Материал: Системы технического зрения. Литвиненко А.М., Машаров А.В

каждая из которых определяет по два направляющих угла в своей плоскости (углы x , z , y , z ).

Чтобы уменьшить общую погрешность калибровки СТЗ робота, часто увеличивают число независимых точек измерения и применяют методы статистической обработки результатов.

Для облегчения процесса вывода робота в калибровочные точки, ввода показаний позиционных датчиков, измерения координат изображений этих точек в картинной плоскости СТЗ, расчетов матриц преобразований, оценки получаемой погрешности калибровки разработаны сервисные средства программного обеспечения сопряжения СТЗ и системы управления робота, включая языки высокого уровня.

1.3. Типовые элементы и узлы систем технического зрения роботов

1.3.1. Источники оптического излучения

Основными типами источников излучения, используемых в СТЗ роботов, являются лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды и лазеры. Кроме того, в ряде практических применений используется излучение естественных источников, чаще всего прямое, отраженное и рассеянное солнечное излучение. Иногда используется собственное излучение наблюдаемого объекта, например, в СТЗ сварочных роботов свечение расплава или сварного шва. Источникам оптического излучения, как искусственным, так и естественным, посвящена обширная литература, поэтому здесь нет необходимости подробно рассматривать их свойства. После некоторых общих сведений справочного характера рассмотрим ряд существенных для робототехники особенностей источников указанных типов.

Источники оптического излучения описываются системой энергетических (фотометрических), пространственных (геометрических), временных и других параметров и характеристик. Основные энергетические и фотометрические, или световые. Переход от объективной, не зависящей от свойств приемника излучения, системы энергетических величин к субъективной — световой си-

109

стеме — проводится на основе соотношения между световым потоком F (или Фv) и потоком излучения Фv

21

F Km V ( ) e( )d

1

где Km = 680 дм*(1/Вт) максимальное значение для глаза человека (на длине волны Я = 555 мкм);

характеристика чувствительности глаза (относительная видность). Помимо интегральных e , , т. е. рассматриваемых в ши-

роком спектральном диапазоне, энергетических и световых величин, в практике расчетов СТЗ используются их спектральные плотности

(энергетический) и v (визуальный) опускают.

По спектральному характеру излучения источники подразделяются на черные, серые и селективные излучатели, излучатели со сплошным и с непрерывным спектрами. Абсолютный излучатель — черное тело — характеризуется рядом хорошо изученных законов. Приведение характеристик реальных источников к характеристикам черного тела, например использование энергетической (радиационной), яркостной и цветовой температур, удобно с практической точки зрения для сравнительной оценки излучения, а также СТЗ в целом.

Лампы накаливания нашли широкое применение как источники излучения для СТЗ, работающих в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Спектр излучения нити накала лампы непрерывный и зависит от ее температуры. Понижение температуры нити накала сдвигает ее спектральную характеристику в инфракрасную область и способствует существенному увеличению срока службы лампы. Спектр излучения характеризует цветовая температура Тц, соответствующая температуре черного тела, при которой его излучение имеет ту же цветность, что и рассматриваемое излучение. Цветовая температура большинства

110

ламп накаливания близка к 2000 ... 2500 К.

В настоящее время промышленность выпускает широкую номенклатуру ламп накаливания различного назначения.

Для освещения поля зрения СТЗ, характеризуемого большой протяженностью или большой глубиной, например в мобильных роботах, можно использовать прожекторные лампы. В качестве источников местного освещения применяют малогабаритные, миниатюрные и сверхминиатюрные лампы, которые могут быть встроены в элементы захватного устройства робота. Для фотоэлектрических измерителей рекомендуются лампы накаливания, предназначенные для оптических приборов.

Основными достоинствами ламп накаливания с точки зрения их применения в СТЗ роботов являются: достаточно широкий спектр излучения, простота и надежность схем включения, хорошая конструктивная совместимость с другими элементами СТЗ и ряд других. Появление галогенных ламп с их высокой светоотдачей (отношением светового потока к потребляемой или излучаемой мощности) и повышенным сроком службы позволило заметно улучшить характеристики ряда СТЗ.

