/
Author: Воротников С.А.
Tags: автоматика системы автоматического управления и регулирования интеллектуальная техника технология управления оборудование систем управления техническая кибернетика кибернетика робототехника
ISBN: 5-7038-2207-6
Year: 2005
Text
С.А. Воротников
Информационные
ш ушфбцдоО
роб 0'1' 0'1' У АНН И Н ОНИАХ
Издательство МГТУ
имени Н.Э. Баумана
С.А. Воротников
Информационные
устройства
робототехнических
систем
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений,
обучающихся по направлению
«Механотроника и робототехника»
Москва
Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана
2005
УДК 681.5(075.8)
ББК 32.816
В75
Рецензенты, д-р техн, наук, проф. Ю.В. Подураев (кафедра «Робототех-
ника и мехатроника» МГТУ «Станкин»), д-р техн наук, проф.
В.Г. Запускалов
Воротников С.А.
В75 Информационные устройства робототехнических систем Учеб пособие —
М.: Изд-во МП У им Н.Э. Баумана, 2005. — 384 с.; ил. (Робототехника / Под
ред. С.Л. Зенкевича, А.С. Ющенко).
ISBN 5-7038-2207-6
Изложены принципы действия, характеристики и примеры построения информа-
ционных устройств робототехнических систем. Даны основы расчета кинестетических,
локационных, визуальных и тактильных датчиков, показаны способы их сопряжения с
системами управления роботов. Приведены алгоритмы обработки сенсорной инфор-
мации. Рассмотрены варианты реализации различных сенсорных функций в биони-
ческих системах.
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который автор читает
в МГТУ им. 11 Э Баумана.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Ро-
боты и робототехнические системы», а также но специальностям, связанным с разра-
боткой информационного обеспечения технических систем. Представляет интерес для
аспирантов и специалистов, занимающихся созданием и применением средств робото-
техники.
УДК 681.5(075.8)
ББК 32.816
ISBN 5-7038-2207-6
© С А. Воротников, 2005
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005
© Оформление. Издательство МГТУ им. 11.Э. Баумана, 2005
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.................................................. 9
Введение...................................................... И
В1. Робототехника, мехатропика и информационные системы... 11
В2. Основные понятия и определения......................... 14
ВЗ. Бионические аспекты информационных систем.............. 19
ВЗ. 1. Общие сведения.................................... 19
ВЗ 2. Кинестетическая рецепция.......................... 22
ВЗ.З. Слуховая рецепция................................. 24
В3.4. Зрительная рецепция............................... 26
В3.5. Особенности тактильной рецепции................... 28
В4. Понятие об информационном подходе..................... 29
Кон трольные вопросы .................................... 32
1. Общие сведения о датчиках информационно-измерительных
систем..................................................... 33
1.1. Датчики и их характеристики.......................... 33
1.2. Процесс измерений. Информационная модель............. 41
1.3. Способы компенсации и учета цюрешности............... 46
Контрольные вопросы....................................... 50
2. Элементы информационных систем........................... 51
2.1. Чувствительные элементы датчиков..................... 51
2.1.1. Резистивные чувствительные элементы............ 51
2.1.2. Электромагнитные чувствительные элементы....... 56
2.1.3. Преобразователи Холла.......................... 59
2.1.4. Оптические чувствительные элементы............. 62
2.1.5. Пьезоэлектрические чувствительные элементы..... 66
2.2. Измерительные схемы датчиков......................... 71
2.2.1. Общие сведения................................. 71
2.2.2. Параметрические схемы датчиков................. 72
2 2.3. Генераторные измерительные схемы............ 79
2.3. Измерительные усилители.............................. 81
Кон I рольные вопросы..................................... 88
5
Оглавление
3. Кинестетические датчики.................................. 89
3.1. Датчики положения и перемещения...................... 89
3.2. Резистивные датчики положения........................ 90
3.3. Электромагнитные датчики положения................... 97
3.3.1. Общие сведения................................. 97
3.3.2. Резольверы.................................... 100
3.3.3. Растровые электромагнитные датчики положения... 112
3.3.4. Редуктосины................................... 115
3.3.5. Индуктосины................................... 117
3.4. Фотоэлектрические датчики положения................ 120
3.4.1. Общие сведения................................. 120
3.4.2. Растровые оптические датчики положения........ 121
3.4.3. Импульсные оптические датчики положения ...... 126
3.4 4. Кодовые оптические датчики положения......... 129
3.4.5. Прецизионные оптические датчики положения..... 132
Контрольные вопросы..................................... 136
4. Измерение скорости и динамических факторов.............. 137
4.1. Датчики скорости................................... 137
4.1.1. Тахогенераторы переменного тока................ 138
4.1.2. Тахогенераторы постоянного тока............... 142
4.2. Датчики динамических величин........................ 145
4.2.1. Пьезоэлектрические датчики.................... 146
4.2.2. Магнитоупругие датчики........................ 153
4.2.3. Электростатические датчики..................... 157
4.2.4. Электромагнитные датчики...................... 162
Контрольные вопросы...................................... 165
5. Локационные информационные системы...................... 167
5.1. Теоретические основы локации........................ 167
5.1.1. Общие сведения................................ 167
5.1.2. Направленность излучения...................... 170
5.1.3. Модуляция и детектирование сигналов........... 173
5.2. Электромагнитные локационные системы................ 183
5.2.1. Магнитные локационные системы.................. 183
5.2.2. Вихретоковые локационные системы.............. 186
5.2.3. Электромагнитные локационные системы
специального назначения.............................. 191
5.3. Акустические локационные системы................... 195
5.3.1. Общие сведения................................ 195
5.3.2. Звук и его основные характеристики............ 196
5.3.3. Акустические свойства среды................... 200
6
Оглавление
5.3.4. Направленность и модуляция в акустической локации. 203
5.3.5. Датчики и системы акустической локации......... 205
5.3.6. Акустические локационные системы специального
назначения............................................ 216
5.3.7. Основы цифровой записи звука................... 218
5.4. Оптические локационные системы....................... 220
5.4.1. Теоретические основы оптики.................... 220
5.4.2. Оптическая система и ее характеристики......... 224
5.4.3. Элементы и схемы оптических локационных систем.... 229
5.4.4. Лазерные оптические локационные системы........ 236
Контрольные вопросы....................................... 241
6. Системы технического зрения.............................. 243
6.1. Общие сведения....................................... 243
6.2. Основы формирования и передачи изображения........... 250
6.2.1. Понятие о видеосигнале............................ 251
6.2.2. Способы кодирования цвета...................... 254
6.3. Датчики изображения.................................. 263
6.3.1. Общие сведения................................. 263
6.3.2. Видиконы....................................... 268
6.3.3. Телекамеры на приборах с зарядовой связью...... 270
6.3.4. Телекамеры с фотодиодной матрицей.............. 274
6.4. Устройства ввода и хранения изображения.............. 276
6.4.1. Общие сведения................................. 276
6.4.2. Способы хранения изображения................... 280
6.4.3. Кодирование видеосигнала....................... 283
6.5. Форматы хранения изображения в СТЗ................... 285
6.5.1. Общие сведения................................. 285
6.5.2. Структура графического файла................... 288
6.5.3. Сжатие изображения............................. 290
6.6. Базовые алгоритмы обработки изображения.............. 300
6.6.1. Общие сведения................................. 300
6.6.2. Предварительная обработка изображения.......... 303
6.6.3. Сегментация.................................... 313
6.6.4. Кодирование изображения........................ 315
6.6.5. Описание изображения........................... 316
6.7. Распознавание изображения............................ 319
6.7.1. Основные методы................................ 319
6.7.2. Особенности получения трехмерного изображения..... 323
Контрольные вопросы....................................... 326
7. Системы тактильного типа................................. 327
7.1. Общие сведения....................................... 327
7.2. Контакт и его особенности............................ 328
7.3. Принципы силомоментного очувствления роботов......... 330
7
Оглавление
7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов..... 336
7.4.1. Конструктивные схемы датчиков................ 336
7.4.2. Упругие элементы и измерительные цепи
силомоментных датчиков.............................. 347
7.4.3. Датчики с совмещенными чувствительными
элементами.......................................... 351
7.5. Методы распознавания контактных ситуаций.......... 355
7.6. Организация управления роботом с силомоментным
очувствлением.......................................... 361
7.7. Тактильные датчики................................ 363
7.7.1. Общие сведения............................... 363
7.7.2. Тактильные датчики касания и контактного давления. 365
7.7.3.1 актильныс датчики проскальзывания........... 368
Контрольные вопросы.................................... 370
Заключение................................................ 371
Приложение................................................ 372
Список литературы......................................... 378
Предметный указатель...................................... 380
ПРЕДИСЛОВИЕ
Подготовка студентов в рамках специальности «Роботы и робототехниче-
ские системы» проводится в МГТУ им. Н.Э. Баумана уже более 10 лет. Один
из важных разделов робототехники — информационное обеспечение робото-
технических систем — является, пожалуй, наиболее бурно развивающимся.
Появившиеся в последние годы новые принципы получения и хранения
информации, эффективные алгоритмы обработки данных в первую очередь
внедряют в высокотехнологичных областях техники, к которым относится
робототехника В то же время существующая литература по этой тематике
весьма ограничена и быстро устаревает. Кроме того, приводимые в ней све-
дения зачастую имеют рекламный характер и не позволяют судить о действи-
тельных характеристиках датчиков и информационных систем Настоящее
учебное пособие предназначено устранить указанные недостатки.
Рассмотреть в рамках одной книги все используемые в робототехнике
информационные устройства невозможно. В данном издании предложен
бионический подход, в соответствии с которым рассмотрены лишь те ин-
формационные устройства, которые реализуют некоторую сенсорную
функцию человека. Наиболее распространенных сенсорных функций четыре
(кинестетическая, тактильная, слуховая и визуальная). Технической реали-
зации каждой из этих функций в книге посвящена отдельная глава.
Несколько слов о структуре книги. Условно она состоит из трех частей.
В первую входят введение и первая глава, где приводятся основные прин-
ципы построения сенсорных систем человека и рассматриваются общие во-
просы построения информационных систем роботов. Приведенные в первой
части пособия аналитические зависимости позволяю! рассчитать важней-
шие параметры датчика: чувствительность, частотную характеристику, бы-
стродействие и т. п., а также определить его функцию преобразования и
погрешности.
Вторая часть (гл. 2—4) посвящена вопросам проектирования информа-
ционных устройств, их чувствительных элементов, измерительных схем и
усилителей, образующих аналоговый канал преобразования информации.
Приведены примеры построения кинестетических датчиков, составляющих
основу информационного обеспечения современных роботов и включаю-
щих датчики положения, скорости и динамических факторов.
В третьей части книги (гл. 5—7) рассмотрены информационные системы
адаптивных роботов: локационная, визуальная и тактильная. При построе-
нии этих систем использованы приведенные ранее методы проектирования.
Кроме того, поскольку информационная система представляет собой сово-
купность аппаратно-программных средств, значительное внимание уделено
рассмотрению базовых алгоритмов обработки информации.
9
Предисловие
Автор предполагает, что читатель владеет материалом курсов физики,
высшей математики, элекгроники, основ робототехники и управления тех-
ническими системами в объеме программ высших учебных заведений.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедры «Робо-
тотехнические системы» МГТУ им Н.Э. Баумана и ее заведующему,
д-ру техн, наук, проф. А.С. Ющенко за помощь в работе над книгой; рецен-
зентам — заведующему кафедрой «Робототехника и мехатроника» МГТУ
«Станкин», д-ру техн, наук, проф. Ю.В. Подураеву и главному научному
сотруднику МНПО «Спектр», д-ру техн, наук, проф. В.Г. Запускалову за
ценные замечания, а также редактору издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана
Е.Н. Ставицкой.
ВВЕДЕНИЕ
Bl. Робототехника, мехатроника и информационные
системы
Робототехника сформировалась в 60-х годах XX в. как наука о технических
устройствах, способных работать самостоятельно, принимать решения и заме-
нять человека при выполнении сложных операций. Первый этап развития ро-
бототехники был свя1ан с созданием промышленных роботов, которые полу-
чили широкое применение в машиностроении при обслуживании металлоре-
жущих станков, прессов, метал 1ургических агрегатов, т. с. для замены челове-
ка при выполнении однообразной, утомительной и зачастую небезопасной для
здоровья работы. Роботы первого поколения представляли собой манипулято-
ры — механические руки, имеющие до шести степеней подвижности и управ-
ляемые по заранее составленной программе. Несмотря на то что в промыш-
ленности область применения подобных устройств обширна, довольно быстро
выяснились ограничения по их использованию. Например, при сборке узла с
помощью робота последний должен взять необходимые детали с монтаж-
ного стола или конвейера. Поскольку робот управляется по жесткой
программе, местоположение каждой детали и се ориентация должны быть
достаточно точно определены. Поэтому приходилось создавать дорогостоя-
щую оснастку — специальные приспособления для размещения и ориентиро-
вания детали с точностью функционирования робота.
Эта особенность существенно отличает работу роботов первого поколения
от работы человека, которого он должен заменить. Человек благодаря зрению,
слуху и осязанию легко выполняет аналогичные действия даже в том случае,
если деталь или заготовка произвольно ориентирована, несколько смещена
или повернута. Для жестко запрограммированного робота это невозможно,
потому что он слсн и бесчувственен по сравнению с человеком.
Именно отсутствие органов чувств у промышленных роботов первого
поколения привело к кризису в мировой робототехнике к концу 80-х годов
XX в. Имеющиеся образцы промышленных роботов быстро закрыли ту ни-
шу, в которой их применение было экономически оправданным. В то же
время надежных и недорогих роботов, способных видеть, чувствовать и
приспосабливаться (адаптироваться) к изменяющейся обстановке, еще не
было. Производство промышленных роботов повсеместно стало сокращать-
ся. Только к середине 90-х годов XX в положение начало понемногу ис-
правляться благодаря тому, что на рынке передовых промышленно разви-
тых стран — Японии, США, Германии — появились оснащенные сенсор-
ными устройствами промышленные роботы, способные к адаптации.
