Сенсорные системы #2

Тактильные сенсоры, помимо получения информации о контакте, применяются и для определения размеров объектов (путем их ощупывания). Они реализуются на концевых выключателях, герметизированных магнитоуправляемых контактах, на основе токопроводящей резины ("искусственная кожа") и т.д.
Важным требованием, предъявляемым к этим устройствам, является высокая чувствительность (срабатывание при усилии в единицы и десятки грамм), малые габариты, высокая механическая прочность и надежность.

Сенсорные системы ближнего действия обеспечивают получение информации об объектах, расположенных в непосредственной близости от рабочего органа манипулятора или корпуса робота, т.е. на расстояниях, соизмеримых с их размерами. К таким системам относятся оптические локаторы, дальномеры, дистанционные измерители плотности грунта и т.п. Такие бесконтактные устройства технически сложнее контактных, но позволяют роботу выполнять задание с большей скоростью, заранее выдавая информацию о различных объектах до соприкосновения с ними.

Сенсорные системы дальнего действия служат для получения информации о внешней среде в объеме всей рабочей зоны манипуляторов роботов и окружающей среды мобильного робота.

Сенсорные системы сверхдальнего действия применяются главным образом в мобильных роботах. К ним относятся различные навигационные системы, локаторы и другие сенсорные системы соответствующей дальности действия. Эти устройства находят применение и в стационарных роботах при работе с подвижными объектами, чтобы заранее предвидеть их появление в рабочей зоне.

Сенсорные системы дальнего и сверхдальнего действия могут размещаться как на роботе, так и вне его (для получения информации со стороны).

В бесконтактных сенсорных системах для получения требуемой информации используются излучаемые ими специальные сигналы (оптические, радиотехнические, ультразвуковые и т.д.) и естественные излучения среды и ее объектов. В зависимости от этого различают активные и пассивные сенсорные системы. Активные сенсорные системы имеют передатчик, излучающий первичный сигнал, и приемник, регистрирующий прошедший через среду прямой сигнал или вторичный сигнал, отраженный от объектов среды. Пассивные системы имеют, естественно, только приемное устройство, а роль излучателя играют сами объекты внешней среды. Поэтому пассивные сенсорные системы технически обычно проще и дешевле активных, но менее универсальны. Для некоторых применений важна также скрытность действия пассивных систем. Заметим, что все органы чувств человека являются пассивными. Однако у некоторых животных, у которых такого типа системы и, прежде всего, зрение не обеспечивают их необходимой информацией, существуют и активные сенсорные системы (у летучих мышей, дельфинов).

Для очувствления роботов наиболее широкое применение получили системы технического зрения, локационные, силомоментные и тактильные системы. Самыми универсальными из них являются системы технического зрения (СТЗ), развитие которых и использующих их очувствленных роботов стало одним из определяющих направлений развития современной робототехники в целом. По сравнению со зрением живых организмов задачи технического зрения проще в том отношении, что, как правило, здесь существенно более ограничен и заранее предопределен перечень объектов внешней среды, с которыми предстоит иметь дело. Часто также существует возможность специально организовать внешнюю среду для облегчения работы видеосистем. Например, для распознавания объектов можно маркировать их, применять контрастирующие с объектами поверхности, на которых они расположены, специальные системы освещения и т.д.

Вместе с тем по сравнению с видеосистемами других назначений к системам, предназначенным для использования в составе роботов, предъявляются такие важные требования, как необходимость работать в реальном масштабе времени и иметь высокую надежность при достаточно невысокой стоимости.

СТЗ могут быть монокулярными, бинокулярными (стереозрение) и многоракурсными (с большим числом "точек зрения"). Специфическим для роботов вариантом является применение подвижных видеосенсорных устройств, в том числе размещаемых непосредственно на манипуляторах.

В качестве типового примера СТЗ современных роботов приведена функциональная схема СТЗ космического манипулятора "Дорес". Видеопроцессор СТЗ манипулятора "Дорес" имеет тактовую частоту 160 МГц, три блока памяти по 512 К, скорость передачи данных до 240 Мбит/с.

Основные функции системы технологического зрения "Дорес":

- распознавание объектов внешней среды;

- определение геометрических параметров и координат для обеспечения автоматических манипуляционных операций с объектами (захват, перемещение, выполнение сборочных и других технологических операций);

- выдача видеоинформации на пульт оператора.

Система имеет модификации: чернобелые, цветные, стерео- и многоракурсные. Погрешность определения координат объектов размером до 20 см:

- на расстоянии 2 м - 1 см, 10°;

- на расстоянии 0,5 м - не более 2 мм, 1°.

