Introducción:
Una parte importante a la hora
de construir un robot es la incorporación de sensores. Los
sensores trasladan la información desde el mundo real al mundo abstracto de los microcontroladores. En
este documento se explican los conceptos fundamentales de los sensores mas comúnmente
usados. Valores de salida de los sensores: Los
sensores ayudan a trasladar los atributos del mundo físico en valores que la controladora
de un robot puede usar. En general, la mayoría de los
sensores pueden ser divididos en dos grandes grupos:
1. Sensores analógicos
2. Sensores Digitales
Sensores Analógicos:
Un sensor analógico es aquel que
puede entregar una salida variable dentro de un determinado
rango (ver figura de la derecha). Un Sensor analógico, como
por ejemplo una Fotorresistencia (estos componentes miden intensidad
de luz), puede ser cableado en un circuito que pueda
interpretar sus variaciones y entregar una salida variable
con valores
entre 0 y 5 volts.
Un sensor digital es aquel que
entrega una salida del tipo discreta (ver figura de la izquierda).
Es decir, que el sensor posee una salida que varía dentro de
un determinado rango de valores, pero a diferencia de los
sensores analógicos, esta señal
varía de a pequeños pasos pre-establecidos.Por ejemplo
consideremos un botón pulsador, el cual es uno de los sensores más básicos.
Posee una salida discreta de tan solo dos valores, estos pueden ser abierto o cerrado.
Otros sensores discretos pueden entregar una salida del tipo binario, como es el caso
de un conversor Analógico/Digital, el cual entrega una salida de 8 bits capaz de
subdividir las variaciones de la
entrada en hasta 256 escalones.
Los sensores discretos mas comúnmente usados
en robótica entregan una salida del tipo binaria las cuales
poseen dos estados posibles (0 y 1). De aquí en adelante asumiremos que
una salida digital es una salida del tipo binaria. La
distinción entre analógico y digital es muy importante a la hora de tomar la
decisión para determinar que sensores se usarán. Esta
decisión depende en gran medida de la capacidad y
características de la controladora que se usará. Conversión
Analógica/Digital:
Los microcontroladores generalmente
operan con valores discretos. Los controladores como el
Motorola 68HC11, el PIC 16F84, etc., trabajan con valores binarios de 8 bits. Una
parte importante a la hora de trabajar con señales analógica es la posibilidad
de transformar las mismas en señales digitales mediante el
uso de un conversor A/D (analógico/digital) y entregar su
salida sobre un bus de 8 bits (1 Byte). Esto permitirá al
microcontrolador poder tomar
decisiones en base a la lectura obtenida. Cabe destacar que
en la actualidad existen microcontroladores que ya poseen este conversor
integrado en si mismos, lo que permite ahorrar espacio y
simplificar el diseño.
En la siguiente figura se puede ver un
ejemplo de como se comportaría un conversorA/D (analógico/digital):
Voltaje entre
(v)
Valor de Salida
(binario)
Valor de salida
(decimal)
0.0000 0.0195 00000000 0
0.0195 0.0391 00000001 1
0.0391 0.0586 00000010 2
0.0586 0.0781 00000011 3
0.0781 0.0977 00000100 4
Podemos ver como para distintos
rangos de valores de valores de entrada, se obtiene un valor
de salida binario. Si nuestro rango de entrada está entre 0 y 5 volts, un
conversor A/D de 8 bits podrá dividir la tensión de entrada
en 256 valores binarios. Esto resulta en un escalón de 0.0195
volts. Esto se puede ver claramente en la tabla anterior, si bien solo
están representados los primeros cinco niveles.El gráfico anterior muestra el
resultado de una conversión A/D para 14 muestreos. El número
del muestreo es mostrado en el eje X en la parte inferior. El lado izquierdo del eje
Y indica el voltaje de la entrada analógica que está siendo muestreada. Sobre
el lado derecho del eje Y podemos ver el valor digital de 8
bits asignado a cada punto del muestreo. (visto en formato
decimal).