11
Введение
На рубеже XX—XXI веков робототехника стала широко внедряться в
непромышленные сферы человеческой деятельности. Это — спасательные
работы на месте техногенных аварий и катастроф, разведка полезных иско-
паемых на морском дне, работы в космическом пространстве, борьба с тер-
роризмом, обезвреживание взрывоопасных предметов и т. п. Роботы начали
успешно применяться в медицине для решения задач диагностики и дистан-
ционной хирургии. Подобные роботы не могут выполнять своих функций
без техническою зрения, тактильного ощущения, оценки развиваемых сил и
моментов. Поэтому их появление и активное применение было связано с
разработкой надежных сенсорных систем.
Наряду с робототехникой сейчас часто употребляют термин «мсхатро-
ника». Появился он примерно в 80-х годах XX в. в известном смысле как
развитие понятия «электромеханика». Различие этих, на первый взгляд
тождественных, понятий заключается в разном уровне используемых элек-
тронных решений. Мехатроника предполагает непосредственное внедрение
микроэлектронных систем в систему управления, в некотором роде синтез
электроники и механики, позволяющий создавать эффективные регуляторы.
В дальнейшем термин «мехатроника» был существенно обобщен, в резуль-
тате чего к мехатронным системам стали относить практически любые
сложные технические системы, содержащие механическую и электронную
части и управляемые компьютером. В результате роботы также оказались
мехатронными системами. Однако термин «мехатроника», конечно, шире. К
этой области относятся также системы, которые не являются робототехни-
ческими, например: системы управления комплексами технологического
оборудования, обрабатывающие центры, системы поддержания заданной
температуры в помещении. Функционирование таких систем связано с вы-
полнением разнообразных измерений, для чего их также оснащают соответ-
ствующими сенсорными устройствами.
Можно констатировать, что создание информационно-сенсорных систем
является самостоятельным, имеющим очень широкое применение и в робо-
тотехнике, и в мсхатронике направлением. Однако его возникновение не
связано непосредственно с этими науками. Любой процесс управления
предполагает наличие обратной связи, а ее реализация требует датчиков об-
ратной связи, измеряющих регулируемые парамегры (координаты, скорость,
температуру и т. п.). В настоящее время наука о технических измерениях
вступила в новую фазу, связанную с применением сенсорных устройств в
мехатронике и робототехнике. Эта новая фаза состоит в переходе от отдель-
ных датчиков к сложным измерительным системам, которые в большинстве
случаев предполагают довольно сложные способы обработки информации,
поступающей от этих датчиков. Примером может служить система техниче-
ского зрения робота. Функциональная особенность такой системы состоит в
том, чю она позволяет получать комплексную характеристику окружающей
обстановки. Таким образом, в робототехнических и мехатронных системах
наряду с датчиками состояния системы, характерными для любых систем
управления, появляются датчики состояния внешнего мира.
12
ВI Робототехника, мехатроника и информационные системы
Информация является одним из наиболее часто употребляемых понятий
современной пауки и техники. Однако до сегодняшнего дня нс существует
даже общепринятого определения этого понятия. В различных отраслях
знания термин «информация» трактуют по-своему, причем даже в технике
имеется много разных его формулировок. Согласно наиболее известным из
них, информация — это обозначение содержания, полученного от внешнего
мира в процессе приспособления к нему (Н. Випер), отрицание энтропии
(Л. Бриллюэн), коммуникация и связь, в процессе которой устраняется не-
определенность (К. Шеннон), передача разнообразия (У. Эшби), мера слож-
ности структур (А. Моль), вероятность выбора (А. Яглом), совокупность
некоторых данных, сведений о системе, переданных ею в виде сообщения
другой системе в процессе связи (Энциклопедия кибернетики). Заметим, что
последнее определение является практически дословным переводом латин-
ского термина informatio {сведения}.
В современной науке мысль о том, что информацию следует рассматри-
вать как нечто самостоятельное, возникла в начале 50-х годов XX в. вместе
с кибернетикой, изучающей процессы управления и развития любых систем.
Родоначальник кибернетики — профессор Массачусетского технологиче-
ского института (США) II. Винер считал информацию ключевым понятием
новой науки. Среди ученых, чьи идеи легли в основу новой науки, он
называл Платона, А. Ампера и Д. Максвелла, отмечая особое значение работ
советских математиков Н Боголюбова и А. Колмогорова. По мнению
А. Колмогорова, цель кибернетики заключалась в изучении систем любой
природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию
и использовать се для управления и регулирования. Информационное обес-
печение подобных систем уже нельзя было рассматривать отдельно от их
структуры и свойств. Система поглощает информацию из внешней среды и
использует се для выбора правильного поведения. Информационные потоки
начинают циркулировать по цепям управления. Прибором, передающим
информацию в контур управления, является датчик, от характеристик кото-
рого в значительной степени зависит качество управления.
Остановимся немного подробнее на истории вопроса, перечислив основ-
ные вехи, связанные со становлением теории и практики информационных
систем. История активного использования информации для задач управле-
ния насчитывает нс более 50 лет. Однако первые регуляторы и датчики поя-
вились гораздо раньше. Так, сведения о регуляторах содержались еще в ма-
териалах Александрийской библиотеки, сгоревшей в средние века. Первые
промышленные датчики также появились давно. По-видимому, одним из
первых был механический датчик, установленный в 1720 г. в «автоматиче-
ском суппорте» (токарно-копировальном станке) Нартова. Первый электри-
ческий датчик (электромагнитное реле Шеллинга) появился в 1830 г., а
электромеханический (рельсовый индикатор) — в 1880 г.
В дальнейшем датчики систем автоматического регулирования развива-
лись по пути измерения одного из параметров объекта регулирования (угла,
давления, температуры и т. д.), что позволило создать следящие системы
управления заданным параметром. В середине XX в. появились копирую-
13
Введение
щие манипуляторы, а в 1954 г. американцем Д. Деволом был получен патент
на «программируемое шарнирное устройство для переноски» — первый
программируемый манипулятор. В конце 50-х годов им же совместно с
Д. Энгельбергером была организована фирма Unimation, которая в 1959 г.
выпустила первый промышленный робот Unimate. Этот робот содержал
контур обратной связи по положению, в котором перемещения звеньев ма-
нипулятора измеряли установленные в них датчики. Датчики углового и ли-
нейного перемещения и сегодня составляют основу информационного обес-
печения робототехнических и мехатронных систем.
В середине 60-х годов стало очевидно, что гибкость программируемых
роботов может быть повышена при использовании систем очувствления,
основанных на применении датчиков среды. Первая система такого типа —
тактильная — была разработана X. Эрнстом в рамках проекта «Mechanical
Hand-1». Она позволяла роботу укладывать кирпичные блоки без помощи
оператора. Наконец, в начале 70-х годов по проекту «Stanford Arm» группа
Р. Нола создала мультимодальную информационную систему «глаз—ухо—
рука», содержащую тактильные, локационные и визуальные датчики. Эти
разработки заложили основы для использования информационных средств в
автоматическом и роботизированном производствах.
В2. Основные понятия и определения
Рассмотрим некоторую активную систему, взаимодействующую с внешней
средой Предположим, что эта система имеет априорную информацию /а о
среде и в процессе функционирования получает текущую информацию /р как
о внешней среде, так и о собственном состоянии. Ее целью является принятие
решений, связанных с преобразованием или анализом внешней среды. Как
правило, информация, имеющаяся в распоряжении системы, является непол-
ной, т. е. она функционирует в условиях неопределенности. Под адаптацией
будем понимать способность активной системы достигать заданных целей в
условиях неопределенности на основе использования текущей информации о
собственном состоянии и состоянии среды. При этом могут изменяться пара-
метры системы, се структура и алгоритм функционирования.
Следовательно, адаптивной мы называем систему, которая может приспо-
сабливаться к изменению внутренних и внешних условий. Простейшей адап-
тивной системой можно считать систему с обратной связью (следящую сис-
тему).
В настоящее время применительно к системам управления адаптацию
часто рассматривают с двух позиций. С одной стороны, когда системы
управления имеют в своем составе сенсорные устройства, обеспечивающие
получение информации /ро состоянии среды или свойствах объектов, при-
чем эти данные используются для решения задач, связанных с формирова-
нием управления системой. С другой стороны, когда системы управления
14
В 2 Основные понятия и определения
используют адаптивные алгоритмы, способные изменяться под воздействи-
ем текущей /п или обучающей /а информации от сенсоров. В обоих случа-
ях наличие сенсорной (информационной) системы является признаком
адаптивной структуры.
В качестве примере! активной адаптивной системы рассмотрим систему
управления адаптивного робота (рис. В1). В состав информационной систе-
мы здесь входят подсистема восприятия окружающей среды и подсистема
связи. Подсистема восприятия окружающей среды содержит датчики (изме-
рительные преобразователи или информационные устройства), включаю-
щие не показанные на схеме первичные преобразователи (чувствительные
элементы). Сигналы с датчиков поступают в блок обработки данных и далее
в блок анализа рабочей сцены и находящихся на ней объектов. При этом
используется априорная информация /а о рабочей сцене в виде математиче-
ской модели, которая уточняется с помощью подсистемы связи. Полученная
информация применяется для планирования движений па исполнительном,
тактическом и стратегическом уровнях. Эти движения реализуются рабочим
механизмом. Для робота это обычно манипулятор, снабженный соответст-
вующим инструментом Рассмотренная схема сохраняется и в случае мо-
бильного робота, у которого рабочий механизм включает также средства
передвижения.
Подсистема восприятия среды
Блок анализа
объектов и сцен
Блок управления
стратегическим и
тактическим уровнями
Блок обработки
данных
Датчики
Подсистема
связи
Эффекторная подсистема
Рабочий
механизм
Блок управления
исполнительным
уровнем
Модель
среды
Подсистема
планирования
Среда
Рис. В1. Структурная схема адаптивного робота
Остановимся более подробно на основных терминах, связанных с ин-
формационной системой.
15
Введение
Первичным преобразователем, или чувствительным элементом (ЧЭ),
называется простейший элемент информационной системы, изменяющий
свое состояние под действием внешнего возмущения, например фотодиод
или тензорезистор.
Датчик представляет собой устройство, которое под воздействием изме-
ряемой физической величины выдает эквивалентный сигнал (обычно элек-
трической природы — заряд, ток, напряжение или импеданс), являющийся
однозначной функцией измеряемой величины. Простейший датчик состоит
из одного или нескольких первичных преобразователей и измерительной
цепи. Большинство датчиков имеет внешний источник питания, а в качестве
нагрузки может быть использован усилитель, измерительный прибор, блок
сопряжения с компьютером и т. п.
Классификационных признаков очень много, поэтому классификация
датчиков представляет собой весьма сложную задачу. Для простоты выде-
лим зри признака: тип замещаемой сенсорной функции, радиус действия и
способ преобразования. При этом сохраним принятую в биологии класси-
фикацию сенсорных функций. Тогда по типу замещаемой функции датчики
можно подразделить на четыре группы: кинестетические, локационные, ви-
зуальные и тактильные. В зависимости от радиуса действия различают кон-
тактные датчики, датчики ближнего и дальнего действия. Наконец, по спо-
собу преобразования выделяют генераторные (активные) и параметрические
(пассивные) датчики. Рассмотрим каждую группу более подробно.
Кинестетические датчики формируют информационный массив данных
об обобщенных координатах и силах, т. е. о положении и относительных
перемещениях отдельных рабочих органов и развиваемых ими усилиях. К
кинестетическим относятся датчики положения, скорости, измерители сил и
моментов в сочленениях многозвенного механизма.
Локационные датчики предназначены для определения и измерения фи-
зических параметров среды путем излучения и приема отраженных от объ-
ектов сигналов. По значениям этих параметров формируется локационный
образ среды, который используется для идентификации ее объектов. Наибо-
лее распространены электромагнитные, в том числе оптические, а также
акустические устройства.
Визуальные датчики обеспечивают получение информации о геометри-
ческих и физических характеристиках внешней среды на основе анализа се
освещенности в оптическом диапазоне, включая ПК, СВЧ и рентгеновское
излучения. Примером являются различные телевизионные системы.
Тактильные датчики позволяют определить характер контакта с объек-
тами внешней среды в целях их распознавания. Эго, например, тактильные
матрицы и силомоментные датчики. Тактильные датчики относятся к дат-
чикам контактного типа.
Контактными являются также кинестетические датчики. Сенсорные уст-
ройства ближнего действия получают информацию о среде вблизи объекта
работы, дальнего — во всей рабочей зоне. Примерами являются визуальные
и акустические преобразователи.
16
В2. Основные понятия и определения
Генераторные датчики являются источником непосредственно выдавае-
мого электрического сигнала. Это — термоэлектрические преобразователи;
устройства, в основе функционирования которых лежат пиро- и пьезоэлек-
трические эффекты, явление электромагнитной индукции, фотоэффект, эф-
фект Холла и др.
В параметрических датчиках под воздействием измеряемой величины
меняются некоторые парамегры выходного импеданса. Импеданс датчика
обусловлен его геометрией и размером элементов, а также электромагнитны-
ми свойствами материала: удельным электросопротивлением р, относитель-
ной магнитной проницаемостью ц, относительной диэлектрической прони-
цаемостью ег. В преобразователях этого типа сигнал формируется измери-
тельной цепью (потенциометрической или мостовой схемой, колебательным
конгуром, операционным усилителем). Параметрическими преобразователя-
ми являются большинство датчиков силы, давления, перемещения.
Несмотря на разнообразие датчиков, используемых в робототехнических
и мехатронных системах, они должны быть унифицированы. Унифициро-
ванным преобразователем (трансмиттером) является датчик, имеющий нор-
мированный диапазон сигнала на выходе. Согласно международному стан-
дарту DIN/VDE 2600, нормированные сигналы должны находиться в диапа-
зонах: сила тока 0...± 5 мА или 0...± 20 мА; напряжение 0...± 1 В или
0...± 10 В. В устройствах с нормированными токовыми сигналами допуска-
ется применение измерительных приборов с внутренним сопротивлением
Кн <1 кОм. В устройствах с нормированными сигналами напряжения со-
противление А должно превышать 1 кОм.
Кроме TOi о, к датчикам систем предъявляют следующие требования:
высокая надежность и помехоустойчивость в условиях электромагнит-
ных помех, колебаний напряжения и частоты;
малогабаритность, простота конструкции, «размещаемость» на захват-
ном устройстве и других частях манипулятора при ограниченной площади и
объеме;
развязка выходных и входных цепей, простота юстировки и обслуживания;
возможность абсолютного отсчета параметров и др.
