Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Выпускная квалификационная работа

Тема:

Проектирование мехатронных модулей с использованием технического зрения



Содержание

• Введение
• 1. Теоретические аспекты проектирования мехатронных устройств
• 1.1 Использование мехатронных модулей и приводов в САУ
• 1.2 Классификация систем технического зрения
• 1.3 Основные требования при проектировании мехатронных систем с использованием технического зрения
• 2. Проектирование мехатронного модуля с техническим зрением
• 2.1 Проектирование модуля захвата с оптическим датчиком
• 2.2 Алгоритм управления прототипом
• Заключение
• Список литературы


Введение

Роботы и создаваемые на их основе робототехнические системы являются достаточно сложными устройствами. Включаемые в робототехнические системы роботы и обслуживаемое ими оборудование имеют разнообразные связи между собой: информационные, кинематические, программные и многие другие.

В настоящее время роботы, в том числе и промышленные, применяются в весьма широких областях человеческой деятельности: от выполнения простейших операций по сборке изделий до изготовления высокоточных деталей; от обслуживания оборудования в производственных помещениях до работы в экстремальных условиях, где нежелательно или недопустимо присутствие человека.

Целью данной выпускной квалификационной работы является нахождение основных классификаций систем технического зрения, и упрощения способов их интеграции в мехатронные модули, путем проектирования систем с техническим зрением. Для достижения означенной цели, в работе решаются следующие задачи:

1. Изучить классификацию систем технического зрения.

2. Изучить основные требования при проектировании мехатронных систем с использованием технического зрения.

Объект исследования: мехатронные модули с использованием технического зрения.

Предмет исследования: система технического зрения.

Методы исследования: исследования, проводимые в работе, основаны на комплексном использовании знаний из областей: теории автоматического управления, систем автоматизированного проектирования, современных вычислительных пакетов.



1. Теоретические аспекты проектирования мехатронных устройств

Проектирование технического объекта - создание, преобразование и представление в принятой форме образца этого, еще не существующего, объекта.

Инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности в некоторых технических объектах. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащей сведения, достаточные для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект - окончательное описание объекта.

Проектирование предполагает выполнение комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека с ЭВМ, называется автоматизированным. Система, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизированного проектирования - САПР (CAD - Computer Aided Design).

Процесс проектирования имеет две основные особенности. Во-первых, состав и последовательность его этапов не зависят от целевого назначения проекта. Во-вторых, логика процесса проектирования инвариантна к способу проектирования - традиционному или автоматизированному.

Проектирование технического объекта - создание, преобразование и представление в принятой форме образца этого, еще не существующего, объекта.

Инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности в некоторых технических объектах. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащей сведения, достаточные для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект - окончательное описание объекта.

Проектирование предполагает выполнение комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека с ЭВМ, называется автоматизированным. Система, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизированного проектирования - САПР (CAD - Computer Aided Design).

Процесс проектирования имеет две основные особенности.

Во-первых, состав и последовательность его этапов не зависят от целевого назначения проекта.

Во-вторых, логика процесса проектирования инвариантна к способу проектирования - традиционному или автоматизированному.

Проектирование технического объекта - создание, преобразование и представление в принятой форме образца этого, еще не существующего, объекта.

Инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности в некоторых технических объектах. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащей сведения, достаточные для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект - окончательное описание объекта.

Проектирование предполагает выполнение комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека с ЭВМ, называется автоматизированным. Система, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизированного проектирования - САПР (CAD - Computer Aided Design).

Процесс проектирования имеет две основные особенности.

Во-первых, состав и последовательность его этапов не зависят от целевого назначения проекта.

Во-вторых, логика процесса проектирования инвариантна к способу проектирования - традиционному или автоматизированному.

Проектирование технического объекта - создание, преобразование и представление в принятой форме образца этого, еще не существующего, объекта.

Инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности в некоторых технических объектах. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащей сведения, достаточные для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект - окончательное описание объекта.

Проектирование предполагает выполнение комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека с ЭВМ, называется автоматизированным. Система, реализующая автоматизированное проектирование, представляет собой систему автоматизированного проектирования - САПР (CAD - Computer Aided Design).

Процесс проектирования имеет две основные особенности.

Во-первых, состав и последовательность его этапов не зависят от целевого назначения проекта.

Во-вторых, логика процесса проектирования инвариантна к способу проектирования - традиционному или автоматизированному.

1.1 Использование мехатронных модулей и приводов в САУ

Мехатронный модуль - это функционально и конструктивно самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих его элементов, имеющих различную физическую природу.

К элементам различной физической природы относят механические (преобразователи движения, трансмиссии, звенья), электротехнические (двигатели, тормоза, муфты), электронные (электронные блоки и микропроцессоры) и информационные (датчики информации) элементы.

Передача движения от двигателя к выходному звену мехатронного модуля может быть обеспечена с помощью различных преобразователей движения (передач), структура и конструктивные особенности которых зависят от типа двигателя, вида перемещения выходного звена и их расположения (компоновки).

