Para los robots, poder comprender o navegar en su entorno a menudo es fundamental para funcionar correctamente. Si bien hay muchos sensores que permiten a los robots vislumbrar su entorno, una categoría de sensores que está ganando popularidad rápidamente es la medición de distancia / detección de objetos basada en láser y luz (LiDAR). En este artículo, repasaremos las diferentes características, los diversos tipos de sensores, sus casos de uso típicos y algunos de los productos que ofrecemos actualmente con estas características.
Características de los sensores de distancia.
Para seleccionar correctamente el tipo de sensor de distancia basado en luz para su aplicación, deberá detallar sus requisitos correctamente (o adaptar su proyecto para que se ajuste un poco al sensor disponible / elegido). Estas son algunas de las principales consideraciones al elegir un sensor de distancia basado en luz o láser:
Precio
Ciertamente, no es la característica más importante desde un punto de vista técnico, pero sí importante para completar un proyecto, especialmente teniendo en cuenta la amplia gama de precios. Si un sensor que cumple con todos sus requisitos deseados simplemente no está dentro de su presupuesto, puede ser mejor revisar su diseño y ver si otros sensores pueden cumplir con esos nuevos requisitos. Este paso es común en el primer borrador del diseño de un proyecto y la mejor recomendación es comenzar con un pequeño prototipo y ver lo que realmente se necesita. A veces, el sensor mejor (y más costoso) puede ser excesivo o demasiado complejo para las necesidades que satisface.
Distancia máxima
Esta es probablemente la característica más común que los clientes consideran primero. De hecho, es bastante importante para muchas aplicaciones. Pero comparar sensores basados en la distancia máxima no es tan simple como ver cuál tiene el mayor número. Por lo general, muchos sensores citan su rango máximo al 90% de reflectividad en una superficie plana, lisa y perpendicular. Esta es, por supuesto, una situación muy ideal. Por lo general, esas pruebas también se realizan en interiores en un entorno sin interferencia de otras fuentes de luz. Otros productos pueden proporcionar un rango máximo promedio basado en una serie de pruebas, mientras que otros especificarán un rango máximo con una reflectividad del 10%, lo que significa que normalmente puede esperar un rango máximo mayor en aplicaciones de la vida real. Como leerá a continuación, ¡otros factores también pueden afectar el rango máximo! Por lo tanto, al comparar la distancia máxima para este tipo de sensor, tenga cuidado con los detalles y lea las secciones relevantes en las hojas de datos proporcionadas.
Distancia minima
Este valor a menudo no aparece en la lista y es menos discutido, pero estos sensores también suelen tener una distancia mínima de detección. Cuando un objeto se coloca más cerca de esta distancia, estos sensores tienen varias formas de informar el valor de la distancia en función de la tecnología utilizada y las elecciones de diseño realizadas por el fabricante. Algunos sensores simplemente indicarán la distancia mínima si un objeto está demasiado cerca, mientras que otros informarán 0. Algunos pueden entrar en un estado indefinido e informar un valor completamente diferente. Por supuesto, como se mencionó anteriormente, es importante verificar los detalles en la documentación y asegurarse de tener esto en cuenta durante el proceso de selección. Como regla general, cuanto mayor sea el rango máximo del sensor, mayor será también la distancia mínima, debido a las características de la óptica requerida para la medición de distancias de largo alcance.
Exactitud
La precisión generalmente se refiere a qué tan verdaderas se comparan las mediciones del sensor con la distancia real que se está midiendo. Por supuesto, estos también varían de acuerdo con múltiples factores, la distancia es grande. La mayoría de los sensores generalmente tendrán 2 o más "rangos" de precisión, generalmente uno fijo para rangos cortos y uno secundario variable para rangos más largos (como un% de la distancia). Al igual que el rango máximo, estos también se ven afectados por la reflectividad del objetivo.
