Очувствленные обучаемые системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОЧУВСТВЛЕНИЕ

Введение

Очувствление необходимо для взаимодействия робота с внешней средой в интерактивном режиме. Очувствленные обучаемые системы обладают возможностью адаптации при выполнении широкого круга задач. Благодаря этому повышается степень универсальности, что, в конечном счете, приводит к снижению стоимости продукции и технического обслуживания.

Функционально органы очувствления роботов - датчики - можно подразделить на два основных типа:

· датчики внутреннего состояния;

· датчики внешнего состояния.

Датчики внутреннего состояния служат для формирования сигналов в цепях обратных связей по положению и скорости звеньев манипулятора, по силе и моменту.

Датчики внешнего состояния предназначены для измерения параметров в дальней и ближней зонах и для тактильных измерений. Подразделяются на контактные и бесконтактные.

Контактные датчики производят измерение при контакте с объектом в процессе касания, проскальзывания или кручения. Принцип действия бесконтактных датчиков основан на определении изменений акустического или электромагнитного полей взаимодействия с объектом.

Наиболее важными примерами использования бесконтактных датчиков является измерение положения объекта в дальних зонах, а также определение характеристик объекта оптическим методом.

1. Датчики измерения в дальней зоне

Назначение - определение расстояния от точки отсчета до объекта в рабочем диапазоне измерений. Датчики измерения в дальней зоне используются для навигации робота и обхода препятствий, когда требуется оценить расстояние до ближайших объектов или определить местоположение и форму объектов в рабочем пространстве робота.

2. Триангуляция

Одним из простейших методов измерения в дальней зоне является метод триангуляции (рис. 1). Объект освещают узким пучком света, направленным на его поверхность.

Движение пучка света в плоскости определяется линией от объекта до приемника света и линией от приемника до источника света. Если пятно света на поверхности объекта достаточно мало, расстояние D до освещенного участка поверхности может быть вычислено из геометрических соотношений, представленных на рис. 1.

Этот метод реализует точечное измерение. Если система «источник-приемник» движется в фиксированной плоскости, то в этом случае можно получить группу точек, расстояния которых до приемника известны. Эти расстояния легко перенести в трехмерную систему координат путем сканирования.

Рисунок 1. Измерение расстояние триангуляционным методом

3. Метод подсветки

датчик манипулятор робот триангуляция

Данный метод состоит в проецировании светового потока на группу объектов и использовании изменения формы потока для вычисления расстояния (рис. 2).

Рисунок 2. Измерение расстояний методом подсветки

Световая полоса, пересекающая группу предметов, формируется в виде плоского пучка света с помощью цилиндрических линз. Пересечение светового потока с объектами в рабочем пространстве фиксируется телевизионной камерой, помещенной на расстоянии В от источника света. Такая ситуация легко анализируется компьютером при определении расстояния. Например, отклонение пучков света указывает на изменение поверхности, а разрыв соответствует промежутку между поверхностями.

Для получения базовых значений расстояний вначале проводят калибровку (рис. 3).

Рисунок 3. Калибровка системы измерения методом подсветки

В большинстве систем, основанных на методе подсветки, используют цифровые изображения, полученные телекамерой и преобразованных в цифровой массив размерностью NЧM. Пусть является номером столбца этого массива. Калибровка состоит в измерении расстояния В между источником света и центром линз и последующим измерением углов и . Тогда расстояние d вычисляется по формуле:

, (1)

где - фокальная длина линз, а

. (2)

Для цифрового изображения, содержащего М столбцов, приращение расстояния между столбцами определяется по формуле:

(3)

для . В изображении на мониторе соответствовало бы крайнему слева столбцу, а - центральному столбцу.

Угол , образованный проекцией произвольной полосы, легко получить, отметив, что:

, (4)

где , (5)

или, используя равенство (3),

, (6)

где .

Для оставшихся значений k (т.е. по другую сторону оптической оси) имеем:

, (7)

(8)

для .

Сравнивая уравнения (6) и (8), отметим, что . Таким образом, равенства (4) и (7) идентичны для всего диапазона . Тогда из рис. 3 следует, что расстояние по нормали между произвольной полосой света и плоскостью отсчета будет равно:

(9)

для , где вычисляется либо из уравнения (4), либо из уравнения (7).

Важно отметить, что если величины известны, номер столбца в цифровом изображении полностью определяет расстояние между плоскостью отсчета и всеми точками на полосе, отображенной на этом столбце.

