Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
CHƯƠNG 3
CẢM BIẾN DÙNG TRONG ROBOT TỰ HÀNH
Có một lượng lớn các cảm biến khác nhau được dùng trong lĩnh vực robotic, áp dụng nhiều
kĩ thuật đo khác nhau và sử dụng các giao tiếp khác nhau với bộ điều khiển. Điều quan trọng là
tìm ra cảm biến thích hợp cho một ứng dụng cụ thể. Dữ liệu truyền đến bộ điều khiển có 2
dạng : CPU-initiated (hỏi vòng) và sensor-initiated (sử dụng ngắt). Trong trường hợp CPU-
initiated, CPU liên tục kiểm tra xem dữ liệu có sẵn sàng để đọc không bằng một đường tín hiệu
trạng thái. Việc này thì tốn thời gian hơn là giải pháp sensor-initiated, chi đòi hỏi đủ ngõ vào
ngắt thôi. Cảm biến phát tín hiêu ngắt đến CPU và CPU đáp ứng ngay lập tức.
Sau đây là bảng tóm tắt các dạng ngõ ra của cảm biến :
Ngõ ra cảm biến Ứng dụng
Tín hiệu logic (1,0) Công tắc hành trình
Tín hiệu tương tự Cảm biến đo góc
Tín hiệu xung thời gian Cảm biến siêu âm
Dữ liệu nối tiếp (RS232 hoặc USB) GPS Module
Dữ liệu song song Camera số
Bảng 4.1 Phân loại cảm biến theo ngõ ra
4.1 PHÂN LOẠI CẢM BIẾN
Dưới cái nhìn của người kỹ sư, thật hợp lý khi phân loại cảm biến theo ngõ ra vì điều này rất
cần thiết khi giao tiếp chúng với hệ thống nhúng. Tuy nhiên, Bảng 4.2 trích từ [9] cho ta các
cách phân loại khác cũng quan trọng khi nhìn vào khía cạnh ứng dụng của chúng:
Từ cách nhìn của một robot, ta cần phân loại như sau:
• Local hoặc on-board sensors ( cảm biến được đặt trên robot )
• Global sensors (cảm biến được đặt bên ngoài robot và trong môi trường làm việc của nó,
gửi dữ liệu về robot)
Từ cách nhìn của một hệ thống robot tự hành, ta cần phân loại như sau:
• Internal hoặc proprioceptive sensors ( cảm biến khảo sát trạng thái bên trong của robot )
• External sensors ( cảm biến khảo sát môi trường của robot)
Một cách phân biệt khác là :

4.2.1 Rotary Encoder:
Rotary encoder hay còn gọi là shaft encoder, là một thiết bị điện cơ dùng để đo vận tốc
hoặc vị trí. Encoder sử dụng các cảm biến quang để đưa ra một chuỗi xung có thể chuyển
đổi thành các giá trị của chuyển động như vận tốc, vị trí hay hướng.Hình dưới mô tả cấu tạo
một dạng encoder: một đĩa rất mỏng và một diode phát quang (LED) gắn ở một phía, phía
bên kia có một transistor nhạy sáng (light activate) phát hiện ánh sáng từ LED. Đĩa được gắn
vào trục quay và khi trục quay thì đĩa quay. Khi đĩa quay đến vị trí mà ánh sáng từ LED có
thể truyền qua khe trên đĩa đến transistor làm nó bão hòa, transistor sẽ phát ra một xung
vuông. Có hai dạng rotary encoder : incremental encoder và absolute encoder.
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 2
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
 Incremental Encoder :
Hình 4.1 Nguyên lý incremental encoder
Encoder với một chuỗi xung thì khó để nhận biết chiều chuyển động của vật thể.
Các encoder loại incremental có thêm chuỗi xung thứ hai lệch pha so với chuỗi
thứ nhất. Encoder này sử dụng hai ngõ ra A, B vuông pha với nhau, có các trạng
thái được mã hóa như sau :
(a)
(b)
Hình 4.2 (a): Mã hóa tín hiệu từ incremental encoder băng mã gray; (b) :
Trường hợp encoder quay thuận chiều chiều kim đồng hồ
 Absolute encoder : hạn chế của incremental encoder là số xung phải được đếm và lưu
trong bộ đệm hoặc bộ đếm ngoài, nếu mất nguồn, giá trị đếm sẽ mất. Trong trường một
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 3
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
thiết bị cần tắt nguồn định kì để bảo dưỡng thì khi cấp nguồn lại nó sẽ không biết tiếp
tục ở vị trí nào. Absolute encoder có thể khắc phục điều này bằng thiết kế đĩa với các
vòng đồng tâm trên đĩa, mội vòng đều có những chỗ hở cho ánh sáng đi qua và những

Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 5
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
đụng phải tường ( theo hướng đó ) nhưng không thể biết được nếu robot khác đâm vào nó
theo hướng vuông góc. Do đó dùng gia tốc kế nhiều trục sẽ tiện lợi hơn. Một ứng dụng
khác là cho robot đi bằng hai chân và ta muốn robot cân bằng trên mặt phẳng. Do gia tốc
kế có thể tính được góc lệch của gia tốc so với gia tốc trọng trường nên ta chỉ cần dùng
loại hai trục, nếu gia tốc trên hai trục X-Y ( 2 trục nằm ngang) bằng không, có nghĩa là
robot đang cân bằng hòan tòan.
4.2.3 Con quay ( Gyroscopes)
Gyroscopes có hai loại : mechanical gyroscopes và optical gyroscope.
 Mechanical Gyroscopes : dựa trên nguyên lý lệch trục của con quay hồi chuyển.
Trong trường hợp con quay đạng quay với tốc độ cao, ta tác động vào một trục thì
con quay sẽ phản ứng ở trục còn lại. Trong sơ đồ con quay hình dưới, phần quay
(rotor ) có ba bậc tự do và trục của nó ( spin axis) có hai bậc tự do. Khi rotor quay
với vận tốc cao, ta tác động vào trục nằm ngang ( input axis ) thì con quay sẽ đáp
ứng ở trục thẳng đứng ( output axis)

Hình 4.6 : Cấu tạo và nguyên lý họat động của con quay hồi chuyển
Trong thực tế, con quay hồi chuyển gồm một rotor được lắp trên một khung động
quay quanh trục Y’Y với tốc độ lớn (~ 10000 vòng / phút) nhờ một động cơ. Tốc độ
quay cần đo theo trục Z’Z vuông góc với trục Y’Y. Nó làm xuất hiện một ngẫu lực ( tỉ
lệ với ) theo hướng X’X vuông góc với hai trục Y’Y và Z’Z có xu hướng làm cho
khung động của con quay hồi chuyển quay theo. Ngẫu lực cân bằng với lực đàn hồi
của lò xo và thể hiện qua góc quay của khung. Góc quay tỉ lệ với vận tốc góc cần đo,
để tiện cho việc xử lý thì góc được chuyển thành tín hiệu điện nhờ vào một điện thế
kế.
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 6
Obj275Obj276Obj277Obj278Obj279Obj280Obj281Obj282
Obj283Obj284

Nhược điểm của cảm biến hồng ngoại là chịu tác động của ánh sáng môi trường và màu
sắc của vật phản xạ. Do đó không thể sử dụng cảm biến này cho robot dung ngoải trời. Tuy
nhiên một số cảm biến hồng ngoại mới như Sharp IR có thể làm việc tốt với ánh sánh môi
trường. Ưu điểm của cảm biến hồng ngoại là góc mở nhỏ nên độ phân giải hướng lớn.
4.3 CẢM BIẾN SIÊU ÂM
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 8
Chương 3 Cảm biến dùng trong robot tự hành
——————————————————————————————————————
4.3.1 Cơ sở vật lý của sóng siêu âm :
Sóng siêu âm là áp suất âm tuần hoàn với tần số lớn hơn ngưỡng nghe trên của tai người.
Ngưỡng nghe này thay đổi theo từng người, tính xấp xỉ là 20KHz. Sóng siêu âm được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực, chủ yếu là truyền qua môi trường vật chất và đo tín hiệu phản xạ, tín hiệu
phản xạ có thể mang theo đặc tính của môi trường đó
.
Hình 4.9 : Vị trí sóng siêu âm trong dải tần số
Siêu âm được sử dụng rộng rãi trong việc đo khoảng cách và định vị vật thể. Sóng siêu âm
được truyền trong không khí với vận tốc 343m/s. Các công thức tính toán cho sóng siêu âm:
(4.3)
(4.4)
Sớng siêu âm truyền trong không khí khi gặp vật cản, môi trường khác hay tương tác với
một sóng siêu âm khác có thể xảy ra các hiện tượng sau:
 Phản xạ
 Khúc xạ
 Tán xạ
 Nhiễu xạ
 Giao thoa
Robot tránh chướng ngại vật - GVHD: TS.Nguyễn Đức Thành Trang 9
Obj289
Obj290