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

внутри бленд размещают диафрагмы (рис. 1.19, б), расстояние между которыми выбирается так, чтобы любой луч прямой засветки после отражения от внутренних стенок бленды или диафрагм не попадал во входной зрачок объектива.

Длину бленды с диафрагмами рассчитывают по формуле

расстояние между границей углового поля объектива и линией, на которой лежат внутренние кромки диафрагм (см. рис. 1.19, б).

Для уменьшения вредного рассеянного излучения от боковых нерабочих поверхностей элементов оптической системы (линз, призм и т. п.) на эти поверхности наносят специальные поглощающие покрытия.

Условия работы многих СТЗ роботов таковы, что освещенность рабочей зоны и контролируемых объектов может изменяться в очень широких пределах. В то же время динамический диапазон чувствительности приемников излучения ограничен. Поэтому в ряде СТЗ в состав оптической системы необходимо вводить устройство регулирования уровня оптического сигнала.

Наиболее просто яркость источника излучения регулировать путем изменения питающего его напряжения или тока. Однако при этом изменяется спектральный состав излучения, что, как правило, нежелательно, а кроме того, схемы управления напряжением питания источников часто конструктивно сложны.

Другим способом изменения амплитуды потока излучения', поступающего на приемник, является применение жалюзи о механическим или электромеханическим приводом, нейтральных светофильтров, жидкокристаллических затворов.

Часто в СТЗ используется регулируемая диафрагма с механическим приводом, дополняемая иногда нейтральным светофильтром. Уменьшая диаметр отверстия диафрагмы, удается ослабить поток примерно в 100 раз.

Для сохранения работоспособности СТЗ, и в первую очередь приемника, при попадании в их угловое поле очень ярких помех используют также заслонки и шторки, перекрывающие все поле зрения видеосенсора или часть его, а также электрические цепи, отключающие питание приемника или весь электронный тракт на время действия такой помехи. Иногда для подавления бликов и

138

рассеянного помехового излучения применяют поляризационные фильтры.

Рис. 1.20.а Защитное устройство с механическим затвором

Элементы защиты передающих и приемных оптических схем.

В процессе эксплуатации СТЗ робота ее передающие и приемные оптические системы подвергаются воздействию окружающей среды (пыли, металлической стружки, паров агрессивных веществ, брызг расплавленного металла и т. п.). В результате такого воздействия возможно быстрое ухудшение характеристик дорогостоящих оптических систем, выход их из строя. В этой связи в СТЗ используют специальные средства защиты оптических систем.

Защита от пыли осуществляется путем наддува осушенным сжатым чистым воздухом или инертным газом (азот) резервуара, размещаемого на входе оптической системы. Используется также периодическая автоматическая очистка защитных стекол специальными щетками — «дворниками».

Защита от крупных частиц (стружки, брызг) осуществляется, например, с помощью механических затворов, обеспечивающих режим кратковременных засветок. Схема такого устройства для защиты оптической системы ОС (рис. 1.20, а) содержит импульсную лампу Л, механический затвор МЗ, приводимый во вращение электродвигателем М. Для защиты от направленных потоков паров и брызг металла, мелких частиц применяют защитные пластинчатые роторные поглотители (отражатели) (рис. 1.20, б), угловая скорость которых должна удовлетворять условию w 2 /(ln), где —

линейная скорость потока частиц; l — длина пластин поглотителя; n

139

— число пластин.

Рис. 1.20.б Защитное устройство с роторным поглотителем РП

Наиболее простым средством защиты оптических систем являются сменные защитные стекла. Однако при их использовании уменьшается время наработки СТЗ без технического обслуживания, так как требуется достаточно частая смена этих стекол. Такого недостатка лишено устройство защиты оптических систем с помощью прозрачной пленки с автоматическим механизмом ее перемотки.

