Файл: Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы..pdf

Наиболее удобный способ — использование камеры, перемеща­ емой в произвольное положение. В этом случае идентификация объектов или фрагментов, изображение которых получено с разных точек наблюдения, не вызывает затруднений. Так как число точек наблюдения не ограничено, то точность работы зрительной системы значительно повышается. И, наконец, как было сказано выше, возможно получение информации об объемной конфигурации объекта.

4.4. Системы технического зрения для экстремальных условий

Практическое применение робототехнических устройств в экстре­ мальных условиях требует принципиально нового подхода к решению задачи визуализации и контроля состояния внешней среды робота. Часто для обеспечения нормальной работы СТЗ необходима ин­ формация о состоянии оптически непрозрачной среды, например, толщи металла, бетона, дерева, непрозрачной жидкости (эмульсии), дыма, масляного тумана и т. и.

применение в роботах найдут радиационные, тепловые, радиоволновые и акустические СТЗ (рис. 4.4), которые вместе с оптическими системами составляют общую номенклатуру СТЗ.

При сборке узлов в процессе сопряжения деталей часто возни­ кают ситуации, связанные с необходимостью выявления бракованных деталей или их неправильного взаимного расположения. При этом узел, как правило, не позволяет проводить контроль в оптическом диапазоне. В подобных случаях в адаптивных роботах могут быть использованы средства радиационной интроскопии.

Радиационные СТЗ. Системы плоскостной радиационной интро­ скопии основаны на просвечивании контролируемого объекта про­ никающей ионизирующей радиацией, преобразовании радиационного изображения объекта в светотеневое или электронное изображение и передаче этих изображений на расстояние с помощью оптических или телевизионных каналов.

В зависимости от энергии и интенсивности применяемого излуче­ ния могут быть получены изображения внутреннего строения разно­ образных изделий. В ряде случаев имеется возможность выявлять микрообъекты с размерами начиная от 20 мкм. Известны рентгено­ телевизионные системы, в которых для преобразования радиацион­ ного изображения в светотеневое используют рентгеновские элек­

с рентгеновской пленкой. Рентгеновские изображения могут об­ рабатываться с помощью автоматизированных систем обработки изображения.

В перспективе в СТЗ широкое применение получит вычислитель­ ная томография, сущность которой заключается в послойном попереч-

98

Рис. 4.,4. Классификация СТЗ

ном сканировании объекта коллимированным рентгеновским пучком» измерении излучения за объектом детекторами с линейной характе' ристикой, синтезе матрицы значений плотности вещества в элемен" тарных ячейках слоя и построении полутонового изображения слоя интересующего объекта или среды по вычисленным значениям плотности.

Радиационный вычислительный томограф содержит излучатель, питающее устройство, систему детекторов (причем излучатель и детекторы объединены в едином сканирующем устройстве), устрой­ ство для размещения и перемещения объекта исследования, блок электронных усилителей и аналого-цифровых преобразователей, мини-ЭВМ с необходимым набором внешних устройств (полутоновый телевизионный дисплей, запоминающее устройство, накопитель на гибких дисках, алфавитно-цифровую и функциональную клави­ атуры).

Принцип томографии может лечь в основу построения адаптив­ ных роботов специальных видов, в которых объект контроля должен быть определен в пространственной системе координат. Координаты каждого элемента восстановленного изображения вычисляются с по­ мощью мини-ЭВМ и могут быть использованы для управления роботом.

Радиационные СТЗ могут найти применение в тех случаях, когда ограничения, вызываемые опасностью проникающего излучения, массогабаритными характеристиками аппаратуры и относительно невысоким ее быстродействием, не являются определяющими.

В настоящее время получают также развитие другие физические принципы томографической диагностики среды и объектов такие, как ядерно-магниторезоиансная, электрическая, акустическая и тепловизионная и др.

Тепловые СТЗ. Физической основой тепловых СТЗ является эмиссия электромагнитного излучения нагретыми телами. Законо­ мерности теплового излучения описываются законами Стефана — Больцмана и Планка, которые характеризуют соответственно пол­

9 9

ную энергетическую светимость теплового излучения, его спектраль­ ное распределение и положение максимума кривой этого рас­ пределения.

Для практического использования наибольший интерес предста­ вляет инфракрасный диапазон длин волн 2—14 мкм, соответству­ ющий максимуму излучения реальных тел при температурах от +20 до +300 °С.

Принцип действия тепловизоров (приборов для визуализации тепловых полей нагретых тел) заключается в преобразовании с по­ мощью сканирующих или матричных фотоэлектронных преобразо­ вателей рельефа интенсивности излучения на поверхности объекта (адекватного его температурному полю и распределению коэффи­ циента излучения) в эквивалентное распределение электрических сигналов, визуализация которых на экране видеомонитора пред­ ставляет в аналоговой яркостной форме тепловое поле объектов.

Тепловые СТЗ позволяют бесконтактно регистрировать распре­ деление температур по объекту при известной его излучательной способности, либо распределение коэффициента излучения, если объект термостатирован и температура по его поверхности равно­ мерна. Тепловая СТЗ представляет собой систему пассивного типа. Она включает оптическую систему для фокусировки ИК-лучей, фотопреобразователь, системы развертки (сканирования) и око­ нечные устройства обработки информации.

Наиболее распространенными фотопреобразователями в тепло­ видении являются полупроводниковые фоторезисторы на основе сурьмянистого индия или сплавов кадмий — ртуть— теллур. Они требуют охлаждения жидким азотом.

В рассматриваемых СТЗ, как и в традиционных телевизионных системах, эффективно применение волоконной оптики для передачи изображения (здесь — теплового) из зоны контроля к системе раз­ вертки.

Для простейших случаев (задача селекции объектов, нагретых выше нормы, контроль температуры заготовки для штамповочного робота) эффективно применение пирометров с одноэлементным фото­ приемником.

Характеристики некоторых типов тепловых СТЗ приведены в табл. 4.6. Для их использования в роботах необходимо дополни­ тельно предусматривать автоматизированные системы обработки изображений.

Радиоволновые СТЗ. Работа этих систем основана на взаимо­ действии электромагнитного поля в диапазоне длин волн 1 —100 мм с объектом и преобразовании этого поля в двумерное изобра­ жение.

Они позволяют определить геометрические параметры объекта (форму, размеры, в том числе толщину), расстояние до объекта и его пространственно-динамические характеристики (скорость движе­ ния, смещение, поворот, амплитуду и частоту вибраций), электро­ физические характеристики (влажность, температуру, относи­ тельную степень нзпряженно-деформированно.го состояния) и др.

100

Для получения изображения контролируемого изделия или исследуемой среды с помощью радиоволн применяют механическое сканирование объекта одиночным зондом или линейкой, составлен­ ной из набора одиночных приемных и излучающих элементарных антенн, а также матричные антенны или фотоуправл немые полу­ проводниковые пластины. Разрешающая способность радиоволновых СТЗ ограничена значением ~0,5Х. Изображение радиоволнового

в жидких, газообразных и твердых средах, отражаться от неодно­ родностей сред, а также на их способности поддаваться визуализа­ ции. На ультразвуковых частотах излучателям и приемникам упру­ гих волн легко придать хорошую направленность, что облегчает использование этих волн для СТЗ.

Для обеспечения работы акустических СТЗ необходимо скани­ рование объекта либо одиночным датчиком, либо линейкой датчиков или использование матричных наборов пьезопреобразователей. Изоб­ ражение формируется путем обработки эхосигналов на ЭВМ.

Разрешающая способность акустических СТЗ определяется дли­ ной волны %, так как раздельно регистрируются лишь объекты, размеры которых не менее %. Для повышения разрешающей способ­ ности и минимальных значений измеряемых расстояний, перемеще-

101

ний и скоростей объекта целесообразно увеличивать рабочую частоту. Однако с увеличением частоты растет затухание ультразвуковых волн и соответственно уменьшается дальность действия.

Наиболее высокие частоты (порядка 10—20 МГц) могут быть использованы при работе в однородной жидкой среде (воде) в пре­ делах небольших расстояний (0,3—0,5 м). При работе в жидкостях с большим затуханием ультразвука (нефть, мутная вода и т. п.) рабочие частоты необходимо уменьшать. Так как затухание ультра­ звуковых волн в воздухе много больше, чем в воде, то при работе в воздушной среде необходимо использовать более низкие частоты (до 20 кГц).

Акустические изображения, получаемые аппаратными сред­ ствами, уступают по качеству изображениям, полученным оптиче­ скими СТЗ, поэтому особое значение приобретают алгоритмы филь­ трации и улучшения качества изображений, представленные в п. 4.5.

4.5. Алгоритм обработки изображений

Процесс идентификации объектов, находящихся в рабочей зоне робота, обычно включает два этапа: выделение характерных призна­ ков объектов; собственно распознавание объектов по найденной совокупности характерных признаков. В соответствии с^гакой струк­

и алгоритмы распознавания, что носит в известной степени условный характер, так как в некоторых практических приложениях одни и те же по математической сути алгоритмы могут быть использованы на обоих этапах рассматриваемого процесса.

В соответствии со спектральным диапазоном преобразователей свет — сигнал и принципом действия СТЗ датчик формирует изобра­ жение рабочей зоны робота. Под изображением обычно понимается двумерная картина поля интенсивности излучений рабочей зоны. Формально получение изображения заключается в определении функциональной зависимости интенсивности излучений рабочей зоны от координат точек изображения х и у:

В дальнейшем под «изображением» будем понимать именно функциональную зависимость f (х, у). С учетом принятой термино­ логии задачей предварительной обработки является поиск какихлибо особенностей функции f (х, у), которые могли бьГуказать на тип объекта, находящегося в рабочего зоне.

Дискретизация изображения. Первый шаг предварительной об­ работки изображения на ЭВМ состоит в квантовании исходного изображения f (х, у). Квантование ведется как в пространстве по координатам х и у, так и по значению функции изображения f (х, у).

Для упрощения описания алгоритмов предварительной обра­ ботки в дальнейшем будем рассматривать прямоугольные изображения

102