Бесконтактное очувствление
Определение расстояния до близкорасположенного объекта. Существует несколько датчиков, которая практически не включает осязание, однако они реагируют на близкорасположенные объекты. Большой диапазон действия таких датчиков образовывает около 30 см, но многие выпущенные образцы смогут функционировать на намного более родных расстояниях.
Кое-какие из устройств, применяемых для осязания, пригодны кроме этого и для определения приближения к объекту, как, к примеру, индукционные и емкостные совокупности. Индукционные совокупности смогут ощущать металлы на расстоянии в пара миллиметров, в то время как емкостные совокупности— наличие непроводящих материалов, таких, как дерево либо стекло, и цветных металлов и железа на расстояниях до нескольких сантиметров.
Разновидность обнаружения близости объекта основана на применении струй воздуха, каковые отклоняются либо отражаются, в случае если объект выясняется вблизи. В таких совокупностях смогут употребляться жидкостные логические совокупности, с тем дабы применить это отражение для яркого вызова требуемой реакции.
Самый распространены датчики приближения к объекту, основанные на оптических способах, в то время, когда инфракрасный либо видимый свет, излучаемый передатчиком, размещенным в модуле датчика, фокусируется в точку пространства, находящуюся на расстоянии в пара сантиметров от датчика. Фотодатчик, размещенный в том же модуле, что и передатчик, фокусируется на ту же точку пространства. В то время, когда в точке нет объекта, свет, отражаемый обратно к датчику, весьма не сильный.
При приближении какой-либо поверхности к точке отражение увеличится и приведет к образованию большого сигнала, в то время, когда поверхность окажется совершенно верно в точке фокуса.
Такие устройства занимают количество всего в пара кубических сантиметров и размещаются на рабочем органе робота. Они способны весьма совершенно верно измерить расстояния, но в то время, когда более принципиально важно расширить диапазон измерения расстояния, свет не фокусируется в одной точке и датчик лишь регистрирует уровень отраженного света, что зависит от типа и расстояния поверхности отражающего объекта.
Устройства для того чтобы типа смогут регистрировать объекты, удаленные на десятки сантиметров: кое-какие объекты отражают свет слабо, другие — прекрасно, время от времени из-за положения объекта сигнал будет идти мимо датчика. Исходя из этого все эти неприятности появляются и с прозрачными материалами. Датчики способны модулировать собственное излучение (в большинстве случаев в пара килогерц) и регистрировать лишь отраженный свет, модулированный таким же образом, отфильтровывая посторонние сигналы.
Дальнее обнаруокение объектов. Информацией об объекте либо внешнем мире робот смогут обеспечить датчики ближнего расстояния и кое-какие визуальные совокупности. Существуют разные подходы, специфичные для дальнего обнаружения.
самый популярный — применение ультразвука. В таких совокупностях употребляется сонарный принцип передачи маленьких импульсов ультразвука (с частотами, превышающими 20 кГц) от последующего измерения и пьезоэлектрического кристалла времени, нужного для возвращения отраженного импульса от соседнего объекта.
Зная скорость распространения звука в воздухе (около 300 м/с), возможно подсчитать расстояние, проходимое звуковым импульсом, а поделив взятую величину пополам, взять расстояние до объекта. Компания «Поляроид» создала ультразвуковой искатель для автоматического фокусирования собственных камер. Сонар «Поляроида» экономичен, потому, что выпускается поточным методом и имеет отработанную конструкцию.
В некоторых вторых совокупностях, основанных на применении более маленьких волн, ультразвук более высоких частот дает возможность приобрести более высокое разрешение. Такие совокупности способны составить карты местности (с применением информации о глубине).
Но более низкие частоты имеют преимущества, потому, что меньше ослабляются в воздухе и используются для измерения более долгих расстояний. Точность определения дальности ультразвуковых совокупностей колеблется в пределах порядка 1 см для дальности в пара метров при применении сигнала в 40 кГц, а звуковой сигнал 1 кГц дает точность порядка 30 см при дальности 50 м и более.
Совокупность «Поляроид» снабжена цифровым выводом, и на практике точность образовывает около 1 см при расстояниях от 0,3 до тридцати метров. Датчик определяет отражения в пределах 20° от основной оси, не смотря на то, что это значение возможно значительно уменьшить, поместив его в особый звукоприемник. Обеспечить круговой обзор вероятно благодаря применению соответствующих звуковых рефлекторов, разворачивающих луч до 90° от основной оси.
