Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Обозначив К = = 4,,р Ф/, получим 5.4. Оптические локационные системы 3) глубина резкости больше при съемке удаленных предметов, чсм близко расиоложенных. Промышленность выпускаез объективы с фокусными расстояниями 50...1200 мм и относительными отверстиями 1;2,8...1:9 (табл. 5.8). Широкое распространение .получили объективы с переменным фокусным расстоянием — вариообъективы ~трансфокаторы или РООМ), позволяющие изменять фокусное расстояние в десятки раз. таблица 5.8 Параметры некоторых промышленных объективов Размеры, мм Тип ,~ мм кг Кр, ЛИ" нийlмм Чи Град Мир-20М (Россия) Короткофокус- ный (широкоуголь- ный) 20 50 0,47 180 0,4 М(по1(а АР-16 (Фраипия) 16 46 23 0,1 1 ОКС2-15-1 (Россия) Иормальнь1й Гелиос-40-2 (1'осси я) 110 0,95 Длиниофокус- иый (свстосильный) 1:15 МСЗМ-7К (Россия) 67 81 Длиниофо- кусный 300 Вари огоир-12Т (Россия) Вариообьсктив 11,8...180 230 Сапоп ЕН7- 35 (Япония) 1:2;8 70 63...104 0,55 пической системы являетс к и в приемниках ОЛС. В п го освещения объекта, о изображения объекта на онденсора является коллим к.
В излучателе конденсор — послс него, т. с. во всех с кция конденсора зависи г снсор представляет собой которой направлена в сторо пия (для приемника). Конд и ~ри > 30, они содержат 2— о! ио ог чо тру онд 3 линзы. ми схемами используют пр 233 Важным элементом мый как в излучателях, та служит для равн омер получения действительн нике.
Частным случаем к раллельный световой пу объективом, в приемнике сти изображений. Коне системы. Простейший к зу, плоская поверхность излучателя) или изображе я конденсор, используеервом случае конденсор во втором — для удаленном фотоприематор, формирующий паустанавливается перед лучаях ближе к плоскоот апертуры оптической плосковы-пуклу(о линну источника света (для енсоры с более сложны- 5.
Локааионные анформанионные системы В робототехнике при расчете ОЛС необходимо, во-первых, выбрать область наблюдения, во-вторых, определить разрешающую способность и„ в-третьих, найти способ компенсации изменения освещенности. Первые два требования обеспечивают выбором надлежащего углового поля, которос может изменяться от нескольких градусов (в случае концентрации внимания 0 на удаленном объекте) до 180 при обзоре большой территории. Зная угловое поле, находят фокусное расстояние оптической системы. Проще всего рассчитать фокусное расстояние оптической системы, если заранее известны размеры и расстояние х0 до объекта наблюдения. Тогда 1ви~0~1вп и ~ 1ги~0~1ги, гдс 1„„,1„и — вертикальный и горизонтальный размеры изображения на фотоприемнике соответственно; 1,„, 1„„— вертикальный и горизонтальный размеры объекта соответственно.
Обычно под 1 „и 1„и понимают вертикальный и горизонтальный размеры матрицы фотоэлементов. Так, для матрицы форматом 1/3 дюйма 1ви = 3,б мм, 1„„= 4,8 мм, для матрицы форматом 1/4 дюйма соответственно 2,4 и 3,2 мм. В устройствах видеонаблюдения в зависимости от углового поля используют объективы с фокусным расстоянием 2,8...12 мм и более.
Так, при обзоре участка длиной 20 м с расстояния 40 м с помощью матрицы фотоэлементов форматом 1/3 дюйма необходим объектив с фокусным расстоянием Г = 4,8 х 40/20 = 9,6 мм. Дпя изменения углового поля применяют трансфокаторы. В установленных в помещении устройствах видеонаблюдения используют объективы с ручной диафрагмой и без диафрагмы (так называемые Р~п Ьо1е), а в размещенных на улице — объективы с автоматической диафрагмой (1 абл. 5.9). Тащима 5.9 Основные параметры объективов для устройств видеонаблюдения в 5.4, Оптические локациоиные системы Оптронные ОЛС чаще всего используют в системах безо- ~оп пасности релейного типа. Разли- ~1 Я2 ~з 5 чают ' дискретную и матричную 1ЭА, схемы оптронных датчиков.
Классическая дискретная схема П), РТ, Й У ных датчика фирмы АЕ( О содержит первичный оптроцный преобразователь в виде светодиода и фототранзисто а, о ъсдипснных в ~~~~с~"р~' объединенных " Рис. 5.36. Электрическая схема дискретного корпу с' инзь' копден оптического датчика фирмы АЕСО сора предварительно сфокусированы в точку, удаленную от датчика на расстояние 0,5...1,5 м.
При нахождении в зоне действия датчика постороннего предмета отраженный от него сипил воспринимается фототранзистором и подается на компаратор (рис. 5.36). Быстродействие такого датчика достигает 0,5 мс при мощности излучения не выше 0,05 Вт. Диапазон срабагывания настраивается фокусировкой оптической системы. Недостатком схемы является невысокая дальность действия, а также чувствительность к помехам и отражающим характеристикам препятствия. Для повыгпсния помехоустойчивости в условиях световых засветок используют оптические фильтры„оставлякнпие в оптическом диапазоне только инфракрасную область, а также ИМ оптического излучения с последующим синхронным детектированием отраженного сигнала.