Один или несколько датчиков в совокупности с усиливающими и преоб-
разующими устройствами образуют информационную систему (рис. В2).
Информационная (информационно-сенсорная) система предназначена для
интегральной оценки наблюдаемого процесса или явления в целях опреде-
ления его состояния и формирования соответствующего сообщения. В об-
щем случае она представляет собой совокупность функционально объеди-
ненных измерительных, вычислительных и других вспомогательных средств
для получения измерительной информации, ее преобразования и обработки
для предоставления в требуемом виде. В информационной системе сигналы,
поступающие с датчиков, после предварительного усиления и преобразова-
ния в цифровую форму поступают на микроЭВМ, где выполняется инте-
17
Введение
гральная оценка процесса Далее формируется сообщение на верхний уро-
вень информационной системы или в систему управления.
ШУ МикроЭВМ
ВШ
Рис. В2. Пример функциональной схемы информационной системы
Д| — Дп — датчики, ЬУ — блок усилителей, К — коммутатор, ШУ — шина
управления, УВВ —устройст во ввода вывода, АЦП— аналого-цифровой
преобразователь, ВШ — внутренняя шина
В робототехнике информационные системы используются на трех уров-
нях управления, исполнительном, тактическом и стратегическом. В табл. В1
приведены примеры задач, решаемых на каждом из этих уровней, и исполь-
зуемые для этого информационные средства.
Таблица В1
Примеры использования информационных систем в роботах
Уровень управления Основные задачи, решаемые с помощью информационной системы Информационные средства
Исполнительный Обеспечение монотонности движения захвата. Устране- ние взаимовлияния звеньев манипулятора Обеспечение стабильности динамических характеристик приводов Датчики положения, ско- ростей, ускорений; одно- компонентные датчики из- мерения момента на валу
Тактический Обеспечение необходимой силы захвата Самонаведе- ние и торможение вблизи неизвестных препятствий Тактильные матрицы и датчики проскальзывания, оптические, индуктивные и емкостные датчики; видео- камеры, ультразвуковые дальномеры
Стратегический Нахождение маршрута дви- жения в недетерминирован- ной обстановке. Развитие необходимых усилий при работе со связанными объек- тами. Поиск и распознавание заданных объектов, опреде- ление их взаимного положе- ния Разнообразные дальноме- ры, системы технического зрения и силомоментного очувствления
18
ВЗ. Бионические аспекты информационных систем
ВЗ. Бионические аспекты информационных систем
В3.1. Общие сведения
Как уже было отмечено ранее, роботы создавали с целью заменить чело-
века в тех случаях, когда он но тем или иным причинам не может принять
непосредственное участие в выполнении достаточно сложных операций.
Антропологический подход к терминологии в робототехнике основан на
использовании принятых в биологии, биофизике и психологии терминов для
обозначения соответствующих робототехнических категорий. В результате
возникли такие понятия, как восприятие информации роботом, принятие им
решений, искусственный интеллект робота и т. п. Заметим, что антрополо-
гический подход, который, поскольку речь идет о биологических и биофи-
зических аналогиях, можно назвать бионическим, был применен при клас-
сификации датчиков. В его основе лежит принцип замещения или усиления
некоторой сенсорной функции человека. Бионические термины достаточно
широко используются в теории и практике информационных систем, в связи
с чем им необходимо дать определения.
Из всего множества воздействующих на организм факторов окружаю-
щей среды лишь некоторые улавливаются сенсорными органами. Эти фак-
торы называются сенсорными стимулами. В ходе эволюции у всех организ-
мов развились специализированные сенсорные органы, устроенные так,
чтобы оптимальным образом отвечать на вполне определенные стимулы.
Эги органы подразделяют на три группы. Экстероцепторы — это рецепто-
ры, стимулируемые окружающей средой; они участвуют в реализации слу-
ховой, визуальной и тактильной сенсорных функций. Проприоцепторы
опреде-ляют вариации длины мышц, натяжения сухожилий и других пара-
метров положения и движения. Эти рецепторы участвуют в формировании
кинестетической и отчасти тактильной сенсорных функций. К группе про-
приоцепторов относится и вестибулярный аппарат. Ин те рецепторы регист-
рируют информацию, поступающую от внутренних органов тела. Это, в
частности, датчики температуры, кровяного давления, состава крови и т. п.
Большая часть информации, посылаемой в центральную нервную систему
интсро- и проприоцепторами, не воспринимается сознанием.
Восприятие внешнего мира человеком осуществляется через шесть ос-
новных каналов сенсорной рецепции, образующих распределенную инфор-
мационную сеть. Это каналы органов чувств — слух, зрение, осязание, тер-
морсцепция, обоняние и вкус. В каждом из них возбуждение регистрируется
системой ЧЭ (рецепторов), специфических для разных сенсорных модаль-
ностей, и передается по каналу связи (нервному волокну) в виде потенциа-
лов действий. Система рецепторов каждой модальности связана с опреде-
ленными отделами центральной нервной системы. Вид каналов связи ос-
новных сенсорных модальностей показан на рис. ВЗ
Распознавание сенсорного образа у человека является результатом со-
вместной работы информационной системы и мозга. Значительная часть
информации обрабатывается уже на уровне рецепторов. При этом возмож-
19
Введение
пости рецепторов по передаче информации существенно превышают воз-
можности информационной системы по ее переработке, а следовательно,
пропускная способность рецепторных нейронов определяет максимальный
поток информации. Так, у человека только в зрительной системе сосредото-
чено более миллиона каналов передачи информации, способных пропустить
до 10 импульсов в секунду. Если каждый импульс несет хотя бы 1 бит дан-
ных, то мозг ежесекундно будет получать от зрительной системы 107 бит
информации. Это намного превосходит возможности нервной системы, ко-
торые ограничены десятками бит в секунду. Таким образом, количество ин-
формации избыточно и оно должно быть сокращено благодаря предвари-
тельной обработке в процессе передачи от рецепторов к мозгу.
Рецепторные клетки
Рис. ВЗ. Каналы связи сенсорных функций человека:
а — вкус; б — обоняние; в — слух; г — зрение
Главная функция обработки информации на уровне рецепторов заключа-
ется в выделении определенных важных сторон и свойств поступающих
извне сигналов и устранении избыточности. Важнейшей задачей здесь явля-
ется выделение контраста стимула. Информация о стимуле, который все
длится и длится, мозгу нужна существенно меньше. Например, в зрении
основное значение имеет контурная информация. Так, экспериментально
показано, что образ спящей кошки идентифицируется по 38-точечному кон-
турному представлению.
Во всех типах рецепции действуют общие принципы интегрального опи-
сания стимулов, основанные на анализе их признаков. Характерные призна-
ки, соответствующие основным видам сенсорной рецепции, даны в табл. В2.
20
ВЗ. Бионические аспекты информационных систем
Таблица В2
Признаки сенсорных функций бионической системы
Сенсорная функция Признаки
Вкус Сладкое, соленое, кислое и горькое
Обоняние (запах) Мускусный, камфарный, цветочный, эфирный, мятный, острый и гнилостный
Слух Объем, громкость, плотность, высота
Терморецепция Степени тепла
Тактильная Чувствительность, разрешающая способность
Зрение Чувствительность, разрешающая способность, спектраль- ная характеристика
Остановимся на этом более подробно, поскольку аналогичные принципы
нередко применяют в искусственных информационных системах. Одним из
основных принципов является использование нескольких типов ощущений
для формирования всего их разнообразия. Всю гамму вкусовых ощущений
представляют в виде суперпозиции четырех основных вкусовых качеств:
сладкое, соленое, кислое и горькое. В этом легко убедиться при анализе ор-
гана вкуса. Так, кончик языка чувствителен к сладкому и соленому, боковые
его поверхности — к кислому, а спинка — к горькому. Вкус любого вещест-
ва имитируется смешиванием двух-трех основных качеств вкуса. Примерно
также обстоит дело и с обонянием. Человек способен распознать запах око-
ло сотни тысяч различных веществ, однако в отличие от вкуса, характери-
зующегося абстрактным представлением, например о кислом, представле-
ния о запахах конкретны и связаны с каким-либо веществом (миндалем,
камфарой и др.). В соответствии с господствующей в настоящее время сте-
реохимической теорией обоняния Монкриффа — Эймура, выделяют семь
первичных запахов: мускусный, камфарный, цветочный, эфирный, мятный,
острый и гнилостный. Выяснилось, что относящиеся к одной группе веще-
ства имеют сходство в стереомодсли. В частности, для молекул веществ,
обладающих камфарным запахом, характерна округлая форма и размер око-
ло 1 нм. Предполагается, что существует от 4 до 12 типов рецепторов, отве-
чающих основным запахам.
В табл ВЗ представлена сравнительная количественная характеристика
сенсорных функций человека. Заметим, что по пропускной способности вы-
деляется зрение, играющее основную роль в адаптации человека к окру-
жающей среде. Можно предположить такую же роль искусственного зрения
при адаптации робота в условиях неопределенности. В то же время слух и
особенно осязание обладают значительно более высокой чувствительностью
и используются для тонкой коррекции движений при взаимодействии с
внешней средой.
21
Введение
Таблица ВЗ
Сравнительная характеристика сенсорных функций человека
Сенсорная функция Число клеток Число отходящих нервных волокон Пропускная спо- собность канала, бит/с Относительная чувствительность
Слух Зрение Осязание Терморсцеп- ция Обоняние Вкус 4 3- 10 8 2- 10 7 1 • 10 3- 105 7 7- 10 7 3- 10 4 2- 10 6 2- 10 б 1 - 10 6 1 • 10 5 1 • 10 3 1 • 10 _____$_ 1- 10 7 1 • 10 6 2- 10 3 2- 10 5 1 • 10 3 1 • 10 10 1,0 ю3 1,0 ю2 1,0
В3.2. Кинестетическая рецепция
Важнейшую роль в очувствлении робота играют кинестетические сенсо-
ры. Кинестетическая функция служит для обеспечения согласованных
движений опорно-двигательного аппарата человека. Она реализуется нслока-
лизованной системой рецензоров, в которой достаточно сложно выделить
отдельные датчики параметров. С позиции бионики кинестетические рецеп-
торы, содержащиеся в каждой мышце, являются информационными элемен-
тами исполнительного уровня управления (как бы датчиками соответствую-
щих контуров регулирования). Они pei истрируют изменения относительного
положения отдельных элементов двигательной системы. Кинестетическая
функция, связанная с обеспечением надлежащей ориентации в пространстве
всего организма, реализуется вестибулярным аппаратом. В этом смысле он
соответствует информационной системе тактического уровня управления. Его
функционирование, как и работа собственно кинестетических сенсоров, осу-
ществляется под управлением нервной системы.
Исполнительным механизмом организма является скелет, двигательная
активность которого формируется посредством связок и суставов (кинема-
тических пар), а также мышц (приводов) Масса скелета, состоящего из 233
костей, составляет в среднем 11 кг. Длина самой большой кости (бедренной)
составляет 0,5 м, самой маленькой (стремечка в среднем ухе) — 3 мм.
Мышечная ткань представляет собой самый тяжелый и объемный орган.
На скелете содержится 639 мышц, масса которых достигает 45 % общей
массы тела. Мышцы потребляют до 60 % кислорода, поступающего в орга-
низм, и в состоянии максимального напряжения способны развить усилие
до 25 т. Каждый грамм мышц содержит около 5000 нервных волокон, свя-
зывающих их с мозгом. Приводная система организма обладает достаточно
высокой мощностью. Так, для мышцы руки мгновенное значение мощности,
22
ВЗ. Бионические аспекты информационных систем
определяемое как произведение развиваемой ею силы на скорость укороче-
ния, достигает 200 Вт при скорости сокращения 2,5 м/с, а ее коэффициент
полезного действия (КОД) составляет 30...40 %.
В физиологии кинестетическую сенсорную функцию связывают с рецеп-
торами трех подсистем: мышечной и сухожильной (они контролируют ха-
рактеристики перемещения, скорости и усилия), кожной (связанной с изме-
рением параметров давления и проскальзывания) и вестибулярным аппара-
том. Относя кожную подсистему к разделу тактильной рецепции, можно
считать, что применительно к роботу кинестетическая функция описывается
в терминах позы и движения. Чувство позы определяется углами между сус-
тавами, оно позволяет, например, синхронизировать движения обеих рук в
тестах с завязанными глазами. Чувство движения связано с восприятием
направления и скорости относительного перемещения суставов. Амплитуд-
ный nopoi этого восприятия зависит от угловой скорости. Так, для плечево-
го сустава при минимальной угловой скорости движения 0,06 рад/с он со-
ставляет 2—4 , а при угловой скорости 1,7 рад/с — около 30 . Чувство силы
ощущается как степень мышечного усилия, необходимого для выполнения
движения и поддержания позы. Благодаря ему человек может оценить, на-
пример, разницу масс предметов при их «взвешивании» обеими руками, ко-
торая не превышает 3... 10 %.
Важнейшую роль в кинестетической функции играют мышечные вере-
тена, представляющие собой рецепторы растяжения. При активации мышцы
ее длина уменьшается примерно на 1 %, что и определяет динамический
диапазон этих рецепторов. Их размеры варьируются в широких пределах:
диаметр 15... 100 мкм, длина 4...500 мм. Мышечные веретена есть практиче-
ски во всех мышцах; их количество изменяется от 40 (в мелких мышцах) до
500 (в трехглавой мышце плеча), а общее количество достигает 20 000. Дру-
гая многочисленная группа рецепторов — сухожильные органы (или рецеп-
торы Гольджи). Как следует из названия, располагаются они в сухожилиях
всех мышц и также представляют собой рецепторы растяжения. По прибли-
зительным подсчетам их приходится от 50 до 80 шт. на каждые 100 мышеч-
ных веретен.