При применении составных сонарных совокупностей нужно различать источники импульсов. Это возможно сделать методом применения или разных частот для разных совокупностей (в случае если число этих совокупностей не через чур громадно), или разных скоростей импульсов для разных передатчиков. В этих совокупностях отраженный сигнал регистрируется лишь при совпадении частоты датчика и частоты регистрации.
Вероятны разные усовершенствования для упрощения сонара, к примеру применение фазированных решеток для создания узконаправленного импульса в отличие от классических лучей, где угловое разрешение образовывает более 10°. Но маловероятно, что такая постановка задачи облегчит ответ если сравнивать с анализом визуальной информации.
Не обращая внимания на преимущества, ультразвуковые устройства смогут приводить к звуковой интерференции, и без того как кое-какие поверхности (особенно материалы, подобные губке) поглощают переданный сигнал, каждая громадная плоская поверхность действует как звуковое зеркало, которое, пока оно стоит «носом», может привести к тому, что громадные поверхности по большому счету не будут найдены. Отраженные сигналы скоро затухают с расстоянием, так что эхо от соседних объектов может заглушить отзвуки от объектов, расположенных дальше.
Дальномеры, применяющие лазерные лучи либо радиоволны, как в радаре, не подходят для маленьких расстояний, характерных для робототехники, поскольку время распространения этих излучений образовывает всего пара наносекунд на метр расстояния (не смотря на то, что для некоторых космических роботов такие совокупности совершенны) . В целях безопасности возможно применять Доппле-ровские совокупности — устройства, измеряющие Трансформации в высоте тона сигнала, распространяющегося от довольно движущегося объекта. Не смотря на то, что они и не снабжают всех данных о расстоянии, но прекрасно ощущают относительное перемещение.
В базе способа определения расстояния до объекта употребляется триангуляция (тригонометрическая съемка), в то время, когда два устройства размещаются на протяжении базисной линии на расстоянии друг от друга, угол между заданным объектом и базовой линией шепетильно измеряется каждым устройством. Сравнивая оба показания, возможно вычислить фактическое расстояние до объекта.
Оптические совокупности, пригодные для роботов, смогут или использовать пассивную освещенность, где употребляется лишь триангуляция и окружающий свет проводится посредством стереозрения, или способ активной освещенности, исключающий трудности при регистрации изображения. При способе активной освещенности медлен-но сканирующий коллимационный источник света (к примеру, твердотелый инфракрасный излучатель либо лазер) образует широкое пятно света, движущееся по поверхности соседних объектов.
Пятно обнаруживает скоро сканирующее сенсорное устройство (источник света в большинстве случаев модулируется, с тем дабы оказать помощь выделить его от фонового освещения). Серии триангуляционных показаний строятся по мере сканирования пятна через внешнюю среду.
Зрение. Зрение робота будет жизненно нужным сенсорным устройством в сложных совокупностях. По некоторым оценкам, промышленность, изготавливающая совокупности технического зрения, каждый год удваивает их выпуск. Быть может, к 1990 г. выпуск таких совокупностей достигнет 1 млрд. долл. От вторых органов эмоций совокупности технического зрения отличаются тем, что, владея нужной быстротой, оставляют объект в неприкосновенности.
Такие сенсорные устройства снабжают громадной количество информации о видимой обстановке — от распознавания типа, расположения, ориентации и дальности объектов до сложной информации обратной связи, нужной манипулятору либо тележке для исполнения задачи. Сенсорные устройства возможно применять для контроля качества и визуального наблюдения.
Способы, используемые в совокупностях технического зрения роботов, весьма сложны, исходя из этого разглядим их лишь в общем. Стоит кроме этого напомнить, что очень многое из того, что связано с обработкой изображения, применимо и к вторым сенсорным устройствам, таким, как тактильные датчики. Дело в том, что многие из первых работ по созданию неестественного зрения стимулировались заинтересованностью НАСА в создании таких совокупностей для изучений космического пространства.
В 1973 г. в Ноттингемском университете (Англия) была создана первая совокупность зрения робота — совокупность «СЕРЧ» (полуинтеллектный робот для манипулирования компонентами). Совокупность складывалась из подвижного захвата, управляемого компьютером, что определял положения несложных форм, попадавших в поле зрения камеры. В пределах 5 с объекты могли быть опознаны и подвергнуты манипуляции.
К сожалению, отсутствие коммерческого интереса к разработке стало причиной тому, что совокупность не отыскала широкого применения.
Камеры, применяемые в совокупности зрения роботов, возможно поместить сверху либо сбоку робота. Прикрепив камеру к запястью робота, возможно взять хороший обзор рабочей территории. Развитие волоконной оптики разрешило возможность устанавливать камеры на маленьком расстоянии от запястья и передавать изображение при помощи совокупности зеркал либо по кабелю, складывающемуся из волокон.
