Sensor Robot. Nuryono S.W., S.T.,M.Eng. TH22452 Robotika

Transkripsi

1 Sensor Robot Nuryono S.W., S.T.,M.Eng. 1

2 Pendahuluan Sensor adalah piranti untuk mengukur besaran tertentu (devices for measuring a quantity) Dalam sistem robotika umumnya sensor mengubah besaran tertentu ke dalam besaran elektris(arus, tegangan, isyarat elektris/elektronis) 2

3 Karakteristik Sensor Akurasi (Kesesuaian nilai aktual dan nilai terukur) Resolusi (Perubahan terkecil pd besaran terukur yg masih bisa dideteksi oleh sensor) Repeatability (Variasi nilai terukur ketika suatu besaran yg sama diukur secara berulang-ulang) 3

4 Karakteristik Sensor Linearity (Hubungan antara perubahan input terhadap perubahan output) Sensitivity (Rasio perubahan output terhadap perubahan input/kepekaan) Range (Batas bawah&atas variabel yg masih bisa dikur oleh sensor) Respon 4

5 Perlunya Sensor Agar robot punya awareness thdp dirinya dan lingkungan Agar robot dapat berinteraksi dengan lingkungannya Keamanan dan Keselamatan, pencegahan kerusakan Kemampuan untuk mencapai target atau tujuan Membuat robot lebih cerdas 5

6 Besaran yg diukur Cahaya Warna, Intensitas, Arah Suara Frekuensi, Intensitas, Arah Panas Suhu, panjang gelombang, kuantitas, arah Bahan kimia Object Proximity dan jarak dan arah benda Orientasi fisik, gerakan, posisi Magnitude, pitch, roll, yaw, koordinat 6

7 Besaran yg diukur Medan Magnet & Medan Listrik Resistan (electrical, secara tdk langsung dari V/I) Capacitance (melalui excitation/oscillation) Inductance (melalui excitation/oscillation) 7

8 Contoh Sensor Robot Feelers (Whiskers, Bumpers) Mekanis Photoelectric Infrared Ultrasonic Resistive/Capacitive/Inductive 8

9 Contoh Sensor Robot Visual Cameras & Arrays (Active & Passive) Color Sensors (Active & Passive) Magnetic (Active & Passive) Orientation (Pitch & Roll) GPS (location, altitude) Compass (orientation, bearing) Voltage Electric Field Sensors Current Magnetic Field Sensors Chemical Smoke Detectors, Gas Sensors 9

10 Sensor Feelers Whiskers (sungut) Senar gitar/piano yg diletakkan di antara conductive hoop Adanya defleksi menyebabkan kontak dengan hoop Kawat yg lentur yg menyentuh suatu batang konduktor ketika terdefleksi Menjangkau di depan robot dalam beberapa cm Sederhana, murah, keluaran biner Bumpers & Guards Sensor benturan/tumbukan Impact/Collision sensor, mendeteksi adanya tekanan/kontak Microswitch & kawat Sederhana, murah, keluaran biner 10

11 Desain 11

12 Feelers - Whiskers 12

13 Feelers - Bumpers & Guards 13

14 Sensor-Feeler&bumper Koneksi 14

15 Sensors IR Aktif (emitting) Oscillator membangkitkan Pulsa IR, memantul ketika bertemu benda/obyek Filtered receiver mencari pantulan tsb Pulsa dienkode untuk deteksi yg lebih efektif Frekuensi yg digunakan sekitar 40KHz Tidak terlalu baik ketika bertemu obyek yg gelap Pasif (hanya sensor tanpa emitting) Pyro-electric (heat sensor) Mencari emisi IR dari manusia dan binatang Biasa dipakai pd sistem keamanan dan deteksi gerakan 15

16 Proximity VS Ranger/distance 16

17 Infrared - Active 17

18 Spek Active IR Sensor Sensor type = Reflective IR IR detector = Panasonic PNA4602M IR LED type = Narrow focus 10º I/O required = 3 digital lines: 2 outputs, 1 input Range = Sekitar 4 to 26" (10 cm s/d 65cm) Input voltage = 5vdc 8mA PC board size = 2.3" x.75" 18

19 Contoh IR-active 19

20 Sharp GP2Dxx (satu contoh) ~4 to 30cm Range Output Analog atau Digital Linear Array IR Range Sensors 20

21 Prinsip kerja Linear Array IR Range Sensors 21

22 22

23 Laser Range Sensors USB Interface 240º Field of View 0.36º Angular Resolution 10Hz Refresh Rate 20mm s/d 4m $

24 Passive IR Pyro-Electric 24

25 Sensor Ultrasonic Aktif Membangkitkan pulsa dan menunggu pantulannya pulses & listen for echos Terkait dengan kecepatan rambat di udara (~1ft/mS) Bisa menjangkau daerah yg jauh dari robot ( bisa s/d 3m) Prinsip kerja sederhana, tidak murah, keluaran analog atau digital Directional; tidak semua benda memantulkan Pasif Senso mendengarkan adanya gelombang ultrasonic Rangkaian Electronik mengubahnya ke frekuensi atau modulasi Software melakukan analisis (FFT dsb) 25

