Robot Sensörleri

Sensörler duyularımız gibi bir sistemin çevresini algılamasını sağlayan elemanlardır. Örneğin  görme duyumuz olan gözlerimizin yerini mobil robotlarda ışık sensörleri (LDR, kamera…) alır. Biz de mobil robotlarda dış dünyayı algılatmak için sensörleri yani algılayıcıları kullanıyoruz.

Dış Çevre –> Sensör –> Elektriksel Uyarılar 

Sensörler bir dış uyarıyı işlenebilen, ölçülebilen elektrik sinyallerine dönüştürürler. Robotlarda kullanılan sensörler doğal canlılardan esinlenerek tasarlanmışlardır. Örneğin kedilerin bıyıklarından esinlenerek dokunma bıyık sensörleri, yarasaların gece görüşünde kullandığı ultrasonik seslerden esinlenerek ultrasonik sensörler gibi. Sensörlerin verilerini kullanabilmek için her tip sensörün uygun bir arayüzle robotun kontrol kartına bağlanması gerekir. Hobi robotlarda en çok kullanılan sensörlerin aşağıda uzunca bir listesi mevcut. Tüm çeşitler hakkında bilgiyi yazıda bulabileceksiniz.

• Mekanik dokunma dokunma, çarpma  sensörleri (Duyargalar)
• Eğim & Denge sensörleri
• Basınç  sensörleri
• Işık sensörleri (LDR,  fotodiyot, fototransistör, IR, CMUcam kamera),
• Ses sensörleri (mikrofon, ses tanıma, ultrasonik)
• Uzaklık sensörleri
• Posizyon sensörleri (optik encoderlar, Resolverlar, Potansiyometreler)
• Elektronik pusulalar, GPS navigasyon, hareket sensörleri
•  UV sensörler
• Isı sensörleri
• Nem sensörleri, vs…

Mekanik Sensörler (Duyargalar)

Sensörler kategorisindeki en basit sensördür. Çalışma prensibi açma-kapama anahtarlarıyla aynıdır. Genellikle yaylı bir sistem engele çarpınca kontakt kapanır ve elektrik iletimi sağlanır. Çıkışı ya elektrik var ya da elektrik yok şeklinde olduğu için dijital bir sensör olarak düşünebiliriz.  Swtichler, butonlar bu tür bir mekanik sensör için kullanılabilir.

Ataş teli, yay ve biraz uğraşla siz de basit bir mekanik algılayıcı yapabilirsiniz.

Eğim & Denge Sensörleri

Bu tür sensörler robotunuzun yüzeyle yaptığı açıyı algılayabilir. Bu işlemlerde elektronik olarak  Gyro (Jiroskop, sol fotoğrafta yer alıyor) ve  mekanik algılama olarak da cıvalı kontakt sensörleri kullanılabilir. Gyroların çıkışları açıya göre analog voltaj ya da özel bir sinyal atımıdır. Sinyal atımının genliği ölçülerek sensörün bağlı olduğu sistemin zeminle açısı saptanabilir.

Tilt Sensörleri

Bu sensörler de denge sensörleri gibidir, farklarıysa açısal olarak algılamak yerine anlık çarpmaları ya da sağa, sola, 90 derece ve üstü açılardaki eğilmeleri algılamarıdır. Çıkışları tilt var tilt yok şeklinde yani dijitaldir. Cıvalı kontakt sensörleri kullanarak yapabileceğiniz  basit bir denge sensörü uygulaması için tıklayınız. Sistemde 4 cıvalı kontakt sensörü kullanıyoruz.

İvme Ölçerler (Accelerometer’ler)

Son zamanlarda kullanım alanları gittikçe artan bir sensör türüdür. Bir yönde hareketle oluşan ivmeyi elektriksel sinyallere çevirirler. En yaygın kullanım alanları cep telefonlarımız (oynadığınız yarış oyunlarını düşünün). Cep telefonlarını, telefonu sağa sola çevirdiğimizde oluşan küçük ivmeleri farkedip, mikro denetleyicisinde işler.