Resolución
La resolución representa cómo se informan los datos. Normalmente estará en las mismas unidades que la precisión. Si bien la precisión es bastante importante, la resolución informada también es crítica para procesar los datos de una manera útil. Es muy común que los sensores reporten datos en una unidad específica (ej .: resolución en centímetros), pero tienen una precisión que es peor en rangos largos como ± 5 cm. Por lo tanto, en tal caso, podría obtener un valor en cm, pero también se debe tener en cuenta su precisión para analizar adecuadamente los datos obtenidos.
Interfaz
La interfaz también es una consideración importante, ya que tendrá que asegurarse de poder comunicarse con su sensor. Muchos de los sensores que ofrecemos tienen una interfaz UART . Otros usarán USB directamente, SPI, I2C o incluso una conexión Ethernet. Asegúrese de que la interfaz (y el protocolo) utilizados por el sensor coincidan con la interfaz y la capacidad de su sistema. Por lo general, la mayoría de las placas de microcontroladores tienen todas estas interfaces (excepto tal vez para Ethernet), por lo que no suele ser un problema. El problema a menudo surge cuando comienzas a integrar un robot o sistema completo (y posiblemente complejo) y te das cuenta de que te quedaste sin un tipo de interfaz y resulta que es la que necesitas para tu sensor. Por lo tanto, le recomendamos que planifique con anticipación y asegúrese de que su elección de sensor sea compatible con las interfaces que tiene disponibles en su proyecto
Requerimientos de energía
Otra característica que a menudo se pasa por alto es el poder. Muchos sensores enumerarán especificaciones sobre sus requisitos de potencia de funcionamiento (a veces solo requisitos de corriente y voltaje). Pero, debe tenerse en cuenta que muchos de ellos requieren más potencia en el inicio / durante la inicialización, y a menudo cuando esto no se cumple, el sensor simplemente no puede funcionar o responde con datos no válidos, como solo ceros para todas las mediciones. También se debe tener en cuenta que algunos sensores tienen requisitos específicos en los niveles de voltaje de entrada, tanto para su entrada de alimentación como para las líneas de E / S que deben respetarse. Esto también puede incluir requisitos avanzados, como el ruido de voltaje máximo (peek-to-peek).
Inmunidad a la interferencia
Se pueden requerir robots y otros sistemas que necesitan sensores de medición de distancia para operar en una variedad de entornos. Por lo tanto, es importante asegurarse de que el sensor elegido funcionará bien en el entorno en el que funcionará. Alternativamente, es importante al menos conocer las limitaciones y el impacto de ciertos entornos en su sensor. Por ejemplo, muchos de los sensores que ofrecemos están diseñados solo para uso en interiores. Usarlos al aire libre, bajo la luz solar directa, puede reducir en gran medida su alcance y precisión máximos o incluso evitar que funcionen por completo (más raro, pero puede suceder). La mayoría de los sensores que se pueden usar tanto en interiores como en exteriores proporcionarán dos conjuntos de especificaciones: uno para uso en interiores y otro para uso en exteriores (generalmente con valores peores). Otros pueden estar diseñados para uso en exteriores directamente y tienen un blindaje completo de la luz solar (como los que resisten hasta 100000 Lux o 100 kilo-Lux, que es aproximadamente igual a la luz solar directa máxima).
Ambiente
Ahora que sabe qué sensores se pueden usar en el entorno de su robot, ¿estará bien con otros desafíos, como el agua y el polvo? Muchos de nuestros sensores son de grado hobby y solo están destinados para uso en interiores en un ambiente seco y sin polvo. Algunos de nuestros sensores más resistentes (y generalmente más profesionales / caros) pueden resistir mejor el clima y el polvo que los más asequibles. Si su robot funcionará en un entorno polvoriento o húmedo, probablemente desee buscar el código / clasificación IP del sensor para determinar si cumple con sus necesidades. Si su configuración también incluye una vibración significativa, es posible que también desee ver si el sensor elegido puede hacer frente y cuánto tiempo puede funcionar en esas condiciones.
