Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 15

В робототехнике при расчете ОЛС обычно пытаются удовлетворить трем основным условиям. Первое - это выбор необходимой области зрения, второе - определение раз­решающей способности и третье - нахождение способа компенсации изменение осве­щенности. Первые два требования удовлетворяются при над­лежащем выборе угла обзора, который может составлять от нескольких градусов - для концентрации внимания на удаленном объекте, до 180⁰ - для обзора большой территории. Зная угол обзора можно найти фокусное расстояние оптической системы, причем, чем меньше F, тем больше угол обзора. В этом смысле целесообразно использовать широкоугольные объективы. (Здесь, правда, надо иметь в виду, что объективы с углом зрения больше 120⁰ вносят су­ществен­ные искажения).

Проще всего выбрать оптическую систему, если заранее известна дальность обнаружения или габариты и удаление х_о объекта наблюдения. Тогда:

F = l_в^’х_о/ l_в и F = l_г^’х_о/ l_г,

где l_в, l_г - вертикальный и горизонтальный размеры объекта, l_в^’, l_г^’ - вертикальный и горизонтальный размеры изображения на фотоприемнике.

В устройствах теленаблюдения, например, в зависимости от угла обзора, используют оптические системы с F от 2,8 мм (широко­угольные) до 12 мм и более (узконаправ­ленные). Примеры характеристик некоторых объективов, применяемых в устройствах видеонаблюдения приведены в табл. 5.15.

Таблица 5.15. Микрообъективы

Примечание. Модель Hyosung разработана фирмой Hyosung, Корея, Т/3,5-8 и SL - фирмами Терна и Фокус, Россия, Y1235M - фирмой Yamano, Япония.

Оптронные ОЛС чаще всего используются в системах бе­зопасности релейного типа. Различают: дискретную и матричную схемы оптронных датчиков.

К лассическая схема дискретного датчика содержит первич­ный оптронный преобразователь в виде свето- и фотодиода, объе­­диненных в едином корпусе. Коллимационные линзы, образую­щие кон­денсор, сфокусиро­ваны в одну точку (рис. 5.71). Световой сигнал модулируется частотой 15 … 30 кГц, обеспечивая сред­нюю мощ­ность излучения  0,05 Вт. При работе датчика в отраженном свете его да­льность х, до­стигает 0,7 … 1,0 м, быстродействие  0,3 мс. Диапазон срабатывания датчика х настраивается фокусировкой оптической системы. Недостатком схемы является невысокая дальность действия и чувствительность к помехам и отражающим характеристикам препятствия. Для повышения помехоустойчивости в условиях световых засветок используются оптические фильтры, оставляющие в оптическом диапазоне только ИК область, а также ИМ переменной частоты с синхронным детектированием.

Большей дальностью обладают датчики, работающие в проходящем свете и включающие оптическую систему «объектив-конденсор» и узкополосный ИК оптический фильтр на стороне приемника. Их даль­ность достигает 20 м.

В робототехнике оптронные ОЛС используются очень широко не только в дискретном, но и непрерывном режимах, обеспечивая при этом достаточно высокую точность измерений. Например, погрешность ОЛС фирмы Dolan-Jen­ner (США) составляет  0,025 мм, фирм Keyence (Япония) и Balluff (Гер­ма­ния)  5 мкм при измерении расстояний в диапазоне  1мм. Быстродействие систем достигает  2 мс. Функция преобразования ОЛС - нелинейна, поэтому ее датчики обычно калибруются на некоторую эффективную даль­ность, относительно которой и регламентируются все ее метрологические характеристики. Для расширения температурного диапазона работы (до 250 ⁰С) современные модификации оптронных датчиков малых расстояний используют световолоконные каналы передачи данных.

Дискретные бинарные датчики применяются не только в ОЛС, но и в оптических системах идентификации - Smart-картах. Простая схема оптического считывателя приведена на рис. 5.72.

М атричная схема оптронных датчиков предназначена для обнаружения предметов, имеющих рассеяно отражающие свойства, и предполагает применение массива фотодетекторов в виде полупроводниковой матрицы или линейки. Такие схемы используются также в задачах наведения, когда несколько дифференциально включенных детекторов устанавливаются, например, на пальцах захватного устройства робота (рис. 5.73). В этом случае, сигнал позиционирования U формируется в виде разности сигналов детекторов с противоположных пальцев: U₁-U₂. Для получения функции преобразования в виде U = f(x), характеристику нормализуют:  = (U₁-U₂)/(U₁+U₂). Данная ОЛС, содержащая две пары детекторов была разработана в Токийском технологическом ин­­ституте для транспортного робота. Система позволяет определять не только расстояние до объекта х, но и его координаты.

Выпускаемые промышленно оптронные дальномеры измеряют расстояния до 100 мм с погрешностью 1%, причем время измерения не превышает 4 мс. Для увеличения радиуса действия до 10 м используются оптические отражатели.

5.4.4. Лазерные оптические локационные системы

Самым мощным и точным средством дистанционного обнаружения и распознавания объектов является ОЛС на базе оптического квантового генератора - лазера. Он позволяет получать бесконтактную информацию на рас­сто­яниях свыше 100 м.