Basınç & Kuvvet & Yük (Load cell) Sensörleri

Bu sensörler belirli bir kuvveti ölçmek amacıyla kullanılırlar. Örneğin bu sensörlerin kullanım alanlarından biri ve en yaygını dijital terazilerdir. Terazilerde yer alan yük sensörleri kuvvete bağlı gerilmeyle direnç değiştirirler. Bu çok küçük direnç değişimleri hassas devrelerle algılanarak ağırlığa çevrilir. 3 sensör için de benzer iç yapılar geçerlidir.

Pozisyon Sensörleri (Optik, Manyetik Encoder – Resolver – Potansiyometreler)

Pozisyon sensörleri hareketli bir sistemin pozisyon (konum) bilgisini almamızı sağlarlar. En basitiyle başlayalım. Potansiyometreler belli bir aralıkta ayarlanabilen dirençlerdir. Bu direnci üstünde yer alan çubukla değiştirebiliriz. Eklem kısmında çubuğu ekleme bağlayarak açıyla değişen bir direnç elde ederiz. Encoderlar da genel olarak üç tiptir. Basit tek kanal encoderlar, İki yada üç kanallı artımsal (incremental) encoderlar ve çok kanallı mutlak (absolute) encoderlar. Encoderların çıkışı dijital kare sinyaldir. Kullanmak oldukça basittir.

Encoderlı dc motor

Soldaki fotoğrafta tek kanallı optik encoder’a sahip bir dc motor modeli görebilirsiniz. Encoder motorun arkasına bağlanır ve motorun her bir turunda belirli adette sinyal çıkartır. Sayıcı devreleri ya da mikrodenetleyiciler bu encoder sinyallerini sayarak motorun kaç tur attığını çok hassas bir şekilde bulabilir. Gelişmiş enkoderlarda 2000- 3000 yarık dahi bulunabilmektedir. Bu da çok daha hassas verilere ulaşmamızı sağlar (2000 yarıklı bir encoderın hassasiyeti 360/2000 = 0,18 derece’dir).

Resolverlar (Sincos’lar)

Encoder’ların bir üst basamağı olarak düşünebiliriz.  En sık olarak endüstriyel motorlarda kullanılırlar. Encoderlara benzemekle beraber iç sistemleri tamamiyle farklıdır ve tabi çıkışları da. Resolverlara dışarıdan bakıldığında  görünüş olarak dc motora çok benzerler.  Rotor (Dönen kısım) ve statordan oluşurlar. Motordan farkıysa, Resolverların rotoru da, statoru da bobinlerden oluşur. Robot bobinine belirli frekans ve voltajda (genellikle AC akım 400hz – 26V gibi) akım uygulanır.

Rotorun statorla yani sabit kısımla yaptığı açıya göre arada oluşan manyetik alan bir transformatör yaratır, tabi bu trafo çıkışı bobin açısına göre değişir. Bir bobinden girilen voltajın sinus foksiyonu çıkar, öteki bobinden cosinus çıkışı çıkar. Aşağıdaki grafikten inceleyebilirsiniz.

Resolver bobin şeması

Vr Voltajını verdiğimiz bobin ana (primary) bobindir. Dönen bobini bir demir çekirdek yardımıyla elektrikler.  Dönen bobinin(rotary coil) diğer sabit iki bobine (cos winding – Sin winding) yaptığı açıya göre çıkış voltajları değişir.

Çıkışlar: 

Vs: Vr x Sin (bobin açısı)
Vc: Vr x cos (bobin açısı)

Motor Hız Sensörleri (Takometreler, Takojeneratörler)

Bu sensör tipleri motorun arkasına takılır motorun hızına göre analog bir voltaj çıkartırlar.  Analog voltaj motor hızına göre doğru orantılıdır. Basit kullanımlıdır. Solda yer alan fotoğrafta maxon motora bağlı bir takojeneratör modeli görebilirsiniz. Takojeneratör aynı bir bisiklet dinamosu gibi çalışmaktadır.