Передача информации в кинестетической системе осуществляется путем
частотно-импульсной модуляции: во время растяжения рецепторов частота
импульсации увеличивается. При этом мышечные веретена возбуждаются
главным образом при изменении длины мышцы, а сухожильные органы —
при ее напряжении. Следовательно, у каждой мышцы есть две системы об-
ратной связи: регуляция длины с мышечными веретенами в качестве датчи-
ков положения и регуляция напряжения, датчиками в которой служат сухо-
жильные органы. С позиций теории управления наличие двух таких конту-
ров позволяет контролировать изменение нагрузки на мышцу изменением
либо се длины при конечном напряжении (изотонически), либо напряжения
при постоянной длине (изометрически) мышцы. Возможно, что таким обра-
зом поддерживается постоянство жесткости мышцы, определяемое как от-
ношение изменения напряжения к изменению длины.
23
Введение
Вестибулярный орган, отвечающий за чувство равновесия, филогенетически
близок органу слуха. Они не только находятся рядом, образуя внутреннее ухо, но и
произошли в ходе эволюции из одной структуры. Вестибулярный аппарат состоит
из заполненных жидкостью (эндолимфой) отолитового аппарата и полукружных
каналов, а также системы волосковых рецепторов — ресничек. В отолитовом аппа-
рате находится желеобразная структура с включениями каменистых образований,
получившая название отолитовой мембраны. Перемещение мембраны (ее плотность
составляет около 2,5 г/см ) в эндолимфе под действием силы тяжести воспринима-
ется ресничками. Рецепторы формируют импульсные посылки в любом положении
вестибулярного органа. Поворот головы в одном направлении увеличивает частоту
импульсации, поворот в другом — уменьшает. Таким образом, при любой ориента-
ции головы возникает специфическая картина возбуждения нервных волокон. Дан-
ная система может определить положение организма в поле действия сил. Посколь-
ку в повседневной жизни ускорение силы тяжести намного превышает другие уско-
рения (например, возникающие при разгоне автомобиля), последние играют для
вестибулярной системы подчиненную роль. Полукружные каналы, расположенные
в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и также заполненные эндолимфой,
содержат желеобразную структуру — купулу, плотность которой равна плотности
эндолимфы. Каналы действуют как замкнутые круговые трубки. Вследствие равен-
ства плотностей купулы и эндолимфы линейные ускорения, включая гравитацион-
ные, на этот орган не влияют. При поворотах же головы (и полукружных каналов) в
результате инерционности возникает разность давлений по обе стороны купулы,
она отклоняется в сторону, противоположную движению, возбуждая гем самым
соответствующие реснички. При вращении головы относительно любой диагональ-
ной оси мозг, выполняя векторный анализ информации, определяет истинную ось
вращения. Купулярная система весьма точна (фиксируется поворот на угол, равный
0,005 ), но инерционна (ее постоянная времени т а 10...30 с).
ВЗ.З. Слуховая рецепция
Для звукового восприятия характерно четыре измерения: объем, гром-
кость, плотность и высота. Эти субъективные свойства звука определяются
двумя физическими переменными сигнала: его амплитудой и частотой.
Первые исторические сведения об исследованиях в области звука связаны
с именем Пифагора, которого считают родоначальником науки о звуке —
акустике. Аристотель в IV в. до н. э. обнаружил, что распространение звука
сопровождается сжатием и растяжением среды, а эхо является результатом
его отражения. После средневекового научного застоя лишь в XVII в. Г. Га-
лилей и М. Мерсенн установили связь высоты тона с частотой колебаний
звучащих тел, а М. Мерсенн вычислил также скорость распространения зву-
ка в воздухе. По его оценкам она составила 414 м/с. В XVIII в. Л. Эйлер оп-
ределил пределы частот слышимых звуков. Согласно его исследованиям,
диапазон воспринимаемых частот составил 20...4000 колебаний в секунду.
Позже эти значения неоднократно уточнялись. В XIX в. Вебер обнаружил
стоячие волны, что позволило открыть явление интерференции. Сейчас аку-
стика представляет собой весьма обширную область, имеющую большое
прикладное значение.
24
ВЗ. Бионические аспекты информационных систем
Слуховой аппарат животных и человека состоит из трех основных частей:
наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо представляет собой
резонатор; у человека он имеет собственную резонансную частоту около
3 кГц. Среднее ухо содержит систему мелких косточек — молоточек, накова-
ленка и стремечко, отделенную от наружного уха барабанной перепонкой.
Абсолютная чувствительность уха весьма велика. Человек, например, спосо-
бен слышать удары молекул воздуха о барабанную перепонку. Диапазон ам-
плитуд колебаний барабанной перепонки составляет 10~9...2-10-5 см. Внут-
реннее ухо — улитка — представляет собой спирально закрученный костный
канал (у человека он имеет 2,5 витка, у животных до 5). В улитке находится
основной орган слуха — базилярная мембрана с расположенными на ней во-
лосковыми рецепторами. Для объяснения эффекта слуха используют теорию
«бегущей волны» Д. Бекеши, в соответствии с которой при восприятии звука
на базилярной мембране возникает волна, движущаяся от основания улитки к
ее вершине. Амплитуда бегущей волны зависит от жесткости мембраны в
конкретной точке. Таким образом, базилярная мембрана представляет собой
своеобразный фильтр, в котором высокочастогныс колебания распространя-
ются лишь в области, где жесткость мембраны высока, а низкочастотные про-
ходят всю мембрану, вплоть до ее вершины.
Порог слышимости (минимальный уровень звукового давления) зависит
от частоты звука. Человеческое ухо наиболее чувствительно в диапазоне
частот 2000...5000 Гц. Громкость звука (уровень звукового давления) явля-
ется амплитудной характеристикой. Звуки равной громкости слышатся по-
разному в зависимости от их частоты. Для учета этого факта в физиологии
используют кривые равной слышимости, приведенные к частоте 1 кГц.
Громкость звука на этой частоте получила название «фон». На этой частоте
1 фон равен 1 дБ. Средний порог слышимости составляет 4 фон, а предель-
ное значение громкости достигает 130 фон (при этой громкости возникает
звуковая травма). В частотной области пределы слышимости человека нахо-
дятся в диапазоне 20... 16 000 Гц. Частоты и громкости звука, характерные
для речи, образуют речевую зону. По частоте это в среднем 300...3500 Гц.
Порог различения частот весьма субъективен и зависит от частоты сигнала.
При оптимальной частоте 1000 Гц он составляет 0,3 % или 3 Гц. Заметим,
что для музыкальных звуков частоты определяются принципами построения
звукоряда. Так, для темперированной октавы, содержащей 12 базовых зву-
ков, каждая частота отличается от предыдущей в *\^2 или в 1,06 раза. Это
вдвое выше указанного порога различения частот.
Слуховая ориентация в пространстве определяется бинауральным эффек-
том. Он основан на том, что расстояния от каждого уха до источника звука
различны, а следовательно, различны уровни звуковых давлений в барабан-
ных перепонках. Слуховая система способна воспринять эту разницу уже на
уровне 1 дБ. Вычисленная временная задержка составит всего около 3 10 5 с,
25
Введение
что соответствует смещению источника относительно центральной линии на
3°. При определенном навыке точность ориентации можно удвоить.
В3.4. Зрительная рецепция
Визуальные анализаторные системы человека — это сложные много-
уровневые образования, служащие для анализа оптических сигналов. То,
чю воспринимается зрением, есть результат взаимодействия сенсорных и
двигательных механизмов глаза и центральной нервной системы, поскольку
как произвольные, так и непроизвольные движения глаз и головы заставля-
ют изображение смещаться каждые 200...600 мс. Мозг создает целостную
картину из последовательности дискретных изображений. Движения, изме-
няющие направления взгляда, устанавливают глаз в такое положение, при
котором изображение попадает в ту точку сетчатки, где острота зрения мак-
симальна. Крупный объект сканируется глазом вследствие резких скачков -
- саккад с амплитудой от нескольких угловых минут до 90° и угловой ско-
ростью до 9 рад/с. Применительно к мелким объектам характерны микро-
саккады с частотой 20... 150 Гц и амплитудой в несколько угловых минут. В
то же время при сканировании быстродвижущихся объектов (со скоростью
более 1,5 рад/с) глаз отстает и изображение «размывается», т. е. не попадает
в область максимальной остроты зрения. В этом случае происходит движе-
ние головы, что характерно, например, для зрителей на автогонках.
Зрительная система организована по явно выраженному иерархическому
принципу. Ее основными уровнями являются: фоторецепторы сетчатки гла-
за, зрительный нерв, область пересечения зрительных первое (хиазма), зри-
тельный канатик (место выхода зрительного пути из области хиазмы), а
также нервные пути к зрительной коре головного мозга.
Сетчатка глаза представляет собой очень сложный орган. Ее рецептор-
ный слой содержит два типа рецепторов: около 6-106 колбочек (образую-
щих аппарат дневного, фотопического зрения) и около 120 -106 палочек (от-
носящихся к аппарату сумеречного, скотопического зрения). Колбочки и
палочки неравномерно распределены в различных областях сетчатки. Кол-
бочек значительно больше в ее центральной части — центральной ямке и
желтом пятне, т. е. в зоне максимально ясного зрения. Палочки здесь отсут-
ствуют, они распределены вокруг ямки. Желтое пятно несколько сдвинуто в
сторону от места выхода зрительного нерва. Эта зона, где рецепторов нет,
называется слепым пятном. Геометрические особенности распределения
цветового зрения по элементам сетчатки были впервые описаны в 1894 г. в
работе А. Кенига. Он установил, что различение цвета зависит от углового
размера объекта: при угле > 10' объект представляется полноцветным, при
угле 4,5... 10' — двухцветным (оранжево-голубым), а при угле < 4,5' — ах-
роматическим (черно-белым).
26
ВЗ. Бионические аспекты информационных систем
Человек относится к числу 1ак называемых фрожальных млекопитаю-
щих, у которых зрительные ноля (области, воспринимаемые каждой сетчат-
кой отдельно) перекрываются. Это позволяет человеку выполнять точные
манипуляции руками под контролем зрения, а также обеспечивает точность
и глубину видения (стереоскопическое, или бинокулярное зрение). Бино-
кулярное зрение характеризует возможность совмещения образов объекта,
возникающих в каждой сетчатке. Зона перекрытия зрительных полей обоих
глаз около 120°, в то время как зона монокулярного видения составляет
около 30° для каждого глаза (именно такой угол зрения имеет глаз относи-
тельно его центральной точки).
Визуальная информация передается в головной мозг по зрительному
нерву, состоящему из 106 аксонов. Зрительные волокна, идущие от носовых
половин сетчаток, пересекаются в хиазме и переходят на противоположную
часть зрительной коры, волокна же височных областей не пересекаются.
Следовательно, расположенные к носу от средней линии (нозальные отде-
лы) участки сетчатки участвуют в механизмах бинокулярного, а располо-
женные в височных отделах (темпоральные отделы) участки — в механиз-
мах монокулярного зрения
Одно время считалось, что механизмы стереоскопии обусловлены ис-
ключительно параллаксом, т. е. разностью углов зрения левого и правого
глаза. Однако, хотя действительно расстояние одним глазом оценивается
менее точно, чем двумя, утрата этой способное ги не так существенна, как в
случае пространственного слуха. В настоящее время полагают, что воспри-
ятие глубины пространства зависит также от ряда дополнительных факто-
ров, в том числе зрительного опыта.
Изображение объекта проецируется
на сетчатку справа от центральной
ямки в левом глазу и слева от нее в
правом. Это позволяет при биноку-
лярном зрении создать неперекрещи-
вающиеся двойные изображения. Их
наложение осуществляется в так на-
зываемом циклопическом глазе —
воображаемом органе, в который
проецируются сетчатки правого и
левого глаз (рис. В4). Установлено,
что изображение не будет двоиться,
если объект находится в области го-
роптера — криволинейной поверхно-
сти, на которой лежат узловые точки
обоих глаз и точка фиксации. Бино-
кулярное зрение у людей не является
врожденным и формируется в возрас-
те 8—27 недель.
Рис. В4. Схема бинокулярного зрения
/ — объект; 2 — гороптерный круг; 3 —
центральная ямка; 4 — «циклонический»
глаз, 5 — точка фиксации
27
Введение
В3.5. Особенности тактильной рецепции
Биологическая значимость тактильной сенсорной функции, пожалуй,
наиболее высока. Если отсутствие специальных видов чувствительности —
зрения, слуха, обоняния и т. д. не приводит к гибели организма, то отсутст-
вие тактильной (кожной) рецепции несовместимо с жизнью. Существо, ли-
шенное возможности воспринимать тактильную информацию, не могло бы
уберечься от опасных внешних воздействий, о которых сигнализируют бо-
левые ощущения; сохранять стабильность ориентации и движения в про-
странстве, поддерживаемые мышечным тонусом и т. д. Тактильная рецеп-
ция и в филогенетическом смысле является самой древней. Она объединяет
несколько видов чувствительности, которые можно разделить на две катего-
рии: чувствительность, связанная с кожными рецепторами, и виды чувстви-
тельности, связанные с рецепторами, которые находятся в мышцах, суставах
и сухожилиях.
Кожа является предохранительной оболочкой организма. Ее общая пло-
7
щадь достигает в среднем 2,5 м . В коже, мышцах, суставах и сухожилиях
находится огромное количество рецепторов. Внутри кожи, например, можно
выделить но крайней мере четыре самостоятельных вида рецепции: темпе-
ратурная (тепловая и холодовая), тактильная, болевая и вибрационная (ино-
гда ее характеризуют как зависимую от трех других). Этим четырем видам
кожной чувствительности соответствуют различные рецепторные аппараты.
К числу основных относятся:
колбочки Краузе, раздражение которых даст ощущение холода;
цилиндрические рецепторы Руффини, формирующие тепловые ощущения;
корзинчатые сплетения и тельца Меснера, ответственные за возникнове-
ние ощущений прикосновения и давления;
так называемые свободные нервные окончания, связанные с болевыми
функциями.
Кроме кожных рецепторов существуют рассмотренные выше рецепторы
мышц, суставов и сухожилий, связанные с проприоцептивной (кинестетиче-
ской) чувствительностью. Они вырабатывают сигналы в тот момент, когда
происходит изменение силовых факторов в опорно-двигательном аппарате,
являясь таким образом носителями информации о расположении и движе-
нии мышечно-суставного комплекса. Существует и ряд других рецепторов,
назначение которых пока неизвестно.