Преобразователи движения предназначены для преобразования одного вида движения в другое, согласования скоростей и вращающих моментов двигателя и выходного звена. Для преобразования движения используют винтовые, реечные, цепные, тросовые передачи, а также передачи зубчатым ремнем, мальтийские механизмы и др. Так как электродвигатели в основном высокооборотные, а рабочие скорости выходных звеньев мехатронных модулей сравнительно невелики, то для согласования скоростей используют понижающие передачи (редукторы): зубчатые цилиндрические и конические, червячные, планетарные и волновые. Тип преобразователя движения выбирают, исходя из сложности его конструкции, коэффициента полезного действия, люфта в передаче, габаритных размеров и массы, свойств самоторможения, жесткости, удобства компоновки, технологичности, долговечности, стоимости и т.п. Выбор преобразователя движения оказывает существенное влияние на характеристики мехатронного модуля.

Направляющими называют конструктивные элементы устройства, обеспечивающие заданное относительное движение элементов механизма. В мехатронных модулях в основном применяют направляющие для поступательного движения. Их используют при необходимости осуществления перемещения одной детали относительно другой с заданной точностью.

Привод, как известно, включает, прежде всего, двигатель и устройство управления им. Кроме того, в состав привода могут входить различные механизмы для передачи и преобразования движения (редукторы, преобразователи вращательного движения в поступательное и наоборот), тормоз и муфта.

К приводам, применяемым в АСУ, предъявляют весьма жесткие специфические требования. В связи с необходимостью встраивания приводов в рабочие органы АСУ в манипуляторы и системы передвижения габариты и масса приводов должны быть минимальными. Приводы в АСУ работают в основном в неустановившихся режимах и с переменной нагрузкой. При этом переходные процессы в них должны быть практически неколебательными. Важными параметрами приводов АСУ являются также надежность, стоимость, удобство эксплуатации. Требования, предъявляемые к их способу управления, быстродействию и точности, непосредственно определяются соответствующими требованиями к АСУ в целом. В частности, обычно требуется, чтобы скорость поступательного движения на выходе приводов АСУ в среднем составляла от долей до нескольких м/с при погрешности отработки перемещения, равной долям миллиметра.

В АСУ нашли применение практически все известные типы приводов: электрические, гидравлические и пневматические; с поступательным и вращательным движением; регулируемые (по положению и скорости) и нерегулируемые; замкнутые (с обратной связью) и разомкнутые; непрерывного и дискретного действия (в том числе шаговые).

1.2 Классификация систем технического зрения

В начале эволюции СТЗ широко использовалась классификация по областям их применения. Однако, в настоящее время, налажен промышленный выпуск универсальных СТЗ, которые могут одновременно использоваться, после незначительной перестройки, в различных прикладных областях. Поэтому можно говорить об универсальных СТЗ и специализированных СТЗ, предназначенных для использования только для регистрации и обработки изображений определенного класса объектов.

Важный способ классификации систем обработки изображений - это их классификация в соответствии с видами источников, формирующих соответствующие изображения. Главным источником энергии для формирования изображений в настоящее время является электромагнитное излучение. Среди других важных энергетических источников можно упомянуть акустические и ультразвуковые колебания, электронные и протонные пучки, применяемые в электронной микроскопии и в устройствах изучения атомной структуры материи. Необходимо также, при таком подходе, выделить класс искусственных изображений, синтезируемых программным путем и используемых для моделирования реальной среды.

Наиболее важным классом являются изображения, создаваемые электромагнитным излучением, особенно в видимом и инфракрасном спектре, а также в рентгеновском диапазоне.

Рисунок 1.1 - Спектр излучений

Следует, однако, отметить, что во многих СТЗ используется информация об исследуемой сцене, как с помощью оптического потока разного диапазона, так и потока другой природы. В частности, используются одновременно излучение видимого и инфракрасного спектра в охранных системах при недостаточности освещения. В беспилотных летательных аппаратах широко используется одновременно системы миллиметровой радиолокации и оптико-электронные системы. В системах подводных автономных аппаратов одновременно используются акустические эхолокаторы и оптические системы. В ПЭТ (позитронно-эмиссионных томографах) используются три различных диапазона электромагнитного излучения: устройства формирования изображения оптического диапазона для контроля положения исследуемого объекта, рентгеновское излучение для формирования рентгеновского изображения и гамма-излучение, для формирования видеоряда внутренней динамики подвижных сред, в которые вводятся соответствующие изотопные препараты.

Другим способом классификации систем технического зрения является способ получения видеоинформации: с помощью одного сенсора, двух сенсоров (стерео- зрение) или с помощью нескольких пространственно распределенных сенсоров, получающих информацию различных проекций исследуемой сцены. Иногда, совокупность нескольких сенсоров заменяется одним подвижным сенсором, как это делается в рентгеновской томографии, где источник энергии (рентгеновская трубка) и сенсор движутся синхронно вокруг исследуемой сцены. В случае применения нескольких сенсоров, особенно работающих в различных областях электромагнитного излучения, возникает задача согласованного управления их зрительными осями с целью получения необходимых изображений и стабилизации положения сенсоров, особенно для СТЗ, расположенных на подвижных объектах.

Системы технического зрения роботов могут быть телевизионные, фотоматричные, построенные на приборах с зарядовой связью (ПЗС), лазерные и другие. Телевизионные, фотоматричные и ПЗС-системы технического зрения дают возможность либо бинарного (черно-белого) определения очертаний предметов, т.е. в двух градациях, либо многоградационного, когда они могут различать несколько градаций яркости, т.е. давать картину со множеством полутонов. Требование такой повышенной точности идентификации изображения зависит от потребностей технологического процесса. Этим определяется и сложность микропроцессорной обработки информации в таких системах.