1.3.4. Основные узлы электронного тракта систем технического зрения роботов

Носителями видеоинформации в СТЗ, как правило, являются аналоговые сигналы, преобразуемые затем в дискретные (цифро-1 вые) сигналы, обработка которых осуществляется аппаратными («жесткая» логика), программными (универсальные или специализированные микропроцессоры и ЭВМ) или аппаратно-программ- ными (сочетание «жесткой» логики и ЭВМ) средствами. Соответственно электронные узлы СТЗ, как и любого другого электронного

140

устройства, разделяют: а) на аналоговые, в которых информация содержится в принимающих непрерывный ряд значений силе тока, напряжении или фазе сигнала; б) цифровые (ключевые), в которых информация заключается в дискретных значениях силы тока или напряжения; в) аналого-цифровые или цифроаналоговые, в которых одновременно используются обе формы представления информации (цифровая и аналоговая).

Так как электронный тракт СТЗ роботов, как правило, достаточно сложная система, то для его реализации преимущественно используют интегральные микросхемы (ИМС). ПО

Основные системные функции, выполняемые электронными узлами для следующих четырех типовых структур электронного тракта СТЗ: а) о непосредственным «жестким» преобразованием; б) с «жесткой» логикой; в) с «адаптивной» логикой; г) программноуправляемых, в которой опущены сведения о вспомогательных узлах электронного тракта (схемах формирования и стабилизации электропитания, развертки для электроннолучевых приемников изображения и т.п.).

Независимо от способа преобразования и обработки сигналов электронный тракт СТЗ роботов обычно осуществляет выборку и усиление сигналов, снимаемых с приемника излучения, а также формирование управляющих сигналов, поступающих в исполнительные устройства робота или в его устройство управления. В зависимости от типа используемых приемников, выбора способа преобразования сигналов и их обработки, сложности решаемых задач электронный тракт СТЗ роботов имеет различную структуру.

Цифровые сигналы, поступающие от АЦП, в электронном тракте СТЗ обрабатываются устройствами, построенными на базе цифровых ИМС.

Цифровые ИМС имеют на входах и выходах одно из двух возможных состояний и выполняются на основе элементарных транзисторных ключей, ТТЛ, ЭСЛ и комплементарной логики на МОП-транзисторах (КМОП). Существуют также другие семейства логических элементов (инжекционные, на МОП-транзисторах с Р- или N-каналом и т. п.). Различают ИМС с «положительной» и «отрицательной» логикой.

Основными параметрами логических элементов являются: логические уровни «О» — значения низкого уровня напряже-

141

ния для «положительной» логики или значения высокого уровня для «отрицательной» логики на входе или выходе ИМС; логические уровни «1» — значения высокого уровня напряжения для «положительной» логики или значения низкого уровня напряжения для «отрицательной» логики;

время включения и выключенияпотребляемая мощность (напряжение и ток питания).

Связь между цифровыми схемами, выполненными на цифровых ИМС различного типа, например на ИМС ТТЛ и ЭСЛ, осуществляется с помощью специальных переходных схем — преобразователей логических уровней.

Сущность цифровых преобразователей заключается в получении выходной информации по заданной входной. Такое непосредственное преобразование осуществляется средствами комбинационной логики, когда выходная информация является результатом логических (арифметических) операций над входной.

Электронный тракт СТЗ с непосредственным «жестким» преобразованием. Устройства обработка видеоинформации с непосредственным «жестким» преобразованием осуществляют формирование однозначной функциональной зависимости между входными сигналами, полученными с приемников, и выходными сигналами, поступающими на исполнительные или управляющие устройства робота. Устройства обработки такого типа могут содержать только аналоговый электронный тракт или аналоговый и цифровой тракты.

Тракт выполняется на аналоговых ИМС, которые предназначены для генерирования, усиления, преобразования и формирования непрерывных и импульсных электрических сигналов. По приведенной схеме может быть, например, построен следящий сервопривод робота с фотодатчиком.

Основой для построения большинства устройств преобразования аналоговых видеосигналов (в данном случае: усилителяпреобразователя УП; фильтра Ф; устройства аналоговой обработки УАО) служат дифференциальные операционные усилители (ОУ). Они обеспечивают усиление и преобразование постоянного и переменного напряжений положительной и отрицательной по-

142

лярности. Если на входы ОУ подать сигналы Uвх ,Uвх , то сигнал на

выходе будет U вых K yU (U вх U вх ) , где K yU — коэффициент усиления напряжения.

