Кибернетическая картина мира
.pdf
ставляет собой стеклянную капсулу, внутри которой содержится нейтральный газ или вакуум. В капсулу впаяны пластинки из ферромагнитного материала, контактные поверхности которых имеют специальное покрытие, уменьшающее их износ. При действии на капсулу внешнего магнитного поля контакты замыкаются. Магнитоуправляемые контакты обладают большим быстродействием (время срабатывания 3 мс, отпускания – 0,8 мс), допускают большое число включений (до 108), работают в широком диапазоне температур окружающей среды и обладают вибро- и ударостойкостью. Недостатком датчика является необходимость обеспечивать сильное внешнее магнитное поле.
В качестве тактильных датчиков можно использовать и индуктивные датчики (рис. 3.12), основанные на зависимости индуктивности системы от магнитного сопротивления зазора в магнитопроводе.
|
|
|
' |
||
|
Рис. 3.12. Магнитоуправляемый контактный датчик: 1 – рабочая поверхность; 2 – магнит;
3 – магнитоуправляемый контакт; 4 – катушка
Рис. 3.13. Схема образования поверхностных ультразвуковых волн: 1 – излучатель; 2 – призма; 3 – приемник
151
Индуктивные датчики отличаются надежностью в работе, высокой чувствительностью и малыми габаритами.
Взаключение рассмотрим тактильный датчик с использованием поверхностных ультразвуковых волн. Поверхностные волны представляют собой наложение волн, продольных и поперечных по отношению к направлению распространения колебаний. Для такого наложения используются преобразователи в виде клина (рис. 3.13). Угол клина подбирается таким, чтобы, выходя из клина, волна распространялась вдоль поверхности. Клин образует начало дорожки поверхностных волн, которая распространяется в виде прямоугольной полоски до тех пор, пока не встретит противоположный край пластины, где располагается приемник. При наличии препятствий ультразвуковая волна меняет свою форму (фазу и амплитуду колебаний), появляются гармонические составляющие. Приемник улавливает эти изменения и выдает сигнал о наличии препятствия. Обычно поверхностные волны получаются в коротковолновом диапазоне ультразвуковых колебаний на частотах 1–10 МГц. Поверхностные ультразвуковые волны способны огибать кривые поверхности, если только не нарушается непрерывность или если кривизна поверхности не меняется слишком круто. В последнее время в практике протезирования начинают применять датчики измерения механических усилий, которые используют проводящую резину, изменяющую электрическое сопротивление при деформации; по-видимому, применение таких датчиков имеет перспективу и для роботов.
Ко второй группе датчиков сбора информации о состоянии внешнейсредыотносятсядатчикиближнегообнаружения,служащиедля обнаружения объектов и препятствий на сравнительно небольшом расстоянии. В качестве таких датчиков можно использовать фотометрические датчики, работающие по принципу измерения интенсивности отраженного светового потока. Для исключения фоновой засветки фотодиодов световой поток источника света модулируется по амплитуде. Зона обнаружения предметов образуется пересечением излучаемого и принимаемого световых потоков (рис. 3.14). При попадании предмета в зону обнаружения часть модулированного светового потока отражается и попадает на фотодиод.
Внекоторых случаях удобно использовать фотометрические датчики, работающие по принципу прерывания луча света. С их помощью можно перекрывать прямолинейные поверхности большой длины (например, боковую поверхность схвата).
152
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.14. Фотометрический датчик, измеряющий интенсивность отраженного светового потока: 1 – модулятор; 2 – источник света; 3 – передающее оптическое устройство; 4 – избирательный милливольтметр; 5 – фотодиод; 6 – приемное оптическое устройство; 7 – зона возможного обнаружения объектов
Вслучаях, когда применение фотометрических датчиков невозможно (например, в оптически малопрозрачных средах), целесообразно применять ультразвуковые датчики. Работа ультразвукового датчика ближнего обнаружения основана на регистрации сигналов, отраженных от предметов, находящихся в зоне слышимости приемника (например, в интервале 0,01–0,1 м).