Искусственное зрение используется в робототехнических системах для разных целей: контроль качества выполнения технологической операции (в частности, контроль процесса сборки узлов изделий), обнаружение наличия предмета, распознавание фактически складывающейся обстановки, определение местоположения и ориентации предметов, идентификация и различение деталей в темпе хода технологического процесса. Системы искусственного зрения помогают роботу взять деталь с движущегося конвейера, произвести сборку изделия, окраску, сварку и другие операции.

Системы технического зрения для обработки видеоинформации снабжаются необходимыми алгоритмами и программным обеспечением. Они могут иметь наборы прикладных программ реального времени для различных технологических задач с микропроцессорной обработкой информации. Тогда они чисто программным путем быстро переналаживаются для обслуживания тех или иных технологических операций. Следовательно, совместно с роботами, для очувствления которых системы технического зрения служат, и с другим оборудованием они представляют единый многофункциональный роботизированный технологический комплекс, способный автоматически работать в различных ситуациях как при смене вида операций, так и в не вполне определенной или меняющейся обстановке.

Фотоматричная система технического зрения реализуется наиболее простыми техническими средствами. Чувствительным элементом (датчиком изображения) служит небольшая матрица фотодиодных элементов 16Ч16 или 32Ч32. Разрешающая способность таких систем ограничена количеством элементов дискретизации. Однако такого объема информации бывает достаточно для многих технологических задач. С помощью несложной цифровой обработки информации можно извлекать из полученного изображения для ввода в управляющую микро-ЭВМ робота сигналы о тех или иных признаках предмета и его расположении, используя два уровня (черное - белое) или, если нужно, несколько градаций яркости.

К преимуществам фотоматричной системы относятся достаточная прочность и надежность, малые вес и размеры приемной камеры (например, цилиндр диаметром 3 см и длиной 8 см). Поэтому такую систему удобно устанавливать прямо на схвате робота (рисунок 1.2), и робот может "рассматривать" предмет, с которым он манипулирует. Таким образом, робот получает искусственный "глаз" на конце своей "руки", которая, перемещаясь, может заглядывать этим "глазом" в любые места рабочего пространства, в том числе и за перегородки и другие препятствия

Рисунок 1.2 - Фотоматричная система технического зрения на схвате промышленного робота

Преимуществом фотоматричной системы технического зрения является также малое энергопотребление и высокая фоточувствительность. Система сохраняет работоспособность без перенастройки в широком диапазоне колебаний освещенности. Важным фактором для работы в темпе хода технологического процесса является простота, а значит, и быстрота обработки информации по простым признакам изображения предметов. Большое быстродействие системы на фотодиодных матрицах объясняется параллельным способом считывания информации с элементов матрицы.

В качестве преобразователей свет - сигнал в таких системах широко применяются кремниевые фотодиоды. Оптические сигналы преобразуются в электрические, производится их усиление, кратковременное хранение и считывание. Каждая ячейка матрицы содержит фоточувствительную область (фотодиод) и три транзистора, выполняющие функции усиления и управления ячейкой.

При считывании с накоплением энергия излучения, падающая на фоточувствительную область, накапливается в течение определенного времени, а затем выполняется считывание. Этим существенно повышается чувствительность матрицы и используется возможность управлять выходным сигналом путем изменения времени накопления. Цикл преобразований в целом включает стирание, запись, считывание.

Функциональная схема камеры на основе фотодиодных матриц имеет вид, показанный на рисунке 1.3. Видеосигналы с ФДМ идут параллельно на аналого-цифровой преобразователь и затем в оперативное запоминающее устройство для согласования порядка и скорости вывода данных в процессор обработки информации.

Рисунок 1.3 - Функциональная схема фотоматричной системы

ЗГ - задающий генератор, определяющий частоту следования управляющих импульсов;

Ф - формирователь импульсов стирания, подготавливающий к работе одновременно все ячейки матрицы в начале каждого цикла;

ФР - формирователь-распределитель импульсов адреса по строкам матрицы в соответствии с заданным порядком их считывания;

ФДМ - фотодиодная матрица;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

Важно, что фотодиодные матрицы не обладают инерционностью при считывании. Их дискретная структура позволяет получать информацию о движущихся предметах без искажений.

Телевизионные системы технического зрения роботов дают более богатую картину изображения обстановки. Они строятся на базе малогабаритных производственных телекамер обычно с полем 256Ч256 точек. Разумеется, для применения в робототехнике не требуется знания всех подробностей обстановки, которую дает телекамера. Поэтому при цифровой обработке полученного изображения следует выделить необходимый минимум сведений, отвечающий заложенным в память и в программу ЭВМ робота признакам нужного объекта для последующих действий робота или просто для выполнения контрольных функций по ходу процесса (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Робот с контрольной телевизионной системой технического зрения

С этой целью строится специализированный вычислитель с микропроцессорной обработкой информации по заданному алгоритму, если это относится к достаточно узкому классу задач с ограниченным разнообразием программ действия системы. При более универсальном применении системы технического зрения с широкими возможностями программирования и переналадки программного обеспечения робототехнической системы в целом, снабженной искусственным зрением, используется микро-ЭВМ. При этом между телекамерой и ЭВМ вводится устройство сопряжения для предварительной обработки изображения с целью получения сигналов, удобных для ввода в микроЭВМ (рисунок 1.5 и 1.6).

