15. Системы технического зрения.

Системами технического зрения (СТЗ) называют сенсорные устройства, обеспечивающие получение изображений рабочих сцен и объектов, их преобразование, обработку и интерпретацию с помощью ЭВМ, а также передачу результатов управляющему устройству робота. Среди различных систем очувствления роботов СТЗ обладают наибольшей информативной емкостью, обеспечивая по некоторым оценкам от 80 до 90% всей необходимой для успешного функционирования робота информации.

Техническое, или машинное, зрение реализует сложный процесс выделения, идентификации и преобразования видеоинформации, который содержит шестьосновных этапов: 1) получение (восприятие) информации; 2) предварительная обработка; 3) сегментация; 4) описание; 5) распознавание и 6) интерпретация.

После восприятия информации в виде визуального изображения производится ее предварительная обработка для снижения посторонних помех, улучшения изображений отдельных элементов объекта или сцены, а затем она подвергается сегментации, заключающейся в подразделении сцены на составляющие части или элементы для выделения на изображении интересующих объектов. Последующее описание массива информации представляет собой определение характерных параметров, необходимых для выделения требуемых объектов или элементов сцены и дальнейшего их распознавания посредством идентификации в соответствии с программным набором информации. И, наконец, посредством интерпретации окончательно устанавливается принадлежность "рассматриваемого" объекта к группе распознаваемых, установление его зрительного образа.

Визуальная информация в системах технического зрения воспринимается и преобразуется в электрические сигналы с помощью опто-электронных преобразователей, или видеодатчиков СТЗ, которые являются первичными преобразователями излучения в электрические сигналы и состоят из приемной оптической камеры, чувствительного элемента, устройств сканирования, считывания и усиления.

Обработка информации в СТЗ производится иерархически, для чего предварительно на первом уровне с целью снижения помех (фильтрации) и улучшения изображений используются видеопроцессоры, которые строятся на быстродействующих логических элементах или микропроцессорах. Как правило, в качестве основной характеристики плоского изображения используется его контур. Видеопроцессор по отфильтрованной информации от видеодатчика определяет координаты точек контура и вводит эту информацию на второй уровень, формирующий управляющую информацию для робота и реализуемый, как правило, на базе ЭВМ, входящей в состав СТЗ.

Присоединение видеодатчиков к основной аппаратуре СТЗ осуществляется с помощью специальных кабелей, позволяющих передавать информацию с малыми потерями и большой частотой сигналов; в последние годы для передачи информации стали применять также световолоконную оптику.

16. Локационные сенсорные устройства.

Локационные системы очувствления относятся к бесконтактным и предназначены для обнаружения подвижных и неподвижных объектов, определения их местоположения, размеров и скорости движения, а также для обеспечения точного наведения и захватывания этих объектов. Безусловным преимуществом таких устройств является возможность бесконтактного функционирования, т.е. на расстоянии от объекта, часто весьма значительном.

При создании локационных сенсоров используются принципы как пассивной, так и активной локаций. Пассивная локация заключается в улавливании и обработке собственных излучений объектов. При активной локации в сторону предполагаемого местонахождения объекта направляется соответствующий зондирующий поток сигналов (акустических, световых, магнитных и др.), а отраженное излучение затем улавливается и регистрируется датчиками-приемниками.

Аналогом пассивных локационных систем являются зрение, слух и обоняние животных и человека, а характерным примером активной локации в живой природе может служить способность дельфинов или летучих мышей обнаруживать объекты с помощью направленного излучения акустических волн высокой частоты, так называемой ультразвуковой эхолокации.

При создании локационных сенсорных устройств используется широкий спектр различных физических методов: акустических, магнитных, оптических, радиоволновых, тепловых, электрических, электромагнитных, пневматических, на основе которых разработан и находит практическое применение ряд конкретных конструктивных разновидностей локационных датчиков: пьезоэлектрических, феррозондовых, индукционных, электронно-оптических, полупроводниковых, волоконно-оптических, емкостных, вихретоковых, струйных, вакуумных и др. Все локационные устройства очувствления роботов по своему назначению могут быть разделены на: информационные, предназначенные для обеспечения автоматического управления роботом и определения пространственного положения объектов, и более простые устройства безопасности, используемые для защиты манипулятора, окружающих объектов и обслуживающего персонала от возможных столкновений в процессе работы. Наиболее широкое применение в большинстве современных локационных систем промышленных роботов получило использование излучения и приема отраженных акустических или электромагнитных волн.

Локационная акустическая, например ультразвуковая, система очувствления реализуется обычно на основе использования двух методов: эхометода и эффекта Доплера (улавливание изменения длины волны или частоты отраженного от движущихся объектов сигнала) и действуют следующим образом. Синусоидальные звуковые колебания высокой частоты (40-100 кГц), формируемые специальным генератором волн и модулируемые прямоугольными импульсами, излучаются дискретно в направлении объекта. Одновременно с помощью генераторе счетных импульсов запускаются своеобразные часы локационной системы -счетчик импульсов.

Направленный ультразвуковой сигнал, отразившись от объекта, возвращается в отраженном виде в приемник, где усиливается, очищается от помех и преобразуется из акустической в электрическую форму. Одновременно из него выделяется модулирующая составляющая, которая с помощью порогового (отсекающего) устройства представляется в виде прямоугольных импульсов, направляемых нв счетчик и останавливающих процесс счета, т.е. фиксирующих число импульсов за время прохождения сигнала до объекта и обратно.

Так как принятые сигналы запаздывают по отношению к первоначальным - зондирующим - на величину времени их прохождения до объекте и обратно, то число импульсов, накопленных в счетчике этот период, пропорционально удвоенному расстоянию до объекта при нахождении излучателя и приемника в непосредственной близости друг от друга. Для этого обычно используют ультразвуковые датчики-преобразователи, совмещающие в одном корпусе излучатель и приемник.

Схема такого совмещенного ультразвукового датчика излучения-приема для измерений в ближней зоне. В металлический корпус 1 помещается основной компонент датчика -электроакустический преобразователь 2, в качестве которого преимущественно используется керамический пьезоэлектрический элемент, защищенный от влаги, пыли и повреждений слоем 3 смолы, служащим также переходным акустическим сопротивлением. Для быстрого демпфирования акустической энергии корпус заполнен акустическим поглотителем 4. Датчик помещается во внешний изолированный корпус 5, а электрический ток к преобразователю и от него подается по кабелю 6. Такая конструкция датчика отличается компактностью и позволяет получать узкий акустический поток в виде мощного направленного сигнала. Такие ультразвуковые локаторы применяются для очувствления захватных устройств роботов, удобно размещаясь между губками

19