Вкачестве датчиков ближнего обнаружения могут быть также использованы датчики, служащие для распознавания объектов по их физическим свойствам (температуре, запаху и др.).
И, наконец, к третьей группе датчиков сбора информации о состоянии внешней среды относятся сканирующие локационные устройства, предназначенные для обнаружения объектов в рабочей зоне робота и определения их координат.
При достаточной разрешающей способности системы возможно определение размера объектов. Локационные устройства в данном случае являются дальномерами, позволяющими измерять расстояние порядка нескольких метров. В настоящее время достаточно
153
хорошо разработаны следующие типы локационных устройств для измерения малых расстояний: оптические (фотометрические, лазерные); акустические и локационные устройства, использующие ионизирующие излучения (рентгеновские, γ-лучи).
Для лазерных локаторов характерна большая точность определения координат обнаруживаемых объектов и высокая разрешающая способность, что объясняется острой направленностью и весьма малой шириной луча лазера (несколько угловых секунд). Лазерный луч через передающую оптическую систему направляется на объект (рис. 3.15, а). Часть отраженного сигнала улавливается приемным объективом, на выходе которого находится узкополосный оптический фильтр. С его помощью выделяется отраженный сигнал даже на фоне излучения Солнца, поскольку полоса пропу-
¸ |
|
|
|
|
|
|
|
ÅÃÊ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¹ |
|
|
|
Рис. 3.15. Блок-схема лазерного дальномера, работающего в импульсном (а) и в непрерывном (б) режиме: 1 – электронный счетчик; 2 – видеоусилитель; 3 – фотоэлемент; 4 – вращающийся зеркальный отражатель (модулятор); 5 – рубиновый стержень; 6 – зеркало; 7 – фотоумножитель; 8 – фильтр; 9 – диафрагма; 10 – фазометр; 11 – фотодиод; 12 – полупроводниковый лазер
154
скания фильтра не превышает 1,5–10 Å. Затем сигнал поступает на фотоэлектронный умножитель (детектор), усиливается и запускает счетчик. По числу импульсов, поступающих на счетчик за определенный промежуток времени, определяется расстояние до объекта. Лазерные дальномеры с импульсной модуляцией практически не могут измерять расстояние менее 3 м, так как промежуток времени между прямым и отраженным сигналами становится соизмеримым с длительностью излучаемого импульса.
Для измерения малых расстояний с высокой точностью используются лазерные дальномеры, работающие в непрерывном режиме. Блок-схема такого дальномера приведена на рис. 3.15, б. Измерение расстояния производится на основе сравнения фаз модулирующих колебаний, соответствующих моменту излучения зондирующих сигналов и моменту прихода в приемное устройство локатора отраженных сигналов. Отечественный геодезический дальномер ГД-314, например, предназначен для точного измерения расстояний в пределах до 2 км [20]. Источником излучения у него является полупроводниковый диод с длиной волны 8600 Å, мощность излучения 0,5 мВт, точность измерения во всем диапазоне 2 см.
Перейдем к рассмотрению акустических локационных систем. Акустическая локационная система для измерения малых расстояний действует по тому же принципу, что и лазерная или радиолокационная, но в значительно более благоприятных условиях хронирования (измерение времени прихода отраженного импульса), поскольку скорость распространения звуковых колебаний в воздухе
|
|
5 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
ªºÉÇÊ |
¹ÈÌÊà |
|
|
|
|
||
|
||||
|
|
|
§Ê˹Æǻù |
|
|
|
|
|
Рис. 3.16. Блок-схема акустической локационной системы
155
всего лишь 330 м/с. Следовательно, такая система более пригодна для измерения малых расстояний.
Генератор импульсов 1 (рис. 3.16) генерирует прямоугольные импульсы, возбуждающие генератор несущей частоты 2, звуковой или ультразвуковой. Импульсы несущей частоты с усилителя мощности 3 поступают на излучатель и цепь задержки 4, которая служит для задержки сигнала на время, равное длительности излучаемого импульса. Генератор 5 вырабатывает стробирующий импульс, во время которого могут прийти отраженные импульсы. Отраженные сигналы, поступающие на избирательный усилитель 8, проходят через схему разрешения 9, детектор 10, формирователь 11 и затем поступают на счетчик 6.