Рисунок 1.5 - Блок-схема телевизионной системы технического зрения

В качестве преобразователя свет - сигнал в телевизионных системах технического зрения используются передающие трубки различных типов. Наиболее распространено применение видиконов с фотоэлектрическим преобразованием на основе внутреннего фотоэффекта. Процесс преобразования свет - сигнал здесь основан на накоплении заряда на конденсаторах. В процессе развертки электронным лучом освещенных и неосвещенных участков фотомишени видикона образуется сигнал изображения. Видиконы имеют высокую чувствительность, хорошую разрешающую способность и широкий спектральный диапазон.

На рисунке 1.7 представлена функциональная схема телекамеры на базе видикона. Обычно телекамера соединяется с микроЭВМ через электронное устройство сопряжения с применением стандартного интерфейса. Устройство сопряжения обеспечивает пространственную дискретизацию видеосигнала, квантование его по яркости, преобразование в параллельный 16-разрядный код, запоминание видеосигнала и связь с интерфейсом ЭВМ.

Рисунок 1.6 - Реализация телевизионной системы технического зрения

В телевизионных камерах общего назначения используются, как правило, видиконы с магнитным отклонением считывающего луча. Они применяются и в системах технического зрения. Но для промышленных роботов в системах технического зрения более перспективны видиконы с электростатическим отклонением считывающего луча. Такие системы позволят увеличить скорость развертки (что для роботов очень важно) и реализовать при необходимости нестандартные виды развертки (радиальную, спиральную). В них более простыми средствами достигаются высокая линейность отклонения луча и другие желаемые свойства.

Рисунок 1.7 - Функциональная схема телекамеры на базе видикона



Одним из основных требований, предъявляемых к системам технического зрения, является выполнение их функций в реальном масштабе времени, соответствующем ходу обслуживаемого ими рабочего процесса. А ввиду большого объема информации в телевизионном изображении и недостаточно высокого быстродействия из-за последовательного способа передачи видеосигнала это требование должно обеспечиваться существенным сокращением обрабатываемой информации. Последнее достигается выбором достаточно простых признаков идентификации предметов, построением быстродействующих алгоритмов с распараллеливанием вычислений и операций, применением многопроцессорных сетей, аппаратными средствами сжатия информации на входе, а также другими способами, связанными с целенаправленным управлением процессом ввода изображения. Сокращение объема обрабатываемой информации важно также и для уменьшения объема требуемой памяти.

Чаще всего на производстве для обследования плоских изображений можно обойтись применением системы технического зрения. Во всех случаях, где это возможно, следует ограничиваться использованием бинарных изображений (черное - белое) ввиду простоты процедуры обработки видеоинформации (большое значение при этом имеет контраст между предметом и фоном). К многоградационным системам следует прибегать при действительной необходимости получения значительно большей информации об объекте с полутоновым рисунком. В ряде случаев такое многоградационное изображение позволяет на плоской картине судить о третьем измерении деталей объекта (углубления, выступы и т.п.) за счет полутонов, получающихся при освещении объекта.

Но для тех случаев, когда технологические задачи нуждаются в более достоверной информации о трехмерных объектах, существуют другие методы построения систем технического зрения, которые в меньшей степени подвержены влиянию изменения внешнего освещения.

Программное обеспечение в системах технического зрения зависит от алгоритмов обработки информации, т.е. от способов идентификации предметов и выбранных признаков для этого, а эти факторы существенно влияют на обеспечение требования работы системы в реальном времени.

На точность работы системы технического зрения влияют, кроме дискретизации изображения, и геометрические искажения камеры (они более заметны по периферии поля зрения). Поэтому желательно, чтобы оптическая ось камеры была перпендикулярна к плоскости рабочего пространства. Влияют на точность также калибровка, фокусировка, выбор порога при бинарной системе. Погрешности вносят и алгоритмы обработки видеоинформации.

Микро-ЭВМ в системе технического зрения выполняет ряд функций. Она организует процесс совместной работы блоков системы по заданным алгоритмам, обрабатывает массивы цифровых данных о состоянии рабочего пространства с целью идентификации предмета, вычисляет его координаты, ориентацию и прочие признаки, выдает результаты в систему управления роботом, контролирует остальные порученные ей процессы и устройства.

Изображение формируется в памяти ЭВМ в виде матриц отсчетов градаций яркости объекта. Производится предварительная обработка (сглаживание, повышение контрастности, фильтрация). Анализ изображения в ЭВМ состоит, например, в выделении контуров на изображении. Затем в ЭВМ выполняется интерпретация изображения, т. е. сравнение результата анализа по заданным признакам с геометрическими характеристиками объекта, хранящимися в памяти ЭВМ. Таким образом автоматически решается задача распознавания в адаптивном роботе.

Положение объекта определяется по координатам его силуэта, полученного в ЭВМ путем выделения контуров изображения. Эталонные признаки для идентификации объекта могут быть введены в память ЭВМ, например, в режиме обучения. Иногда применяются более простые процедуры опознавания объекта - непосредственно по контрастным меткам на изделии.