Pusulalar, GPS Sistemleri

Arazi robotu gibi hareketli projelerde kullanılan sensörlerdir. Elektronik pusulalar robotun yönünü bulmasında kullanılırken, GPS devreleri çok daha hassas şekilde robotun içinde bulunduğu koordinatları da bulmasını sağlar.

Akım Sensörleri

Bu tür sensörlerin amacı üzerlerinden geçen akımı ölçmektir. Bazı devreler için hayati önem taşıyan bir sensör türüdür. Allegro serisinden ACT240 – ACT245 gibi modeller, ACS756 ve INA139 gibi entegreler akım ölçümü için uygundur. Genellikle bu sensörlerin çıkışları akımla orantılı voltaj çıkartır. Başka bir tür akım sensörü de toroid bobin tipi akım sensörleridir, bu sensörler yalnızca frekanslı akımı (alternatf akım ya da pwm sinyali) gibi algılayabilirler. Akım geçen kablo bu tür sensörlerin merkezindeki delikten geçer, frekanslı akım manyetik alan yaratır ve sensör çıkışlarından AC voltaj çıkar.  Akım şiddeti arttıkça AC voltaj da artar.Basit bir akım sensörü olarak da çok küçük ohm değerine sahip yüksek watt’lı taş dirençler kullanılabilir. Bu dirençlerde üzerlerinden geçen akımla orantılı olarak direnç üzerinde voltaj düşümü yaratacaklardır.

 Işık Sensörleri

Robot kontrolünde en yaygın kullanılan sensör ailesidir. LDR, fototransistör, fotodiyot, infrared dedektörler  gibi. Görünen veya görünmeyen ışık bilgilerini kullanan tüm sensörler bu kategoride yer alır.

LDR Işık Sensörleri

LDR’ler (Light Dependent Resistor) ışık yoğunluğuna göre direnci değişen devre elemanlarıdır. Kolay kullanımlı analog sensörlerdir. LDR’ler (Yaygın halk deyimi ile “fotoseller”) genellikle kadmiyum sülfidden (CdS)  yapılmıştır.

Soldaki fotoğraftaki gibi birçok boyda olanlarını bulmak mümkündür. Genellikle yerli piyasamızda en ufaklarını bulabiliyoruz.

LDR’lerin devreye bağlanışı herhangi bir direnç gibidir. Direnç değerleri birkaç kohm’dan megaohm seviyelerine değişebilir.

Sol grafikte örnek bir ldr’nin direnç grafiğini görebilirsiniz. LDR direnci genellikle ışık yoğunluğuyla ters orantılı olarak artar. Analog okuma yaptırılarak kolayca kullanılabilir.

Fototransistorler – Fotodiyotlar

Bu ışık algılayan elektronik devre elemanlarını da ışık sensörü olarak kullanabilirsiniz. LDR’lere göre en büyük avantajları hızlı tepki süreleridir. Fototransistorler üzerlerine düşen ışık yoğunluğuna göre baz bacaklarına güç verirler; böylece ışıkla orantılı olarak emiter’den daha fazla akım çıkar. Fotodiyotlardaysa diyot üzerine düşen ışık belli bir değeri aştığında diyot iletime geçer. Fotodiyotlar da genellikle LED kılıfındadır.

Renk Sensörleri

Renklerin belirli ışıkları belli oranlarda yansıtmaları temel alınarak yapılmış sensörlerdir. Algılama rengine göre belirli bir voltaj çıktısı verilebilir. En yaygın renk sensörü entegresi Taos TCS230 modelidir.

Kızılötesi Sensörler

İnfrared sensör grubu da çok geniştir. Bu tür sensörler cisim algılama ya da iletişim için kızılötesi (infrared) sensörleri kullanırlar. Kızılötesi kullanılmasının en önemli sebebi, görünür ışık tayfından kaçınmaktır. Bu şekilde dedektörler (ışın algılayıcılar) daha kararlı çalışırlar.