Это позволяет приобретать изображения кроме того из таких мест, где камеру нельзя установить, к примеру в ладони захвата. Такие камеры являются или телевизионные трубки типа «видикон», или твердотелые камеры (устройства с зарядной связью ПЗС — устройства либо камеры, в которых эти накапливаются при помощи небольших пакетов зарядов), складывающиеся из мозаики (либо время от времени лишь линий) отдельных фоточувствительных элементов.
Не смотря на то, что такие ПЗС-камеры воображают довольно новую разработку, возможно ожидать, что благодаря своим размерам и исключительной надёжности, характеристикам и массе потребляемой мощности они не так долго осталось ждать в значительной мере вытеснят классические телевизионные трубки в совокупностях неестественного зрения роботов. Возможно использовать и простые камеры, складывающиеся из одного последовательности фотоэлементов, для получения полного двумерного изображения, при размещении линейно-сканирующей камеры поперек конвейера.
Разрешающая свойство совокупности технического зрения определяется числом отдельных точек (либо элементов изображения), каковые должны быть различимы на изображении и в большинстве случаев не превышают 512X512 элементов. Изображения с разрешением ниже 64X64 элемента ухудшаются при цифровой обработке. В классических телевизионных трубках ухудшение возможно очень большим, тогда как в твердотелых камерах благодаря свойственной им структуре достоверность изображения довольно большая.
Аналоговый сигнал любой из применяемых камер преобразовывается в цифровую форму на аналогово-Цифровом преобразователе, а информация накапливается так, дабы ее имел возможность обработать компьютер. Накопитель информации — это устройство для хранения базы телевизионного изображения для компьютерной обработки. Это устройство входит в состав стремительной памяти компьютера, для которой любой адрес памяти соответствует элементу изображения.
Любой элемент изображения возможно несложным элементом тёмного либо белого цвета. В сложных совокупностях отдельный элемент возможно представить в цифровой форме любого из 256 серых тонов, изменяющихся в диапазоне от тёмного до чисто-белого. В будущем зрение робота сможет применять цветную данные.
На данный момент представляется очень спорным вопрос, оправдываются ли в большинстве областей применения роботов маленькие дополнительные преимущества применения цвета с учетом нужных дополнительных компьютерных вычислений.
Лишь кое-какие совокупности зрения роботов применяют данные о серых тонах, другие же совокупности в целях экономии времени вычислений поступают следующим образом, создавая двоичный вариант, предварительно «вычисляют» изображение. После этого, выбирая пороговый уровень яркости, возможно сделать любой элемент изображения тёмным, в случае если его значение ниже порогового, и белым, в случае если больше. Так создается силуэт.
Освещение таких совокупностей играется ключевую роль, т. е. в случае если тени на объекте принять за фон, то принимаемая форма объекта радикально изменится. Что же касается очень сильно отражающих объектов, то они также будут привести к ложным эффектам. Изменение порогового уровня отрицательно отразится на интерпретации совокупности объекта.
Дабы преодолеть эти трудности, объекты освещают снизу, а вдруг это нереально, то используют трубчатые флюоресцентные лампы. Возможно кроме этого поместить объекты на фоне, покрытом флюоресцентными материалами, а после этого осветить их ультрафиолетовым светом, дабы создать резкий контраст между фоном и лежащими нефлюоресцентными объектами. Цветные фильтры перед линзами камеры существенно усиливают контраст.
Пассивное освещение принципиально важно, в случае если требуется взять ясное изображение интересующих подробностей, и довольно часто эффективность и общая надёжность данной совокупности зрения определяются тем, как удачно это сделано.
Посредством различных способов роботы способны различать объекты на неспециализированном фоне. К примеру, контуры объектов возможно выяснить по трансформациям в цвете либо яркости либо по фону, что они «вымарывают». В случае если изображение изменяется в течение времени, то объекты возможно различать благодаря относительному перемещению между ними и их задним замыслом, фактическому перемещению относительно друг друга, перемещению наблюдателя, вызывающему изменение в положении объекта благодаря параллакса.
Эффект параллакса возможно взять посредством стереовидения, как это делает человек (в некоторых случаях возможно кроме того применять больше, чем два вида объектов).
Самый распространенная форма определения в визуальных совокупностях некоторых несложных компонентов рабочей сцены, применяемая в сложных совокупностях роботов с применением серых тонов, включает определение контура объектов. Первый этап действия таких совокупностей, обрабатывающих изображения, содержится в делении изображений на участки с однообразной яркостью либо цветом. Определение контура включает измерение трансформаций в яркости по всему изображению.