Существует еще так называемый прожекторный метод, когда предметы различаются по цвету. Предмет освещается, а отраженный световой луч падает на чувствительную поверхность датчика цвета, снабженного тремя цветовыми фильтрами (красным, синим, зеленым). Образуются три сигнала в виде цифровой информации, обрабатываемой в микропроцессорном устройстве. Производится сравнение с соответствующими данными о цветах объекта, заложенными в память ЭВМ. Такая система технического зрения может быть применена не только для распознавания, но также и для автоматического контроля результатов окраски изделий.

Рисунок 1.8 - Блок-схема робота, различающего цвета предметов

1 - телекамера; 2 - устройство управления цветными фильтрами; 3 - передача видеосигнала; 4 - проектор луча света; 5 - управление лучом света; 6 - ход луча света; 7 - аналого-цифровой преобразователь; 8 - блок определения цвета объекта; 9 - блок обнаружения ребра предмета; 10 - блок измерения расстояния; 11 - ЭВМ распознавания предмета и выбора значений параметров управления; 12 - сигнал, формируемый ЭВМ; 13 - блок управления манипулятором робота; 14 - подпрограмма управления; 15 - манипулятор; 16 - тактильная система информации.

На рисунке 1.8 изображена блок-схема робота, различающего цвета предметов. Заложенные в робот подпрограммы обеспечивают выполнение различных вариантов элементарных движений. Адаптивная система программного управления роботом по результатам распознавания составляет рабочую программу для выполнения определенного технологического задания из набора элементарных подпрограмм в различных комбинациях.

Как мы видели, системы технического зрения в большинстве случаев сопрягаются с ЭВМ для обработки видеоинформации при передаче сигналов в систему управления роботом. Такая система обладает универсальными свойствами как многофункциональное устройство для адаптивных роботов различного назначения.

Однако для ряда специфических функций система технического зрения не обязательно должна в своем составе иметь ЭВМ. Нередко для выполнения частных робототехнических задач (по идентификации деталей, обнаружению дефектов и т. п.) достаточно бывает использования модульных электронных плат. Различные их комбинации позволяют выполнять необходимые функции для систем технического зрения без ЭВМ и вводить требуемые сигналы в систему управления адаптивным роботом.

Система технического зрения на базе матрицы ПЗС (приборов с зарядовой связью) имеет матричную структуру чувствительного поля, как и фотодиодная система. Но, в отличие от последней, матрица ПЗС обладает большей плотностью расположения элементов. Поэтому, сохраняя преимущества дискретизации изображения (как в фотоматрице), система с матрицей ПЗС имеет большую информативность, свойственную телевизионной системе. Видеосигнал матриц ПЗС достаточно легко подгоняется под телевизионный стандарт. Системы на основе ПЗС-камер имеют большее быстродействие по сравнению с телевизионными камерами и обладают меньшими габаритами.

Матрица ПЗС представляет собой компактный полупроводник - кремниевую пластинку, на поверхность которой напылена, как тончайшая сеть, система электродов и нанесено просветляющее покрытие для лучшего поглощения фотонов света. Основным элементом матрицы ПЗС является емкость, образованная электродами, которые расположены в тонком слое диэлектрика, покрывающем поверхность полупроводников. Некоторым недостатком матрицы ПЗС является то, что при ее использовании не допускается слишком сильное освещение, которое вызывает переполнение зарядов, приводящее к плохим результатам приема изображения.

Преимущества системы технического зрения на базе матрицы ПЗС по сравнению с системой на видиконах с точки зрения промышленной робототехники заключаются (кроме малости весов и габаритов) в отсутствии инерционности, низком уровне выходных шумов, высокой линейности фотоэлектрического преобразования, низком напряжении и малой потребляемой мощности, высокой устойчивости к механическим (удары, вибрации, ускорения), акустическим и электромагнитным воздействиям, более высокой надежности и долговечности в эксплуатации. Совокупность всех этих свойств определяет перспективность применения матриц ПЗС для систем технического зрения адаптивных промышленных роботов.

Рисунок 1.9 - Схема приемной камеры на базе матрицы ПЗС

СГ - синхрогенератор; ФФНХ - формирователь фазных напряжений для секций хранения; ФФНН - то же для секций накопления; ФФНР - то же для выходного регистра; СН - секции накопления; СХ - секции хранения; ВР - выходной регистр; ВУ - выходное устройство; У - усилитель

Функциональная схема приемной камеры на базе матрицы ПЗС показана на рисунке 1.9. В выходном устройстве заряды преобразуются в потенциалы, соответствующие последовательности видеоимпульсов, которые затем усиливаются.

Отмеченные выше преимущества систем на базе матрицы ПЗС позволяют проще сделать установку нескольких камер и, таким образом, легче осуществлять одновременное получение изображений с различных мест и в сочетании со структурированным освещением получать информацию о трехмерных объектах. Это, естественно, ускоряет работу такой системы технического зрения. Кроме того, одну из камер можно установить непосредственно в кисти манипулятора робота. Перспективно здесь применение систем волоконной оптики для передачи световой информации с ПЗС-камеры, установленной в кисти манипулятора.

Заметим, что для анализа трехмерного изображения в системах технического зрения перспективным является применение голографических методов, позволяющих проводить непосредственный анализ трехмерной сцены.