К недостаткам ламп накаливания следует отнести относительна большие размеры и массу, особенно у ламп, создающих достаточно большие световые потоки, недостаточный для ряда применений срок службы, трудность модуляции потока за счет изменения питающего напряжения. Такую модуляцию с необходимой, глубиной (свыше 50 %) и частотой (свыше 100 Гц) удается осу

111

Рис. 1.9. Схема модуляции излучения миниатюрной лампы накаливания на базе операционного усилителя

ществить только у маломощных миниатюрных ламп, поскольку тепловая инерция нитей накала ламп велика. В качестве примера на рис. 1.9 приведена схема низкочастотного модулятора, выполненного на базе операционного усилителя или усилителя низкой частоты. Миниатюрные лампы накаливания можно подключать непосредственно к логическим элементам транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

В газоразрядных лампах оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов, паров металлов или их смесей. Газоразрядные лампы характеризуются линейчатым или полосовым спектром излучения.

Широкое распространение в робототехнике нашли газоразрядные люминесцентные лампы с подогревными электродами. Включение электродов-спиралей для подогрева рабочего объема лампы и их выключение осуществляется стартером. В цепь лампы последовательно с ней включается балластный дроссель, предназначенный для стабилизации тока в цепи лампы, а также для повышения напряжения на электродах лампы в момент ее зажигания.

Излучение разряда в рабочем объеме лампы, падая на внутреннюю поверхность стенок баллона, покрытую люминофором, трансформируется в видимое излучение. Люминесцентные лампы низкого давления, применяемые для освещения, изготовляют следующих типов: ЛД — дневного света с цветовой температурой Гц = 6000 К; Л Б — белого света с Тц = 3450 К; ЛХБ — холодного белого света с Гц = 4300 К; ЛТБ — теплого белого света с Тц = 2800 К; ЛЕ с Гц = 4000 К и ЛХЕ с Тц = 5200 К. Выпускаются также люминесцентные лампы низкого давления с откорректированным спектральным составом излучения (ЛДЦ, ЛБЦ, ЛХБЦ и ЛТБЦ), которые обеспечивают достаточно хорошую цветопередачу освещаемых ими цветных объектов.

Основным преимуществом люминесцентных ламп по сравне-

112

нию с лампами накаливания является их высокая световая отдача — примерно 35 ... 80 лм-Вт-1, превышающая в 5 ... 6 раз световую отдачу ламп накаливания. Световую отдачу 80 лм-Вт-1 при достаточно хорошей цветопередаче обеспечивает лампа типа ЛБ-40. Так как используемые люминофоры обладают небольшим послесвечением (0,01 ... 0,1 с), то при питании ламп накаливания переменным током (220 В, 50 Гц) поток излучения модулируется. Глубина модуляции достигает 40 %, частота модуляции 100 Гц;

В качестве источников ультрафиолетового излучения, используемых, например, в СТЗ роботов для контроля качества изделий, применяются ртутные лампы высокого и сверхвысокого давления. Ртутные лампы типа ДРЛ, ДРШ, СВДШ, ДРТ при рабочих напряжениях 68 ... 1900 В потребляют мощность 80 ... 5000 Вт и обеспечивают световые потоки (3,4 ... 120)-103 лм. Срок службы таких ламп составляет (1 ... 15)-103 ч.

Ксеноновые лампы типа ДКСШ, ДКСР, ДКСТ, ДКСТВ имеют рабочее напряжение 40 ... 380 В, потребляемую мощность (2 ... 5)- 103 Вт и обеспечивают световой поток (35 ... 2000)-103 лм. Срок службы таких ламп 100 ... 800 ч.

Для общего освещения промышленных помещений, открытых площадок используют металлогалогенные лампы типа ДРИ с рабочим напряжением 130 ... 230 В, потребляемой мощностью 250 ...

