Giới thiệu
Trong robot học, cảm biến đề cập đến các chức năng cơ học được sử dụng để tính toán trạng thái và môi trường của một robot. Các cảm biến này dựa trên hoạt động của các cơ quan cảm giác của con người. Robot nhận được nhiều thông tin khác nhau về môi trường xung quanh, chẳng hạn như vị trí, kích thước, hướng, tốc độ, khoảng cách, nhiệt độ, trọng lượng, lực, v.v. Dữ liệu này giúp robot hoạt động hiệu quả trong khi tương tác với môi trường để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp. Các nghiên cứu được bình duyệt gần đây chỉ ra rằng các phương pháp cảm biến tiên tiến như LiDAR, thị giác dựa trên sự kiện (event-based vision) và radar sóng milimét là thiết yếu để nhận dạng đáng tin cậy trong các robot di động tự hành.
Hoạt động của các cảm biến robot dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng, còn được gọi là truyền năng lượng. Mỗi loại robot yêu cầu các cảm biến khác nhau để điều khiển và phản ứng linh hoạt với môi trường của nó.
Có một số loại cảm biến robot sẽ được thảo luận trong các phần sau:
Cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng được sử dụng để phát hiện ánh sáng và thường tạo ra một sự chênh lệch điện thế. Có hai loại cảm biến ánh sáng cho robot: tế bào quang điện (photovoltaic cells) và quang điện trở (photoresistors). Tế bào quang điện được sử dụng để chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng. Các cảm biến này thường được sử dụng trong sản xuất robot chạy bằng năng lượng mặt trời.
Ngược lại, quang điện trở được sử dụng để điều chỉnh điện trở bằng cách thay đổi cường độ ánh sáng. Ánh sáng đi qua càng nhiều, điện trở càng thấp. Các cảm biến ánh sáng này thường rẻ tiền và do đó được sử dụng rộng rãi trong robot học.
Cảm biến âm thanh
Cảm biến âm thanh phát hiện âm thanh và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện. Việc sử dụng loại cảm biến này cho phép robot di chuyển thông qua âm thanh, và thậm chí cho phép tạo ra các robot điều khiển bằng giọng nói có thể nhận dạng và phản hồi các âm thanh hoặc bộ âm thanh cụ thể để thực hiện các nhiệm vụ nhất định.
Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để phát hiện các thay đổi về nhiệt độ trong một môi trường. Các cảm biến này chủ yếu sử dụng sự chênh lệch điện thế để tính toán sự thay đổi nhiệt độ, từ đó tạo ra một nhiệt độ môi trường tương đương. Có nhiều loại mạch tích hợp (IC) được sử dụng để phát hiện nhiệt độ, bao gồm LM34, TMP37, TMP35, TMP36 và LM35, cùng những loại khác. Các cảm biến này có thể được sử dụng trong các robot cần hoạt động trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, chẳng hạn như sông băng hoặc sa mạc.
Cảm biến chạm
Cảm biến tiếp xúc, còn được gọi là cảm biến xúc giác, chủ yếu phát hiện các thay đổi về tốc độ, vị trí, gia tốc, mô-men xoắn hoặc lực tại các khớp của cơ cấu chấp hành và bộ phận cuối (end-effector) trong một robot. Các cảm biến này yêu cầu tiếp xúc vật lý để điều khiển các chức năng của robot theo ý muốn. Các cảm biến này hoạt động trong nhiều loại công tắc khác nhau, chẳng hạn như công tắc hành trình, công tắc nút nhấn và công tắc xúc giác.
Cảm biến chạm thường được tìm thấy trong các robot tránh vật cản. Khi phát hiện vật cản, cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến robot để thực hiện các hành động khác nhau, chẳng hạn như lùi lại, quay đầu hoặc dừng lại.
Cảm biến tiệm cận
Trong lĩnh vực robot học, cảm biến khoảng cách được sử dụng để phát hiện các vật thể gần robot và đo khoảng cách giữa robot và một vật thể cụ thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Các cảm biến này sử dụng từ trường để phát hiện vật thể mong muốn. Cảm biến khoảng cách được chia thành quang điện trở, bộ phát hồng ngoại và cảm biến siêu âm.