В целом кожа и опорно-мышечный аппарат представляют собой как бы
огромный распределенный рецептор, который вынесен наружу для первич-
ной обработки контактных воздействий. Кожа неоднородна по количеству и
характеру представленных в ней рецепторов. Есть места очень чувствитель-
ные к прикосновению температурным и болевым воздействиям, есть менее
чувствительные. Например, у человека наиболее чувствительны ладонь ру-
ки и язык, наименее — средняя зона спины. Различное количество рецепто-
ров отражает неодинаковую значимость соответствующих участков тела.
Рецепторы кожи в физиологии принято делить на три группы: медленно
28
ВЗ. Бионические аспекты информационных систем
адаптирующиеся, быстро адаптирующиеся и тельца Пачини. Первые фор-
мируют непрерывный поток импульсов при постоянном механическом сти-
муле (например, действии веса человека на стопу). Вторые регистрируют
изменяющиеся во времени механические стимулы, при этом величина реак-
ции будет пропорциональна скорости стимула. Третьи представляют собой
очень быстро адаптирующиеся рецепторы. В этом смысле уместны сле-
дующие бионические аналогии. Медленно адаптирующиеся рецепторы
можно рассматривать как ЧЭ датчиков силы (давления) или деформации
кожи; быстро адаптирующиеся рецепторы, время адаптации которых
50...500 мс, подобны датчикам скорости, а тельца Пачини являются анало-
гами ЧЭ датчиков ускорения или вибрации кожи. В тактильных системах их
функцию выполняют датчики проскальзывания.
Для передачи раздражений от рецепторов кожи и опорно-двигательного аппарата
в организме существует три типа волокон: А, В и С. Эти каналы связи передают раз-
личную информацию и отличаются диаметром и степенью миелинизации, и тем са-
мым скоростью проведения нервного импульса. Волокна типа А имеют наибольший
диаметр (8... 12 мкм) и сильно миелинизированы, чго позволяет передавать возбужде-
ние со скоростью до 120 м/с. Эти волокна являются каналами передачи сигналов так-
тильной и кинестетической природы, идущих от мышц, сухожилий и суставов. Во-
локна типа В, снабженные тонкой миелиновой оболочкой, имеют диаметр 4...8 мкм,
проводят раздражение со скоростью 15...40 м/с и связаны в основном с температур-
ной и болевой рецепцией. Наконец, волокна типа С вообще нс содержат миелиновую
оболочку, имеют диаметр < 4 мкм и скорость передачи возбуждения 0,5... 15 м/с. Они
связаны с болевыми и частично температурными ощущениями. В тактильной рецеп-
ции наряду с определенной специализацией наблюдается также перекрытие рсцеп-
торцых каналов, отвечающих за различные функции. Так, болевая и температурная
чувствительности преимуществешю связаны с самыми тонкими волокнами С, а так-
тильные ощущения проводятся по более крупным волокнам А и В.
Мы рассмотрели вкратце важнейшие биологические механизмы сенсор-
ных функций, которые являются прототипом информационной (сенсорной)
системы робота. Заметим, что во многих случаях одна и та же поведенче-
ская задача может быть решена путем объединения нескольких сенсорных
модальностей. Хорошим примером такого взаимодействия является движе-
ние. При ходьбе человек использует зрение, тактильную, кинестетическую,
а также слуховую сенсорные функции. Однако, как правило, поставляемая
этими системами информация оказывается избыточной. Например, чтобы
пройти по улице, достаточно использовать всего три информационных ка-
нала. Замещение одной сенсорной функции другой получило название сен-
сорной компенсации. В частности, тактильная рецепция слепого частично
замещает зрение. Принцип замещения широко используют в робототехнике.
В4. Понятие об информационном подходе
Введенное выше понятие информационной системы (см. В2) нуждается
в уточнении. Можно независимо от функционального назначения говорить
об уровнях информационной структуры. Действительно, в зависимости от
29
Введение
масштаба анализируемых явлений каждую информационную структуру
можно рассматривать соответственно в терминах информационного устрой-
ства, информационной системы и информационной сети. Так, молекула в
масштабе вещества является «элементарным кирпичиком», в масштабе соб-
ственных размеров — некой системой, в масштабе атома — сложной сетью
взаимодействий. Данный подход позволяет информационную структуру
различного уровня и различной природы рассматривать с системных пози-
ций и использовать принципы системного проектирования. Представление
информационных устройств в виде некоторых технических систем (описы-
ваемых как совокупность взаимосвязанных аппаратно-программных
среде!в, имеющих общую функциональную схему и предназначенных для
выполнения единой технической задачи) позволяет применять современные
методы синтеза сложных систем (например, метод целевых функций).
В качестве примера рассмотрим информационную систему, в которой
происходит последовательное преобразование информации. Для простоты
ограничимся двумя преобразователями R и Q. При анализе этой модели вос-
пользуемся известным подходом Шеннона — фон Неймана, определяющим
информацию / как меру случайного выбора. Согласно этому подходу, в аль-
тернативной ситуации любое событие оценивается не содержанием, а веро-
ятностью или «редкостью» его наступления. В результате при осуществле-
нии случайною выбора полученной информации оказывается тем больше,
чем меньше ожидается совершившееся событие. Тогда при числе возмож-
ных вариантов событий п количество информации /, получаемой в ходе реа-
лизации выбора, пропорционально Inn:
I = in и, или I = In — ,
где Р — вероятность события.
Из этой формулы следует, что если сообщение очевидно (или событие
обязательно произойдет), то Р = 1 и / = 0. Интересно, что это выражение
оказалось с точностью до константы тождественным знаменитому соотно-
шению Больцмана для энтропии //термодинамической системы: Н - к In л,
где к— постоянная Больцмана, к = 1,38-10 23 Дж-К *; п — число со-
стояний, которые может принимать система. В интерпретации Больцмана
энтропия равна нулю в случае полностью упорядоченной структуры. Заме-
тим, что рост информации приводит к уменьшению энтропии системы.
Если сообщения (или события) неравновероятны, то формула Шеннона
принимает вид
N
1 = -ХР,\пРг
i=l
Здесь Р — вероятность того, что система находится в i-м состоянии (/ = 1,
2,...» Л/), а основание логарифма определяет единицу измерения величины /.
30
В4. Понятие об информационном подходе
Таким образом, информация является вероятностной (статистической) ха-
рактеристикой процесса, а ее количественной мерой служит величина устра-
ненной неопределенности в результате совершения системой некоторых дей-
ствий в этом процессе (например, при получении сообщения). Тогда под пол-
ной информацией будем понимать то ее количество, которое приобретается
одной системой (назовем ее приемником) при полном выяснении состояния
другой системы (назовем ее источником). Этот процесс можно интерпретиро-
вать как дешифрацию полученного сообщения. Полная информация численно
равна энтропии источника. Полезная (ценная) информация — это количество
содержащейся в отдельном сообщении информации, уменьшающее неопре-
деленность сведений о системе-источнике. В этом смысле отрицательное зна-
чение полезной информации есть дезинформация.
Количественная оценка эффективности передачи информации от одной
системы к другой представляет собой грудную задачу. Болес простое реше-
ние основано на применении негэнтропийного принципа Бриллюэна, соглас-
но которому носителем информации в измерительной системе является энер-
гия. Получение данных о каком-либо событии или процессе связано с затра-
той энергии. Для иллюстрации этого подхода вернемся к обобщенной инфор-
мационной системе, состоящей из двух преобразователей R и Q. Эти преобра-
зователи описываются соответственно функциональными операторами Ф(2?)
и Ф(0, переводящими их из одного состояния в другое. Для однозначной
системы операторы могут быть заменены функциями преобразования. При-
менительно к рассматриваемому примеру х, у — сигналы; F(x, t,T)n F(y, t, T)
— функции преобразования информационных элементов R и Q соогвстствен-
но; t и Т — влияющие факторы (время и температура). При этом каждый из
преобразователей системы, удовлетворяя единой целевой функции, может
оптимизироваться по собственному частному критерию качества, учитываю-
щему назначение и структуру отдельного преобразователя.
Процесс измерения, выполненный некоторым устройством, представля-
ет собой соответствующее преобразование содержащейся в сигналах х и у
информации. Это преобразование сопровождается определенной потерей
полезной информации Д7, которая, например для устройства /?, равна
Ы R ~ ^вых/? —
Потеря полезной информации в устройстве соответствует его «энтро-
пийному вкладу» в процесс измерения. Л. Бриллюэн предложил оценивать
эффективность преобразования информации с помощью информационного
КПД . По Бриллюэну количество информации на выходе устройства
7ВыхЛ зависит от характеристик последнего, а также внешних влияющих
факторов (наводок, помех и т. д.). Следовательно, потеря полезной инфор-
мации в преобразователе характеризуется его собственной погрешностью
Eq и дополнительной «флюктуационной погрешностью» в измерение Еф,
которую вносят влияющие факторы.
31
Введение
Информационный КПД T|z = 1/&е,гдс kz— коэффициент потери точно-
сти. С одной стороны, kz показывает, насколько собственный вклад в поте-
рю точности превышает дополнительный:
= е0 / Еф
где Ws и Wq — полная (потребляемая) и полезная (использованная) энер-
гия соответственно.
С другой стороны, он однозначно определяется величиной потерь полез-
ной информации AZ:
lgT)z =-2А/.
Поскольку энергетический КПД устройства T|iv = W0/WL, то
T1JV = 1/Л2=^,
а следовательно,
Пи- =1/102д/.
Данное выражение указывает на связь информационных и энергетиче-
ских процессов в измерительном устройстве. Рассмотренный подход, опи-
сывающий информационно-энергетические процессы в системе, получил
название информационного. В последние годы жизни К. Шеннон также раз-
вивал этот подход. Им была получена важная формула, связывающая ин-
формационную пропускную способность Ht с полосой частот А/, исполь-
зуемых при передаче информации:
y = A/log(l + Pc/P,n),
где Рс, Рш— мощность сигнала, переносящего информацию, и шумов соот-
ветственно.
Контрольные вопросы
1. Являются ли электронные часы датчиком?
2. Как изменяется энтропия воды при фазовых превращениях?
3. Почему единицей информации выбран бит?
4. Чему равно информационное сообщение при выпадении сообщения
«6» на игральной кости?
5. Зависит ли выходной сигнал датчика от его импеданса?
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДАТЧИКАХ
ИНФОРМ АЦИОН НО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Практика измерений в России имеет тысячелетнюю историю. Еще во
времена Киевской Руси в ходу были «антропометрические» единицы —
вершок, пядь, локоть. Первая попытка стандартизации измерений датирует-
ся 1070 г., когда великий князь Святослав Ярославович ввел в качестве меры
длины свой «золотой пояс». Весовые меры (осьмины) появились во времена
Ивана Грозного и были узаконены Двинской грамотой. Петр I допустил к
хождению в России английские меры (футы, дюймы). В XIX в. Россия дела-
ла попытки ввести единые стандарты на все основные физические величи-
ны. По инициативе Петербургской Академии наук в 1875 г. была собрана
Парижская конференция, на которой было учреждено Международное бюро
мер и весов. Эта организация оказалась не слишком эффективной Только
через 85 лет, в начале 60-х годов XX в. под руководством проф. Г. Бурбона
создается Международная комиссия по разработке единой системы прове-
дения измерений. С 1963 г. существует международное соглашение по
предпочтительной системе метрологических единиц (СИ).
1.1. Датчики и их характеристики
Датчик (измерительный преобразователь} — это устройство, обеспечи-
вающее функциональное преобразование одной величины в другую величи-
ну, участвующую в некотором информационном процессе. Рассматривая
физические процессы в преобразователях, можно установить связь между
выходным у и входным х сигналами (рис. 1.1, а), изменяющимися во време-
ни:
У =f(x).
Математическое (или графическое) описание этой связи называется
функцией преобразования датчика (рис. 1.1, б}. В большинстве случаев ин-
формационные характеристики датчиков, в том числе их функцию преобра-
зования, определяют на основании анализа преобразования сигналов в сис-
теме.
Для датчиков с линейной функцией преобразования используют коэф-
фициент преобразования:
К = У, /Л; ,
где л{-, у, — текущие значения х и у.
2. С.А. Воротников
33
1 Общие сведения о датчиках информационно-измерительных систем
Рис. 1.1. Изменение сигналов на входе и выходе датчика (а) и его
функция преобразования (6)
В зависимости от числа измеряемых параметров датчик характеризуется
одномерной или векторной функцией преобразования (например, одноком-
понентный датчик силы и силомоментный датчик). Датчик, имеющий век-
торную функцию преобразования ¥ = F(X), является многокомпонентным.
В принципе любой датчик можно считать многокомпонентным, по-
скольку на него кроме измеряемой величины действуют факторы, обуслов-
ленные внешними причинами. Тем не менее под многокомпонентным дат-
чиком будем понимать только такой преобразователь, который конструк-
тивно предназначен для измерения нескольких параметров. Особенностью
многокомпонентного датчика является взаимное влияние каналов измере-
ний. Для оценки этого свойства измерителя используют понятие «избира-
тельность канала».
Пусть на входах и-канальной измерительной системы действует сигнал
вызывающий некоторые сигналы на всех выходах системы. Тогда изби-
рательностью k-vQ канала измерительной системы называется выражение
вида
AA=201g^-, k*j,
Lyj
где yk — сигнал на выходе k-го канала системы.
Для линейных систем избирательность характеризуется коэффициентом
влияния А' каналов:
где у,, yj— сигналы на выходах г-го и у-го каналов; xj— входное воздей-
ствие на у-й канал. В частном случае при отсутствии влияния каналов
Ау =0и yt =0, т. е. на выходе канала образуется сигнал, пропорциональ-
ный только измеряемой величине.
34
1.1. Датчики и их характеристики
Если функции изменения во времени сигналов на входе и выходе диф-
ференцируемы, то чувствительность датчика 5 = dy/dx. Чувствительность
— важнейшая характеристика датчика, позволяющая оценить выходной
сигнал по пределам изменения измеряемой величины и выбрать датчик, от-
вечающий требованиям измерения. Для линейных преобразователей S = К и
у = Кх = Sx, причем единицы измерения К и S одинаковы, например вольт на
ныотон (В/Н). В общем случае чувствительность зависит от внешних факто-
ров: напряжения питания, температуры, а также спектра и частоты измеряе-
мого воздействия. Например, в паспорте на дифференциальный трансфор-
матор TION фирмы Ifelec (Франция) указывается его чувствительность 5] =
= 1,5 мВ/мм при частоте напряжения питания 50 Гц и S2 = 17 мВ/мм
при 400 Гц.