3500 Вт и световым потоком (19 ... 350)-103 лм. Лампы такого типа имеют срок службы (1,5 ... 10)-103 ч. Лампы типа ДРИ имеют хорошую цветопередачу и находят применение в цветном телевидении;

Стробоскопические системы освещения СТЗ роботов реализуются с помощью импульсных газоразрядных источников излучения типа ИСГ, ИСШ, ИФК, которые обеспечивают интервалы, между вспышками 0,01 ... 20 с. ; Полупроводниковые светодиоды и инфракрасные излучающие диоды характеризуются малыми размерами и массой, высокой устойчивостью к механическим нагрузкам, имеют значительный срок службы, высокое быстродействие (время нарастания и спада импульса излучения для различных типов приборов составляет 5 нс

... 1,0 мкс). Прямое падение напряжения для таких приборов равно 1,5 ... 4 В при прямых токах 10 ... 100 мА.

113

Рис. 1.10. Примеры транзисторных схем включения светодиодов:

а— последовательно в цепь коллектора; б —

вцепь нагрузки ключа; в — в цепь нагрузки эмиттерного повторителя

Полупроводниковые светодиоды с излучением красного, желтого, зеленого и синего цвета имеют силу света 0,04 ... 6 мкд при прямом токе 10 мА. Инфракрасные диоды обеспечивают мощность излучения 0,2 ... 8 мВт на длинах волн 0,8 ... 0,95 мкм при прямом токе порядка 100 мА.

Светодиоды и излучающие диоды имеют следующие конструктивные исполнения: в металлостеклянном корпусе для направленного излучения; в пластмассовом корпусе для рассеянного излучения; бескорпусные для монтажа в гибридные микросхемы и микросборки. Диаграмма направленности излучения светодиодов определяется конструктивным исполнением оптических элементов вывода излучения (микролинз, защитных стекол корпуса и т. п.).

Малые размеры и низкие уровни рассеиваемой мощности позволяют использовать светодиоды в качестве источников излучения, монтируемых в элементах захватных устройств робота, для световодных схем подсвета поля зрения СТЗ. Примеры транзисторных схем включения светодиодов приведены на рис. 1.10. Отметим, что эти схемы могут быть использованы и для включения маломощных полупроводниковых лазеров.

114

Характеристики светодиодов допускают их непосредственное подключение к элементам микросхем транзисторно-транзисторной (ТТЛ) (рис. 1.11, а) и эмиттерно-связанной (ЭСЛ) транзисторной логики (рис. 1.11, б), а также к логическим элементам на МДПструктурах (структура металл—диэлектрик—проводник). Для модуляции излучения светодиодов используются автономные автоколебательные схемы на дискретных транзисторах, интегральные схемы мультивибраторов, а также переключатели на цифровых логических элементах. Возможна модуляция излучения светодиодов аналоговыми сигналами.

В качестве источников направленного, монохроматического, когерентного излучения в СТЗ

Рис. 1.11. Примеры подключения светодиодов к логическим элементам:

• в транзисторно-транзисторной логикой; б – с эмиттерно-связанной транзисторной логикой

роботов используют твердотельные (кристаллические и аморфные) и полупроводниковые, реже — газовые лазеры. Номенклатура лазеров, выпускаемых промышленностью, с каждым годом растет. Совершенствуются их параметры и характеристики. Так, за последние годы значительно увеличился срок службы лазеров, например, у газоразрядных гелий-неоновых лазеров он достиг нескольких тысяч часов. Заметно повысилась пространственная, энергетическая и временная стабильность

115

излучения лазеров. Вместе с тем задача создания дешевых и высоконадежных лазеров, сохраняющих стабильность своих рабочих параметров в сложных условиях работы СТЗ роботов (механические и климатические воздействия, загрязненность среды

ит. п.), имеющих приемлемые размеры, массу, потребляемую мощность, остается для робототехники весьма актуальной. Пока мал КПД большинства лазерных излучателей, а размеры и масса, как самих лазеров, так и их блоков питания остаются все еще сравнительно большими (за исключением маломощных полупроводниковых лазеров). Однако ряд их достоинств, и прежде всего высокие когерентные свойства излучения этих источников, делают их применение в СТЗ роботов очень перспективным.