Bộ phát hồng ngoại (IR)
Bộ thu phát hoặc cảm biến hồng ngoại đo lường và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường. Cảm biến hồng ngoại có thể là chủ động hoặc thụ động. Cảm biến hồng ngoại chủ động phát ra và phát hiện bức xạ hồng ngoại bằng hai thành phần: một diode phát quang (LED) và một bộ thu. Các bộ thu phát chủ động này đóng vai trò là cảm biến khoảng cách và thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện vật cản của robot.
Ngược lại, cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR) chỉ phát hiện bức xạ hồng ngoại và không phát ra bất kỳ bức xạ nào từ đèn LED. Hầu hết các cảm biến thụ động thường được sử dụng để phát hiện chuyển động.
Cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm là thiết bị đo khoảng cách đến các vật thể cụ thể bằng cách phát ra sóng âm siêu âm và chuyển đổi âm thanh phản xạ thành tín hiệu điện. Cảm biến siêu âm bức xạ sóng âm đến một vật thể và xác định khoảng cách của nó bằng cách phát hiện các sóng phản xạ. Vì lý do này, chúng thường được sử dụng làm cảm biến khoảng cách, được ứng dụng trong các hệ thống phát hiện vật cản và hệ thống an toàn tránh va chạm của robot.
Quang điện trở
Quang điện trở là một thiết bị thay đổi điện trở theo lượng ánh sáng đi qua nó. Nó còn được gọi là điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR). Do tính nhạy cảm với ánh sáng, nó thường được sử dụng để phát hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của ánh sáng và đo cường độ của nó. Ánh sáng càng nhiều, điện trở của quang điện trở càng thấp.
Cảm biến khoảng cách
Cảm biến khoảng cách được sử dụng để xác định khoảng cách giữa vật thể này với vật thể khác mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Chúng hoạt động bằng cách gửi một tín hiệu và đo sự khác biệt khi tín hiệu quay trở lại. Tùy thuộc vào công nghệ, tín hiệu này có thể là sóng hồng ngoại, đèn LED hoặc sóng siêu âm, đó là lý do tại sao cảm biến khoảng cách thường được ghép đôi với cảm biến siêu âm.
Cảm biến khoảng cách siêu âm
Cảm biến khoảng cách siêu âm là một thiết bị đo khoảng cách đến một vật thể bằng cách sử dụng sóng âm tần số cao. Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát ra các sóng âm có tần số cao hơn tần số con người có thể nghe thấy, sau đó đợi các sóng âm phản xạ trở lại. Việc đo thời gian giữa lúc truyền và nhận sóng siêu âm và tính toán tác động của nó đối với tốc độ âm thanh là cách cảm biến xác định khoảng cách đến mục tiêu.
Bộ chuyển đổi siêu âm Robot
Cảm biến khoảng cách hồng ngoại
Cảm biến khoảng cách hồng ngoại (IR) nhận biết khoảng cách bằng cách phát ra các sóng hồng ngoại và tính toán góc phản xạ.
Các cảm biến này thường có hai thấu kính:
- Thấu kính phát của đèn LED hồng ngoại chiếu một chùm sáng, và một bộ phát hiện ánh sáng nhạy với vị trí (PSD) sẽ hiển thị chùm sáng phản xạ.
- Cảm biến khoảng cách hồng ngoại sử dụng nguyên lý tam giác, đo khoảng cách bằng cách xem xét góc của chùm sáng phản xạ.
Cảm biến khoảng cách laser
Cảm biến khoảng cách laser đo khoảng cách đến một vật thể mục tiêu bằng cách sử dụng sóng ánh sáng từ tia laser thay vì sóng vô tuyến hoặc sóng âm. Một bộ phát trên cảm biến phát ra chùm tia laser đến vật thể mục tiêu, vật thể này sẽ phản xạ xung laser. Khoảng cách sau đó được tính toán bằng cách sử dụng mối quan hệ giữa tốc độ ánh sáng và thời gian giữa lúc truyền và nhận tín hiệu.