Existen
una gran variedad de conversores A/D en el mercado. Los de 8 bits se usan comúnmente
con microcontroladores, pero también existen de 10 bits, capaces de tomar hasta
1024 muestras. Y de 12 bits, capaces de tomar hasta 65356 muestras. A
mayor cantidad de muestras mayor será la precisión obtenida, por lo que la
elección del conversor A/D adecuado dependerá de que tan
exacto deberá ser nuestra lectura del sensor. Sensores
Analógicos mas frecuentes:
Recuerde que para usar con éxito
un sensor analógico, deberá poseer alguna forma de convertir
la salida generada por este en una señal digital capaz de ser interpretada por
un sistema microcontrolado.
Todos los circuitos mostrados en
esta sección están pensados para ser usados conectándolos a
un conversor A/D. Recuerde que muchos microcontroladores ya
traen integrado estos conversores, en caso
contrario se deberá agregar
externamente uno como por ejemplo el ADC0801 de National
Semiconductores (http://www.national.com/) o similares.
Estos fotorresistores (también
llamados LDR) poseen la capacidad de variar su valor acorde a
la cantidad de luz que incide sobre ellos. El LDR mostrado
como P1 en el diagrama de la izquierda posee una resistencia
de 10K operando con una iluminación intermedia. Junto
con R1 que también es de 10K, producen un divisor resistivo.
La tensión medida en el punto medio de este divisor variará
según varíe la luz que incida sobre
el LDR. Debido
a que el valor resistivo del LDR decrece a medida que la luz
aumenta, en consecuencia la tensión en el punto medio disminuirá
también a medida que la luz aumente y viceversa. A
modo de ejemplo supongamos que hay suficiente iluminación para llevar el valor
del LDR a 2K. En este caso la tensión medida en el punto
medio (considerando VCC=5v) sería:
V= P1*(VCC/(P1+R1))
Entonces V=2K*(5/(2K+10K))= 0.83v
Si la salida del punto medio la
transformáramos a Digital mediante el Conversor A/D comentado
anteriormente obtendríamos una lectura aproximadamente igual a 42 en decimal (2A
Hexadecimal). Lo cual podría ser perfectamente interpretado por un sistema microcontrolado
y de esta forma poder medir la intensidad de luz presente. Potenciómetros:
Otro sensor muy comúnmente usado
y que a veces no se lo considera es el clásico potenciómetro. Estos
son muy útiles para medir movimientos y determinar la posición de un mecanismo
determinado como por ejemplo el eje de una articulación de un brazo mecánico. Debido
a que los potenciómetros poseen un ángulo de giro de aproximadamente 270°, no
es posible usarlos en mecanismos que deben realizar un giro completo o bien mas
de una vuelta sobre su eje. Como se aprecia
en el diagrama, la forma de conexión es similar al caso
del LDR, con la simple diferencia que en este caso el Potenciómetro
es un divisor resistivo en si mismo y R3 se usa
como simple limitador de
corriente. Los valores son a modo de ejemplo
y pueden usarse cualquier valor dentro
de rangos aceptables. No
muy bajos para no provocar un elevado
consumo (10K es lo mas
bajo recomendable) y no muy elevado
ya que la corriente sería
demasiado baja (no mas de 1.5M).Existen
dos tipos de potenciómetros en el mercado: Lineares y Logarítmicos (estos últimos
usados normalmente en audio). Los del tipo linear varían su
valor en forma constante (linealmente), los del tipo logarítmicos
poseen una curva de variación del tipo logarítmica, esto es decir que su valor
aumenta lentamente en los extremos y luego los valores cambian cada vez mas rápidamente. Los
mas recomendados a la hora de sensar posiciones de mecanismos son los del tipo linear.Sensores
Digitales de uso general: Existe una gran variedad de
sensores digitales. Muchos de ellos se conectan en forma similar,
la cual es haciendo uso de una resistencia de Pull-Up conectada a VCC para mantener