ХХ век недаром иногда называют лазерным веком. Лазер сейчас является одним из самых распространенных приборов, да и совершенствование схем идет полным ходом. Впервые же идея усиления электромагнитных волн за счет вынужденного излучения или инициирования самовозбуждающихся колебаний была предложена В.А. Фабрикантом и Д. Вебером в 1951 г, а реализована в 1954 году. Изготовленный Д. Гордоном, Х. Цайгером и Ч. Таунсом прибор, работавший в диапазоне сантиметровых волн, получил название мазер (от англ - Mic­rowave Amplification by Stumulated Emission of Ra­diation). В качестве активной среды использовался аммиак. Идея о переводе излучения в видимый диапазон, предложенная в 1959 г. А. Джаваном, Н.Г. Басовым и др., привела к появлению первых лазеров (Light Amplifi­cation …) - сначала твердотельного рубинового (в 1960 г. Т. Мейманом), а затем газового He-Ne (в 1961 А. Джаваном, В. Беннетом и Д. Эрриотом). За работы в этой области несколько человек были удостоены Нобелевской премии - в том числе советские физики Н. Басов и А. Прохоров.

В основе работы лазера лежит свойство системы возбужденных атомов или молекул под действием внешнего электромагнитного излучения соответствующей частоты совершать вынужденные квантовые переходы и усиливать это излучение. Система возбужденных атомов (актив­ная среда) способна усиливать падающее излучение, если она находится в состоянии с «ин­версией заселенностей» . В этом состоянии число атомов на возбужденном энергетиче­ском уровне превышает число атомов на нижерасположенном уровне.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Во всех традиционных источниках света используется спонтанное излучение системы возбужденных ато­мов, складывающееся из случайных процессов излучения множества ато­мов. При вынужденном излучении все ато­­мы когерентно излучают кванты света, тож­дес­твенные по частоте, направлению распро­стра­нения и поляризации квантам внешнего поля. Каждая атомная антенна образует диполь.

Для создания «инверсии заселенностей» используются разные методы. Так, в рубиновом лазере она осуществляется посредством оптической накачки по трехуровневой схеме (рис. 5.74). При возбуждении атомы переходят из основного состояния с энергией Е₁ в состояние Е₃. Через короткий промежуток времени  10^-8 с они безизлучательно переходят в метастабиль­ное состояние Е₂. Время жизни в этом состоянии существенно выше и составляет  10^-3 с. При достаточно быстром переводе атомов из Е₁ в Е₃ плотность частиц на уровне Е₂ окажется выше, чем на Е₁ и возникнет «инверсия заселенностей» уровней Е₂ и Е₁. Лазерная генерация осуществляется при возвращении атомов на основной уровень с энергией Е₁.

В активной среде лазера, помещенной в оптический резонатор, например, в виде двух плоских параллельных зеркал, накачка создается оптичес­ким генератором (лампой-вспышкой или другим источником). Благодаря усилению при многократных проходах частиц между зеркалами формируется мощный когерентный поток электромагнитного излучения оптичес­кого диапазона, направленный перпендикулярно плоскости зеркал. Излучение выводится наружу путем открытия одного из зеркал.

Простейший лазерный излучатель состоит из следующих частей (рис. 5.75): активного элемента (в котором формируется лазерный луч), резонатора (в виде системы зеркал) и системы возбуждения (накачки).

Рассмотрим основные типы лазеров. Излучатели лазерных ОЛС можно классифи­цировать по четырем основным признакам.

1. По типу активной среды. Различают: газовые, жидкостные, твердотельные и полупроводниковые приборы. Первые, к которым относятся гелий неоновые (He-Ne), ИК на основе CO₂-N₂ и др, обладают на­ивысшим КПД  и мощ­нос­тью непрерывного излучения Р_н среди всех лазеров. Так, например, для лазера на основе CO₂-N₂ с  = 10,6 мкм,  30% и Р_н достигает  2 10⁴ Вт. Жидкостные (на органических красителях) в робототехнике не применяются. Твердотельные, использующие в качестве активной среды оптические монокристаллы и стекла, обладают наивысшей пиковой мощностью излучения Р_п. В частности, мощность излучения рубинового лазера с длиной волны  = 0,6943 мкм достигает 1 ГВт в импульсе 30 нс. Что касается полупроводниковых, са­­­мых миниатюрных и маломощных из всех лазеров, то именно они в последние годы получили наибольшее применение в задачах робототехники и мехатронике. Большинство схем строятся на базе арсенида галлия (Ga-Al-As).

2. По режиму излучения: непрерывные, однократные и импульсные.

3. По диаграмме направленности: лучевые (Не-Ne, рубиновые и др. с расходимостью менее 0,010) и секторные (полупроводниковые с расходимостью  1 ... 400).

4. По мощности излучения: малой и средней мощности и пиковые. В задачах локации обычно применяются лазеры малой и средней мощности (полупроводниковые и жидкостные с мощностью излучения 0,1 мВт … 500 Вт). Мощные и пиковые лазеры используются в специальных задачах. Так, например, рубиновый спектроскоп в импульсе длительностью 100 пс развивает мощность до 2 ГВт.

В целом, в зависимости от типа лазера длина волны излучения  лежит в интервале 0,1 мкм … 0, 8 мм, мощность Р_н - 1 мкВт … 1 МВт, энергия в импульсе - 0,1 … 10⁶ Дж.