К статическим параметрам ОУ относятся следующие: Iвх— входной ток; I вх — разность входных токов; UCM — напряжение

смещения нулевого уровня на входе ОУ, при котором напряжение на выходе равно нулю; Iвых max, Uвых max — максимальные выходные ток и напряжение; KyO — коэффициент усиления на нулевой частоте при разомкнутой цепи обратной связи; Кос.сф — коэффициент ослабления синфазного сигнала; Uип — напряжение питания; Iип — потребляемый ток. Основные динамические параметры ОУ: fсрз — частота среза, на которой Kу (f) =0; f1 — частота, на которой Kу (f) =

1; — максимальная скорость нарастания напряжения на

выходе.

Преимущество дифференциального ОУ перед усилителем с одиночным входом заключается в том, что в нем резко ослабляются

Коэффициенты усиления по напряжению КyU и току КyI связаны о коэффициентом по мощности K yP Pвых / Pвх K yU K yI

Напряжение шума усилителя, приведенное ко входу, определяется его полосой пропускания f , сопротивлением источника

сигнала Rи , постоянной Больцмана k и температурой Т, а также

безразмерным фактором шума F: 143

Uш.вых F 4kT fRи

Если F выражено в децибелах по мощности, то перевод в относительные единицы проводится по формуле F = 10FдБ/10. При нормальной температуре kT = 0,4*10-20 Вт/Гц.

Необходимые коэффициенты прямой передачи напряжения или тока со входа на выход ОУ получают путем использования соответствующих обратных связей, реализуемых включением электронных компонентов между входами и выходами усилителя. Введение отрицательной обратной связи позволяет расширить полосу пропускания схемы с ОУ, ослабить нелинейные искажения и шумы. Включение частотно-зависимых элементов в цепь обратной связи ОУ позволяет строить фильтры различного назначения. Нелинейные функциональные преобразования реализуют при включении нелинейных элементов в цепь обратной связи ОУ.

Аналого-цифровой электронный тракт СТЗ реализует функцию преобразования цифровых (релейных) видеосигналов. Аналоговая часть данного тракта подобна рассмотренной выше. Преобразование аналогового видеосигнала в цифровой осуществляется аналого-цифровым преобразователем.

Рис 1.21. Функциональная схема устройства выборки-хранения аналоговых сигналов

Простейшим преобразователем такого типа является компаратор — схема сравнения аналоговых сигналов, например, входного и фиксированного опорного напряжения Uoп. Входные сигналы компаратора являются непрерывными функциями времени, а выходные — дискретными, принимающими одно из двух воз-

144

можных состояний: «О» (если UВХ < Uoп) и «1» (если Uвх >= Uoп). Основными параметрами компараторов являются: пороговый ток

I или напряжение срабатывания ширина зоны

нечувствительности I ( U ) ; время переключения из нулевого состояния в единичное t01; напряжение смещения нулевого уровня

U см

Практически во всех случаях использования компараторов необходимо исключать многократные срабатывания, т.е. переключения 0—1, 1—0, вызванные наложением помех на аналоговые сигналы. Расширением зоны нечувствительности компаратора на значение U можно исключить многократные изменения его выходного состояния в окрестности точки неравенства UBX = Uoп.

На основе компараторов строят аналого-цифровые преобразователи (АЦП), решающие задачу поиска однозначного соответствия аналоговому сигналу, например, видеосигналу цифрового кода. В настоящее время разработаны различные принципы построения АЦП.

В ряде случаев возникает задача обратного преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал. В электронном тракте СТЗ роботов эту задачу решают цифроаналоговые преобразователи

(ЦАП).

К числу основных параметров АЦП и ЦАП относят: разрядность n — бит; напряжение шкалы Uшк; опорное напряжение Uoп; ошибку квантования, равную ±(1/2) UM3p, где UM3p — значение приращения выходного напряжения при изменении 0—1 младшего значащего разряда цифрового кода; UM3p = Uoп/2; дифференциальную нелинейность преобразования; время преобразования; напряжения источников питания; потребляемый ток; уровни входных цифровых сигналов.