Sensor de peso y tamaño
Por supuesto, si el sensor cumple con todos sus otros requisitos, ¡sería importante asegurarse de que realmente encaje dentro de su robot o sistema y que no lo sobrecargue debido al exceso de peso! La mayoría de nuestros sensores son dispositivos de estado sólido que son bastante livianos (plástico en lugar de carcasa de metal), por lo que el peso generalmente no es un problema para la mayoría de las aplicaciones fijas y móviles. Por supuesto, si tiene la intención de utilizar el sensor en una aplicación de baja potencia, cerca del efector final de una extremidad robótica (por ejemplo: brazo robótico) o en un robot volador (como un cuadricóptero), el peso será mucho más importante.
Actualización / tasa de medición
Esto no suele ser un gran problema con los sensores de haz único / múltiple, pero a menudo surge con sensores de medición de distancia giratoria. Esta característica se traduce en dos posibles problemas: 1) ¿la salida del sensor será lo suficientemente rápida para mi aplicación y 2) puede mi sistema procesar la cantidad de datos que recibirá? En el primer punto, será importante verificar la documentación del sensor con respecto a la frecuencia de actualización y su relación con el rango máximo, la precisión y la salida de datos. Si se trata de un sensor giratorio, la resolución angular también será importante para determinar cuántas mediciones recibirá su sistema del sensor. Con respecto al segundo punto, será importante asegurarse de que su sistema pueda procesar la cantidad de datos que proporcionará el sensor. En algunos casos (como con sensores de un solo haz), simplemente no puede leer o ignorar datos cuando no son necesarios. En los casos en que usa un sensor giratorio, eso puede ser más difícil de hacer sin perder puntos de datos (o agregar complejidad al procesamiento de estos datos).
Tamaño / forma del haz
En algunos casos, es posible que le preocupe el objeto de tamaño mínimo que el sensor puede detectar. Esto se vuelve especialmente importante en rangos más largos, donde un rayo puede simplemente haber divergido demasiado para detectar objetos más pequeños. Al verificar la documentación, debería poder encontrar información sobre la divergencia del haz como un porcentaje sobre la distancia o en milirradios (o mil y mrad). Usando estos números y algo de trigonometría básica, debería poder determinar rápidamente qué tan grande será un haz en un cierto rango.
Sensores de un solo haz
Estos sensores producen solo un haz y generalmente se usan para detectar distancias a objetos grandes como paredes, pisos y techos, ya que el haz es muy delgado (en comparación con otras tecnologías como los sensores ultrasónicos). Dicho esto, generalmente puede separar los haces en dos categorías: haces altamente colimados (como los utilizados en un puntero láser) y haces de diodos láser LED y pulsados. Los haces altamente colimados tenderán a permanecer muy pequeños en todo el rango, mientras que los haces de diodos láser LED y pulsados tenderán a divergir en grandes distancias, de forma similar al haz de una linterna. Aquí hay algunos productos de este tipo y sus diversas gamas:
Proximidad (<= 6 m)
Para estos rangos tan cortos, generalmente es más práctico y rentable usar una reflexión infrarroja (IR) simple en lugar de sistemas LIDAR más complejos / costosos. Puede encontrar muchas de estas opciones en nuestra categoría Buscadores de alcance infrarrojo . La mayoría de estos sensores miden distancias en el centímetro en oposición al rango del medidor y tienden a variar de unos pocos milímetros a unos 150 cm. Telémetro láser Parallax 15-122cm.
