كيف تصنع روبوتك - الدرس 7: المستشعرات الإليكترونية

كيف تصنع روبوتك - الدرس 7: المستشعرات الإليكترونية 

00

تعتمد الروبوتات على العديد من المستشعرات الاليكتروميكانيكية لاستكشاف وفهم محيطها وذواتها. 

محاكاة حواس المخلوقات الحية جد صعب حاليا لهذا يحاول الباحثون والمطورين إيجاد بدائل او قرائن لحواس المخلوقات الحية. 


قدرات الانسان التي لا يستطيعها الروبوت

يمكن للروبوت النظر لكن لا يمكنه فهم ما يراه إلا بعد جهد جهيد. فبدون برمجة لمعالجة وتحليل الصورة المستقبلة من طرف عين الروبوت (الكاميرا)  لن يتمكن الروبوت من معرفة محتواها.

 

تحدد مستشعرات المسافات المسافة الفاصلة بين الروبوت واﻷشياء لكنها لا تستطيع إيقاف الروبوت من التحرك.

 

يستطيع الانسان أن يخبرك عن مدى جودة الطعام ومذاق الحلويات بسرعة فائقة، في حين أن الروبوت يستطيع التقرير بعد تحليل التركيبات الكيميائية ومقارنتها بالبيانات الموجودة عنده في الذاكرة.

 

يستطيع الانسان أن يحس بشيء ما يمس جسده في أي موضع من جسمه في حين أن الروبوت يكون مدعوما ببعض المسشعرات في أماكن استراتيجية محددة وليس جسم الروبوت كاملا.

 

كما أن أحاسيس الانسان جد معقدة كالشعور بالفرح والحزن، الحب والكره، الخير والشر، السعادة والاكتئاب ....

 

كما أن مرونة الانسان في الحركة تكاد بعيدة كل البعد بل وقد تكون مستحيلة على الروبوتات رغم التقدم الهائل في التكنلوجيا.

image002


 قدرات الروبوت التي لا يستطيعها الانسان

لكن من جهة أخرى، يتميز الروبوت بقدرات قد لا يستطيع الانسان أن يستشعرها. أمثلة على هذا:

l          القدرة على استكشاف غاز عديم الرائحة واللون كغاز أحادي أوكسيد الكربون.

l          الاشعة تحت الحمراء وفوق البنفسجية

l          تحديد المسافة والطول بدقة أكثر من الانسان (الانسان قد يقدر المسافة لكن لا يعطيها بالدقة)

l          يمكن ان يقول لك الروبوت بأن ذاك الشيء ساخنا أو باردا بالاعتماد على مستشعر الحرارة.

l          للإنسان خمس حواس معروفة بينما يمكن للروبوت أن يكون له عدد هائل من الحواس.

image003


ما المستشعرات التي يحتاجها روبوتي؟

 

التماس 

image004

 

image005

image006

الازرار الكهربائية مستشعر الضغط
  Push button / Contact switch  Pressure sensor

 يستعمل كل من الزر الكهربائي والمبدل الكهربائي (قاطع أو محول التيار) ومستشعر التماس في تحديد التماس بين الروبوت والاشياء المحيطة به. وخير مثال لهذا الروبوت هو الخنفسابوت.

عكس الازرار الكهربائية التي تزودنا بنعم أو لا (ON أو OFF) (يوجد تماس أو لا يوجد)، يزودنا مستشعر الضغط بمقدار الضغط في نقطة التماس (تماس خفيف، متوسط أو قوي مثلا).

مميزاتها: رخيصة وسهلة التركيب ومعتمدة.

سلبياتهاتنحصر في قياس تماس واحد.

مميزاتها: معرفة مقدار الضغط عن نقطة التماس.

سلبياتهاصعب الاستعمال.