Для определения плоскую вертикальную поверхность размещают так, чтобы ее пересечение со световой полосой находилось в центре плоскости изображения (т.е. у=М/2). Затем измеряют величину перпендикуляра между поверхностью и плоскостью отсчета. Из рис. 3 следует, что:

. (10)

Чтобы определить , перемещают поверхность ближе к плоскости отсчета, пока ее световая полоса не совместится с у=0 на плоскости изображения. Затем измеряют и из рис. 3 находят:

. (11)

Это завершает процесс калибровки.

Основное преимущество такой системы состоит в относительной простоте измерения расстояний. После завершения калибровки расстояние, соответствующее каждому столбцу в изображении, вычисляется с помощью уравнения (9), где , а результаты хранятся в памяти. Затем в процессе измерений расстояние до любой точки изображения получают путем простого определения номера ее столбца в изображении и обращения к соответствующей области памяти.

4. Измерение расстояния по времени прохождения сигнала

Рассмотрим три метода измерения расстояния, основанные на определении времени прохождения сигнала между объектом и приемником. Два из них - лазерные, один - ультразвуковой.

Первый метод - измеряется время, в течение которого посланный вдоль оси световой импульс возвращается вдоль той же оси от отражающей поверхности. Расстояние до объекта определяется по формуле

,

где Т - время прохождения сигнала и с - скорость света (0,3 м/нс). Частота отсчета должна быть 50 Гц для достижения точности измерения порядка мм.

Лазерные измерители дают двухмерный массив со значениями, пропорциональными расстоянию. Двухмерное сканирование выполняется путем отклонения лазерного луча вращающимся зеркалом. Рабочая зона этого устройства находится в пределах 1-4 метра, точность мм.

Во втором случае вместо импульсного светового сигнала используется непрерывный луч лазера и измеряется задержка (т.е. фазовый сдвиг) между посылаемыми и возвращенными лучами (рис. 4).

Луч лазера с длиной волны расщеплен на два луча. Один из них (опорный «луч отсчета») проходит расстояние L к фазометру, а другой проходит расстояние D до отражающей поверхности.

Общее расстояние, пройденное отраженным лучом, составляет

.

Фазовый сдвиг между двумя лучами в точке измерения (рис. 1,б) возникает в случае, если отраженный луч проходит путь больший, чем исходящий.

В этом случае имеем:

. (12)

Так как , подставив это значение в уравнение (12), получим:

, (13)

что определяет расстояние через фазовый сдвиг, если известна длина волны (632,8 нм у гелий-неонового лазера). При такой малой длине волны метод, схема которого показана на рис. 4, нецелесообразно применять в робототехнике из-за сложности определения малых фазовых смещений.

Наиболее приемлемым решением является амплитудное модулирование лазерного луча волной с гораздо большей длиной, например, 30 метров (f=10 МГц) (рис. 5).

Основная процедура остается прежней, но сигнал отсчета является теперь функцией модулирования.

Модулированный лазерный сигнал посылается на объект, а возвращенный сигнал демодулируется и сравнивается с отсчетным сигналом для определения фазового сдвига.

Рисунок 4. Принцип измерения расстояния по фазовому сдвигу (а) и сдвиг между исходящей и отраженной световыми волнами (б)

Рисунок 5. Волновой сигнал, модулированный по амплитуде модулирующей функцией с гораздо большей длиной волны

Равенство (14) все еще имеет силу, но теперь работа происходит в более удобном диапазоне длин волн.

Третьим методом измерения является ультразвуковой метод, реализующим идею измерения расстояния по времени прохождения сигнала.

Ультразвуковой сигнал передается за короткий промежуток времени и, так как скорость звука известна для определенной среды, простое вычисление, включающее интервал времени между посылаемым и отраженным сигналами, дает оценку расстояния до отражающей поверхности.

Например, в ультразвуковой измерительной системе, выпускаемой фирмой Polaroid, сигнал длительностью 1 мс, состоящий их 56 импульсов четырех частот (50, 53, 57, 60 кГц), передается датчиком диаметром ~38 мм. Сигнал, отраженный объектом, улавливается тем же датчиком и, проходя через усилитель и схему индикации, способен измерять расстояние в диапазоне ~0,3-10 м с точностью до 2,5 см.

Смешанные частоты сигнала используются для улучшения устойчивости сигнала.

Отклонение в направленности этого прибора составляет ~30°. Ультразвуковые датчики применяются в робототехнике преимущественно в навигации и для обхода препятствий.

Размещено на Allbest.ru