Yansımalı ve Yarıklı Optoküplörler (Kontrast algılayıcı Sensörler)

CNY70, QRD1114, TCRT5000 gibi optoküplörler yansımalı optoküplör ailesindendirler. Bu sensörlerin asıl kullanım amacı iki ayrı devreyi birbirleriyle ışık yoluyla haberleştirmektir. Biz de robotikte bu sensörleri kontrast algılaması için kullanıyoruz.

Sol grafikte (büyütmek için üstüne tıklayınız) CNY70 sensörünün çalışma mantığ gösterilmiştir. Siyahla beyaz rengin ışığı yansısıp yansıtmaması kuralına göre fototransistor iletime geçer ya da geçmez. Bu sensörde ledin üzerinden geçen akımı sınırlamak için bir direnç ve transistorün doyum sınırını belirlemek içinde başka bir direnç kullanırız. Yani bir kontrast sensörü için ik idirenç ve bir CNY70 (ya da QRD1114, TCRT5000…) yeterlidir.

UV Morötesi Sensörler

Morötesi ışınımı algılamak için kullanılırlar. Yangın sensörü olarak da kullanılabilirler (Ateş yüksek oranda morötesi ışık da yayar). Analog voltaj çıkartırlar, karşılaştırıcı entegreleri kullanlarak (LM324, Lm339, Lm358 gibi…) mikrodenetleyiciyle kontrol edilebilir.

Ses Sensörleri

Temelinde bir mikrofon (ses algılayıcı) ve mikrofondan çıkan sesleri güçlendiren (ses amfisi) devreleri barındıran bir sensör çeşididir. Ortamdaki ses seviyesi belirli bir sınırın üzerine çıktığında çıkış verirler. Sınır seviyesi genellikle devrelerinde yer alan trimpotlarla ayarlanabilir.

Ultrasonik Sensörler

Sesle engel tanıma veya uzaklık ölçümü ultrasonik (ses ötesi) ses dalgaları ile yapılabilir. Ultrasonik sensör çevresine ses dalgaları yayıp , engele çarpıp geri gelen yankı dalgalardan menzil ölçümü yapan bir algılayıcı türüdür. Menzilleri diger sensörlere göre çok daha fazladır. Bir IR sensör en fazla 2m ölçebilirken, ultrasonik sensorler uygun koşullarda, 30 metreye kadar ölçebilir. Fiyatları da normal ışık sensörlerine göre biraz daha yüksektir. http://www.acroname.com da ultrasonik sensorleri bulabilirsiniz.

Ultrasonik sensörlerin en önemli kullanım alanları menzil ölçümü istenen mobil & kaşif robot projeleridir.   Soldaki sensor Devantech SRF04′tür. Bu sensör hakkında ayrıntılı bilgi verecek olursak.  3cm-3m algılama kapasitesi vardır. Bu sensörden elimde bir adet var ve bu sensörü sumo robotum BariyeR’de kullanıyorum. MCU ile 2 pin aracılığı ile iletilşimini  sağlar. Ultrasonik sensorlerin çalışma prensibi Ultrasonik ses insan kulağının algılayamadığı yüksek frekanslı seslerdir. 20kHz ila 500kHz frekans arası ses dalgaları bu sınıftandır.

Ultrasonik sesler doğrusal yayılım özelliklidir. Sesin frekansı yükseldikçe, doğrusal yayılım özelliği artar. Bu özellik sayesinde, bir kaç cm’dem 30m’ye kadar olan mesafeler ultrasonic aygıtlarla ölçülebilir.

