Osjetilo pretvara nešto fizikalno u broj, i taj broj nikad nije točan. Ova jedinica prolazi kroz osjetila mobilnoga robota — od enkodera na kotaču do laserskoga daljinomjera — i pokazuje po čemu se biraju i gdje se svako od njih lomi.
Osjetila se dijele na više načina, ali dvije podjele nose gotovo sve što treba znati pri odabiru.
Prva je podjela po tome što se mjeri. Unutarnja osjetila mjere stanje samoga robota: zakret kotača, napon baterije, temperaturu motora, nagib, ubrzanje. Ne znaju ništa o okolini. Vanjska osjetila mjere okolinu: udaljenost do zida, obris prostora, svjetlo, položaj oznake.
Druga je podjela po tome šalje li osjetilo nešto u okolinu. Pasivno osjetilo samo prima ono što već postoji — kamera prima svjetlo, mikrofon zvuk, kompas magnetsko polje. Aktivno osjetilo šalje signal i mjeri što se vratilo: ultrazvučni daljinomjer šalje zvučni impuls, laserski svjetlosni.
Klikni osjetilo da vidiš kamo pripada.
Razlika aktivno–pasivno ima praktične posljedice koje se lako previde. Aktivno osjetilo radi i u mraku, ali smeta drugim istim osjetilima: dva ultrazvučna daljinomjera koja rade istodobno mogu jedan drugomu primiti odjek i očitati besmislenu udaljenost. Pasivno osjetilo nikomu ne smeta, ali ovisi o uvjetima koje ne nadzire — kamera u mraku ne vidi ništa.
Unutarnja osjetila daju brzu i glatku procjenu, ali se njihova pogreška zbraja i nikad se sama ne ispravlja — odometrija iz enkodera nakon dvadeset metara zna biti promašena za pola metra. Vanjska osjetila daju procjenu koja se ne zbraja, ali je rjeđa, šumnija i katkad je uopće nema. U praksi se koriste zajedno: unutarnja popunjavaju vrijeme između mjerenja, vanjska povremeno ispravljaju nakupljenu pogrešku. To spajanje tema je modula 5.
Katalog osjetila navodi desetak podataka. Za odabir su bitna ova.
Razlika između razlučivosti i točnosti najčešći je izvor nesporazuma. Osjetilo koje javlja udaljenost na milimetar razlučuje milimetre, ali ako je sustavno pomaknuto za 3 cm, mjerenje je netočno bez obzira na broj decimala. Razlučivost je koliko fino osjetilo dijeli, točnost koliko blizu istini pogađa.
Najvažnije unutarnje osjetilo mobilnoga robota je enkoder — naprava koja mjeri zakret osovine. Bez njega nema odometrije, a bez odometrije nema procjene položaja između vanjskih mjerenja.
Najčešći je inkrementalni enkoder: disk s prorezima i optički par koji broji prolaze. Dva su propeza pomaknuta u fazi, pa se iz redoslijeda impulsa čita i smjer vrtnje. Broj koraka po okretaju kreće se od stotinjak kod jeftinih do nekoliko tisuća kod preciznih.
Δs = 2πr / N
Gdje je r polumjer kotača, a N broj koraka enkodera po okretaju kotača. Rezultat je najmanji put koji robot uopće može razlikovati. Ako se enkoder nalazi na motoru, a ne na kotaču, N se množi prijenosnim omjerom — što razlučivost popravlja, ali uvodi zračnost prijenosnika u mjerenje.
Povuci klizače i gledaj što izlazi.
Zadnji redak je važniji od svih ostalih. Razlučivost enkodera određuje najmanju moguću pogrešku, ali stvarna pogreška odometrije dolazi iz posve drugoga izvora: iz proklizavanja, istrošenih kotača i krivo izmjerena razmaka. Enkoder s 4096 koraka i enkoder s 256 koraka na istome vozilu nakon dvadeset metara imaju gotovo jednako promašen položaj — jer nijedan ne mjeri klizanje.
Vrijednost odometrije nije u točnosti nego u brzini i glatkoći: daje procjenu stotinama puta u sekundi, bez prekida, i bez ovisnosti o okolini. Zato se koristi kao osnova na koju se povremeno, kad stigne vanjsko mjerenje, nanosi ispravak. Odometrija bez ispravka nakon dovoljno dugo vremena promaši uvijek.
