Mobile Robot Sensors Concept

ในการออกคำสั่งเพื่อให้หุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่ได้อัตโนมัติ หุ่นยนต์จะต้องมีส่วนที่ใช้ในการรับรู้ตำเเหน่ง ของทั้งตัวหุ่นเองเเละจุดหมายเพื่อใช้ในการคำนวณหาเส้นทางที่เหมาะสม เเละสามารถหลบหลีกสิ่งกีดขวางได้ ซึ่งสิ่งที่จะทำให้หุ่นยนต์มีความสามารถในการรับรู้สภาพเเวดล้อมได้ก็คือ “ Sensor ” โดยภายในจะประกอบด้วย

• Internal State —หรือสิ่งที่เรียกว่า Base Sensor นั้นใช้ในการวัดสิ่งที่อยู่ในตัวหุ่น เช่นสถานการณ์ การหมุนของมอเตอร์ (Encoder) หรือ องศาการเอียงของหุ่นยนต์ (IMU)

์Note : Encoder นั้นมีหลายชนิดซึ่งสมารถเเบ่งออกเป็นประเภทใหญ่ๆได้ดังนี้

> Optical Encoder = opt + Incremental Encoder : ใช้ในการวัด Pulse จากแสงที่ทะลุผ่านช่องเล็กๆ (Phase A & B เพื่อดูทิศนำและตาม)กล่าวคือหากต้องการทราบองศา ให้เอาpulse เทียบกับ จำนวนช่อง และสามารถประมาณความเร็วของการหมุนได้จาก จำนวน Pulse ต่อ เวลา ซึ่งแปลงได้เป็นความเร็วเชิงมุม [QEI ; Quadruple Encoding] ข้อเสียคือรู้มุมแค่จากการประมาณ ไม่ใช่มุมจริง เลยมี Encoder อีกตัวที่มีีชื่อว่า Absolute Encoder มี shaft ไว้คอย Encode ตัว Absolute Angular ซึ่งส่วนมากจะใช้กับหุ่นมีขา

> Magnetic Encoder : มีความสามารถในการหาทิศขั้วแม่เหล็กที่เพลา ดูทิศเหนือใต้

์Note : IMU (Inertial Measurement Unit) : การวัดสภาวะของหุ่นยนต์ซึ่งวัดได้สามส่วนคือ Accelerometer (เร็วเชิงส้น XYZ) , Gyro Sensor(เร็วเชิงมุม) รู้แค่เร็วเชิงมุมแต่ไม่รู้ตำแหน่งเชิงมุมเลยไม่นิยมใช้เดี่ยว ๆมาหา Heading , Magnetometer(วัดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าโลก)

10 DOF IMU

Accelerometer = linear Acceleration [xyz]

Gyro sensor = Angular Velocity [xyz]

Magnetometer = Magnetic Flux [xyz]

Pressure=Altitude

IMU Vector

เเผนผังเเสดงทิศของเวคเตอร์การเคลื่อนที่ในเเต่ละเฟรมการวัด

*Note สีเขียว คือ แกนโลกหรือเฟรมโลกซึ่งเป็น Reference Frame ที่ทำให้ทราบ Orientation ของหุ่นเมื่อเทียบกับ เฟรมโลก

*Note สีแดง คือ แกนSensor ซึ่งเป็น Reference Frame ที่อยู่บนตัวหุ่นยนต์

*Note ถ้าทราบทิศของ Magnetic North จะสามารถใช้ Vector สีน้ำเงินและเหลืองมาหา Orientation ได้จากการคำนวณ Cross Product ซึ่งวิธีนี้จะแม่นยำก็ต่อเมื่อหุ่นยนต์ไม่มีการเคลื่อนที่ แต่หากมีการเคลื่อนที่ Accelerometer จะจับทุกความเร่งที่เพิ่มเข้ามาใหม่ จึงต้องมี Gyro Measurement เพื่อนำมาหาความเร็วเชิงมุม ทำให้การประมาณมุมมีความแม่นยำมากขึ้น

• External state — วัดสภาวะแวดล้อมรอบนอกของหุ่น (Contact เช่น sensor วัดแรงคือเมื่อหุ่นจับวัตถุแล้วรู้ว่าวัตถุเป็น Material อะไร กำลังชนรึเปล่า & Non-Contact รอรับสถานะของสภาพแวดล้อมจากข้อมูล sensors

นอกจากนี้ยังมีอีก Concept สำคัญสำหรับองค์ประกอบของ Sensor อันได้เเก่

• Active & Passive — กล่าวคือส่วนที่ Activeจะทำหน้าที่ในการส่งสัญญาณออกไปจากหุ่นสู่สภาพเเวดล้อมเพื่อวัดค่าต่างๆที่สะท้อนกลับมา ส่วน Passive นั้นจะมีหน้้าที่รับข้อมูลที่วัดได้เเล้วสะท้อนกลับมาจากสภาพเเวดล้อม เช่น กล้อง หรือไมโครโฟน เป็นต้น

Writer — Thanyanin Ar.

16/07/2021