Большей дальностью (до 20 м) обладают датчики, работающие в проходящем свете и включающие оптическую систему обьектив — кондснсор, а также узкополосный инфракрасный оптический фильтр на стороне приемника. В робототсхнике оптронные ОЛС используют очень широко не только в дискретном, но и непрерывном режимах, обеспечивая при этом достаточно высокую точность измерений. Например, абсолютная погрешность ОЛС фирмы Во1ап-Уеппег (США) составляет + 15 мкм, а ОЛС фирм Кеуепсе (Япония) и ВаИпй'(Германия) — + 5 мкм при измерении расстояний в диапазоне от 0 до+ 1 мм.
Быстродействие этих систем дости~ ает 2 мс. Функция преобразования ОЛС нелинейна, поэтому ее датчики обычно калибруют на и~которую эффективную дальность, относительно которой и регламентируют все ее метрологические характеристики. Для расширения температурного диапазона работы (от 0 до 250 С) в современных модификациях оптронпых датчиков малых расстояний используют световолокопные каналы передачи данных. Дискрстныс бинарные датчики применяют также в оптических системах идентификации (Яшаг~-картах). Матричная схема оптроппых датчиков предназначена для обнаружения предметов, поверхность которых имеет переменный коэффициент отражения, и предполагасг применение массива фотодетекторов в виде полупроводниковой матрицы или линейки. Такие схемы используют также в задачах "::-',.-:,::: .наведения, когда несколько дифференциально включенных фотоэлементов 235 5.
Локационные ииформаииоииые системы устанавливают, например, на пальцах захватного устройства робота. В этом случае сигнал позиционирования формируется в виде разности сигналов фотоэлементов с противоположных пальцев. Такая ОЛС, содержащая две пары фотоэлементов, была разработана в Токийском технологическом институте для транспортного робота. Система позволяет определить не только расстояние до объекта, но и его координаты. Промышленно выпускаемые оптронныс дальномеры измеряют расстояния до 100 мм с погрешностью около 1 %, причем время измерения не превышает 4 мс. Для увеличения радиуса действия до 10 м используют оптические отражатели.
5.4.4. Лазерные оптические локациониые системы Самым мощным и точным средством дистанционного обнаружения и распознавания объектов является ОЛС на базе оптического квантового генератора — лазера, позволяющего обнаруживать предметы на расстоянии свыше 100 м. Впервыс идся усиления электромагнитных волн за счет вынужденного излучения нли инициирования самовозбуждающнхся колебаний была предложена В. Фабрикантом и Д. Вебером в 1951 г., а реализована в 1954 г, Изготовленный Д. Гордоном, Х. Цайгсром и Ч. Таунсом прибор, работавший в диапазоне сантиметровых волн, получил название мазер (М1сгоюаче Ап1р!!бса6оп Ьу Мп1ц1а!ед Епншоп о1' Вайа!!оп).
В качестве активной среды использовали аммиак. Идея о переводе излучения в видимый диапазон, предложенная в ! 959 г. А. Джаваном, Н. Басовым и др., привела к появлению первых лазеров — сначала твердотельного рубинового (в 19бО г. Т. Мсйманом), а затем газового гелиево-нсонового (в 19б1 г. А. Джаваном, В. Бешгстом и Д. Эррнотом). 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 совсршать вынужденные квантовые переходы и усилиють это излучение. Система возбужденных атомов (активная среда) способна усиливать падающее излучение, сели она находится в состоянии с так называемой инверсией паселешюстей, когда число атомов на возбужденном энергетическом уровне превышает число атомов на нижерасположенном уровне.
Для создания в активной среде инверсии населенностей применяют специальные методы, например накачку оптическим генератором (лампой- вспышкой или другим источником). При многократном прохождении усиливасмого излучения между зеркалами оптического резонатора формирует'- ся мощный когсрентный поток электромагнитного излучения оптического диапазона, направленный перпендикулярно плоскости зеркал. Обычно излучение выводится наружу через одно из зеркал, которое делают частично прозрачным. Схема простейшего лазерного излучателя, состоящего из активной среды, в которой формируется лазерный луч, резонатора в виде системы зеркал и системы возбуждения ~накачки)„представлена на рис.
5.37. 5.4, Отггггческие лакггяиоггггые сггсгггемы Рассмотрим основные типы лазе- 3 ров. Их подразделяют по следующим признакам. 1. По типу активной среды — газовые, жидкостные и твердотельные, в том числе полупроводниковые. Газовые, у которых активной средой является, например, Не — -Хс или 1 СО2 — И2, обладают наивысшим К! 1Д и мощностью непрерывного излуче- 5 ния среди всех лазеров. Так, у лазера Рис.
537. Схема лазерного излучателя: на основе С02 — И2 с длиной волны 1 — корпус; 2 — активная срела; 3— оптический генератор; 4 —. зеркальные Х = 10,6 мкм и КПД около 30 % она слои;5 — источникэнергии 4 достигает 2 10 Вт. Жидкостные лазерьг в робототсхнике не применяют. Твердотельные лазеры, использующие в качестве активной среды оптические монокристаллы и стекла, обладают наивысшей пиковой мощностью излучения. В частности, для рубинового лазера с длиной волны Х = О,б943 мкм она достигаег 10 Вт в импульсе длительностью 30 нс. Что касается полупроводниковых лазеров, самых миниатюрных и маломощных, то именно они в последние годы получили наибольшее применение в робототехнике и мехатронике.
В большинстве схем активной средой является система Сга — А1 — Ав. 2. По режиму излучения — непрерывныс, однократные и импульсные. 3. По диаграмме направлешюсти — — лучевые ~гелиево-неоновые, руби- о новые и другис с углом диаграммы направленности < 0,01 ) и секторные о г',полупроводниковые с углом диаграммы направленности 1...40 ). 4. По мощности излучения — малой, средней и пиковой мощности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