Системы технического зрения на базе матриц ПЗС весьма целесообразно использовать при необходимости восприятия информации от движущихся объектов, так как сканирование в них осуществляется в одном направлении. Картина воспроизводится практически без искажений и с большей чувствительностью, чем в системах с телевизионными камерами на видиконах.

Для работы с мелкими объектами, например, при автоматизации сборки транзисторов и микросхем, отбраковки, установки, крепления кристаллов, распайки приводов, применяются телевизионные камеры (как ПЗС, так и видиконы) в сочетании с микроскопом. МикроЭВМ, кроме описанных ранее функций обработки изображений и формирования сигналов в систему управления сборочным роботом, управляет еще положением и действиями телекамер.

Рисунок 1.10 - Схема сканирующего лазерного дальномера: 1 - направление луча на зеркало; 2 - нормаль к сканирующему зеркалу; 3 - направление измерения дальности

Применяются в робототехнике также обзорно-поисковые системы технического зрения с использованием лазерного сканирующего дальномера. Пример схемы лазерного дальномера показан на рисунке 1.10. Сканирующие дальномеры предоставляют движущемуся адаптивному роботу информацию о неизвестной заранее обстановке с препятствиями, которые надо обходить, двигаясь к заданной цели (цель может быть невидима и задана своими координатами).

Для данного робота основным является движение вперед с огибанием препятствий. Но предусматривается также возможность специальных маневров - развороты и задний ход. Все это определяет и планирует ЭВМ в зависимости от текущих результатов информации об обстановке, получаемой из системы технического зрения с лазерным сканирующим дальномером. Система в целом нуждается в довольно сложном алгоритмическом и программном обеспечении.

Специальные системы технического зрения для особых условий внешней среды могут строиться на других принципах, нежели описанные выше. Для таких целей используются радиационные, тепловые и радиоволновые системы технического зрения. Такие системы применяются в случаях, когда надо получать информацию о состоянии внутренней структуры металла, бетона, дерева, а также для некоторых агрессивных условий.

Средства радиационной интроскопии могут использоваться в адаптивных роботах, например, для сборки узлов при необходимости выявления невидимых неправильных сопряжений и наличия внутренних изъянов в деталях. В этом случае происходит просвечивание объекта проникающей ионизирующей радиацией, например, рентгеновской, преобразование радиационного изображения в светотеневое или электронное и передача его с помощью оптического или телевизионного канала.

Перспективным является применение для специальных адаптивных роботов радиационного компьютерного томографа. Принцип томографии заключается во внутреннем послойном сканировании объекта коллимированным рентгеновским пучком, измерении мощности излучения за объектом детекторами с линейной характеристикой и построении полутонового изображения слоев (разрезов) данного объекта по вычисленным в ЭВМ значениям плотности вещества в элементарных ячейках слоя. Координаты каждого элемента определяются также при помощи ЭВМ и могут быть использованы в системе управления действиями адаптивного робота. В томографии применяются и другие физические принципы: ядерно-магниторезонансный, электрический, акустический, тепловизионный.

Системы технического зрения тепловые (в инфракрасном диапазоне волн) применяются для визуализации тепловых полей, нагретых тел. В них используется явление эмиссии электромагнитного излучения нагретыми телами. С помощью сканирующих или матричных фотоэлектронных преобразователей рельефа интенсивности излучения на поверхности объекта это излучение преобразуется в эквивалентное распределение электрических сигналов. В результате на экране получается изображение теплового поля объекта разной яркости.

Тепловые системы технического зрения включают оптическую систему для фокусировки инфракрасных лучей, фотопреобразователь, систему развертки и оконечные устройства обработки информации, откуда сигналы подаются в систему управления адаптивным роботом. Для передачи теплового изображения из зоны контроля к системе развертки применяется волоконная оптика.

Радиоволновые системы технического зрения основаны на взаимодействии электромагнитного поля с объектом и преобразовании этого поля в двумерное изображение. Таким методом можно измерять геометрические параметры объекта, расстояние до него, характеристики его движения (скорость, поворот, вибрации) и физические характеристики.

Акустические системы технического зрения используют свойство ультразвуковых волн отражаться от неоднородностей в жидких, газообразных и твердых средах. При этом производится визуализация акустического поля. Здесь особое значение приобретают алгоритмы фильтрации и улучшения качества изображения ввиду трудностей непосредственного получения хорошего процесса визуализации акустической информации.

1.3 Основные требования при проектировании мехатронных систем с использованием технического зрения

Выполнение функций в реальном масштабе времени, т. е. со скоростью течения технологического процесса без задержек и простоев, и, как следствие, сокращение обрабатываемой информации - главные, хотя и противоречивые требования к СТЗ. Сокращение обрабатываемой информации может быть осуществлено различными способами, а именно: ее сжатием на входе аппаратными средствами, выбором простых признаков идентификации, разработкой быстродействующих алгоритмов с распараллеливанием вычислений и операций, применением многопроцессорных сетей, построением специализированных для обработки изображений многопроцессорных вычислителей.