Резкое изменение интенсивности отмечается на контурной карте. Особая аппаратура разрешает с громадной скоростью выполнить процессы определения контуров. Время от времени поступают иным образом — поверхности в фактической обстановке разделяются методом поиска областей адекватной яркости.
Потому, что предполагаемые «края» на контурной карте, в большинстве случаев, являются маленькие прерывистые линейные сегменты, то задача содержится в том, дабы соединить их в постоянные линии, каковые бы соответствовали фактическому контуру объектов. Результаты обработки накапливаются в более сжатой форме представления данных посредством, к примеру, для того чтобы способа, в соответствии с которому линии описываются методом задания (для каждого элемента изображения на линии) направления (одного из восьми вероятных направлений) следующего элемента изображения.
самые трудным для робота есть конечный этап, в то время, когда производится распознавание образов, т. е. показатели изображения должны соответствовать показателям объектов, о которых совокупность «знает». Обширно распространены два подхода: шаблонное соответствие, в то время, когда код изображения подбирается к комплекту «шаблонов» вероятных объектов и выбирается лучшее соответствие; распознавание по показателям, в то время, когда комплект взятых показателей более большого уровня, таких, как площадь, периметр, центр площади, подбирается к комплекту соответствующих показателей известных объектов.
На практике тяжело решить такую проблему, как частичное перекрывание одной подробности второй. Задача выбрать одну подробность из нескольких для многих стала знаком совершенства, к которому должно стремиться зрение роботов. Эта неприятность в первый раз была решена в университете Род Айленд.
Но данный способ, перед тем как использовать в индустрии, нужно существенно улучшить.
Рис. 1. Принцип действия структурированного света: а —замысел совокупности; б — вид сцены со стороны камеры
Глубина информации трехмерного изображения возможно визуально взята методом или активной, или пассивной освещенности. В случае если для определения расстояния нельзя использовать особую технику освещения, направляться взять и обработать изображение сцены с разных точек наблюдения, или используя две (либо более) легко удаленные друг от друга камеры, или применяя одну камеру, которая может двигаться. В том и в другом случае определенные точки в
каждом изображении должны соответствовать друг другу, и зная угол установки камеры относительно сцены, возможно вычислить расстояние до точек, применяя несложную триангуляцию. Совокупности изображения по большей части двумерные, применяющие ограниченный количество информации о глубине для различения объектов, в большинстве случаев относятся к 2 y-мерной совокупности.
В триангуляционных совокупностях активной освещенности камера стоит на одном финише базисной линии, а сканирующий лазер (либо его эквивалент)—на втором. Камера может легко найти броское пятно лазера и выяснить действенный угол к нему, применяя элемент изображения, на что он падает. Корреляция угла с текущим значением угла сканирующего луча разрешает выяснить расстояние до пятна посредством триангуляции.
Второй формой активной освещенности, применяемой в некоторых совокупностях зрения роботов, есть структурированный свет. Такие совокупности проектируют узкую полосу света (вместо единственного пятна) на сцену (рис. 1), в один момент приобретая очень много триангуляций. Тот же способ употреблялся для , получения ясных двумерных изображений больших объектов на конвейере, проходящих под линейно-сканирующей камерой.
Полоса света сияет в плоскости, которая находится под углом к плоскости обзора камеры, но сделано так, что две плоскости пересекаются на конвейере на линии совершенно верно под камерой (рис. 2, а). Где конвейер безлюден, камера видит броскую полосу света, но в том месте где появляется большой объект, сверху думается, что линия отклоняется от обзора камеры (рис. 2,б).
Данный принцип применен в совокупности «Консайт», созданной компанией «General Motors» в 1977 г., где употребляются две полосы света, проектирующиеся из разных точек. Применение таких несложных способов должно в значительной мере послужить индустрии, пока вправду не станут дешёвы недорогие и стремительные сложные совокупности неестественного зрения.
Рис. 2. Принцип действия совокупности «Консайт»
На данный момент продаются отдельные совокупности зрения роботов, но их цена образовывает около 25 000 долл.— половину либо больше стоимости настоящего «слепого» робота, к которому будет придана эта совокупность. Но «АСЕА» ввела первую интегрированную «совокупность зрения», трудящуюся в заводских условиях, которую смогут элементарно программировать рабочие. Подсчитано, что в 1981 г. в Соединенных Штатах роботов, оснащенных совокупностями технического зрения, насчитывалось около 1%, к 1990 г. эта цифра приблизится к 25%.