Bộ mã hóa (Encoder)
Bộ mã hóa là một cảm biến cung cấp phản hồi trong một robot. Nó gửi các tín hiệu phản hồi có thể được sử dụng để xác định số lượng, vị trí, hướng hoặc tốc độ. Thiết bị này chuyển đổi chuyển động thành tín hiệu điện có thể được giải mã bởi một bộ điều khiển trong hệ thống điều khiển chuyển động. Bộ điều khiển này sau đó sử dụng thông tin để gửi các lệnh cho các chức năng cụ thể. Bộ mã hóa sử dụng một số loại công nghệ để tạo ra tín hiệu, bao gồm tín hiệu từ tính, tín hiệu cơ học, tín hiệu quang học (thường dựa trên giao thoa quang học) và tín hiệu điện trở.
Camera định vị (Stereo camera)
Camera định vị là một kỹ thuật/phương pháp để lọc các tín hiệu video nhiễu vào một tập dữ liệu hệ thống, sau đó được xử lý thành các biểu tượng hoặc vật thể có thể sử dụng được. Trong lĩnh vực thị giác máy và thị giác máy tính, camera định vị là một trong nhiều phương pháp được sử dụng. Các ứng dụng của camera định vị liên quan đến việc sử dụng hai camera có mối quan hệ vật lý xác định (ví dụ: khoảng cách quan sát chung mà các camera có thể nhìn thấy và khoảng cách giữa các tiêu điểm trong không gian vật lý).
Các hệ thống này có thể được sử dụng để phát hiện khoảng cách của các vật thể thông qua phân tích tam giác. Các kỹ thuật xử lý hình ảnh ba chiều được sử dụng trong điều khiển và cảm biến robot, hệ thống dẫn đường robot và các phương tiện thám hiểm ngoài trái đất. Tóm lại, các cảm biến camera cho phép robot của bạn nhận thức môi trường của nó trong thời gian thực, cho phép ứng dụng robot điều hướng bằng hình ảnh vào các hệ thống tự động hóa quy trình của bạn.
Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất, còn được gọi là bộ chuyển đổi áp suất, là một thiết bị điện tử theo dõi và điều khiển áp suất và chuyển đổi dữ liệu vật lý nhận được thành tín hiệu điện tử. Cảm biến áp suất thường sử dụng công nghệ áp điện vì các phần tử áp điện giải phóng một điện tích tỷ lệ thuận với ứng suất mà chúng nhận được. Ứng suất này thường được tạo ra bởi áp suất.
Cảm biến áp suất được sử dụng trong ô tô để phát hiện áp suất lốp hoặc áp suất đốt cháy động cơ. Chúng cũng được sử dụng trong các nhà máy để kiểm soát hơi nước trong máy móc và trong máy bay để đo độ cao và các điều kiện khí quyển.
Cảm biến độ nghiêng
Được sử dụng trong robot để đo góc nghiêng bằng cách sử dụng một mặt phẳng tham chiếu nằm ngang. Nó được sử dụng để phát hiện độ nghiêng hoặc hướng. Cảm biến này có mức tiêu thụ điện năng thấp, nhỏ gọn, dễ sử dụng và rẻ tiền. Nếu được sử dụng đúng cách, cảm biến sẽ không bị mòn và đôi khi được gọi là 'công tắc nghiêng', 'công tắc thủy ngân' hoặc 'cảm biến bóng lăn'.
Loại cảm biến này được sử dụng trong robot dịch vụ. Các robot này sử dụng chân hoặc bánh xe để di chuyển, và độ nghiêng phải được đo nhiều lần mỗi giây để đảm bảo robot duy trì một vị trí cố định.
Cảm biến điều hướng/vị trí
Các cảm biến này giúp xác định chính xác vị trí của các vật thể trong không gian với độ chính xác cao. Các công nghệ được sử dụng để định vị bao gồm từ phạm vi phủ sóng toàn cầu với độ chính xác cấp mét đến phạm vi khu vực làm việc với độ chính xác dưới milimét.
Cảm biến điều hướng cho phép xác định vị trí mong muốn và vị trí hiện tại, đồng thời hiệu chỉnh hướng, tốc độ và đường dẫn để đạt được vị trí mong muốn ở bất kỳ đâu trên thế giới. Trong robot học, điều hướng và định vị là các nhiệm vụ cốt lõi của robot di động tự hành. Ngoài GPS, các phương pháp điều hướng phổ biến khác bao gồm điều hướng bằng hình ảnh và điều hướng mô phỏng sinh học (bionic navigation).
