Классификация навигационных систем

Реферат

с курса «Сенсорные системы»

на тему:

«Навигационные системы. Осязание роботов»

Проверил:                                                                                                      Исполнил:

Доцент кафедры ТК                                                            Студент 2 курса

Кисленко Ю.И.                                                                                       гр. ИК-92

   Кобылинский Б.А.

Киев 2011

Содержание

1. Классификация навигационных систем

1.1 Системы измерения угловых координат

     1.1.1 Телевизионная угломерная система

     1.1.2 Оптическая угломерная система со сканированием луча

     1.1.3 Индукционная угломерная система

     1.1.4 Радиационная угломерная система

     1.2 Системы измерения дальности и скорости

    1.2.1 Акустическая дальномерная система

     1.2.2 Лазерная дальномерная система

     1.2.3 Радиационная дальномерная система

     1.3 Системы поиска и обнаружения

     1.3.1 Оптическая система поиска по угловым координатам

     1.3.2 Акустическая система поиска по дальности

2. Осязание роботов

               2.1 Класификация сенсорных устройств

3. Выводы

Введение

Роботы – автоматические системы, предназначенные для воспроизведения двигательных и интеллектуальных функций человека. От традиционных автоматов отличаются большей универсальностью и способностью адаптации на выполнение различных задач, в том числе в изменяющейся обстановке. Уже в настоящее время роботы имеют весьма широкую область применения. Они заменяют человека в условиях, опасных для его здоровья, при выполнении монотонных, утомительных работ, выступают в качестве игровых партнеров.

Важнейшей составной частью роботов второго и третьего поколений является система очувствления, в задачу которой входит восприятие информации о состоянии внешней среды и ее обработка. Эти действия сводятся к обнаружению объектов, определению их местоположения, расположения препятствий, распознаванию, оценке параметров, свойств объектов и среды.

Разработка роботов для различных производственных и исследовательских целей является весьма важной и актуальной задачей. Одной из центральных проблем, возникающих при ее решении, является проблема построения управляющих систем, реализующих целенаправленное поведение роботов в сложной априори неформализованной естественной среде. Отсутствие в настоящее время общей теории синтеза таких систем стимулирует разработку специальных инструментальных средств ориентированных на их экспериментальное исследование.

Классификация навигационных систем

К навигационным системам относятся технические средства, предназначенные для автоматического дистанционного измерения координат объектов манипулирования. Специфические требования к моделям навигационных систем вытекают из их принципов действия и особенностей функционирования.

По принципу действия навигационные системы роботов не отличаются от соответствующих измерительных систем, используемых в радио-, звуко- и гидронавигации, при физических измерениях и других исследованиях. Особенность заключается в том, что в робототехнике применяется почти весь арсенал средств из перечисленных областей, что приводит к более сложной процедуре классификации.

Навигационные системы роботов подразделяются на:

а) системы измерения угловых координат;

б) системы измерения дальности и скорости;

в) системы поиска и обнаружения.

Эти навигационные системы в свою очередь подразделяются на свои подсистемы различные по принципу действия и устройству.

1.1 Системы измерения угловых координат

1.1.1 Телевизионная угломерная система

Данная система предназначена для автоматического измерения угловых координат объекта в двух плоскостях: горизонтальной β и вертикальной ε. В состав системы (рис. 1.1) входят: телевизионная камера ТВК, имеющая в своем составе фокусирующую оптику, видикон или твердотельные оптические элементы; телевизионный приемник с разверткой изображения ТВП; монитор М для демонстрации изображения; оптический дискриминатор ОД; усилительные и фильтрующие элементы УФ; схема задержки СЗ; генератор стробов ГС; преобразователь времени задержки в напряжение П; приводы поворота ТВК по координатам β и ε.

Рисунок 1.1 – Телевизионная угломерная система

Система работает по замкнутому циклу и имеет два контура управления — внешний, замыкающийся через приводы поворота ТВК, и внутренний, замыкающийся через генератор стробов. Работа системы основана на так называемом принципе «следящего окна».

Перемещение изображения объекта в системе координат (β, ε) должно отслеживаться стробами, образующими «окно». Принцип слежения осуществляется следующим образом. Сигналы изображения объекта и сигналы стробов подаются на оптический дискриминатор ОД, где вырабатываются четыре напряжения, пропорциональные площади изображения участков объекта в каждом из стробов. Обозначим эти напряжения буквами  соответственно для стробов 1, 2, 3, 4 «следящего окна». Из этих напряжений формируются два сигнала рассогласования:

;

.                                                       (1.1)

Описанная система является дискретной, поскольку информация об угловом рассогласовании с ОД поступает с частотой следования кадров телевизионной развертки, а затем сглаживается и преобразуется в непрерывный сигнал при последующей фильтрации. По составу элементов – это система электромеханическая, поскольку исполнительными элементами поворотных приводов служат электродвигатели постоянного, переменного тока или шаговые. В последнем случае в преобразователе П выходным сигналом должен быть цифровой код.

1.1.2 Оптическая угломерная система со сканированием луча

Использование оптических сигналов в навигационных системах роботов весьма распространено. Чаще всего применяют инфракрасные и лазерные системы, у которых удается сформировать узкие лучи света и тем самым обеспечить высокую пространственную разрешающую способность и большую плотность потока мощности.

Функциональная схема системы изображена на рис. 1.2, на котором ГО – генератор оптического излучения с фокусирующей системой, СЗ – сканирующее зеркало, СП – световое пятно на поверхности объекта, ОП – приемник оптического сигнала, ИС – измерительная часть системы.

Генератор излучения, работающий в непрерывном режиме, с помощью фокусирующей оптической системы формирует узкий луч света, падающий на зеркало СЗ. Механизм поворота зеркала обеспечивает сканирование луча в секторе θ с периодом  так, что ось луча движется вдоль прямой линии на поверхности объекта. На своем пути световое пятно пересекает область стыка двух свариваемых листов. Отражательные способности поверхности и стыка листов различны. Середина импульса отраженного сигнала соответствует центру стыкуемых листов, поэтому интервал времени τ от начала отсчета до точки положения минимума амплитуды импульса будет характеризовать угловое отклонение β линии стыка от оси навигационной системы. Нетрудно получить формулу связи между τ и β в виде .

Рисунок 1.2 – Оптическая угломерная система со сканированием луча

Оптическая угломерная система со сканированием луча относится к классу дискретных систем, поскольку информация об угловом положении оси стыка поступает с периодом  и работает по разомкнутому циклу.

1.1.3 Индукционная угломерная система

В системах такого типа используется принцип электромагнитной индукции, взаимодействия между генерируемыми и наводимыми магнитными полями. На этом принципе, в частности, основаны навигационные системы, предназначенные для управления подвижными роботами, перемещающимися вдоль уложенных на поверхности (или под ней) металлических шин.

Генератор высокочастотных колебаний ГВК и индукционная катушка ИК создают в пространстве высокочастотное магнитное поле. В уложенной на поверхности металлической шине Ш индуктируется наведенное магнитное поле, под действием которого в катушках К1 и К2 генерируются переменные напряжения. Обмотки катушек включены последовательно и встречно, поэтому выходное переменное напряжение равно разности напряжений, наводимых в катушках. Если шина расположена симметрично относительно катушек, то суммарное напряжение  будет равно нулю. Если шина окажется расположенной несимметрично, т.е. появится угловое отклонение β центра катушек от оси шины, то возникает разность напряжений . При изменении знака β будет меняться фаза этого напряжения. В приемнике Пр напряжение  усиливается, фильтруется и подается на фазочувствительный выпрямитель ФЧВ, постоянно выходное напряжение U которого пропорционально амплитуде разностного переменного напряжения, а знак определяется фазой этого напряжения.

Исходя из описанного принципа действия, индукционная система относится к классу систем непрерывных, работающих по разомкнутому циклу, а по составу элементов – к электромагнитным.

1.1.4 Радиационная угломерная система

Для измерения координат объектов в условиях запыленности, отсутствия освещения, в специальных средах могут применяться источники радиоактивного излучения, располагаемые на объекте. В этом случае измеритель работает в пассивном режиме, используя поток радиоактивных частиц в качестве источника информации. Наличие потока частиц делает такие системы дискретными, а случайные моменты излучения – дискретными со случайным периодом следования импульсов. В основе построения радиационных систем лежит принцип измерения интенсивности излучения в точке приема, т.е. оценки средней частоты появления импульсных сигналов.

Рисунок 1.3 – Радиационная угломерная система

Радиационная угломерная система имеет два канала измерения (рис. 1.3), включающих коллиматоры излучения и детекторы КД, усилители-формирователи импульсов УФ, сглаживающие фильтры СФ и схему вычитания сигналов СВ. Напряжение с СВ подается на двигатель Д, поворачивающий платформу П с коллиматорами в направлении на источник излучения U так, чтобы он находился на оси коллиматоров. Система работает по принципу измерения рассогласования θ между направлением на источник β и угловым положением платформы у. Для получения напряжения, пропорционального рассогласованию, коллиматор выполнен в виде цилиндра из материала, поглощающего излучение. В качестве детектора обычно используют комбинацию из сцинтиллирующего кристалла и фотоумножителя, ионизационные камеры или полупроводниковые структуры. При различных углах θ положения источника И, относительно, оси коллиматора интенсивность ν зарегистрированного излучения будет различной. Зависимость интенсивности от θ называется диаграммой направленности коллиматора.

1.2 Системы измерения дальности и скорости

1.2.1 Акустическая дальномерная система

Импульсные ультразвуковые дальномеры нашли широкое применение на практике, в том числе при очувствлении роботов. Измерение дальности в ней основано на оценке времени запаздывания отраженного сигнала относительно момента его излучения. Дальность определяется по формуле: , где  – скорость распространения ультразвуковых колебаний, зависящих от своей среды; τ – время запаздывания отраженного сигнала.

Импульсы имеют длительность  и излучаются передатчиком периодически через интервал . На рис. 1.4 изображена функциональная схема дальномерной системы, в которой Пд – передатчик, Пр – приемное устройство, ВД – временной дискриминатор, УФ – усилительные и фильтрующие элементы, СС – схема сравнения, ГС – генератор стробов, ГПН – генератор пилообразного напряжения.

Отраженный от объекта О сигнал принимается, усиливается, детектируется в приемном устройстве и в форме видеоимпульса подается на временной дискриминатор. Этот импульс задержан относительно начала отсчета, совпадающего с моментом излучения, на время τ. В то же время на выходе системы существует напряжение U, пропорциональное уже измеренному на предыдущих периодах излучения значению дальности r, которое поступает на схему сравнения. На второй вход схемы подается сигнал с ГПН, который запускается импульсами передатчика в момент их излучения. ГПН вырабатывает линейно возрастающее напряжение до момента излучения следующего импульса, а затем процесс периодически повторяется.

Рис 1.4 – Акустическая дальномерная система

Система измерения дальности работает по замкнутому циклу и относится к системам дискретного действия потому, что носителями полезной информации о дальности до объекта в ней являются импульсные сигналы.

1.2.2 Лазерная дальномерная система

Использование лазерного излучения особенно перспективно в системах измерения дальности до элементов поверхности протяженных объектов, поскольку высококогерентное оптическое излучение позволяет формировать узкие световые пучки. Благодаря этому световое пятно на поверхности объекта оказывается небольшим и удается обеспечить высокое разрешение элементов поверхности.

На рис. 1.5 изображена функциональная схема лазерной дальномерной системы с непрерывным излучением. Лазерный генератор ЛГ оптического сигнала работает в непрерывном режиме и излучает оптический сигнал, проходящий через модулятор. В модуляторе сигнал по интенсивности моделируется периодическим сигналом , вырабатываемым генератором моделирующего сигнала ГМС. Луч света после модулятора отражается от сканирующего зеркала СЗ в направлении элемента поверхности, до которого измеряется дальность. Отраженный сигнал поступает в оптический приемник ОП и после него в виде напряжения  подается на фазовый детектор. Фаза этого напряжения  пропорциональна дальности r до точки отражения.

Рисунок 1.5 – Лазерная дальномерная система

Рассмотренная система относится к классу непрерывных, работающих по разомкнутому циклу управления.

1.2.3 Радиационная дальномерная система

Определение дальности до источника радиоактивного излучения основано на измерении интенсивности ν принятого излучения и последующем вычислении дальности, исходя из формулы , где I – активность источника; S – площадь детектора; Е – эффективность детектора; μ – коэффициент линейного поглощения среды.

Навигационное устройство построено по схеме, изображенной на рис. 1.6, где И — источник излучения на расстоянии r от локатора; КД1 и КД2 – коллиматоры с детекторами, расположенными на интервале d друг относительно друга; УФ – усилители-формирователи сигналов; СФ – сглаживающие фильтры; СД – схема деления напряжений; ФП – функциональный преобразователь; у – измеренное значение дальности r.

Рисунок 1.6 – Радиационная дальномерная система

Это навигационное устройство работает по принципу разомкнутого цикла и по составу элементов относится к классу электронных систем, так как все операции в нем производятся над электрическими сигналами. Недостатком системы является необходимость предварительного знания коэффициента поглощения среды. Чтобы избавиться от этой необходимости, систему можно строить по трехканальной схеме.

1.3 Системы поиска и обнаружения

1.3.1 Оптическая система поиска по угловым координатам

Если первоначальное положение объекта относительно системы неизвестно или известно с определенной долей вероятности, то этапу измерения координат предшествует этап поиска и обнаружения. Он необходим для решения вопроса о том, находится или отсутствует в зоне действия навигационной системы объект, и если он имеется, то каковы его координаты. Предварительное знание координат объекта на этапе поиска необходимо для наведения на объект систем измерения. При этом немаловажное значение имеют величины ошибок первоначальной сценки координат при поиске. Функциональная схема системы изображена на рис. 1.7.

Рисунок 1.7 – Оптическая система поиска по угловым координатам

Узкий оптический луч ОЛ формируется с помощью оптического генератора ОГ, фокусирующей системы ФС и с помощью сканирующего зеркала СЗ перемещается в горизонтальной плоскости в секторе θ с угловой скоростью . Если в секторе θ и в пределах дальности действия системы находится объект О, то отраженный от него сигнал преобразуется, усиливается в приемнике Пр и в виде напряжения U выдается на индикатор. Наличие шумового сигнала связано с наличием шумов приемного устройства и излучением фона. Напряжение U подается на устройство автоматического обнаружения полезного сигнала. В простейшем случае это пороговое устройство с уровнем срабатывания . При достижении напряжения U этого уровня выдается сигнал о наличии объекта в зоне поиска. Из-за шумов и фоновых помех процедура поиска и обнаружения имеет статистический характер, в результате чего возможны пропуски полезного сигнала или ложная остановка поиска из-за шумового выброса.

1.3.2 Акустическая система поиска по дальности

Принцип действия акустической системы поиска по дальности такой же как и принцип акустической дальномерной системы. Только тут обработка информации идет иным способом.

За каждый период излучения выбрасывается один строб – импульс поиска длительностью . С помощью схемы селекции строб – импульс «вырезает» из выходного напряжения приемника U участок длительностью  и формирует новое напряжение , пропорциональное площади «вырезанного» участка. Это напряжение запоминается на время  до следующего периода работы системы. В новом периоде строб – импульс вырабатывается с задержкой на время  равное его длительности, и в новь определяется значение напряжения . Весь цикл в интервале времени от нуля до  занимает  периодов излучения импульсов. Если в строб – импульс попадают только шумы, амплитуда напряжения  будет небольшой и случайной величиной, статически независимой от соседних значений. Если же в строб попадает полезный сигнал, то амплитуда сигнала возрастает.

Описанная система поиска по дальности в принципе не отличается от системы поиска по угловым координатам, за исключением дискретного характера сигнала на входе порогового устройства.

Осязание роботов

Создание по – настоящему разумного робота невозможно без датчиков, подобных органам чувств человека. О состоянии собственного тела мы можем судить и с закрытыми глазами – от нервных центров в мозт передаётся вся нужная информация. Системой «очувствления» должны обладать и самоуправляемые роботы. Англизируя информацию о состоянии внешней среды и своём собственном, ЭВМ принимает решение о составе и последовательности действий.

Первым чувством, которому «научили» роботов, было осязание. Датчики давления, температуры, влажности, встроенные в пальцы руки, позволяют роботу определять, есть ли рядом нужный предмет, каковы его размеры, форма, температура поверхности. Осязательными (тактильными) датчиками оснащены роботы третьего поколения. Движущиеся, ходячие роботы оповещаются о приближении к препятствию специальными антеннами.

Роботы, которые предназначены для сборки, должны уметь распознавать отдельные детали. В последнее время появилась возможность создания искусственных органов осязания, заменяющих пальцы рук человека. В качестве искусственных, ощупывающих окружающие предметы органов осязания используются ёмкостные, индукционные, температурные, радиоактивные и ультразвуковые щупы – датчики, которые способны превращать воздействия, получаемые ими от ощупываемого предмета, в определённые электрические сигналы.

Среди наиболее простых и наиболее распространённых датчиков внешней информации можно отметить так называемые контактные датчики. На концах схвата – руки робота устанавливают специальные выключатели, которые фиксируют факт прикосновения к детали или станку и посылают импульс в мозг робота. Десяток таких выключателей, расположенных не только внутри пальцев схвата, но и на наружной его поверхности (сверху, снизу, справа и слева), помогают роботу «на ощупь» определить положение детали или возникшего препятствия.

Однако человек, манипулируя предметом, фиксирует не только факт соприкосновения, но и ощущает давление руки на предмет через кожу и таким образом может регулировать усилие сжатия соответственно массе и прочности предмета. Такой датчик представляет собой, например, слой электропроводящего вспененного полиуретана, заключённого между тонкими металлическими пластинками. В зависимости от давления расстояние между пластинами меняется. Соответственно изменяется электрическое сопротивление цепи. Эти свойства искусственной чувствительной кожи уже используют при протезировании.

В качестве весьма грубого примера конструкции схвата манипулятора, ощущающего предметы, рассмотрим устройство манипулятора Эрнста (рис. 56), собранного им в конце 1961 года. Манипулятор оснащён двумя группами датчиков. Одну образуют датчики, установленные во всех подвижных сочленениях. Они посылают информацию о том, как механизм выполняет сигналы, управляющие движением всех сочленений руки. Это датчики внутренней обратной связи. Система непрерывно сравнивает те положения руки, которые задаёт управляющая машина, с положениями, которые рука занимает в действительности, и в соответствии с результатами этого сравнения ЭЦВМ непрерывно генерирует сигналы управления, устраняющие рассогласование, заставляя механическую руку занимать нужные положения и нужным образом менять их.

Вторая группа датчиков установлена на схвате. Именно эти датчики связывают руку с внешним миром. Схват, как обычно состоит из двух пальцев. Верхняя, нижняя и передняя плоскости каждого пальца оснащены контактными датчиками, работающими в двоичном коде: включён – выключен. Эти датчики сигнализируют о том, что рука наткнулась на объект нерабочим участком. На внутренней и рабочей передней плоскостях каждого пальца расположено ещё по восемь датчиков. Они работают уже не в двоичном коде, а генерируют сигналы, уровень которых пропорционален силе нажатия на датчик. Шесть из них расположены на рабочих плоскостях схвата и информируют о том, какие части плоскостей участвуют в схвате и с какой силой пальцы сжимают объект.

Рис. 56. Манипулятор Эрнста:

1 – датчик, определяющий положение объекта между пальцами схвата;

2 – датчик сигнализации соприкосновения с нерабочими участками пальцев;

3 – датчик, сигнализирующий о расположении схватываемого объекта;

4 – фотодиод, реагирующий на тень объекта;

5 – датчики, сигнализирующие о соприкосновении с объектом;

6 – датчик, включающийся при соприкосновении руки со столом

Два датчика, расположенные на передних плоскостях пальцев, регистрируют силу сопротивления движению схвата со стороны объекта. В случае, если рука с ним сталкивается в процессе движения, эти датчики позволяют получить информацию о протяжённости и размерах этого объекта.

Таким образом, схват – его рабочие и нерабочие поверхности – снабжён подобием осязания и очувствлен по силе сжатия. Кроме того, на передних поверхностях пальцев между датчиками осязания помещено по глазу – фотодиоду, реагирующему на затенение: когда рука приближается к какому – либо объекту, но ещё не коснулась его, в машину поступает сигнал о приближении и о необходимости снизить скорость перемещения. ЭЦВМ принимает, обрабатывает и использует принятую информацию при реализации заданной программы.

Манипулятор Эрнста работает как робот с «завязанными глазами». Датчики, которыми он оснащён, собирают информацию вслепую – осязанием, «на ощупь». Он не может отделить процесс сбора информации от процесса движения, сначала получить представление о ситуации, сложившейся во внешнем мире, и только затем начать действовать. Именно поэтому он вынужден искать их один за другим. А настоящий робот должен иметь такие органы чувств, которые дали бы ему возможность предпослать движению сбор информации.