la entrada forzada a nivel alto, con lo cual el sensor la forzaría a nivel bajo cuando
se active. Switch o llaves: Uno de los
sensores mas básicos son los switch (llaves o pulsadores). En la siguiente figura
se puede apreciar el conexionado clásico de un switch a una entrada digital:
Para evitar pulsos de rebote al
accionar el switch se puede usar un capacitor de bajo valor
(0.1uF a 1uF) en paralelo con los bornes del switch. Microswitch:
Un tipo de switch muy útil en
robótica es el microswitch como el que se puede apreciar en
la siguiente figura: Al presionar la lámina, el borne común C
pasa a conectarse con el borne activado A. Si la lámina no
está presionada, el borne C está unido con R (reposo). En la
práctica el borne R viene identificado como NC (normal closed) y el borne Aviene
identificado como NO (normal open) .La forma de conectar un microswitch a una
entrada digital es la misma usada para todo tipo de switch
(ver punto anterior). En la siguiente figura podemos ver uno
de los usos característicos de estos microswitch:
En este ejemplo se los utiliza
para la detección de obstáculos en un pequeño robot. Sensores
infrarrojos optoacoplados:
Existen dos tipos de sensores
infrarrojos: reflectivo y de ranura. En ambos casos estos se
basan en un conjunto formado por un fototransistor (transistor activado por
luz) y un LED infrarrojo. Reflectivo: Este
tipo de sensor presenta una cara frontal en la cual se
encuentran tanto el LED como el Fototransistor. Debido
que no están colocados en forma
enfrentada, la única forma
posible para que la luz generada por el LED active el Fototransistor
es haciendo reflejar esta luz en una superficie reflectiva. Teniendo
en cuenta esto, estos sensores son muy útiles para detectar
por ejemplo una línea negra sobre una superficie blanca o
viceversa. Debido a que el fototransistor es afectado no
solo por la luz del diodo sino por la luz ambiental, se deben
desarrollar circuitos de filtrado para evitar una falsa
activación debido a la luz ambiente.De Ranura: En este tipo
de sensor, ambos elementos (LED y Fototransistor)
se encuentran alineados a la misma altura enfrentados
a través de la ranura. El fototransistor se encontrará activado
siempre que no se
introduzca ningún elemento que obture
la ranura. En la figura de la izquierda se aprecia
un uso clásico para este tipo de sensores. El
motor posee un disco rasurado acoplado a su eje. De esta forma podemos
detectar el movimiento del motor, ya que al girar irá obturando
y liberando el haz de luz entre el LED y el Fototransistor. En
la siguiente figura se aprecia un conexionado típico para este tipo de
sensores. En el
caso del reflectivo se debería
además modular el encendido del LED para luego poder realizar
el filtrado necesario para evitar la activación por luz ambiente.Sensor de
Efecto Hall:
Otro sensor muy útil y simple de
usar es el de efecto Hall. Se trata de un semiconductor que
actúa como detector de proximidad al enfrentarse al polo sur de un imán.
Utilizando el efecto Hall para proporcionar una conmutación
sin rebotes. La distancia a la que produce la conmutación el
campo magnético del imán es de alrededor de 2mm (dependiendo
del modelo usado). Son muy usados en circuitos lógicos en
donde se precisa conmutar sin que se produzcan rebotes, o en
donde se quiera evitar el contacto mecánico. Como por ejemplo es posible realizar
un circuito que mida las revoluciones a la que está girando una rueda.
Resumen: Estos
son solo algunos de los sensores mas comúnmente usados en robótica debido a su practicidad
y bajo costo. Existen muchos otros un poco mas sofisticados,
como ser los transmisores y receptores ultrasónicos, con los
cuales se pueden construir sistemas de sonar muy útiles a la hora de
detectar objetos a distancia y así poder esquivarlos sin necesidad de tomar
contacto con ellos.