GPS (Hệ thống định vị toàn cầu)
GPS là một hệ thống dẫn đường bằng vô tuyến trong không gian. Nó bao gồm một mạng lưới các vệ tinh truyền tín hiệu điều hướng và một mạng lưới các trạm điều khiển vệ tinh và trạm mặt đất được sử dụng để kiểm soát và giám sát. GPS không cần truyền bất kỳ dữ liệu nào và hoạt động độc lập mà không cần tín hiệu internet hoặc điện thoại.
Trong lĩnh vực robot học, GPS được sử dụng để hỗ trợ robot định vị và điều hướng trên khoảng cách xa. Robot so sánh dữ liệu GPS của chính nó với dữ liệu GPS của mục tiêu để xác định vị trí tương đối, giúp xác định hướng di chuyển tiếp theo. Điều này có nghĩa là những robot này là những phương tiện tự lái không yêu cầu người vận hành để hoạt động và điều hướng.
La bàn từ kỹ thuật số
Đây là một thiết bị điều hướng có thể hiển thị một hướng tham chiếu so với bề mặt Trái đất và có thể được sử dụng như một cảm biến hữu ích cho robot để điều hướng môi trường xung quanh chúng. Nó được đặt để căn chỉnh với từ trường Trái đất và bao gồm một con trỏ từ tính, thường được đánh dấu hướng bắc, và một kim hoặc thanh từ tính di chuyển tự do trên trục của nó. Về mặt kỹ thuật số, la bàn cung cấp các phép đo dựa trên từ trường Trái đất để robot điều hướng.
Các ứng dụng chính của robot bao gồm điều khiển chuyển động và phát hiện hướng, do đó tạo thành một phần quan trọng trong các nguyên lý điều hướng của hệ thống robot tự hành.
Định vị trong ngôn ngữ địa phương (Localization)
Điều này đề cập đến khả năng của robot trong việc xác định vị trí của nó trong một khu vực và môi trường nhất định. Điều này được coi là quan trọng vì không có cảm biến vật lý nào trực tiếp báo cáo và đo lường tư thế của robot. Tùy thuộc vào ứng dụng, nhiều loại cảm biến khác nhau có thể được sử dụng để đo lường và suy luận dữ liệu đo được. GPS cho phép báo cáo vị trí của robot.
Tuy nhiên, chỉ riêng GPS là không đủ. Để robot điều hướng tự hành, cần phải đánh giá vị trí và hướng của robot trong một bản đồ bằng cách sử dụng dữ liệu thu thập được từ các cảm biến. Các nhà phát triển robot thường sử dụng camera và các công nghệ liên quan để tạo ra các bản đồ môi trường và sử dụng chúng làm tham chiếu để xác định vị trí của robot. Điều này cho phép robot phát hiện các vật cản và các vật thể liên quan khác cả trong nhà và ngoài trời một cách chính xác hơn.
Cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc được sử dụng để đo gia tốc và độ nghiêng. Cảm biến gia tốc là một thiết bị được sử dụng để đo gia tốc tĩnh hoặc động. Các cảm biến này cung cấp các số đọc về gia tốc theo một hoặc nhiều hướng tại bất kỳ thời điểm nào. Cảm biến gia tốc có phạm vi ứng dụng rộng rãi, vì vậy việc chọn đúng cảm biến gia tốc cho robot là rất quan trọng, xem xét các yếu tố như băng thông, độ nhạy, số trục (1-3) và loại đầu ra (tương tự hoặc kỹ thuật số).
Lực tĩnh
Đây là trọng lực, và nó cũng đề cập đến lực ma sát giữa bất kỳ hai vật thể nào. Lực này luôn tồn tại do trọng lực. Việc đo lực này cho phép chúng ta xác định mức độ nghiêng của robot, điều này rất quan trọng để duy trì sự cân bằng của robot hoặc xác định xem robot đang di chuyển lên dốc hay trên một bề mặt phẳng.