Corto alcance (<= 10 m)
- Telémetro LED Benewake TF01 LIDAR (10 m, IP63-65)
- Módulo Benewake TFMINI Micro LIDAR (12 m)
- TeraRanger One ToF Rangefinder Type A (Spider) (14 m)
- TeraRanger One ToF Rangefinder Tipo B (Marco) (14 m)
- TeraRanger Duo ToF Rangerfinder con sensor de sonda (14 m)
- Kit de drones de inspección TeraRanger con 1 sensor tipo B (14 m)
- Kit de drones de inspección TeraRanger con 3 sensores tipo B (14 m)
- LeddarTech LeddarOne telémetro óptico (RS-485) (15 m)
- LeddarTech LeddarOne telémetro óptico (3.3V UART) (15 m)
- Benewake TF02 LIDAR LED telémetro IP65 (22 m)
- Telémetro láser ILM (35 m)
- Telémetro láser LIDAR-Lite 3 (40 m)
- Telémetro láser LIDAR-Lite 3 de alto rendimiento (40 m)
- Telémetro láser SF30-B (50 m)
- Telémetro láser SF30-C (100 m)
- Telémetro láser ILM (150 m)
Estos sensores de distancia producen múltiples haces de detección, generalmente de forma simultánea y son más adecuados para evitar objetos y evitar colisiones. Estos pueden variar en un rango de aproximadamente un medidor ( TeraRanger Multiflex 8 Sensor Kit ) a docenas de medidores (Módulo de detección LeddarTech Leddar M16 (haz de 10 °)). Puede ver la categoría completa de sensores multihaz aquí . Los usos potenciales incluyen robots autónomos que se mueven alrededor de entornos desconocidos o entornos con obstáculos en movimiento (personas, otros robots, etc.) como una oficina o un almacén.
Sensor rotacional
En este caso, el sensor generalmente produce un solo haz a medida que el dispositivo gira mientras se toman las medidas. Por lo general, se utilizan para SLAM y detección y evitación de objetos. Debido a la alta tasa de datos producidos, estos generalmente se utilizan mejor con una computadora de placa única ( SBC ), que puede manejar mejor el procesamiento de datos que los microcontroladores simples. La categoría completa de sensores de distancia de rotación se puede encontrar aquí . Estos son algunos ejemplos de los diversos tipos de sensores de distancia de rotación que puede encontrar:
Solo datos de rango
En estos casos, el sensor solo proporciona datos sin procesar (medición de distancia) y tendrá que programar su controlador para procesarlo. Esto puede ser bastante útil para SLAM, ya que es todo lo que realmente necesita (en cuanto a sensores) para crear un mapa básico de su entorno. Aquí hay algunos productos populares que se pueden usar para hacer esto:
RPLidar A1M8 - Kit de desarrollo de escáner láser de 360 grados
Escáner láser RPLIDAR A2 360 °
Escáner láser RPLIDAR A2M6 360 °
Hokuyo URG-04LX-UG01 Escaneo láser telémetro
Telémetro láser de escaneo Hokuyo URG-04LX
Telémetro láser de escaneo Hokuyo UBG-04LX-F01 (Rapid URG)
Procesamiento a bordo
Estos sensores de rotación más avanzados no solo escanearán un entorno con un haz giratorio sino que también incluirán una cierta cantidad de procesamiento de señal para obtener información útil directamente de los datos, como detección de objetos, zonas de detección, etc. Aquí hay algunos ejemplos de sensores que realizan este tipo de procesamiento:
- Sensor de detección de obstáculos LED infrarrojo de escaneo Hokuyo PBS-03JN
- Sensor de detección de obstáculos láser de escaneo Hokuyo UST-10LN
- Sensor de detección de obstáculos láser de escaneo Hokuyo UST-20LN
Resumen
Los sensores de luz y láser son cada vez más populares en los últimos años y pueden ofrecer a los robots una mejor manera de comprender su entorno. Con más opciones de este tipo ahora disponibles para los aficionados a precios asequibles, vale la pena considerarlo para los robots / proyectos de bricolaje. ¿Has usado tales sensores? CUAL es tu favoritO? ¿Para qué los utiliza? ¡Háganos saber en los comentarios!