Измерение расстояний происходит по показаниям счетчика 6, который подсчитывает количество импульсов мультивибратора 7 за время распространения ультразвуковой волны.
Из фазовых методов измерения расстояний широкое распространение получили методы, основанные на измерении времени распространения ультразвуковой волны с применением непрерывных или амплитудно-модулированных ультразвуковых колебаний. Излучатель 1 посылает ультразвуковую волну узко направленным лучом. Отразившись от препятствия, волна поступает на приемник 2, который преобразует принятые ультразвуковые колебания в напряжение. Принятый сигнал усиливается селективным усилителем 3, поступает на фазовый детектор 4. Сюда же поступает напряжение с генератора 6. Детектор вырабатывает постоянное напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу этих напряжений и, следовательно, измеряемому расстоянию. Напряжение с детектора поступает на измерительное устройство 5. Большой интерес представляют ультразвуковые дальномеры, работающие по фазовому методу и измеряющие расстояние от 0,2 до 2 м с погрешностью 2%.
Метод разности фаз (рис. 3.17) позволяет повысить точность измерения расстояний.
Достоинства ультразвуковых локационных систем заключаются в возможности измерять малые расстояния. Их недостатки: сильное затухание ультразвуковых волн в газах, зависимость скорости распространения волн от свойств среды, невозможность работы в вакууме, низкая по сравнению с лазерными и радиолокационными системами разрешающая способность. Следует отметить, что сильное затухание ультразвуковых волн в газах несущественно сказывается при измерении малых расстояний (до 1 м), а различ-
156
Рис. 3.17. Блок-схема прибора для измерения расстояния методом разности фаз: 1 – генератор; 2 – измеритель; 3 – выделитель фазы; 4 – блок сравнения; 5 – индикатор; 6 – генератор стандартного сигнала
ная скорость распространения волн может быть учтена специальной схемой коррекции по скорости.
Известны следующие методы сканирования: бескадровое непрерывно-построчное, покадровое, автономное, автономнопокадровое. Метод бескадрового непрерывно-построчного сканирования используется в тех случаях, когда объект, на котором установлена сканирующая система, движется с какой-то известной скоростью относительно исследуемой поверхности, при этом построчное сканирование осуществляется в перпендикулярном направлении. Этот метод удобно применять для локационной системы, расположенной на рабочем органе манипулятора.
Вметоде покадрового сканирования осуществляется многократное сканирование одного и того же участка пространства, ограниченного кадром развертки, причем дополнительного перемещения сканирующей системы не происходит. Такой метод используется в большинстве промышленных и исследовательских сканирующих
ителевизионных систем, когда вся интересующая нас информация размещается в пределах одного кадра.
При автономном сканировании луч может совершать любые перемещения по контролируемой поверхности (с ограничением по кадру и без него); возможна любая комбинация последовательностей
иподробностей просмотра отдельных участков контролируемого пространства с любой разрешающей способностью. Такой метод, как правило, используется в самонастраивающихся и адаптивных сканирующих системах.
Вметоде автономно-покадрового сканирования осуществляется сканирование ограниченного кадра, а сам кадр при этом может автономно перемещаться по исследуемому объекту. Этот метод при-
157
меняется, в основном, тогда, когда все участки поля, содержащие полезную информацию, не могут быть одновременно размещены в одном кадре.
Метод автономно-покадрового сканирования в настоящее время получил наибольшее распространение. Сканирующие системы, использующие этот метод, по принципу действия можно разделить на оптико-механические, оптико-электрические, полупроводниковые, фотоэлектронные и квантомеханические.