Zakret je kod mobilnoga robota osjetljiviji od puta: pogreška u kutu s udaljenošću raste kao lepeza. Zato se uz enkodere gotovo uvijek ugrađuje još nešto što mjeri smjer.
| Osjetilo | Što mjeri | Prednost | Slabost |
|---|---|---|---|
| Žiroskop | kutnu brzinu oko osi | brzo, neovisno o okolini, mjeri i zakret pri proklizavanju | polako otklizava: zbrajanjem kutne brzine kut se zanosi i bez gibanja |
| Akcelerometar | ubrzanje po trima osima | daje i nagib u odnosu na okomicu, jer stalno mjeri silu težu | vrlo šuman; dvostrukim zbrajanjem do položaja pogreška raste s kvadratom vremena |
| Magnetometar | smjer magnetskoga polja Zemlje | daje apsolutni smjer koji se ne zanosi | u zgradi je gotovo neupotrebljiv: armatura, motori i kabeli iskrivljuju polje |
| Inercijska mjerna jedinica | sve troje u jednome sklopu | zajedno daju stabilan zakret: žiroskop kratkoročno, magnetometar dugoročno | traži umjeravanje i obradu; u zgradi se magnetometar često isključi |
| Satelitski prijamnik | apsolutni položaj na Zemlji | ne zanosi se, pokriva cijeli otvoreni prostor | u zgradi ne radi; na otvorenome točnost je metar do nekoliko metara |
Obrazac je isti kao kod unutarnjih i vanjskih osjetila: jedno je brzo, ali se zanosi, drugo je sporo i šumno, ali se ne zanosi. Rješenje nije birati jedno nego ih spojiti, pa žiroskop nosi kratki rok, a magnetometar ili vanjsko mjerenje dugi.
Najvažnija skupina vanjskih osjetila. Sve rade po jednome od dva načela: mjere vrijeme leta signala ili kut pod kojim se signal vratio.
Odaberi daljinomjer.
Ultrazvučni daljinomjer zaslužuje poseban račun, jer su mu sva tri ograničenja — domet, kut snopa i mrtva zona — izravna posljedica fizike zvuka, a ne izvedbe.
d = c · t / 2
Gdje je c brzina zvuka u zraku, oko 343 m/s pri 20 °C, a t vrijeme od slanja do primitka odjeka. Dijeli se s dva jer signal prijeđe put do plohe i natrag. Brzina zvuka ovisi o temperaturi, pa mjerenje bez temperaturne ispravke na hladnome griješi nekoliko postotaka.
Š = 2 · d · tg ( α / 2 )
Gdje je α kut snopa, za ultrazvuk tipično 15 do 30 stupnjeva. Osjetilo ne mjeri udaljenost do točke nego do najbližega odraza bilo gdje unutar toga stošca — pa se tanak stup na tri metra i široki zid iza njega jednako javljaju kao „nešto na tri metra“.
Povuci klizače i gledaj stožac.
Mrtva zona nastaje zato što pretvornik nakon slanja impulsa još neko vrijeme zvoni, pa ne može primati. To vrijeme se pretvori u udaljenost i sve bliže od nje osjetilo jednostavno ne vidi — a zapreka koja je preblizu javlja se kao prazan prostor, što je najopasnija moguća pogreška. Zato se ultrazvučna osjetila nikad ne koriste sama za zaustavljanje pred zaprekom.
Odabir se ne radi po popisu svojstava nego po zadatku. Postupak ima četiri koraka.
U praksi se gotovo nikad ne bira jedno osjetilo nego skup: enkoderi za brzu procjenu, žiroskop za zakret, laserski daljinomjer za kartu i zapreke, ultrazvučni ili dodirna letvica za ono što laser ne vidi, i kamera ondje gdje treba prepoznati što je zapreka, a ne samo da je ima.
Osjetila se dijele na unutarnja i vanjska te na aktivna i pasivna, a uspoređuju po mjernome području, razlučivosti, točnosti, brzini, uvjetima rada i cijeni. Enkoder daje razlučivost odometrije kao opseg kotača podijeljen brojem koraka, ali stvarnu pogrešku određuje proklizavanje, ne razlučivost. Žiroskop je brz i zanosi se, magnetometar se ne zanosi i nepouzdan je u zgradi — pa se spajaju. Daljinomjeri mjere vrijeme leta ili kut povratka; kod ultrazvučnoga se iz brzine zvuka izvode udaljenost, širina snopa i mrtva zona, u kojoj zapreka izgleda kao prazan prostor.
Preostaje osjetilo koje ne daje broj nego sliku. Njime se bavi sljedeća jedinica.
Odgovor se zaključava nakon prvoga klika, uz objašnjenje zašto je točan.