1.3.2.Приемники оптического излучения

Внастоящем разделе кратко рассмотрим некоторые особенности простейших приемников излучения, служащих для преобразования оптического сигнала в электрический и используемых в СТЗ роботов. Приемники излучения[28,29,30], в которых наряду с этим преобразованием осуществляется и первичный анализ изображения или поля изображений.

Физические принципы, лежащие в основе работы приемников, особенности их конструкции, схемы включения рассмотрены в многочисленной литературе. Отметим лишь, что в СТЗ роботов используются преимущественно селективные фотоэлектрические приемники, чувствительность которых неодинакова к излучению с различной длиной волны или с различным спектральным составом,

игораздо реже неселективные приемники (болометры, термоэлементы и др.).

Различают: классы приемников, определяемые конструктивным оформлением, числом и расположением чувствительных элементов, исполнением охлаждения и другими признаками; виды приемников, различающиеся используемыми материалами; подгруппы и группы, определяемые принципом работы.

Для описания эксплуатационных возможностей фотоприемни-

116

ков используется большое количество параметров. Рассмотрим основные параметры, которые, прежде всего, необходимо учитывать при разработке СТЗ роботов.

Чувствительность фотоприемника — это отношение изменения выходного сигнала, вызванного падающим излучением, к количественной характеристике этого излучения. Различают интегральную, монохроматическую, токовую, вольтовою, статическую и дифференциальную чувствительности.

Порог чувствительности (пороговая чувствительность) фотоприемника определяется средним квадратическим значением первой гармоники падающего на фотоприемник модулированного потока излучения с заданным спектральным распределением, при котором среднее квадратическое значение первой гармоники выходного напряжения (тока) равно среднему квадратичному значению напряжения

U 2 / S I 2 / S

п ш U или п ш I

Это значение обычно приводится в полосе пропускания частот в 1 Гц.

Для сравнения приемников, различающихся площадью А

Из других параметров, которые будут необходимы для дальнейшего изложения, отметим постоянную времени приемника ти, которая определяет его быстродействие и равна времени от начала внезапного облучения приемника до того момента, когда сигнал на выходе достигнет уровня 0,63 от установившегося при длительном облучении значения.

Помимо порога чувствительности, для оценки предельных обнаружительных возможностей приемников часто используют такие параметры, как уровень собственных шумов на выходе или

117

темновой ток — среднее квадратическое значение тока на выходе полностью затемненного приемника.

Спектральные параметры включают коротковолновую ' и длинноволновую ' ' , границы чувствительности и длину волны max соответствующую максимуму спектральной характеристики

монохроматической чувствительности S приемника

Кроме перечисленных параметров, необходимо учитывать рабочее напряжение, геометрические параметры (габаритные размеры, эффективную площадь чувствительного элемента, его конфигурацию и т. п.) и ряд других.

Поскольку параметры фотоприемников зависят от условий эксплуатации, то при проектировании видеосенсоров устройств СТЗ роботов необходим пересчет паспортных значений для конкретных условий эксплуатации.

Основными характеристиками приемников излучения, определяющими зависимость отдельных параметров от изменяющихся условий эксплуатации (спектрального состава падающего на приемник излучения, напряжения питания, частоты модуляции потока, температуры окружающей среды и т. д.), являются спектральные, вольтовые, частотные, энергетические, температурные и фоновые.

Промышленность выпускает большое число приемников излучения различного вида, типа и назначения. Типичные спектральные характеристики ряда фотоприемников, используемых в СТЗ роботов, приведены на рис. 1.12. Характеристики СУ, СЗ, С4, С7 относятся к фотокатодам вакуумных фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей, диссекторов и других приемников с внешним фотоэффектом. Приемники излучения с такими характеристиками используют для регистрации сравнительно коротковолнового оптического излучения. Они имеют достаточно высокое быстродействие (постоянная времени т <= 10 нс), порог чувствительности порядка 10-13 ... 10-10 лм.Гц.

118