В настоящее время достаточно широкое распространение получили оптико-механические устройства, осуществляющие сканирование с помощью вращающихся или подвижных элементов, которые позволяют направлять излучение последовательно на различные участки сканируемого пространства. Существенные недостатки этого класса устройств заключаются в малом быстродействии, в сложности конструкции и малой надежности их работы. К классу оптико-механических устройств непосредственно примыкают волоконно-оптические устройства, обладающие большим быстродействием и простотой. Использование элементов волоконной оптики позволяет применить ряд новых принципов сканирования пространства, разделение изображения, изменение его формата, размеров и произвести ряд других преобразований. К оптикоэлектрическим сканирующим устройствам можно отнести сканирующий лазер, ультразвуковой, дисперсионный и полупроводниковый сканаторы.
На базе сканирующих устройств может быть построен топографический прибор, предназначенный для измерения рельефа и других особенностей местности вблизи робота. Данные о характеристике местности снимаются в виде матрицы А = \аij\, где каждый элемент аij характеризует определенный элемент поверхности. Если поверхность горизонтальная, то все аij = 0. В противном случае элемент aij равен высоте препятствия, соответствующего координатам (i, j). Очевидно, элементы аij могут принимать и отрицательные значения (для участков понижения местности). Кроме того, топографический прибор позволяет регистрировать цвет и текстуру каждого элемента поверхности, записывая их в виде такой же матрицы.
Принцип работы топографического прибора заключается в следующем(рис.3.18).Сканирующееустройство2развертываетлучотисточника 1 по исследуемой поверхности. Сопряженное сканирующее устройство 4 осуществляет слежение за световым пятном, которое
158
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
T
Рис. 3. 18. Блок-схема топографического прибора
в исходном состоянии фокусируется с помощью объектива в центр фотопотенциометра 5. В случае ровной горизонтальной поверхности отраженный сфокусированный луч оказывается неподвижным относительно фотопотенциометра, и последний выдает сигнал, равный 0. Неровная поверхность вызывает пропорциональные смещения луча по фотопотенциометру, на выходе которого возникает сигнал Т, пропорциональный изменению рельефа местности по отношению к некоторому нулевому. Прямое и сопряженное сканирующие устройства приводятся в действие от общего приводного двигателя 3. С него снимаются мгновенные значения углов сканирования β и α, опреде-
ляющие величины i = f1(α, β), j = f2(α, β).
При сканировании трещин, ям луч не всегда может достичь их дна. Поэтому возможны информационные потери, особенно на дальних участках поверхности, где угол между лучом и поверхностью мал. Прибор в принципе позволяет выяснить наличие таких участков местности, но для этого необходимо вместе с величиной у регистрировать величину ее производной, а также моменты пропадания луча. Существенную информацию несет и первая производная яркости отраженного луча.
И, наконец, одним из наиболее важных приборов, предназначенных для сбора информации о внешней среде, является телевизионная камера (моноили стереоскопическая), служащая аналогом «глаза». Снабжение робота зрением чрезвычайно важная и в то же время сложная задача. Желательно, чтобы робот, обладающий зрением, мог распознавать объекты реального внешнего мира, узнавать «знакомые» предметы, инструменты, автономно выполнять сборочные, строительные и другие работы. При этом следует иметь в виду, что снабжение робота зрением резко удорожает всю систему, но упрощает алгоритмы управления его поведением (при
159
условии, что алгоритмы распознавания зрительных образов в реальном масштабе времени разработаны). Основные трудности при использовании зрительного анализатора заключаются в обработке информации, поступающей от анализатора. Эти вопросы будут рассматриваться ниже.
Мы рассмотрели практически все типы датчиков, которыми необходимо снабдить робота в наиболее общем случае. Естественно, что при разработке роботов-манипуляторов, предназначенных для решения некоторого специального класса задач, следует особое внимание обратить на рациональный выбор сенсорных (чувствительных) устройств, входящих в информационную систему роботов.
Рассмотрим один из возможных простейших вариантов размещения датчиков на рабочем органе манипулятора (рис. 3.19). В «суставах» рабочего органа располагаются датчики положения потен-
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.19. Зоны действия датчиков схвата
160