Lực động
Lực động đề cập đến lượng gia tốc cần thiết cho chuyển động của một vật thể. Đó là lực tác động lên một vật thể, khiến nó thay đổi vị trí, kích thước hoặc hướng. Hơn nữa, nó phụ thuộc vào thời gian. Trong robot học, lực động phát sinh từ chuyển động của các cơ cấu. Đo lực này bằng cảm biến gia tốc cho biết vận tốc/tốc độ mà robot đang di chuyển.
Con quay hồi chuyển (Gyroscope)
Con quay hồi chuyển, hay gọi tắt là "gyro", là một thiết bị đo tốc độ quay. Trong robot học, con quay hồi chuyển cực kỳ hữu ích để duy trì sự ổn định của một robot đang chạy hoặc để đo hướng hoặc độ nghiêng. Điều này đạt được bằng cách kết hợp các phép đo tốc độ để có được giá trị dịch chuyển góc tổng cộng. Do đó, con quay hồi chuyển có thể được sử dụng để cân bằng robot và thậm chí có thể cảnh báo robot nếu nó bị ngã thông qua lập trình. Có ba loại con quay hồi chuyển thường được sử dụng: con quay hồi chuyển đơn trục, con quay hồi chuyển ba trục và IMU (Bộ đo lường quán tính).
IMU (Bộ đo lường quán tính)
Đây là một thiết bị điện tử được sử dụng để đo và xác định gia tốc, tốc độ góc, hướng và các lực hấp dẫn khác. Nó thường bao gồm ba cảm biến gia tốc, ba con quay hồi chuyển và đôi khi (tùy thuộc vào yêu cầu về hướng) ba máy đo từ trường. IMU được sử dụng để điều khiển các phương tiện hiện đại như máy bay, tên lửa, thiết bị bay không người lái, vệ tinh, v.v., trong các hệ thống điều hướng. Dữ liệu do IMU cung cấp được đưa vào một đơn vị xử lý để tính toán độ cao, vị trí và tốc độ.
Cảm biến điện áp
Cảm biến điện áp là các thiết bị không dây có thể được gắn vào các bộ phận máy móc hoặc thiết bị điện tử. Các cảm biến này liên tục theo dõi dữ liệu điện áp có thể chỉ ra một vấn đề. Điện áp quá cao hoặc quá thấp có thể gây nguy hiểm cho thiết bị hoặc cho thấy các vấn đề tiềm ẩn. Các cảnh báo được gửi nhanh chóng đến một hệ thống máy tính trung tâm khi vượt quá các giới hạn đã xác định trước.
Cảm biến dòng điện
Thiết bị này theo dõi dòng điện chạy qua dây dẫn và tạo ra tín hiệu tương ứng với dòng điện đó. Tín hiệu được tạo ra này có thể là tín hiệu kỹ thuật số hoặc điện áp tương tự. Tín hiệu này sau đó có thể được sử dụng để điều khiển các thiết bị, lưu trữ để phân tích thêm trong hệ thống thu thập dữ liệu, hoặc được sử dụng để hiển thị dòng điện đo được trong một ampe kế.
Hợp nhất cảm biến (Fusion sensor)
Khả năng kết hợp dữ liệu từ radar, LiDAR và các camera khác nhau để tạo ra một mô hình hoặc hình ảnh duy nhất về khu vực xung quanh một phương tiện được gọi là hợp nhất cảm biến (sensor fusion). Mô hình thu được trở nên chính xác hơn bằng cách kết hợp các điểm mạnh của các cảm biến khác nhau. Dữ liệu thu được từ hợp nhất cảm biến có thể được sử dụng trong các hệ thống xe để tạo ra hành vi thông minh hơn. Hợp nhất cảm biến sử dụng các thuật toán phần mềm kết hợp dữ liệu từ các loại cảm biến khác nhau để tạo ra mô hình môi trường hoàn chỉnh và chính xác nhất có thể.
Các điểm chính
Cảm biến cung cấp thông tin cảm giác quan trọng trong các hệ thống robot. Thông tin này bao gồm vị trí, kích thước, hướng, tốc độ, khoảng cách, nhiệt độ, trọng lượng, lực và nhiều yếu tố khác giúp robot nhận thức môi trường của chúng và thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Cảm biến ngày càng trở nên quan trọng khi các hệ thống tự động hóa và học máy phát triển.