Чувствительность датчиков определяют в статическом и динамическом
режимах работы. Статическую чувствительность датчика Sc измеряют на
основании его статической функции преобразования, причем 5С = К и сов-
падает с 5 в том случае, если эта функция является прямой, проходящей
через начало координат.
Динамическую чувствительность 5Д можно определить лишь в случае,
когда измеряемая величина х является периодической функцией и выходной
сигнал у имеет ту же периодичность, что и х. Например, если x(f) = Xq +
+X| cos coz, to y(r) = y0 + yi cos(cor + \g), гле co — круговая частота, CD = 2л
f— частота входного сигнала, Гц.
Обычно измеряемый сигнал нс является гармонической функцией и
сложным образом изменяется во времени. Если функцию x(z) разложить в
ряд Фурье, то выходной сигнал y(f) будет представлять собой суперпозицию
различных составляющих yn(t):
У(0 = >’о + Е Уп COS(«(lM + v„ )•
/1=1
Здесь у0 — координата, определяющая рабочую точку на статической гра-
дуировочной характеристике; <|/ — сдвиг фаз между сигналами на входе и
выходе.
Зависимость динамической чувствительности 5Д от частоты f представ-
ляет собой частотную характеристику датчика. Функция 5Д (/) зависит от
механической, тепловой и электрической инерции преобразователя, т. е. его
массы т, электрического сопротивления R, индуктивности L и емкости С.
Частотные характеристики датчика определяются порядком дифференци-
ального уравнения, описывающего его конструктивную схему. В соответст-
вии с этим выделяют датчики первого и второго порядка.
2*
35
1 Общие сведения о датчиках информационно-измерительных систем
Датчики первого порядка в своей структуре не содержат колеблющихся
частей. К ним относятся, например, оптические преобразователи — свето- и
фотодиоды. Функция преобразования датчика первого порядка описывается
дифференциальным уравнением первого порядка
А~+ By =
dt
где Ли В — константы. В комплексной форме
x(/) = X|eJ“'; yW=y^iw+^,
и функция преобразования датчика первого порядка принимает вид
ущАу^е7^ + Ву^е^ = Xj,
где xh У1— действительные величины. Представляя граничную частоту в
виде /г = В/(2пА), а сдвиг фаз как \|/ = -arctg(///г), получаем
Таким образом, частотная характеристика датчика первого порядка оп-
ределяется зависимостью
Г/ГЛ У1 1 rzrx 5(0)
S(f) = — = —, - или 5(/) = -т=
Л> вф+(//Л) Vi+(///r)
где 5(0) = 1/5. В частном случае при /<^/г 5(/) = 5(0). Вид амплитудно-
частотных (АЧХ) и фазочастотных характеристик (ФЧХ) представлен на
рис. 1.2, а.
Датчики второго порядка (например, пьезоэлектрические акселеромет-
ры) содержат в своей структуре колеблющиеся элементы и характеризуются
собственной частотой и коэффициентом затухания С,. Функция преоб-
разования датчика представляет собой дифференциальное уравнение вида
А^ + В^ + Су = х(г),
Л2 di
а частотная характеристика определяется зависимостью
ЯП А, 5<0) ,
Л‘ J[l-(///o)2] +Ч2(///о)2
где /0 = 1/(2л) у] С/А; ^-в/ (2л/СА); 5(0) = 1/C; С — константа.
Принято считать, что оптимальное значение коэффициента затухания £ ле-
жи! в пределах 0,6...0,7. Частотные характеристики датчика второго порядка
представлены на рис. 1.2, б.
36
Рис. 1.2. АЧХ и ФЧХ датчиков первого (а) и второго (б) порядка
1 Общие сведения о датчиках информационно-измерительных систем
Полоса пропускания В датчика — это диапазон частот, в котором орди-
наты АЧХ уменьшаются относительно их максимального значения не более
чем на 3 дБ. В расчетах можно считать, что полоса пропускания соответст-
вует горизонтальному участку АЧХ. Для датчиков первого порядка имеем
20 1g 5(/г)/5(0) = 3 дБ, т. е. В = fr. Ширина полосы пропускания датчиков
второго порядка зависит от При £ = 0,6...0,7 полоса пропускания В ~/0.
Датчик называется линейным в некотором диапазоне измеряемой вели-
чины, если его чувствительность не зависит от значения этой величины. В
линейном диапазоне выходной сигнал пропорционален измеряемому пара-
метру, причем в статическом режиме
5 = К =5(0),
в динамическом для датчиков первого и второго порядка соответственно
имеем
«/). «SL= и w>. , X ------------------------
Vl+W/r) *Ч2(//Л1)!
Итак, в динамическом режиме линейность датчика зависит от чувстви-
тельности в статическом режиме 5(0) и от параметров частотной характери-
стики (/г, /о, £ • В частном случае, когда датчик работает только в динами-
ческом режиме (это характерно, например, для акустического дальномера),
5(0) = 0.
На практике линейность датчика определяют по его градуировочной ха-
рактеристике. Эту характеристику снимают экспериментальным путем,
причем распределение экспериментальных данных аппроксимируют урав-
нением некоторой прямой, используя метод наименьших квадратов. Напом-
ним, что в этом случае средняя сумма квадратов отклонений эксперимен-
тальных точек от полученной прямой минимальна.
Установлено, что приближение экспериментальной зависимости к пря-
мой вида у = ах + b достигается при
X Ел2 - Е ул Е xi
*Е^-(Е*. )2 ’
где N — число точек аппроксимации.
Поведение датчика в установившемся режиме описывает его АЧХ, тогда
как на переходных режимах оно определяется инерционными свойствами
датчика. Характер переходного режима нс Зависит от закона изменения из-
меряемой величины, а определяется только свойствами элементов собствен-
но датчика. Быстродействие — это параметр датчика, позволяющий оце-
38
1.1. Датчики и их характеристики
нить как выходной сигнал следует во времени за изменением измеряемой
величины. Таким образом, быстродействие характеризует время, необходи-
мое для того, чтобы влияние переходных процессов на выходную величину
стало пренебрежимо малым для заданной ючности. Параметр, используе-
мый для количественного описания быстродействия, называется временем
установления /уст. Следовательно, /уст — это интервал времени, который
должен пройти после приложения ступенчатого сигнала, для того чтобы
сигнал на выходе датчика достиг уровня, отличающегося от входного не
более чем на заданную величину е.
Различают четыре составляющие времени установления /уст (рис. 1.3):
время задержки нарастания /31| — время, соответствующее увеличению
выходного сигнала на 10 % от установившегося значения;
время нарастания /н — время, необходимое для увеличения выходного
сигнала от 10 до 90 % от установившегося значения;
время задержки спада /зс —
время, соответствующее умень-
шению выходного сигнала на
10 % от установившегося значе-
ния;
время спада (с — время, тре-
буемое для уменьшения выходно-
го сигнала от 90 до 10 % от уста-
новившегося значения.
Поскольку уравнение динами-
ки датчиков первого порядка в
переходном режиме имеет вид
А ~Т + вУ~хо<
at
Рис. 1.3. Диаграммы для определения
быстро действия датчика
то при начальных условиях (у - 0,
/ = 0)
где у0=х0/В, т = Д/В =1/(2л/г) — установившееся значение выходного
сигнала и постоянная времени датчика соответственно.
Время установления Z можно определить по графику переходного
yvi
процесса (рис. 1.4, а). При этом необходимо указывать ошибку е между те-
кущим значением у и его установившимся значением у0: е = (у0 -у)/уд- Так,
для е = 1 % /уст = 4,6т = 0,73//г, для е = 10 % /уст ® = tc - 2,3т. Следова-
тельно, чем выше граничная частота, тем выше быстродействие датчика.
39
7. Общие сведения о датчиках информационно-измерительных систем
Уравнение динамики датчика второго порядка в переходном режиме
имеет вид
Ad^y/dt2 + Bdy/dt + Су = xq.
При тех же начальных условиях, что и для датчиков первого порядка,
решение будет зависеть от коэффициента затухания Q = В/{2у[СА)
(рис. 1.4, б). Время установления будет минимальным при Q = 0,6...0,7. В
этом случае для е = 1%/уст =6/ю0, а для е = 10%/уст =/с = 2,4/со0,
причем (о0 = 2ti/q =у/С1 А.
234 56789 со0/
Рис. 1.4. Переходные функции датчиков первого (а) и второго (б) порядка
40
1.2. Процесс измерении. Информационная модель
Часто при оценке переходных процессов наряду с коэффициентом зату-
хания £ используют понятие «декремент затухания». Декремент затухания 8
— это величина, обратная числу колебаний, по окончании которых макси-
мальное значение амплитуды убывает в е раз (где е — основание натураль-
ных логарифмов, е ~ 2,718):
8 = In у0 / У|.
От быстродействия следует отличать производительность устройства
(обычно характерна для цифровых систем), определяемую числом операций
в секунду. На быстродействие датчика влияют факторы, не связанные с ним
непосредственно, например окружающая среда. Так, для резистивного тер-
мометрического зонда при е = 10 % fycT составляет 2,6 с в воде, текущей со
скоростью 0,2 м/с, и 40 с в воздухе, движущемся со скоростью 1 м/с. Тре-
бования к чувствительности и быстродействию датчика противоречивы, по-
эюму при расчетах это необходимо учитывать.
1.2. Процесс измерений. Информационная модель
Основной функцией любого датчика является измерение. В теории ин-
формации этот процесс трактуется как устранение некоторой части неопре-
деленности в системе измеритель — измеряемый параметр, а количество
информации определяется как разность неопределенностей до и после про-
ведения измерения.
Действительно, до измерения датчиком параметра л* у потребителя не было
информации об объекте — область неопределенности простиралась на весь
диапазон измерения от 0 до После измерения часть информации об объекте
/и становится доступной потреби гелю. Потеря полезной информации при из-
мерении Д/ = /-/и определяется информационным КПД Т|; датчика. Чем
меньше ДДтем уже интервал Дх, в котором находится действительное значе-
ние измеряемого парамсгра. В результате измерения определяется некоторое
(номинальное) значение это! о параметра, расположенное внутри данного ин-
тервала. Следовательно, область неопределенности сужается от полной длины
шкалы до длины интервала Дх. Отрезки длиной нДх (где п — целое число, п =
= 1, 2,..., N) образуют шкалу измерений, или эталон.
Измерением называется процесс приема и преобразования информации
об измеряемом параметре в целях его количественного сравнения с приня-
той шкалой или эталоном. (Заметим, что в такой постановке измерение —
частный случай распознавания.)
Точность датчика зависит от величины потери полезной информации
Д/ в процессе преобразования. В метрологии Д/ оценивают косвенно, т. е.
через отклонение результата измерения у от реального (истинного) ур зна-
чения измеряемою параметра: Ду= у-ур. Истинное значение остается
41
I. Общие сведения о датчиках информационно-измерительных систем
неизвестным и на практике его определяют приближенно через значение,
полученное датчиком, и полосу погрешностей Ду:
ур=у±Ду.
Всякий датчик обладает реальной и номинальной функциями преобразо-
вания. Реальная функция преобразования является полной характеристикой
датчика и сложной функцией измеряемого параметра; ее вид зависит от
множества влияющих факторов. Номинальная функция преобразования —
это функция, приписываемая датчику и приближенно выражающая зависи-
мость информативного параметра на выходе от значений измеряемого па-
раметра. Номинальная функция преобразования всегда одна и та же, в то
время как реальная является случайной величиной, допускающей множест-
во частных реализации в зависимости от внешних условий.
Объективное свойство измерителя, связанное с различием реальной и
номинальной функций преобразования, называется погрешностью. По-
грешность проявляется в процессе измерения; она численно равна разности
между измеренным значением некоторой величины и ее истинным значени-
ем, которое неизвестно, так как неизвестна реальная функция преобразова-
ния. Поскольку реальная функция преобразования является случайной
функцией измеряемой величины, все
ее возможные реализации попадают в
некоторую область относительно но-
минальной функции преобразования,
называемую полосой погрешностей
(рис. 1.5).
Рис. 1.5. Полоса погрешностей датчика
Следует различать погрешность
собственно датчика и погрешность
эксперимента, обусловленную несо-
вершенством выбранного метода
измерения. Поэтому основным требо-
ванием к эксперименту является не-
обходимость обеспечения именно
методической погрешности, которая должна быть меньше погрешности не-
посредственно измерительного устройства. На практике считают, что ос-
новная часть погрешности измерения связана с датчиком.
Для построения функции преобразования, а также определения се от-
клонения от линейности проводят градуировку датчика. Методов градуи-
ровки несколько. Одним из наиболее распространенных является метод
сравнительной, или косвенной, градуировки. В этом случае в процессе ис-
пытания используют образцовый (эталонный) датчик с известной градуиро-
вочной характеристикой.
В метрологии рассматривают несколько десятков различных погрешно-
стей. Выбор тех из них, которые в итоге войдут в паспорт информационного
устройства, зависит от назначения, режима эксплуатации и целого ряда спе-
циальных требований. Проводя классификацию погрешностей, ограничимся
42
1.2. Процесс измерений. Информационная модель
лишь теми признаками, которые учитывают специфику функционирования
робототехнических систем. Таких признаков всего четыре. Ниже для каждо-
го из них приведены основные типы погрешностей:
1) по способу выражения — абсолютные, относительные и приведенные;
2) по связи с функцией преобразования — аддитивные (погрешности ну-
ля) и мультипликативные (погрешности чувствительности);
3) по характеру проявления — систематические, случайные и прогресси-
рующие;
4) по способу оценки — основные и дополнительные.
Рассмотрим их подробнее в соответствии с ГОСТ 16263—70. Абсолют-
ная погрешность — это разность между показанием датчика и истинным
значением измеряемого параметра х. Различают абсолютную погрешность
датчика по входу Дх и выходу Ду:
Д^ — хном — х, Ду — уном — у,
где хпом, уном — номинальные (приблизительные) значения измеряемого
параметра на входе и выходе датчика соответственно.