Чтобы исключить необходимость построения ряда однотипных аналоговых или цифровых электронных трактов обработки видеоинформации, поступающей по различным каналам, используют аналоговые коммутаторы, или мультиплексоры. Обобщенная схема содержит п входных аналоговых каналов и один выходной аналоговый канал. Управление каналами мультиплексора осуществляется с помощью цифровых сигналов, поступающих на

управляющие электроды мультиплексора.

145

Для коммутации аналоговых сигналов в мультиплексорах используют аналоговые ключи, выполняемые на полевых МОПтранзисторах, на КМОП-транзисторах, на полевых транзисторах с Р- N - переходом, а также на биполярных транзисторах.

К числу основных параметров мультиплексоров аналоговых сигналов относят: число входных сигналов; сопротивление ключа в открытом и закрытом состояниях; паразитную емкость закрытого ключа; быстродействие и ряд других.

Промышленность выпускает широкую номенклатуру ИМС аналоговых ключей и мультиплексоров, которые используются в СТЗ для обработки аналоговых видеосигналов, поступающих по параллельным каналам. Число каналов в мультиплексоре может достигать нескольких сотен, но максимальное значение определяется необходимой частотой опроса фотоприемных элементов, которую выбирают исходя из максимальной частотной составляющей, содержащейся в аналоговом видеосигнале. Коммутаторы аналоговых сигналов с большим числом каналов строят на основе многоступенчатых схем.

Для запоминания аналоговых видеосигналов на время преобразования, коммутации и других операций используют схемы вы- борки-хранения (СВХ). Элементом памяти схемы выборки-хранения является конденсатор С, подключаемый на время выборки к источнику сигнала (рис. 3.21).

Основные параметры СВХ: время выборки tвыб апертурное время taп и максимальное время хранения tхрmax. Время выборки ограничено снизу постоянной времени цепи заряда и требуемой точностью запоминания, а сверху — скоростью изменения запоминаемого аналогового сигнала. Сопротивление цепи заряда

практике время выборки несколько меньше расчетного за счет нелинейности режима источника сигнала в начальный момент заряда. Когда СВХ переходит в режим хранения, некоторая часть заряда конденсатора С утекает через межэлектродную емкость ключа. Связанное с этой утечкой изменение напряжения на конденсаторе называют погрешностью сдвига уровня при переходе в режим хранения. С момента подачи команды «Хранение» до

146

размыкания ключа проходит некоторое время, называемое апертурным. В течение апертурного времени амплитуда запоминаемого напряжения не определена, поэтому в зависимости от

ограничивается сверху и обусловлена разрядом конденсатора С вследствие дрейфа нуля усилителя, конечного значения входного сопротивления операционного усилителя, тока утечки ключа.

Электронный тракт СТЗ с «жесткой» и «адаптивной» логикой.

Устройства обработки видеоинформации о «жесткой» логикой представляют собой аналоговые или цифровые схемы, алгоритм работы которых определяется конфигурацией схемных взаимосвязей и набором управляющих сигналов о «жестко» заданной временной последовательностью. Временная последовательность управляющих сигналов генерируется с помощью специальной схемы, реализующей последовательную логику, на вход которой поступают опорные синхросигналы (тактовые импульсы) Для реализации последовательной логики помимо комбинационных элементов необходимы элементы с памятью, которые реализуются на основе триггеров.

«Жесткая» логика обработки видеоинформации может осуществляться как в режиме непосредственного преобразования в заданные интервалы времени, так и в режиме последовательной обработки, когда результат является функцией видеосигналов, зарегистрированных в текущий и предшествующий моменты времени.

Простейшая типовая схема электронного тракта СТЗ роботов о «жесткой» логикой реализуется при организации последовательной во времени обработки сигналов, поступающих от нескольких видеосенсоров.

«Адаптивная», логика работы электронного тракта СТЗ роботов реализуется при введении обратной связи, определяющей воздействия на алгоритм результата обработки видеоинформации в предшествующий момент времени. Наличие такой обратной связи

147

146