza un encoder (codificador óptico) de cuadratura para ruedas Pololu de 42x19 mm. La montura de la rueda cuenta con 12 dientes lo que corresponde a una resolución lineal de 3 mm. Ocupa dos pares de sensores infrarrojos para tomar medidas de desplazamiento. Estas características se ilustran en la figura 2.6.

Figura 2.6: Motorreductor con soporte para montaje y encoder, a) Encoder, b) Encoder colocado en la montura de la rueda, c) Encoder acoplado a la rueda con un motor de CD Pololu.

El encoder utiliza una alimentación de 5V. Al conectarlo, conjuntamente con el motor, se activan y desactivan las salidas A y B. La figura 2.7 muestra estas salidas en el osciloscopio. En esta figura la señal superior es la salida del sensor A y la inferior es la del sensor B. Dado que el sensor B se enciende primero, entonces, el sentido de giro es de B hacia A.

Figura 2.7: Captura en osciloscopio de la salida del encoder con la llanta.

Este dispositivo va montado sobre un motor metálico de CD, el cual sirve para la locomoción del motor, tipo miniatura, con dimensiones de 24 mm x 10 mm x 12 mm,  con  escobillas  y  utiliza  una  caja  reductora  de  velocidad  con  relación  de transmisión 250:1, tal como se muestra en la figura 2.8.

Figura 2.8: Motor-reductor usado en el robot móvil.

2.4 SENSORES DE PRESENCIA Y PROXIMIDAD

Los sensores de presencia y proximidad tienen un amplio espectro de aplicaciones. Estos cumplen con la función de detectar objetos o medir la distancia hasta ellos. Los sensores de presencia registran cuando el objeto entra en contacto físicamente con el sensor. Por su parte los sensores de proximidad registran el objeto sin necesidad de que exista un contacto.

Entre los sensores de presencia se encuentran los de fin de carrera. Estos son interruptores, colocados en los extremos de posible contacto, que al momento de ser activados o desactivados se detecta la presencia del objeto.

Los sensores de proximidad conforman un grupo más amplio. Su capacidad de detección es mucho mayor   y además, al no tener contacto físico con el objeto, se reducen sustancialmente vibraciones y errores de medición.

No todos los sensores son capaces de detectar cualquier objeto. Dependiendo del material del objeto que va ser detectado, debe ser utilizado un sensor distinto. Ejemplo de ello son los sensores inductivos y de efecto Hall que se utilizan cuando los objetos son ferromagnéticos. Los sensores inductivos trabajan mediante la alteración del campo magnético que ocasiona la presencia del objeto ferromagnético. Los de efecto Hall, se basa en el principio de una fuerza de Lorentz.

Cuando el material no es ferromagnético se ocupan sensores capacitivos, los cuales permiten detectar cambios de capacidad inducidos por superficies cercanas. Los  capacitivos  a diferencia de los  inductivos  son  menos  precisos  ya  que están basados en un cambio de capacitancia que experimenta un condensador al introducir un objeto en su rango de medida.

Los sensores ópticos son otra forma de detectar proximidad. Para su funcionamiento es necesario que un dispositivo funcione como emisor de un haz de luz y que otro funcione como receptor, al ser interrumpido el haz de luz se genera una medición. Tienen diversas configuraciones entre el emisor y receptor del dispositivo. Al igual que los otros dispositivos, estos no generan ninguna medición de distancia.

Existen    muchos    otros   sensores   de    proximidad    cuyos   principios   de funcionamiento puede ser muy variado, siendo los mencionados anteriormente los más comunes. Por este motivo no se abordarán más en este trabajo.

2.5 MEDIDORES DE DISTANCIA

Muchas  veces  se  requiere  algo  más  que  detectar  un  objeto,  es  decir,  se necesita conocer la distancia a la que se encuentra el objeto. Para este fin se ocupan medidores de distancias. Existen gran variedad de medidores de distancia como son los ultrasónicos, sensores de laser de tiempo de vuelo y de medida de desfase.

Los sensores láser de medida de desfase miden el desplazamiento por medio del desfasamiento de la onda emitida y recibida reflejada por el objeto. Los sensores de laser de tiempo de vuelo se basan en la determinación del tiempo entre los pulsos emitidos y los que se reciben después de ser reflejados en el objeto.   Si bien estos dispositivos son de alta precisión su principal desventaja es el elevado costo de los láseres. A diferencia de los láser, los sensores de ultrasonidos son de costo bajo, y trabajan de forma similar.

En la figura 2.9 se muestra el funcionamiento de los medidores de distancia ultrasónicos. Para iniciar la medición emiten pulsos de ultrasonido (mayor a 20kHz) y se determina el tiempo que tarda en recibir la señal reflejada por el objeto.

Figura 2.9: Funcionamiento básico de los ultrasonidos.

De esta forma teniendo en cuenta la velocidad de propagación del sonido (343 m/s), puede llegar a determinarse una distancia. Todo esto se representa mediante la siguiente ecuación:

Existen  inconvenientes  que  influyen  de  una  forma  determinante  en  las medidas realizadas. Entre dichos factores cabe destacar:

a)    El campo de acción del pulso transmitido tiene forma cónica. Este indica la presencia del objeto más cercano, por lo tanto, no especifica en ningún momento la localización angular (figura 2.10).

Figura 2.10: Campo de acción del pulso del sensor de ultrasonido.