Абсолютная погрешность является неэффективной оценкой точности,
потому что имеет различную размерность по входу и выходу и зависит от
значения измеряемого параметра. Более объективной оценкой точности дат-
чика является относительная погрешность, но и она является функцией из-
меряемого параметра х.
Относительная погрешность датчика по входу и выходу равна соответ-
ственно
еЛ. = &х/х; = Ду/у (х, у Ф 0).
Наиболее эффективной оценкой точности датчика является его приве-
денная погрешность:
£.vnp ~ Англах /'Vlim » ^jnp — ^Утах /УПт »
где Агт,1Х, ДуП1ах — максимальные абсолютные погрешности датчика по
входу и выходу; хцгп — верхний предел диапазона измерения входной
величины х; yUm = /(xHm ).
Для датчика с линейной номинальной функцией преобразования
УПт ~ ^ном-*Нт*
где Кцы — номинальный коэффициент преобразования.
Аддитивной (от англ, add) называется составляющая полной погрешно-
сти датчика, нс зависящая от измеряемого параметра х. Функция преобразо-
вания в этом случае имеет вид (рис. 1.6, а)
У ~ ^ном (+ ^0х )»
где ДОл— аддитивная погрешность датчика по входу.
43
/. Общие сведения о датчиках информационно-измерительных систем
Относительные аддитивные погрешности датчика по входу и вы-
ходу одинаковы. При измерении малых сигналов, когда х—>ДОл,
еЛ —>100%, поэтому аддитивная пофешность определяет порог чувстви-
тельности или разрешающую способность датчика.
Рис. 1.6. Аддитивная (а) и мультипликативная (б) погрешности датчика
Мультипликативной (от англ, multiplicate) называется составляющая
полной погрешности, абсолютная величина которой пропорциональна изме-
ряемому параметру х. Тогда для функции преобразования датчика
(рис. 1.6, б) справедливо выражение
У ~ ^ном 0 + )•*♦
где е^=Д/С//Сном — относительное изменение коэффициента преоб-
разования; Д/С = К - К1ОМ ~ &у1&х. При а= получаем Д/С =
~ АУНт / A^lim •
В общем случае относительные мультипликативные погрешности по
входу и выходу не совпадают, однако при малых их полагают равными.
Функция преобразования датчика при наличии аддитивной и мульти-
пликативной погрешностей описывается выражением вида
У — ^ном 1 )х + Дру.
Систематической называется погрешность, имеющая детерминирован-
ную функциональную связь с вызывающим ее источником, при этом как сама
функция, так и ее аргумент известны. Систематическую погрешность можно
определить по расхождению между наиболее вероятными значениями изме-
ряемого параметра при использовании различных методик и аппаратуры.
Систематическими являются: погрешность значения опорной величины
(например, связанная с изменением уровня напряжения питания мостовой
схемы); погрешность, зависящая от условий применения датчика (в частно-
сти, скорость реакции термозонда зависит от того, в покоящуюся или дви-
жущуюся жидкость он помещен); погрешность, обусловленная неточностью
модели датчика или упрощением методики эксперимента (например, вы-
44
1.2. Процесс измерений. Информационная модель
званная нелинейностью моста Уитстона, самонагревом термометрического
сопротивления, теплопроводностью корпуса датчика) Две последние могут
быть отнесены к методической погрешности.
Прогрессирующей называется погрешность, значение которой медленно
изменяется с течением времени (например, погрешность чувствительности
или градуировочной кривой, обусловленная старением).
Случайной является погрешность, появление которой происходит со
случайной амплитудой и фазой. Причины ее возникновения могут быть яс-
ны, однако значение в момент измерений неизвестно. Случайными, в част-
ности, являются «паразитные» погрешности (например, тепловые шумы,
электромагнитные наводки, флуктуации напряжения питания); погрешно-
сти, вызванные влияющими факторами, если период воздействия их суще-
ственно меньше периода измерения (например, температурная погрешность
будет случайной, если измерения проводят в течение нескольких дней, и
систематической, если на протяжении нескольких минут); погрешность,
связанная с собственными параметрами датчика, например порогом чувст-
вительности (для потенциометрического реостатного датчика она проявля-
ется в отсутствии сигнала при перемещении движка на расстояние, меньшее
чем между соседними витками), гистерезисом, дискретностью аналого-
цифровою преобразователя (АЦП), а также погрешность считывания, зави-
сящая от применяемой аппаратуры (например, толщины стрелки прибора) и
квалификации оператора.
По1решность разрешения Ер определяет минимальное значение изме-
ряемого параметра, регистрируемое данным прибором:
!~2 2~
Р = л/Р 4- Р
‘-'Р \ П °СЧ ’
где еп , есч — соответственно погрешность порога чувствительности и
считывания.
Точность любого датчика зависит от условий его применения. Так, в не-
которых случаях при измерении одного и того же параметра регистрируе-
мые значения moi ут отличаться в десятки раз. Поэтому все погрешности в
зависимости от условий применения датчика подразделяют на две группы:
основные — обусловленные конструктивно-технологическими факторами, и
дополнительные — вызванные воздействием окружающей среды.
Основной погрешностью называется составляющая полной погрешности
датчика, которая определяется в нормальных условиях его функционирования
(эти условия указаны в паспорте датчика). Дополнительная погрешность —
это составляющая полной погрешности датчика, возникающая при отклоне-
нии значения одного из влияющих факторов (температуры, влажности и др.)
от его значения при нормальных условиях. Для датчиков, работающих в ус-
ловиях воздействия механических и климатических факторов, дополнитель-
ная погрешность обычно намного превышает основную. Поэтому в паспорте
на датчик могуг быть не приведены нормальные условия эксплуатации, а
лишь указаны граничные значения влияющих факторов, удовлетворяющие
заданной погрешности, — так называемые рабочие условия.
45
/. Общие сведется о датчиках информационно-измерительных систем
1.3. Способы компенсации и учета погрешности
Во всех случаях погрешность датчика стремятся уменьшить. Иногда ее
удастся полностью или частично скомпенсировать, если же компенсация
невозможна, погрешность учит ывают и вводят в паспорт датчика.
Источники систематической погрешности могут быть очевидными, не-
посредственно вызываемыми условиями работы (например, вибрациями), а
могут быть «скрытыми» от прямой регистрации. В последнем случае необ-
ходимо, чтобы влияющая функция изменялась во времени, так как тогда
систематическую погрешность можно найти и компенсировать. Иначе сс
очень сложно обнаружить, единственным способом является периодическая
поверка нуля и чувствительности по образцовым мерам.
Для компенсации систематической погрешности на практике используют
три основных способа: аналитический, методический и схемотехнический.
Аналитический способ основан на введении в исходную формулу из-
вестных аналитических выражений. Например, для датчиков на основе ме-
таллических ЧЭ, функция преобразования зависит от температуры:
У = Дх, Г).
В общем случае у = Sx или для производных
dy dS _ дх
dT дТ дТ
При х Ф f(T) имеем
, dS
dy = х—di.
дТ
Пусть известна температурная чувствительность первичного преобразо-
вателя Sp = dS I дТ. Тогда
ут = у + dy = [S + SpdT]x.
Зная реальную температуру датчика, можно определить ДТ = Т-Тпом и,
заменив dT на ДТ, получить окончательно
УГ = 5иомх + 5ТД7*-
Второе слагаемое в правой части этого выражения представляет собой по-
правку к результату измерения
Характерным примером методического способа является компенсация
погрешности, вызванной магнитным полем Земли. Измерения проводят
дважды: при любом положении датчика и при изменении его ориентации на
180° относительно предыдущего положения.
Схемотехнический способ предполагает такое построение датчика, при
котором отдельные составляющие полной погрешности взаимно компенси-
руются. Для этого можно использовать, например, симметричные мостовые
схемы, частично компенсирующие температурную погрешность.
Рассмотрим этот способ подробнее. Функция преобразования симметрич-
ного тензорезистивного моста Уитстона (рис. 1.7) определяется выражением
46
1.3. Способы компенсации и учета погрешности
Ц}ых “ SR (^1 + ^4 - Я2 - /?з),
где б — ЭДС источника питания; SR —
чувствительность плеча моста;/?], /?4 и /?2, /?з
— противолежащие плечи моста.
Стрелками показаны условные направ-
ления деформаций под действием влияющих
факторов.
Изменение температуры вызывает откло-
нение сопротивлений плеч мосла от их номи-
нальных значений. Тогда получаем
Рис. 1.7. Схема тензорезис-
тивного моста Уитстона
Ц.ЫХ1 =£ЗД(*1 +ДЛ|)+(Л4 +ДЛ4)-(Я2 +ДЛ2)-(Л3+ДЛ3)].
Если А/?] — Д/?2 — Д/?з — Д/?4, то С7В|э1Х| £/ВЬ|Х.
Случайная погрешность приводит к разбросу результатов при повторных
измерениях. Часто ее компенсация представляет собой сложную задачу, од-
нако иногда разброс можно устранить защитой измерил ельного канала С
этой целью используют температурную и вибрационную изоляции, элек-
тромагнитное экранирование и пр. Существует ряд схемотехнических
решений — симметричные дифференциальные схемы, корреляционные ме-
тоды обработки результатов и т. д. Примером дифференциальной схемы
является измерительный мост, позволяющий компенсировать синфазную
случайную погрешность (если ее источник действует одновременно на все
четыре плеча моста). Если же случайную погрешность устранить не удается,
используют статистическую обработку результатов измерений в целях оп-
ределения наиболее вероятного значения измеренной величины и погреш-
ности датчика. Результаты измерений и их расхождение характеризуют сле-
дующие показатели:
математическое ожидание (среднее значение по множеству) уср =
где/V— число измерений;
средняя квадратическая погрешность сзу == (у, -уср)2 /(N -1);
дисперсия = - jCp)2/(7V-l).
Если погрешности различных измерений независимы между собой, то
вероятность их появления описывается нормальным (Гауссовым) распреде-
лением Р(у):
Г >’-^ср ?
ДД =-----20 Г
47
1. Общие сведения о датчиках информационно-измерительных систем
В этом случае наиболее вероятное значение у = уср, а вероятность
попадания результатов измерения в заданные пределы составляет
Р(уср ± ) = 68,27 %, Р(уср ± 2оу) = 95,45 % и Р(уср ± Зоу) = 99,73 %.
Случайная погрешность также бывает абсолютной, относительной и
приведенной. В частности, относительная средняя квадратическая погреш-
ность гу =ау/ уном (в расчетах уном приравнивают математическому ожи-
данию, т. е. принимают уном = уср). Использование дисперсионных оценок
позволяет суммировать статистически независимые погрешности для любых
законов распределения.
Для определения случайной погрешности иногда применяют квантиль-
ные оценки. Квантильная оценка — это указание максимального значения
случайной погрешности (Еу)тах с некоторой доверительной вероятностью
Р(у). Общепринятые доверительные вероятности:
Р(у) = 0,80 — в стандартах надежности средств электроники, автоматики
и измерительной техники;
Р(у) = 0,9...0,95 — при нормировании случайных погрешностей средств
измерения.
Основной недостаток оценки погрешности доверительной вероятностью
— невозможность суммирования погрешностей нескольких датчиков.
В соответствии с ГОСТ 8.011—72 при проведении метрологической по-
верки датчика необходимо указывать закон распределения погрешностей. В
ряде случаев близкие по форме законы могут быть приведены к одному виду.
Законы распределения подразделяют по трем основным признакам:
1) по форме кривой распределения — симметричные (нормальный, тре-
угольный и др.) и скошенные;
2) по числу максимумов на кривой распределения — безмодальные, од-
номодальные и двухмодальные;
3) по способу аналитического описания: экстремальные (в частности,
дискретное двузначное распределение), симметричные экспоненциальные,
композиционные и частные (например, арксинусоидальный).
Укажем для типовых погрешностей законы распределения (рис. 1.8):
погрешность от зазора в кинематической цепи распределена по дискрет-
ному двузначному закону, так как принимает только два значения: + а и - а
(см. рис. 1.8, а);
погрешность от гистерезиса имеет композиционное распределение в ви-
де суммы дискретного двузначного и экспоненциального законов, а также
размытость около точек + а и - а (см. рис. 1.8, б);
погрешность от квантования распределена по равномерному закону, так
как значения у > b и у < - h нс встречаются, а внутри этого интервала они
равновероятны (см. рис. 1.8, в);
погрешность от синусоидальной наводки распределена по арксинусои-
дальному закону;
48
Рис. 1.8. Законы распределения типовых погрешностей:
а — дискретный двузначный; б — композиционный, в — равномерный; г — нормальный
погрешность градуировки имеет композиционное распределение в виде
суммы равномерного и экспоненциального законов;
температурная погрешность имеет композиционное распределение в виде
суммы треугольного асимметричного и дискретного двузначного законов;
погрешность от колебаний напряжения питания распределена по тре-
угольному закону.
Закон распределения погрешности для электронных систем общепро-
мышленного назначения обычно известен. Например, шумы радиоаппарату-
ры подчинены нормальному закону распределения (см. рис. 1.8, г).
Применение рассмотренных выше характеристик для оценки точности
датчика предполагает составление паспорта датчика. Иногда для этого
удобнее использовать интегральные оценки: постоянство, правильность и
точность датчика.
Постоянство датчика — это такое его свойство, для которого характерна
малая случайная погрешность (рис. 1.9, а). В этом случае обеспечивается
высокая сходимост ь результатов измерений.
Правильностью (рис. 1.9, б) называется способность датчика выдавать
результат с малой систематической погрешностью. (Наиболее вероятное
значение измеряемой величины близко к истинному.)
Годность обозначает способность датчика выдавать результаты, индиви-
дуально близкие к истинному значению измеряемой величины. Высокие
постоянство и правильность датчика (рис. 1.9. в) обеспечиваются одновре-
менно. Точност ь численно выражается через сумму случайной и системати-
ческой составляющих полной погрешности. Она определяет доверительный
интервал вокруг измеренною значения, внутри которого с заданной вероят-
ностью находится истинное значение измеряемой величины.
В заключение сформулируем основные требования, которые следует со-
блюдать при разработке датчиков робототехнических и мехатронных систем.
49
।
1. Общие сведения о датчиках информационно-измерительных систем
в
Рис. 1.9. Кривые распределения выходной величины, характеризующие
постоянство (я), правильность (б) и точность (в) датчика
1. Выделить измеряемый параметр и выбрать методику его измерения.
