L’utilisation des capteurs a explosé dans toutes sortes d’appareils, de smartphones et des appareils intégrés aux objets en mouvement tels que les robots. Ils constituent le cœur de l’IoT. Un smartphone contient par exemple plus de 20 capteurs. La croissance rapide des smartphones au fil des ans a également aidé l’ensemble de l’industrie des capteurs ; en termes d’avancement de la technologie des capteurs, de miniaturisation et de réduction spectaculaire de leurs coûts. À son tour, cela a également aidé l’industrie de la robotique. Ils sont de tailles et de formes différentes selon les systèmes; mesurant divers paramètres quantifiables du robot ou de l’environnement externe dans lequel se trouve le robot. Les types de capteurs utilisés en robotique sont grands et varient selon les différentes applications et types de robots.
Dans cet article, nous nous sommes plus concentrer sur les capteurs qui aident à la mobilité des robots mobiles autonomes (AMR) ; c’est-à-dire la localisation et la navigation dans l’environnement.
Ils sont comme des yeux pour les AMR. Associés à des algorithmes logiciels de capteurs par un signal électrique, les capteurs permettent à un AMR de comprendre et de naviguer dans l’environnement ; de détecter et d’éviter grâce aux signaux, les collisions avec des objets et de fournir des informations de localisation sur le robot.
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Types de capteurs
Les capteurs extéroceptifs discernent le monde extérieur; ceux-ci incluent la caméra, le laser et le lidar, le radar, le sonar, l’infrarouge, les modèles tactiles tels que les moustaches ou les capteurs de choc, le GPS et les capteurs de proximité. Les capteurs proprioceptifs traitent du robot lui-même, tels que les accéléromètres, le gyroscope, le magnétomètre et la boussole, les encodeurs de roue et les capteurs de température.
Il existe de nombreuses autres catégories, comme ceux actifs ou passifs tel que les capteurs de niveau, de pression, de vitesse, inductif; de force, les capteurs photo, les capteurs numérique et les capteurs sans fil. Il est également important de noter que parfois les frontières entre extéroceptive et proprioceptive se chevauchent.
Avec l’utilisation d’interfaces d’assistant vocal devenant populaire pour interagir avec le robot ; les capteurs sonores tels que les microphones sont également de plus en plus répandus.
De même, comme les robots doivent souvent se connecter à Internet ; les communications avec le Wi-Fi et le LTE sont essentielles. Bien que n’étant pas strictement des capteurs ou des actionneurs, ils permettent au robot d’interagir avec le monde extérieur.
Dynamique du marché
Le marché des capteurs pour la robotique devrait croître régulièrement, selon ce rapport. Un autre rapport examine le marché des capteurs de vision pour la robotique pour les environnements industriels et prédit que ce marché à lui seul sera très important.
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Capteurs utilisés pour la mobilité
Les capteurs typiques utilisés dans les robots et drones mobiles terrestres comprennent:
Les unités de mesure inertielle (IMU) qui combinent généralement plusieurs accéléromètres et gyroscopes. Ils peuvent également comprendre des magnétomètres et des baromètres. La pose instantanée (position et orientation) du robot, la vitesse (linéaire, angulaire), l’accélération (linéaire, angulaire) et d’autres paramètres sont obtenus via l’IMU dans l’espace 3D. Les progrès de la technologie des capteurs MEMS ont considérablement profité aux IMU. Les IMU souffrent de dérives, de biais et d’autres erreurs.
Le GPS fournit des informations sur la latitude ; la longitude et l’altitude. Au fil des ans, la précision GPS a considérablement augmenté et des modes très précis, tels que RTK, existent également. Les zones refusées par le GPS ; telles que les zones intérieures, les tunnels, etc. Les taux de mise à jour lents restent les principales limitations du GPS. Mais ce sont des capteurs importants pour les robots mobiles d’extérieur car ils fournissent une référence périodique précise.
Selon qu’il s’agit de robots d’intérieur ou d’extérieur et de la vitesse à laquelle le robot se déplace, les capteurs laser peuvent varier considérablement en prix ; performances, robustesse, portée et poids. La plupart sont basés sur les principes du temps de vol. Le traitement du signal est effectué pour produire des points avec des incréments de plage et d’angle. Les lasers 2D et 3D sont utiles. Les capteurs laser envoient beaucoup de données sur chaque point laser individuel des données de portée. Pour tirer pleinement parti des lasers, une grande puissance de calcul est nécessaire. Les lidars sont également très populaires en cartographie.
Les encodeurs
Les encodeurs comptent le nombre précis de rotations des roues du robot, estimant ainsi la distance parcourue par le robot. Les termes odométrie ou impasse sont utilisés pour le calcul de la distance avec les encodeurs à roue. Ils souffrent de dérives à long terme et doivent donc être combinés avec d’autres capteurs.
Les capteurs de vision
Les capteurs de vision, telles que les caméras 2D et 3D, ainsi que les caméras de profondeur, jouent un rôle très important dans les RAM. La vision par ordinateur et l’apprentissage en profondeur des données des peuvent faciliter la détection et l’évitement des objets, la reconnaissance des obstacles et le suivi des obstacles. L’odométrie visuelle et le visual-SLAM (localisation et cartographie simultanées) deviennent de plus en plus pertinents pour les robots autonomes opérant dans des environnements intérieurs et extérieurs où les conditions d’éclairage sont raisonnables et peuvent être maintenues. Les caméras 3D, les caméras de profondeur et de vision stéréo fournissent la pose, c’est-à-dire la position et l’orientation d’un objet dans l’espace 3D. Dans les environnements industriels, des techniques de vision industrielle bien établies combinées à la pose peuvent aider à résoudre un certain nombre de problèmes, de la saisie au placement en passant par l’asservissement visuel. Des caméras thermiques et infrarouges sont utilisées lorsque vous travaillez dans des conditions d’éclairage difficiles,
S’il y a un objet dans la plage d’une impulsion de capteur à ultrasons, une partie ou la totalité de l’impulsion sera réfléchi vers l’émetteur sous forme d’écho et peut être détectée via le récepteur. En mesurant la différence de temps entre l’impulsion émise et l’écho reçu, il est possible de déterminer la portée de l’objet. Les sonars sont impactés par des réflexions à trajets multiples.
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Les radars à ondes pulsées et millimétriques
Les radars à ondes pulsées et millimétriques détectent les objets à longue distance et fournissent des paramètres de vitesse ; d’angle et de relèvement généralement mesurés au centre de gravité de l’objet. Ils fonctionnent dans toutes les conditions météorologiques tandis que la plupart des autres capteurs tombent en panne dans des environnements complexes ; tels que la pluie, le brouillard et les variations d’éclairage. Mais leur résolution a de limite par rapport au lidar ou au laser.
Des schémas de localisation robustes et précis combinent les données reçues des IMU ; des encodeurs de roue, des algorithmes logiciels GPS, laser, radar, ultrasons et de vision pour mettre en œuvre les techniques SLAM. Selon l’application et les spécifications de navigation et d’évitement d’objet, la fusion peut être limitée à quelques capteurs ou à tous les capteurs.
Sélection et installation des capteurs
Avec autant de capteurs à disposition, il est difficile de sélectionner les bons. Les facteurs qui dictent les choix sont le type d’application ; la spécification des fonctionnalités de navigation et de localisation, l’environnement dans lequel l’AMR va fonctionner ; la puissance de calcul disponible pour exécuter les algorithmes des capteurs, le choix des algorithmes logiciels, tels que la fusion; la consommation d’énergie et les coûts. Invariablement, un compromis s’effectue lors de l’équilibrage entre tous les paramètres de sélection.
La plage dynamique, la précision, la résolution, la linéarité, le champ de vision et de nombreux autres paramètres déterminent la qualité des capteurs. Ceux utilisés dans les applications de défense sont très chers et peuvent répondre à des spécifications supérieures. Mais dans la majorité des applications non liées à la défense, où la spécification, les erreurs et les biais des capteurs sont sous-optimaux, le choix des algorithmes exécutant le logiciel est un point de décision clé.
Le placement à l’intérieur du robot nécessite également un exercice de conception très soigné. Ceux des IMU sont extrêmement sensibles aux forces externes, telles que les vibrations, les champs magnétiques parasites, les conditions d’éclairage, etc. Des décalages de translation et de rotation statiques précis doivent être calculés à l’aide de méthodes physiques et de techniques d’étalonnage. Certnécessitent des antennes et, encore une fois, la sélection de la bonne antenne et son placement sont essentiels.
Paramètres à considérer lors de l’intégration du capteur
Divers capteurs sont disponibles sur le marché aujourd’hui avec une large gamme de paramètres de performance. Le choix des bons capteurs est une tâche complexe, technique et de gestion des produits. C’est un équilibre entre les spécifications; les exigences de l’application, le coût, la puissance, le facteur de forme, les conditions d’environnement, la sophistication des algorithmes logiciels ; le délai de commercialisation, la longévité et plus encore.
Grâce à des algorithmes de fusion de capteurs ; plusieurs se complètent bien pour atteindre des objectifs difficiles. Reliés aux algorithmes logiciels ils sont essentiels au succès de l’industrie AMR dans une large mesure.
Les fabricants s’efforcent également d’améliorer les performances ; la précision et la portée des capteurs. Certains font même la fusion de capteurs à l’intérieur de leurs unités. Cela permet une synchronisation précise de l’heure. Lors d’une sélection des capteurs pour une application AMR spécifique; les équipes doivent surveiller en permanence les différents développements qui se produisent dans le monde de ces appareils de mesure. Quel que soit la gamme , chaque type de capteur dispose de détecteur, de connectivité, d’une mesure précise des donnés correspondants, d’un principe de fonctionnement, de conductivité, de calibration. D’autres comme les capteurs numériques de haute précision, que ça soit ultrasonique ou photographique ; ils disposent d’un détecteur de niveau.
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