С увеличением размеров объекта точность возрастает. Время распознавания и оценки координат объектов на базе ПК типа Pentium III - 0,2 с.

Структурно-параметрическая адаптация обеспечивает приспособление системы к нарушениям фокусировки, изменениям освещенности, контрастности, положения объектов, фона. Параметром адаптации является также размер единичного элемента, на которые разбивается исходное изображение при его оцифровке. Процесс адаптации заключается в многократном обучении формированию самостоятельных реакций на указанные выше изменения внешней обстановки. Критериями оптимальности при этом являются быстродействие и вероятность распознавания. Сам процесс адаптации состоит из несколько этапов, включающих грубую и точную подстройки структуры и параметров на основе модифицированных генетических алгоритмов.

Для получения стереоизображения система дополняется второй видеокамерой общего вида рабочей зоны, отстоящей от первой в горизонтальной плоскости на определенное расстояние (базу), которое определяет стереоэффект.

При выполнении роботом инспекционных операций для получения объемного изображения объектов внешней среды может использоваться камера на захватном устройстве манипулятора. Путем перемещения этой камеры манипулятором можно реализовать многоракурсную систему зрения, включая получение трехмерных изображений отдельных объектов путем их осмотра со всех сторон.

В случае мобильных роботов для получения более точного значения третьей координаты (дальности) традиционно используются лазерные и радиотехнические дальномеры.

Для управления роботами со стороны оператора в качестве альтернативы задающей рукоятки создаются различные бесконтактные устройства, в том числе использующие голосовой канал. Оригинальным средством такого бесконтактного управления является оптико-телевизионная система позицирования для целеуказания и наведения робота путем изменения положения головы или руки оператора. Аппаратура такой системы включает в себя укрепленное на шлеме оператора реперное устройство с тремя фотодиодами, вычислитель и телекамеру. Система выполняет функции целеуказания и задающей рукоятки, задавая шесть координат (три угла и три линейных перемещения). Аналогично используются очувствленные перчатки, надеваемые на руку оператора.

Основные параметры системы:

- погрешность измерения линейных координат - 0,1 % от дальности;

- погрешность измерения углов - 20';

- частота выдачи информации 100 Гц.

В случаях, когда в системе очувствления используется несколько расположенных в разных местах передающих камер СТЗ, возникает задача обеспечения инвариантности получаемых от них первичных изображений от места нахождения камеры. Особенно важно качественное решение этой задачи для визуализации рабочей зоны робота на пульте оператора, участвующего в управлении роботом. Такая задача, например, решена в СТЗ системы управления манипуляторами космического корабля "Буран" .

Одной из особенностей СТЗ подводных роботов, функционирующих у дна, является регулярная потеря видимости из-за поднимающихся со дна взвесей, вызванных движениями робота. Для преодоления этой трудности используют супер-визорный режим управления по информации от СТЗ, когда последняя состоит из отдельных кадров, получаемых в моменты просветления водной среды и появления видимости. Между этими моментами робот функционирует "вслепую" на основе экстраполяции.

В случаях, когда требуется обеспе-чить максимальное быстродействие СТЗ, включая распознавание объектов внешней среды (быстродвигающийся мобильный робот, наличие подвижных объектов во внешней среде), используются передающие камеры с параллельным съемом информации и такой же последующей обработкой информации на многослойных нейронных структурах. На них же осуществляется запоминание эталонных и текущих образцов объектов внешней среды.

Известно, что для типовых исполнений таких сенсорных устройств, как пассивные телевизионные камеры, характерно наличие недостоверных ситуаций при малоконтрастной сцене обзора, а также при плохой видимости. Существующие методы устранения этих недостатков связаны с применением стереозрения, структурированной подсветки, а также сложных алгоритмов спектрального анализа получаемого изображения. Однако эти методы требуют значительных вычислительных затрат и увеличения массогабаритных параметров устройств сбора и обработки информации. В частности, для автономных мобильных роботов (АМР), функционирующих в условиях труднопроходимого рельефа, сложность задач совместного анализа последовательности изображений, поступающих с одной или нескольких телекамер, необходимого для определения пространственных координат объектов внешней среды, резко возрастает. Поэтому для подобных роботов более эффективными являются активные локационные системы. К таким системам относятся ультразвуковые, радиолокационные и лазерные устройства, позволяющие получать информацию о внешней среде непосредственно в виде ее геометрических характеристик, что значительно упрощает последующую обработку.

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.