Módulo de sensores para robot móvil

Introducción

Una de las tareas más importantes de los sitemas autónomos es adquirir conocimiento de su entorno, lo que se logra mediante la utilización de sensores de diferentes tipos. En el caso de robótica móvil se utilizan una gran variedad de sensores, ya sea para obtener información interna del robot o externa del entorno, los cuales se puede clasificar como propioceptivos/exteroceptivos y activos/pasivos.

Los sensores propioseptivos miden valores internos del robot, por ejemplo la velocidad de los motores de tracción, carga en las ruedas, tensión de las baterías, etc. Los sensores exteroceptivos adquieren información del entorno del robot, por ejemplo medición de distancia, intensidad de luz, etc. Para obtener una información útil del entorno el robot debe "interpretar" la información de los sensores exteroceptivos. Los sensores pasivos miden la energía que proviene del entorno; ejemplos de sensores pasivos son temperatura, micrófono, cámaras CCD o CMOS, etc. Los sensores activos emiten energía al entorno, y miden como regresa esa energía al robot alterada por el entorno. Puesto que estos sensores permiten controlar la interacción con el entorno, generalmente permiten mejor desempeño, aunque la señal puede sufrir interferencia; ejemplos de sensores activos son sensores de ultrasonido, láser, etc.

Objetivos

Equipar el robot móvil de tracción diferencial RoMAA con sensores de uso común en robótica necesarios para obtener información del entorno. Estos pueden ser anillos de sensores de ultrasonido, unidad inercial creada a partir de acelerómetros y giróscopos tipo MEMS, compás electrónico, etc. Para lo cual es necesario realizar un estudio de las diferentes tecnologías disponibles de cada sensor, características, tipo de interfaz, disponibilidad en el mercado y costo. Finalmente, se debe construir la electrónica necesaria para la interfaz con cada sensor, además de la fuente de alimentación para cada sensor, e integrarlos bajo un mismo controlador embebido basado en microcontrolador ARM7 de 32bits que permite comunicarse con la computadora a bordo del robot.

Anteproyecto de tesis

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Diagrama en bloques

Unidades inerciales

Las unidades de mediciones inerciales (IMU) se utilizan en sistemas de navegación inerciales (INS) en diferentes áreas de aplicación, incluyendo automotriz, aviación, submarinos, robótica, etc. Estas unidades inerciales constan generalmente de sensores para la medición de aceleraciones lineales (acelerómetros) y mediciones angulares (giróscopos).

Algunas de las unidades inerciales a estudiar son:

• Xsens MTi, Mtx o MTi-OEM (EUR 1750)

• Microstrain 3DM-GX1 (USD 1000)

• Falcon GX

• whirlybird

u otras de bajo costo.

Debido a que en la navegación inercial se requiere de buena precisión en la medición angular, y como los giróscopos de gran resolución son de elevado costo, se han realizado diferentes estudios y desarrollos a modo de obtener unidades inerciales utilizando diferentes configuraciones de acelerómetro como en [1] y [2].

Diagrama de actividades

• Estudiar las tecnologías, características y especificaciones de los diferentes sensores aplicados a la robótica móvil
• Evaluar los costos y la disponibilidad en el mercado local de los sensores a utilizar
• Diseño del hardware para el módulo sensor: adaptación de señales, fuente de alimentación, interfaz con microcontrolador, etc.
• Programación del software del microcontrolador para la integración de las mediciones de los diferentes sensores y comunicación con la PC a bordo del robot

Desarrollo

• Tecnología y características de las Unidades inerciales, comparativa »»

• Tecnologías y características de sensores de Ultrasonido, comparativa »»

• Tecnologías y características de sensores tipo Compás Magnético, comparativa »»

• Evaluación de costos y elección de módulos sensores »»

• Hardware »»

• Software »»

Referencias

• [1].- "Design and Error Analysis of Accelerometer-Based Inertial Navigation Systems", Chin-Woo Tan, Sungsu Park. 2002 (Descargar)

• [2].- "Development of a planar low cost Inertial Measurement for UAVs and MAVs", Samuel Fux (Descargar)

• [3].- "Calibration of a MEMS Inertial Measurement Unit", Isaac Skog, Peter Händel. 2006 (Descargar)