Быстродействие СТЗ в зависимости от ее назначения и выбора способа аппаратно-программной реализации обработки видео информации может находиться в пределах от10^-3 до 10 с. Так, в СТЗ с параллельным видеопроцессором оно равно нескольким миллисекундам, а в СТЗ, решающих одну из сложных технологических задач - разбор деталей из бункера оно составляет 10с. Для большинства технологических операций требуемое быстродействие находиться в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд, т.е. Менее одной секунды. Сокращение объема обрабатываемой информации может быть достигнуто следующими способами: заменой значения яркости в некоторой точке изображения функцией яркости в пределах окна из n элементов, центр которого совпадает с этой точкой; уменьшением до двух числа уровней квантования видео сигнала в системах, осуществляющих выделение объектов в поле зрения и определение их геометрических характеристик; использования режима слежения за выделенным объектом; применением режима целенаправленного управления процессом ввода изображения в зависимости от текущих результатов обработки и анализа; переходом от кодирования сигналов от всех элементов изображения к кодированию длин отрезков или длин серий построчной развертки изображений и т.д.

Основные параметры при проектировании. Помимо быстродействия, СТЗ характеризуется числом элементов дискретизации видеосигнала, числом градаций яркости видеосигнала, контрастом между фоном и объектом, освещенностью рабочей сцены, формой, размерами и количеством расположенных на рабочей сцене объектов манипулирования, наличием возможности оперативного изменения алгоритмов идентификации в зависимости от изменения состава и свойств объекта, а также от изменения технологического процесса.

Число элементов дискретизации в основном зависит от вида и характеристик применяемого видеодатчика.

Важным параметром, характеризующим СТЗ, является число градаций видеосигнала. В СТЗ видеосигнал квантуется в зависимости от принятых границ его значений как функции яркости. Если приняты два уровня значений сигнала (черный, белый), преобразование в дискретные значения цифрового значения «единицы» и «нуля», то полученное значение сигнала называют бинарным или двоичным. В большинстве СТЗ для упрощения и сокращения времени и объема обработки информации приняты два уровня градаций яркости. Однако, очевидно, чем выше требования к точности идентификации изображения, тем больше число градаций яркости видеосигнала.

Для большинства робототехнических задач целесообразно применять алгоритмы, приспособленные для работы с бинарными изображениями, что значительно сокращает обрабатываемую информацию. Если в бинарных системах каждая точка изображения описывается черным или белым цветом, то в многоградационных системах точки изображения могут иметь полутона. В бинарных системах объекты наблюдаются либо в отраженных, либо в проходящих лучах; при этом изменение направления освещения позволяет получать тени, по которым можно судить о высоте объекта. Хотя процедуры обработки видеоинформации в бинарных системах проще и соответственно выше скорость обработки, много градационные системы позволяют получить значительно больше информации об объекте. Для решения многих технологических задач необходимы зрительные системы, оперирующие с трехмерной информацией.

Большое значение имеет контраст между объектом и фоном, а, следовательно, и освещение объектов. СТЗ, работающие в диапазоне световых волн, получили наибольшее распространение. Осветительные устройства предназначены для создания лучших для СТЗ условий освещенности рабочей зоны робота. Примерами оптимальных условий могут служить организация бестеневой сцены в рабочей зоне, подсветка зоны в заданном диапазоне спектра для контрастного выделения предметов в ней и т.п. В тех случаях, когда это возможно, используется подсветка с обратной стороны детали, дающая высокую контрастность изображения. Применяется также освещение спереди рассеянным белым светом, например, при контроле качества детали. При прослеживании сварного шва используется лазерное освещение.

мехатронный модуль автоматизированный управление



2. Проектирование мехатронного модуля с техническим зрением

2.1 Проектирование модуля захвата с оптическим датчиком

В работе рассматривается система технического зрения, которая используется для ограничения перемещений модуля захвата робота в рабочей зоне с целью обеспечения безопасности работы человека рядом с роботом. Граница задаётся ломаной линией, в вершинах которой находятся модули, содержащие мигающие светодиоды.

Проведённые эксперименты показали, что яркость светодиодов достаточна для того, чтобы обеспечить надёжное определение положения модуля в широком диапазоне освещённости рабочего места, так как изменение яркости участка изображения, на котором располагается светодиод, достаточно велико.

Определение местоположения мигающего модуля осуществляется следующим методом.

Положение светодиодного модуля определяется сравнением яркости каждого пикселя на 4 последовательных кадрах. В качестве кандидатов выбираются все пиксели, изменение яркости которых превышает заданный порог. Пиксели, наличие которых вызвано бликами, отсеиваются при учёте дополнительного условия, состоящего в том, что горящий светодиод отображается на кадре овалом из нескольких десятков пикселей.

Калибровка системы технического зрения, это задача первостепенной важности, от которой зависит работа всего производства, с которой сталкиваются операторы во всех системах, она состоит в определении положения модулей в абсолютной системе координат.

Поэтому одним из этапов подготовки её к работе является калибровка положения камеры в пространстве. Она состоит в определении координат её расположения в абсолютных осях и углов наклона. Для нахождения указанных величин мигающие модули располагаются в заранее выбранных точках рабочего пространства манипулятора и измеряются их координаты на кадре. Искомые величины, которые определяют положение камеры в пространстве, определяются решением системы нелинейных уравнений, в которых известны расстояния и углы между мигающими модулями.

Для установки границ рабочей зоны манипулятора прибегают к следующему методу.