 المسافة 

image007

image008

image009

image010

محدد فرق الموجات فوق الصوتية

مستشعر الاشعة تحت الحمراء

اللازر

Ultrasonic Range Finders

Infrared

Laser

 

 

 

 يستعمل هذا النوع من المستشعرات الاشارات الفوق الصوتية لحساب فارق الوقت بين ارسال واستقبال إشارة صوتية. بطيعة الحال سرعة الصوت معروفة علميا وبالتالي نحتاج لحساب فقط لمعرفة الوقت التي تقطعة الاشارة الصوتية ذهابا وايبا لنستنج المسافة. أظن أن الخفاش له نظام يشبه هذا والله أعلم.

 الاشعة تحت الحمراء، كما رأينا في الدرس السابق، تستطيع قياس المسافة.

 

يستعمل اللازر لقياس المسافة بمستوى عالي من الدقة ويستعمل كذلك لقياس المسافات الطويلة.

مميزات: مسافات متوسطة (بعض الامتار)

سلبيات: قد يتشوش بفعل العوامل البيئية والتضاريس الجغرافية.

مميزات: رخيصة ومعتمدة ودقيقة.

سلبيات: مسافات أقل من الموجات فوقة الصوتية.

مميزات: دقيقة جدا، مسافات طويلة جدا.

سلبيات: أغلى مقارنة بالاشعة تحت الحمراء والموجات فوق الصوتية.


image011

image012

image013

مشفرات بصرية

مقياس الجهد الخطي، طوق المقاومة

مستشعرات التمدد والاعوجاج

Encoders

Linear Potentiometer, resistive band

Stretch and Bend Sensors

وهي ما تجدها داخل فأرة الحاسوب المستخدمة لكرة.

تستعمل المشفرات البصرية مستقبل وباعث للاشعة الحمراء. تنقطع الاشعة بين الباعث والمستقبل بسبب العجلة. عدد المرات التي تنقطع فيها الاشعة تعزى إلى المسافة التي قطعتها العجلة. باستعمال مشفرين اثنين من هذا النوع يمكنك من تحديد الاحداثيات كذلك. وغالبا ما يوضع هذا النوع من المسشعرات في المحرك الخلفي للروبوت (أو العربة)

يستطيع مقياس الجهد الخطي أن يقيس الموضع المطلق للشيء. طوق المقاومة يغير المقاومة حسب القوة المطبقة.

 يتكون مستشعر التمدد من مادة مقوامتها تتغير حسب مقدار تمددها.

بينما يتكون مستشعر الاعوجاج من مجموعة طبقية من المواد حيث أن كل طبقة تتغير حسب نسبة اعوجاجها. تستعمل هذه المستشعرات في تحديد زاوية صغيرة أو دوران، مثلا بكم من المقدار إعوج أصبعك.

مميزات: اذ لم يكن هناك انزلاق ستكون المسافة المقطوعة مطلقة

سبيات: تحتاج الى برمجة.

مميزات: موضع الشيء مطلق.

سلبيات: نطاق ضيق

مميزات: تستعمل عندما يكون محور الدوران داخلي.

سلبيات: ليست دقيقة جدا وزويا صغير فقط يمكن أن تحدد.


image014

 

 

كاميرا ثنائية

 

 

Stereo Camera System

 

 

كعيني الانسان تماما. كاميرتين موضوعتين داخل قمرة تفصل بينهما مسافة محددة. الروبوتات المدعومة بمثل هذه الكاميرات تعتبر اﻷعقد والأقدر كفاءة.

مميزات: تزود بمعلومات معمقة وبيانات جيدة حول محيط الروبوت.

سلبيات: معقدة برمجبا.

 

 



التموقع

image015

image016

 

image017

مستكشف داخلي

 

 

Indoor Localization (room navigation)

 

GPS 

يستعمل المستكشف الداخلي مجموعة من المرشدات اللاسلكية لتموقع موضع الروبوت داخل الغرف المنزلية.

 

يستعمل نظام GPS الاشارات الصادرة من الاقمار الاصطناعية لتحديد احداثياته الجغرافية. العادية منها تستطيع أن تحدد التموضع الجغرافي مع نسبة خطأ لا تتجاوز 5 أمتار  بينما تنحصر هذه النسبة في عدة سنتميترات في المتطورة منها.

مميزات: ممتاز في تحديد تموقع مطلق

سلبيات: برمجة معقدة مع استعمال مؤشرات أو علامات تساعده على معرفة محيطه.

مميزات: لا تتطلب مؤشرات مساعدة.

سلبيات: تستخدم خارج الغرف غالبا.


 الدوران

image018

image019

image020

image021

مقياس الجهد الدائري

الجيروسكوب

مشفرات

Rotary Potentiometer

Gyroscope

Encoders

يحتوي على زر دوران يمكن من حساب الزاوية التي تم الدوران بها انطلاقا من نقطة معينة على الزر. يستعمل كثرا في اجهزة الراديو لرفع وخفظ مستوى الصوت.

هو اداة لتحديد الاتجاه. يزودنا الجيروسكوب بإشارة (جهد تناوبي أو I2C الخ) تعبر عن قياس نسبة التسارع الدائري. استخدام الاشارة مرتين يمكننا من تحديد الزاوية.

http://ar.wikipedia.org/wiki/

نفس الشي الذي تم شرحه أعلاه. وزيادة على ذلك فإنه يمكن استعمالها لقياس الدوران المطلق والنسبي.

 

 

مميزات: بسيط في الاستعمال ورخيص مع دقة مقبولة.

سلبيات: معظمها محدودة بزاوية 300 درجة.

مميزات: لا يتطلب أي مركب ميكانيكي.

سلبيات: لا يستطيع الميكروكنترولور دائما بقراءة إشارات متتالية مما قد يسبب بفقدان قيمها مما قد يتسبب للروبوت بانحراف في الحركة.

مميزات: الدقة.

سلبيات: الزاوية نسبية (وليست مطلقة) للموضع الاول الذي ابتدأت منه الحركة.



الظروف البيئية

 

image022

image023

image024

image025

مستشعر الضوء

مسشعر الصوت

مستشعر الحرارة

Light Sensor

Sound sensor

Thermal Sensors

ايجابيات: رخيص جدا ومفيد.

سلبيات: لا يحدد مصدر الضوء.

هو في الأغلب عبارة عن ميكروفون.

ايجابيات: رخيص ومعتمد.

يستعمل لقياس الحرارة.

ايجابيات: يمكن ان يكون دقيقيا جدا وغير معقد.


 

image026

image027

image028

كاميرا الحرارة

مستشعر الغاز

مستشعر أو مقياس المغناطيسية

Thermal Camera

Gas sensors

Magnetometers

تزودك بخريطة حرارة الاشياء أمامك.

تتحسس وجود عدة أنواع من الغازات.

يمكن أن يستعمل لتحديد المغناطيسية والحقول المغناطيسية.

سلبيات: غالية الثمن.

سلبيات: البعض من هذه المسشعرات الرخيصة قد لا تعطي قراءة صحيحة عن وجود الغاز وبالتي يجب تفادي استعمالها في المشاريع الحساسة.

 ايجابيات: مفيد في معرفة موضع التمغنط. 

سلبيات: أحيانا قد تتلف عند المغناطيسية العالية.  


مستشعر الرطوبة

مستشعر الضغط

 

sensorHumidity

Pressure Sensor

 

 يزودك بنسبة الماء في الهواء وغالبا ما يكون مصاحبا لمستشعر الحرارة.

لحساب الضغط الجوي.

 

 



مواقف خاصة

image029

image030

image031

البوصلة

مقياس التسارع

Compass

Accelerometers

تستعمل المجال المغناطيسي للأرض لتحديد الاتجاه والقطبية. وهي الان تستعمل في هواتف الآيفون.

يستعمل لحساب التسارع الخطي. هذا يؤدي إلى قياس التسارع الثقالي أو أي نوع آخر من التسارع التي يخضع لها الروبوت.


image032

image033

 

الجيريسكوب

IMU’s

Gyroscope

يجمع بين مقياس التسارع (accelerometerو الجيروسكوب (Gyroscope) وأحيانا مقياس التمغنط (Magnetometer) أيضا.

يتميز الجيرسكوب الاليكتروني على الجيرسكوب الميكانيكي بدقته العالية في قياس الاتجاه. لكن قد يكون غالي الثمن.



منوعات

image034

image035

image036

مستشعرات التيار والجهد

مستشعرات الاهتزاز

Current and Voltage Sensors

Vibration

تقيس التيار والجهد في دارة كهربائية محددة.

تستعمل لتحديد الاهتزاز كما هو الشأن في أجهزة الايفون.


image037

image038

 

مستشعرات المغناطيس

RFID

Magnetic Sensors

بمساعدة شرائح أخرى يستطيع ردارRFID  من تحديد الاشياء في مجال محدود.

تحدد الأشياء الممغنطة إما بالتماس المباشر مع الشيء أو بالقرب منه.

مميزات: رخيصة.



أمثلة حية
 
اريد من روبوتي أن يتبعني؟ 
 
لا يوجد أي مستشعر قد يتبع شخصا حاليا. وبالتالي، يجب أن تعتبر الاسئلة التالية:
l          تريد من روبوتك تحديد وقياس المسافة إلى (أو التماس مع) شيء؟
Ø   نعم، في هذه الحالة استعن بمستشعرات المسافة.
l          تريد من روبوتك قياس الدوران؟
Ø   ربما، في هذه الحالة قد تكون هندسة تصميم الروبوت مختلفة شيئا ما.
l          تريد من روبوتك قياس العوامل البيئية؟
Ø   لا. قد تستعين بتتبع الانسان عن طريق استكشاف حرارة جسمه لكن سيصبح من الثعب الفصل بين الانسان والمخلوقات الحية الاخرى.
l          تريد من روبوتك قياس موضع أواتجاه أو زاوية؟
Ø   استعن بـ GPS
 
هنا يجب أن نعتبر المسشعرات المتعلقة لحساب المسافات والتماس وكذلك اعتبار GPS. يمكن الاستعانة بمستشعرات المسافة باستخدام أما الموجات فوق الصوتية أو الاشعة تحت الحمراء أو اللازر. أما تحديد احداتيات الشيء ضمن شعاع معين فهنا يقع الاختيار على GPS.
 
أريد من روبوتي أن يبقى ضمن حدود حديقتنا
لا يوجد أي مستشعر قد يستعر حديقتك من حديقة غيرك. وبالتالي:
l          تريد من روبوتك تحديد وقياس المسافة إلى (أو التماس مع) شيء؟
Ø   نعم،لتحديد حدود الحديقة.
l          تريد من روبوتك قياس الدوران؟
Ø   لا.
l          تريد من روبوتك قياس العوامل البيئية؟
Ø   لا. لكن قد احتاج إلى بعضها.
l          تريد من روبوتك قياس التموضع أو الاتجاه أو الزاوية؟
Ø   لا.

 

هنا يجب أن نعتبر المسشعرات المتعلقة بحساب المسافات والتماس وتحديد أشياء معينة وربما قياس العوامل البيئية كذلك. أفضل أمثلة لهذا وهي الموجات فوق الصوتية والاشعة تحت الحمراء واللازر. أما المشفر (encoder) أو GPS سيساعد روبوتك على تحديد نفسه في معلم ثنائي البعد.

بخصوص قياس العوامل البيئية قد تحتاج لمقياس الرطوبة (رطوبة حديقتك تختلف عن الحدائق الاخرى) وكذلك قياس المجال المغناطيسي لتحديد محيط الحديقة. 


تأليف 

ترجمة: محمد السهلي


 مراجع 

http://www.robotshop.com/gorobotics/how-to-make-a-robot/how-to-make-a-robot-%E2%80%93-lesson-7-using-sensors


  

أضف تعليق


كود امني
تحديث


Go to top