Sesin deniz seviyesindeki yayılma hızı 346m/s’dir. Bu yayılma hızı yükseklik, ısı, nem oranı ve atmosfer basıncına göre değişebilir. Örneğin ses hızları 0 ‘C (273k)’da 330 m/s; 18 ‘C ‘de 341 m/s, 20 ‘C oda sıcaklığında ve kuru havada ise 343 m/s’dir. Robotlarda kullanılan ultrasonik sensörlerin çoğunda 40kHz frekanslı bir ses atım sinyali bir transducer (özel olarak imal edilmiş ultrasonik hoparlör) aracılığıyla gönderilir. Ultrasonik ses dalgası önündeki bir nesneye, bir engele çarpıp, geri yankılandığında diğer bir transducer (yine özel olarak imal edilmiş ultrasonik mikrofon) tarafından algılanır. Bir elektronik devre aracılığıyla, gönderilen ses atımının çıkışından, engele çarpıp,  geri gelen eko sesin alınması arasındaki zaman süresini sayarak arada geçen zaman ölçülür. Bu zaman 2′ye bölünür, ses hızı ile çarpılarak uzaklık ölçümü yapılır. Uzaklık = (Ses hızı) x (zaman / 2) X = v * (t /2)X= Uzaklık v= ses hızı t= ses atımının çıkışından, engele çarpıp,  eko olarak geri algılana kadar geçen zaman süresi.

Sıcaklık Sensörleri

Bu tür sensörler sistemin sıcaklığını ölçmek için kullanılırlar. LM35 (Solda yer alıyor) gibi ucuz fiyatlı entegreler sıcaklık ölçümü işini çok kolaylaştırmıştır. LM35 entegresinde sıcaklık değişimi başına çıkışta voltaj farkı olur, bir analog, dijital çevrimi yapılarak sıcaklık tayin edilebilir.

NTC – PTC Termistörler

NTC ve PTC sıcaklıkla değerleri değişen dirençlerdir. Bir direncin değeri negatif (ters orantılı ) değişir. Öteki dirençse pozitif (doğru orantılı) değişir. Bu devre elemanları da sıcaklık sensörleri olarak kullanılırlar. İki bacaklı standart bir direnç gibi devreye bağlanırlar.

Sharp Sensörler

Sharp sensörler olukça popüler sensör türleri, bu sensörlerle ilgili özel bir yazı hazırladım. Sharp infrared sensörleri linkinde bulabilirsiniz.

Endüstriyel Sensörler

Yukarıda tanıttığım tüm modeller de endüstride yaygın olarak kullanılırlar. Aşağıda tanıtacağım sensörlerse belli standartlara oturmuş daha çok yaygın kullanım alanlı sensörlerdir. Yazının devamında bazı sensörlerin kısa açıklamalarını bulabilirsiniz.

Kapasitif Sensör

Plastik gibi yalıtkan cisimleri belirli uzaklıktan algılamada kullanılır.

İndüktif Sensör

Metalleri algılamak için kullanılır. Genellikle çok kısa menzillidirler. En uzun menzil 3-4 cm gibidir. Dişli sayıcı sistemlerinde ya da metal pistonun konumu belirlemek gibi amaçlar için kullanılırlar.

Kapasitif Sensör

Yalıtkan cisimleri algılamakta (plastik, iplik gibi…) kullanılırlar.

Işın Sensörleri:

1. Retro Reflektif Sensör (Retro Reflective Sensor) – Özel bir yansıtıcı kedigözü yüzeyden yansıtılarak aradan geçen bir cismi algılaması sağlanır.
2. Yansımalı Sensör (Reflective Sensor) – Cisim algılama için kullanılır.
3. Doğru ışın (Through Beam) – Karşılıklı bakan iki sensör sistemi kurularak aradan geçen cisimi algılamak için kullanılır.

Sensör Terimleri

Menzil: Sensörün algılama yapabileceği maksimim uzaklıktır.
Tepki Süresi: Sensörün cismi algılaması için gereken minimum süredir. Sensör seçimini etkileyen en önemli faktörlerden biridir.
Histerisiz:  Sağlıklı iki ölçüm arasında geçmesi gereken minimum süredir.

Yazının eksikleri vardır! Geliştirilmesini istediğiniz kısımlar için yorum bırakabilirseniz o kısımları geliştirelim ve daha iyi bir sensör yazısı olsun! :)