При задании границы оператор раскладывает мигающие модули вдоль её линии. Абсолютные координаты модулей передаются системой технического зрения системе управления манипулятора по команде «Задать новую границу рабочей зоны».

Простота задания границы достигнута за счёт автоматизации некоторых операций. Например, очерёдность установки модулей не отслеживается, что позволяет уменьшить количество действий, которые должен совершить оператор при задании границы. При этом возникает свобода в построении ломаной линии с заданными вершинами. Для того чтобы линия границы определялась однозначно, разработаны интуитивно понятные правила определения последовательности следования модулей.

Для обеспечения безопасности перемещений в процессе исполнения рабочей программы система управления манипулятора проверяет, лежит ли очередная целевая точка внутри допустимой области. Если выяснится, что точка лежит вне заданной рабочей зоны, то исполнение рабочей программы приостанавливается. Такая ситуация достаточно часто возникает при ошибочном задании оператором целевой точки.

Контроль линии границы необходимая мера в работе систем с оптическими датчиками. После того, как граница задана, система технического зрения следит за положением модулей. Необходимость в этом связана с возможностью непреднамеренного смещения модулей, в результате чего у оператора может возникнуть неверное представление о реальной линии границы. Для того, чтобы информировать оператора о смещении модулей используется цветографический способ кодировки величины его отклонения. Для облегчения восстановления линии границы на дисплей выводится отклонение каждого модуля в абсолютных координатах

2.2 Алгоритм управления прототипом

Рисунок 2.1 - Функциональная схема управления систем технического зрения

Как правило на старте проекта еще не доступна база изображений или видео достаточная для разработки полноценного алгоритма. Прототип для оценки технических требований проекта делается на основе минимального количества имеющихся тестовых данных или легко собираемых из других источников.

Анализ существующих работ, связанных с алгоритмами управления, позволяет сделать вывод, что терминальные системы управления отличаются от других систем, в первую очередь, способом организации процесса управления. В этих случаях предусматривается прогнозирование будущего движения системы от текущего до терминального момента времени и формирование процесса изменения управляющего воздействия (программы управления), приводящего систему в заданное конечное состояние. Кроме того, задачи терминального управления часто являются многокритериальными, поскольку требование выполнения терминального состояния с заданной точностью в заданный момент времени может дополняться другими критериями.

Синтез систем терминального управления осуществляется в два этапа. На первом этапе из условия экстремума (наилучших значений) критерия (критериев) находится класс функций, определяющих алгоритм управления. На втором этапе решается задача синтеза системы управления с обратной связью, которое должно обеспечивать требуемое качество терминального управления при возмущенном движении системы, а также при возможных изменениях параметров объекта. Основой для нахождения терминального управления является система обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающая объект управления, ограничения на фазовые координаты и функции от них, оптимизирующий функционал и граничные условия на левом (при t = 0) и правом (при t = T) концах фазовой траектории. Результатом решения является вектор-функция управления ???? (????1, ????2, …, ????????), которая должна минимизировать на отрезке времени [0, T] заданный функционал и обеспечивать выполнение наложенных ограничений и соблюдение граничных условий.

Однако, алгоритм и программа, осуществляющая поиск оптимальных управлений, требуют затрат машинного времени, которые затрудняют ее использование в режиме реального времени. Поэтому при разработке алгоритмов и программ для синтеза законов управления, обеспечивающих оптимизацию заданных критериев качества следует иметь это в виду. Они должны быть максимально простыми, но в тоже время адекватными для управления с необходимой точностью.

Рассмотрим, с нашей точки зрения, одно из перспективных направлений повышения точности процесса управления в классе систем автоматического управления (САУ) введением параллельной прогнозирующей модели основному контуру. Рассматриваемые технологические объекты управления - промышленные роботы, у которых датчики обратных связей установлены в «суставах плеч», транспортные машины, на которых установлены системы слежения за подвижными объектами или иное специальное навесное оборудование, регулируемая координата: продольная ось антенны локатора, ось ствола орудия или направляющей пусковой установки или навесного специального оборудования, в то время как датчики обратной связи установлены на координатных приводах. Такое управление может быть использовано также для подвижных транспортных средств в автоматическом (дистанционном) режиме в условиях переменных параметров рельефа местности и трассы движения.

Однако, несмотря на широкое применение прогнозирующих систем в автоматических и полуавтоматических системах управления, в САУ с элементами неопределенности внешней среды и состояния объекта управления, это направление требует своего дальнейшего развития.

Алгоритм работы такой системы управления предлагается следующим:

1. Имеется некоторая математическая модель привода, управляющая каким-либо объектом, начальным условием для которой служит его текущее состояние. Математическая модель - система ОДУ, описывающая процессы, протекающие в приводе. При заданном программном управлении выполняется решение ОДУ этой модели, что дает прогноз движения объекта на некотором конечном отрезке времени.

2. Выполняется оптимизация программного управления, целью которого служит приближение регулируемых переменных прогнозирующей модели к соответствующим задающим сигналам прогноза.

3. На шаге вычислений, составляющем фиксированную малую часть прогноза, реализуется найденное оптимальное управление.

4. Прогноз сдвигается на шаг вперед и повторяются пп. 1-3 данной последовательности действий.



Заключение

В данной выпускной квалификационной работе были достигнуты поставленные цели: