Сенсорные системы IR #3

Сенсорные системы #3

Следует отметить, что среди существующих и перспективных дальномерных систем наилучшим образом требованиям, предъявляемым к бортовым системам мобильных роботов, отвечают устройства на основе сканирующего лазерного дальномера (СЛД), которые характеризуются сравнительно небольшим энергопотреблением, массой, компактны, обладают достаточным быстродействием, разрешающей способностью и точностью измерений.

Высокая точность определения координат объектов с помощью лазерных дальномеров объясняется острой направленностью луча лазера. В таком локаторе лазерный луч через передающую оптическую систему направляется на объект. При этом часть отраженного сигнала с помощью объектива и узкополостного оптического фильтра поступает на фотоэлектронный детектор и фотоумножитель. Сигнал с фотоумножителя усиливается и измеряется. По числу импульсов, поступивших на измеритель за определенный промежуток времени, можно определить расстояние (импульсный режим работы). Следует однако отметить, что лазерные дальномеры с импульсной модуляцией непригодны для измерения расстояния менее 3 м. так как интервал времени между прямым и отраженным сигналом становится соизмеримым с длительностью излучаемого импульса. Для измерения малых расстояний используется фазовый метод, когда расстояния определяют путем сравнения фаз модулирующих колебаний, соответствующих моменту излучения и моменту прихода отраженных сигналов в приемное устройство локатора.

В качестве примера современного СЛД, который может быть использован в системе управления адаптивного мобильного робота, рассмотрим СЛД, разработанный в Балтийском государственном техническом университете под руководством профессора В. А. Веселова.

СЛД позволяет измерять геометрические характеристики среды в сферической системе координат в виде дискретного набора угловых положений луча дальномера и дальностей, отсчитанных от некоторого начала координат, связанного с измерителем, до точек среды. Структура СЛД приведена на рисунке снизу.

Основным элементом СЛД является быстродействующий полупроводниковый лазерный измеритель расстояний 7, автоматически измеряющий расстояния до поверхностей с диффузным характером отражения и коэффициентом отражения на длине волны излучения, большим 0,05. В дальномере используется фазоимпульсный метод, позволяющий измерять расстояния в диапазоне 0,2...7 м с погрешностью 3 см. Для устранения в системе оптического параллакса оси излучателя и приемника совмещены.

Закон просмотра внешней среды реализуется устройством обзора 2. Его основным элементом является зеркало 3, приводимое в колебательное движение устройством 4 и осуществляющее тем самым сканирование среды по углу Угловое положение луча определяется посредством дискретного датчика 5, связанного с зеркалом и позволяющего измерять угол с дискретностью в 0,5°. Сектор сканирования может смещаться по углу места и углу возвышения посредством управляемых приводов б и 7. При этом величины углов а2, а, определяются датчиками 8 и 9.

Организация совместной работы лазерного измерителя расстояний и устройства обзора, а также взаимодействие с внешними устройствами осуществляется посредством устройства управления 10. Основные технические характеристики СЛД приведены ниже.

Другим примером современных СЛД являются лазерные дальномеры известной фирмы SICK. СЛД серии LMS 200 (Laser Measurement System) имеет два режима работы;

- в "миллиметровом" режиме (nunmode) дальномер позволяет измерять расстояния в диапазоне 1...8м с погрешностью +0,015 м;

- в "сантиметровом" режиме (ст-mode) измеряемая дальность увеличивается до 80 м, однако это сопровождается увеличением погрешности измерения до .±0,04 м (кроме того, в данном режиме погрешность измерения гарантируется только при измеряемой дальности до 20...25 м).

Сканирование может осуществляться в секторе 0...1800 с дискретностью 0,25, 0,50 и 1,00°; время сканирования составляет 56, 23 и 13 мс соответственно. Габаритные размеры прибора - 155 х 156 х х120мм; потребляемая мощность - не более 20 Вт. Для связи с внешними устройствами используется стандартный интерфейс RS232/RS422.

По своим характеристикам данные дальномеры могут использоваться в бортовых системах управления мобильных роботов, однако необходимо учитывать, что дальномер обеспечивает сканирование только в одной плоскости (либо по азимуту, либо по возвышению). Для обеспечения пространственного сканирования необходимо использовать дополнительную электронно-механическую подсистему, что неизбежно вызовет увеличение массогабаритных характеристик.