26 Ultrasonic - Aktif $27 $49 $134 26

27 Sensor Ultrasonic Pasif - Beacon & Sensor Beacons menunggu RF command untuk memancarkan Cahaya atau gelombang suara Robot mencari & mendengarkan setiap beacon Robot mengetahui lokasi tiap beacon Kompas pada robot memberi informasi tentang arah (orientasi) beacon tersebut Robot dapat menghitung posisinya 27

28 Sensor Ultrasonic Beacon1 Sound Pulse Sound Pulse Light Pulse Beacon3 Light Pulse BEACON Robot RF Receiver ROBOT IR Emitter RF Transmitter Ultrasonic Emitter IR Receiver Ultrasonic Receiver Light Pulse Sound Pulse Beacon2 28

29 Sonic (Acoustic) Pasif TI (Burr-Brown) UAF42 Universal Active Filter 29

30 Sensor Resistan Contoh Potentiometer 30

31 Potensiometer Menggunakan konsep pembagi tegangan 31

32 Tipe Potensiometer Wirewound Wiper/penyapu bergeser/bergerak pada suatu lilitan kawat Ni-Crome Mudah rusak, peka terhadap suhu Cermet Wiper bergeser pada jalur keramik konduktif Lebih baik dibanding wirewound Plastic film Resolusi tinggi Tahan lama dan tahan perubahan suhu 32

33 Linear Potensiometer Sesuai untuk pergerakan linear 33

34 Penggunaan Potensiometer Keuntungan Low Cost(murah) Sinyal kendali bisa menggunakan isyarat analog Informasi yg dibutuhkan adalah informasi posisi secara absolute Kerugian Kerusakan akibat suhu dan keausan Tidak cocok untuk daerah berdebu 34

35 Sensor Proximity Capasitif & Induktif Sensor Induktif menggunakan perubahan medan magnet untuk mendeteksi adanya obyek logam Sensor Capasitif menggunakan perubahan capasitans yg disebabkan obyek bukan logam Umumnya utk jarak dekat Cukup Kuat& reliable 35

36 Sensor Induktif 36

37 Sensor Induktif 37

38 Sensor Capasitif 38

39 Sensor Kapasitif 39

40 Sensor Visual CMUCam Linear Optical Array 40

41 Sensor Warna 41

42 Sensor Orientasi (arah gerak) Rate Gyros Output proporsional dengan kecepatan angular rotation Diintegralkan untuk menentukan posisi Didifferensialkan untuk menentukan akselerasi/percepatan Accelerometer Output proporsional dengan percepatan 42

43 Sensor Percepatan Akselerasi diukur melalui gaya yg ditimbulkan oleh massa yg berakselerasi Distorsi Piezo Pergerakan Cantilever Strain ataupun Restrain massa Akselerometer biasa pula digunakan utk mengukur vibrasi 43

44 Tri-axial Accelerometer Tipe ini biasa digunakan pada Sistem Mobile Mobil Balap Rotating elemen pada turbin Elemen pesawat terbang Mengukur besarnya vibrasi Data posisi sesaat 44

45 Sensor Gerakan Rate Gyro Silicon Sensing Systems Servo Accel Sensorland.com 45

46 Sensor Posisi/Lokasi Encoder Global Positioning System 46

47 Encoder Nubotics.com, $27 Jun 98, Oct 2000 Encoder 47

48 Optical Encoder Encoder adalah Sensor Digital yg umum digunakan untuk memberikan feedback posisi untuk suatu aktuator Tersusun atas Disc/ cakram kaca/plastik yg berputar di antara sumber cahaya(led) dan photo-detector Disk diencode dengan bagian yg gelap& terang sehingga muncul pulsa ketika disk berputar 48

49 Struktur Internal Encoder 49

50 Incremental Encoder Pulsa dr LED dihitung utk menentukan posisi rotasi 2 Detektor digunakan utk menentukan arah putar(quadrature) Pulsa index sebagai titik awal 50

51 Absolute Encoder Absolute Encoder memiliki kode tertentu sehingga setiap posisi angulat yg berbeda dapat diketahui Biasa menggunakan Kode Gray Lebih kompleks&mahal dibanding Incremental Encoder 51

52 Encoder Processing Diperlukan Rangkaian Squaring untuk mendigitalkan sinyal Monitor Index & Counter Tersedia dlm bentuk Chip IC Algoritma kendali diletakkan pada chip lain 52

53 Sensor Posisi/Lokasi Parallax.com $80 53

54 Sensor Kompas (Orientation) L: Parallax.com, $30 R: Dinsmoresensors.com, $13-$37 54

55 Sensor arus Pengukuran secara seri dengan Hall Effect device Current loop (coil) Magnetoresistive (Wheatstone bridge) 55

56 Sensor arus 56

57 Sensor arus 57

58 Sensor Kimia Smoke Detectors Gas concentration sensors - CO, H 4 S, CH 4, 58

59 Sensor Vendor/Info Links

60 Contoh Sensor-sensor lain 60

61 Tachogenerator Biasa digunakan untuk mengukur kecepatan putar Prinsip operasinya merupakan generator dc Tegangan yang dihasilkan proporsional dengan kecepatan yang diukur Biasa terpasang secara Piggybacked pada motor untuk sinyal feedback analog 61

62 Sensor Gaya&Tekanan Gaya& Tekanan umumnya diukur secara tdk langsung melui defleksi suatu bahan Mekanismenya antara lain: Sistem pergerakan fisik berikut pengukurannya menggunakan LVDT Strain Gauge( logam yg berubah resistansinya ketika ditekan) yg ditempelkan pada silinder/ plat logam dgn bentuk tertentu Piezoelectric sensor 62

63 LVDT Load Cell 63

64 Strain Gauge Bridge 64

65 Contoh Load Cell 65

66 Sub-Miniature Load Cell 66

67 Piezo Load Cell Distorsi Kristal, Quartz ataupun BaTiO 3 Untuk pengukuran akurat beban atau gaya yg kecil Tersedia dlm bentuk: Single axis Load washers Multiple axis Load washers 67

68 Sensor Tekanan Tekanan diukur dengan: Tabung Pitot Deformasi membran tetap Deformasi diukur dgn metode yg sama dgn gaya, yaitu menggunakan: Pegas(Manometer) Distorsi Piezo Strain Gauges 68

69 Sensor Proximity Umum digunakan di Automasi Industri Jalur Conveyor (Counting, Jam, Detection, dsb) Machine tools (Safety Interlock, Sequencing) Biasanya sensor digital(on-off) mendeteksi ada atau tidaknya suatu benda/obyek Terdiri atas: Sensor:Optical, Inductive, Capacitive Rangkaian Detektor Amplifier Rangkaian Output 69

70 Saklar Proximity Mekanis Seperti halnya saklar biasa Operasi On-Off 2 Mode Normally Close(NC) Normally Open(NO) 70

71 Contoh Saklar Proximity Mekanis 71

72 Ada Kontak fisik Penggunaan Saklar Proximity Mekanis Posisi yg disensing sudah tertentu Lingkungan tidak memungkinkan penggunaan sensor optical atau inductive 72

73 Sensor Proximity Optis Terdiri atas sumber cahaya(led) dan detektor cahaya(phototransistor) Sinyal dimodulasi untuk mengurangi pengaruh cahaya sekitar Tegangan operasi:12-30v dc, V ac Output: TTL, Industrial Standard, dsb 73

74 Mode Operasi Through Beam Long Range(20m) Aligment sangat penting Retro-reflective Range 1-3 m Populer& murah Diffuse-reflective Range mm Murah & Mudah 74

75 Contoh 75

76 Contoh 76

77 Keunggulan Penggunaan Sensor Proximity Optis Non-kontak, non-moving part, kecil Fast Switching, tidak terjadi switch bounce Tahan Getaran dan kejutan Kerugian Membutuhkan alignment Dapat terganggu oleh cahaya sekitar Lingkungan harus bebas debu, air dan asap 77

78 Aplikasi Sensor Proximity Optis Stack height control/ box counting Kendali Level cairan Deteksi kemacetan dan kerusakan 78

79 Piranti Optis yg lain 79

80 Sensor Proximity Ultrasonic Menngunakan pulsa ultrasonic Mengukur amplitudo dan time of flight Bisa mengukur jarak Frekuensi yg digunakan 40KHz- 2MHz 80

81 Penggunaan Sensor Ultrasonic Dibutuhkan informasi jarak obyek Monitoring ketinggian cairan maupun zat padat Approach Warning(peringatan tabrakan) Bisa bekerja pada daerah berdebu maupun di dalam air 81

82 Aplikasi 82

83 Referensi Yoram Koren, Robotics for Engineers, McGrawHill International halaman Saeed B Niku, Introduct. To Robotics Analysis, Systems, Appl., Prentice Hall halaman Ulrich Nehmzov, Mobile Robotics A practical Intro., Springer halaman