2. Разработать структуру информационных модулей, максимально ис-
пользуя симметричные и дифференциальные схемы.
3. Определить влияющие факторы и сформировать рабочие условия
функционирования датчика.
4. Провести градуировку датчика и определить его функцию преобразо-
вания.
5. Вычислить относительную систематическую погрешность датчика.
6. Провести серию испытаний и установить закон распределения слу-
чайной погрешности: вычислить математическое ожидание и дисперсию
случайной погрешности; определить относительную случайную погреш-
ность датчика.
7. Рассчитать полную погрешность датчика и указать доверительный ин-
тервал.
8. Составить паспорт на датчик.
Контрольные вопросы
1. Как определить полосу пропускания датчика?
2. Можно ли установить реальную функцию преобразования датчика?
3. Зависит ли динамическая чувствительность датчика о г статической?
4. Обладает ли датчик первого порядка собственной частотой?
5. Какой параме тр характеризует быстродействие датчика?
6 От каких параметров зависит собственная частота датчика второго по-
рядка?
7. Какую погрешность — аддитивную или мультипликативную — вызы-
вают климатические факторы?
8. Можно ли случайную погрешность сделать систематической?
9. В чем основное достоинство дисперсионных оценок7
10. Как связаны между собой средние квадратические погрешности при
единичном измерении и при нескольких измерениях?
2. ЭЛЕМЕНТЫ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Основой любой информационной системы является первичный преобра-
зователь, или ЧЭ, изменяющий свое состояние под действием разнообраз-
ных факторов. В общем случае каждый ЧЭ реагирует на различные воздей-
ствия, не являясь таким образом датчиком определенного параметра. Имен-
но это обстоятельство привело к появлению погрешностей измерения.
Предварительная обработка, в том числе и компенсация погрешностей,
осуществляется измерительной цепью. В нее кроме основных ЧЭ, предна-
значенных для измерения параметров сигналов, включают дополнительные
компенсационные ЧЭ, служащие для устранения погрешностей.
2.1. Чувствительные элементы датчиков
Среди ЧЭ, используемых в технике, будем рассматривать лишь те, кото-
рые используются при формировании кинестетической, локационной, визу-
альной и тактильной сенсорных функций — основных функций робототех-
нических и мехатронных систем.
В соответствии с физическим принципом, положенным в основу преоб-
разования информации, различают следующие основные типы ЧЭ:
резистивные (в том числе тспзо- и фоторезисторы);
электромагнитные (индуктивные, индукционные и др.);
преобразователи Холла;
оптические;
пьезоэлектрические.
2.1.1. Резистивные чувствительные элементы
Резистивные ЧЭ нашли широкое применение во всех областях измери-
тельной техники Принцип их действия основан на измерении вариаций
электросопротивления (далее — просто сопротивления) резистора R, опре-
деляемого по формуле
/?=р//5,
где р, / и .у — удельное электросопротивление, длина и сечение проводника
соответственно.
Промышленно выпускают аналоговые и цифровые резистивные ЧЭ.
Аналоговые резистивные ЧЭ изготовляют из проводников, полупровод-
ников и проводящих жидкостей. Они имеют сопротивление в диапазоне
1... Ю60м. Сопротивление цифровых ЧЭ, представляющих собой разные
51
2. Элементы информационных систем
коммутаторы (тиристоры, фотоэлектрические устройства и т. д.), практически
неограниченно. Допуски на резистивные ЧЭ указывают в процентах в соот-
ветствии со следующим рядом: 0,001 0,002 0,005 0,01 ...1 2 5 10 20 30.
В системах управления при построении потенциометрических датчиков
положения и перемещения широкого диапазона измерения используют пе-
ременные (проволочные и пленочные) резисторы. Их сравнительная харак-
теристика приведена в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Основные параметры резистивных ЧЭ
Модель Тип /?, кОм п £.% Q или И /< Вт Размеры, мм т, кг
d /
ПТП-1 (Россия) Пово- рот- ный 0,2...20 1 0,3 1,8 об/с 1 29 22 0,04
ППМЛ (Россия) » 0,4...8,2 20 0,02 3,6 об/с 1 19 76 0,1
СП5-39 (Россия) » 0,2...47 20 0,1 3,0 об/с 2 15 43 0,05
СП4-8 (Россия) » 1...220 1 0,0! 1,8 об/с 0,5 31 21 0,02
CP-JCL (Япония) Линей- ный 0,2...20 — 0,05 500 м/с 1 10 2000 Н.Д.
Примечание. Здесь и далее п — число оборотов вала; £ — относительная погреш-
ность; Q и И— угловая и линейная скорости вала соответственно; Р— электрическая мощ-
ность; d, I, т — диаметр, длина и масса ЧЭ соответственно,
Рис. 2.1. Фольговый (а) и полупроводни-
ковый (б) тензорезисторы:
1 — фольговая решетка; 2—непроводящая
подложка; 3 — кремниевая пластинка
Для измерения сил и микро-
перемещений в качестве первич-
ного преобразователя информа-
ционных систем тактильной
модальности используют тензо-
резистор, представляющий собой
металлическую нить различной
формы (рис. 2.1). Тензорезистор
устанавливают на поверхности
упругого элемента датчика. Воз-
никающая в упругом элементе
деформация вызывает изменение
состояния ЧЭ в соответствии с
явлением тензоэффскта. Диапазон
52
2.1. Чувствительные элементы датчиков
допустимых деформаций тензорсзистора определяется необходимой точно-
стью измерений и при погрешности 0,1 % составляет 10-5 ... 2-10-1.
Тензоэффектом называется свойство проводников и полупроводников
изменять электрическое сопротивление при деформации. У полупроводни-
ков тензоэффект связан с изменением удельного электросопротивления,
причем знак тензоэффекта зависит от типа проводимости материала, а зна-
чение — от кристаллографическою направления. Принцип действия тензо-
резистора основан на законе Гука:
На, для
где о, Е/, Е — напряжение, линейная деформация и модуль Юнга соот-
8
ветственно. Так, для стали су = (2...8)- 10 Па, Е = (1,8...2,9)-10
6 9
свинца ст = (5...10)-10 Па, Е-(5...18)- 10 Па.
Сопротивление металлической нити R = pH S при деформации изменяет-
ся по закону
Д/? _ Д/ Дд Др Д/(1 + 2v) Др (1 + 2у + Ар)Д/
R / 5 р / р /
Здесь v— коэффициент Пуассона, равный отношению поперечной дефор-
мации к продольной, v = -e/l1on/E/npo4; А —коэффициент пьезосопротив-
ления. В зоне линейной упругости v = 0,3. Для нити прямоугольного
2
сечения принимают 5 = ab, для нити круглого сечения — s = nR , откуда
следует As / 5 = -2vA/ / /.
Тензочувствитсльность первичного преобразователя ST определяется за-
висимостью
Р
д/?/я
т д///
Слагаемое (l+2v) характеризует изменение 5Т в зависимости от геометрии, а
Ар — в зависимости от свойств материала. Тензочувствитсльность показы-
вает, насколько относительное изменение сопротивления ЧЭ превосходит
его относительную деформацию Например, для металлических тензорези-
сторов v = 0,3, Ар = 0,4 и, следовательно, 5Т ~ 2. Таким образом, функцию
преобразования тснзорезисторного ЧЭ можно представить в виде AR/R =
= 5Т Д/// или, обозначив AR/R = а Д/// = е^, получаем
Важной характеристикой тснзорезисторов является их температурная
чувствительность, приводящая к изменению сопротивления даже в отсутст-
вии деформации упругого элемента (рис. 2.2). Для ее оценки используют
температурный коэффициент сопротивления /(RAT), где AR]----
изменение сопротивления гензорезистора под действием температуры; зна-
53
2. Элементы информационных систем
Рис. 2.2. Влияние температуры на тем-
пературный коэффициент сопротивле-
ния (/) и тензочувствительность (2) тен-
зорезистора
чепия коэффициента изме-
няются от 2-10“5 °C'1 для кон-
стантана до 10-10-5 °C"1 для ни-
хрома идо 19-1СГ5 °C-1 для изо-
эластика.
Тензорезисторы подразделяютна
три основные группы: проволочные,
фольговые и полупроводниковые.
Основой проволочных тензоре-
зисторов является струна из кон-
стантановой (Си — Ni — Мп) про-
волоки диаметром 2...30 мкм, вкле-
енная с помощью фенольной смолы между бумажными подложками.
Струну изготавливают либо волочением, либо методами микрометаллургии.
В фольговых тензорсзисторах (см. рис. 2.1, а) используют константановую
решетку, которую вытравливают фотохимическим способом из листов толщи-
ной 5... 10 мкм и приклеивают на бумагу толщиной 30... 100 мкм. Тензорези-
сторы этого типа имеют наилучшую избирательность благодаря оптимизации
рисунка решетки. Например, для уменьшения влияния поперечных деформа-
ций поперечные части решетки делают толще продольных. При этом их со-
противление уменьшается.
Полупроводниковые тензорезисторы (см. рис. 2.1, б) также представляют
собой проволоку или решетку из монокристаллического германия или
кремния. Их подразделяют на две группы: струнные и диффузионные.
Струнные тензорезисторы изготавливают методом травления. Толщина
струнных тензорезисторов составляет 20...50 мкм, ширина до 0,5 мм и длина
2... 12 мм. Диффузионные тензорезисторы получают при помощи инжекти-,
рования примесей непосредственно в монокристалл кремния, являющийся
упругим элементом датчика. Изоляционный слой образуется благодаря
р—л-псреходу, смещенному в обратном направлении. Данная технология
обеспечивает получение идентичных параметров у всех ЧЭ. Сравнительная
характеристика тензорсзисторных ЧЭ дана в табл. 2.2.
Наилучшими эксплуатационными характеристиками обладают фольго-
вые тензорезисторы. Для них характерна малая поперечная тензочувстви-
тельность S"on и хорошая температурная стабильность. В области линейных
упругих деформаций (при 8/ < 0,65 %, v = 0,3) для константана 5=2 при
= 2 -10—5 К-1. Проволочным тензорезисторам свойственна ббльшая, чем
фольговым, поперечная тензочувствительность. В расчетах полагают, что
для них S'"00 =2-10~25т. Полупроводниковые тензорезисторы при очень
54
2.1. Чувствительные элементы датчиков
большой 5Т (выше 100) обладают нелинейной функцией преобразования и
самой высокой из всех тснзорезисторов температурной чувствительностью.
Для расширения температурного диапазона эксплуагации (от -271 до
400 °C ) их выполняют по технологии «кремний на сапфире».
Таблица 2.2
Основные параметры тензорезисторов
Модель Тип £/, % /, мА Размеры, мм
/ Ь*
КТД-2А (Россия) Полупроводниковый 0,1 100 10 2 0,1
КТЭ-7Б (Россия) » 0,1 100 10 7 0,7
КФ-5, ФКПА (Россия) Фольговый 0,2 3 30 11 5
LG1I 0,6/120 (Германия) » 0,5 2 12 5 3
Вт 356 (Россия) Проволочный 0,6 2 50 15 10
* Ширина гензорезистора.
При размещении тензорезистора на поверхности упругого элемента его
температурный коэффициент сопротивления становится зависим от мате-
риала упругого элемента. Температурная компенсация тензорезистора дос-
тигается при использовании материалов с согласованными для тензорези-
стора и упругого элемента температурными коэффициентами линейного
расширения а/. В этом случае вместо используют интегральный коэф-
фициент р, учитывающий материал упругого элемента. Общее изменение
сопротивления тензорезистора, установленного на упругий элемент, соста-
вит (ДЯГ/Я)Е =РД7’, где Р = 5(а/т -а/у),а а/т и а/у — температурные ко-
эффициенты линейного расширения материалов тензорезистора и упругого
элемента. Датчик считается термокомпенсированным, если
Р< 1,5 10 6 °C 1.Эффективная термокомпенсация обеспечивается для дат-
чиков с упругими элементами из титана, стали, меди и других материалов с
постоянными aR. Для тензорезисторов, работающих в динамических ре-
жимах, специальных мер термокомпенсации не применяют.
55
2. Элементы информационных систем
2.1.2. Электромагнитные чувствительные элементы
Развитие методов бесконтактного съема информации привело к широ-
кому использованию электромагнитных способов преобразования информа-
ции. Именно электромагнитные ЧЭ в настоящее время являются основой
большинства промышлештых датчиков разного назначения. Принцип дейст-
вия электромагнитных ЧЭ основан на том, что в измеряемый параметр
(например, перемещение) «вовлекается» один из элементов магнитного кон-
тура (обычно индуктивность). Изменение индуктивности в свою очередь
вызывает изменение магнитного потока через измерительную обмотку, а
следовательно, и электрического сигнала.
При построении электромагнитных датчиков наиболее известны два
подхода: индуктивный и индукционный. В первом случае информативным
параметром является индуктивность ЧЭ (катушки) L или коэффициент вза-
имной индукции £2| нескольких ЧЭ, во втором — ЭДС индукции. Параметр
L называют также коэффициентом самоиндукции, a L2j — коэффициентом
связи между обмотками
Электромагнитные ЧЭ можно включать по дроссельной и транс-
форматорной схемам. Дроссельная схема обычно содержит одну или две
(при дифференциальном соединении) катушки, в которых изменяется коэф-
фициент самоиндукции L. В трансформаторной схеме используют не-
сколько катушек для изменения коэффициента взаимной индукции. При
этом одна из катушек (обычно первичная) неподвижна.
Рассмотрим дроссельную схему. Индуктивность L дросселя с числом
витков N катушки, магнитным сопротивлением R и относительной маг-
нитной проницаемостью ц сердечника вычисляют по формуле
= w2^,
(f>J/ 3
где Rtl=-—;ц~1О...1О (для ферромагнитного сердечника); =
= 4л-10 7 Гн/м — магнитная постоянная; /, 5 — соответственно длина и
площадь поперечного сечения сердечника.
Вид функции преобразования ЧЭ зависит от того, какой из параметров
является информативным: если 5, то функция линейна, если /, то нет. Как
правило, оба эти параметра зависят от перемещения сердечника х. Тогда L =
= ад и ^21 = ^2iW- Согласно правилу буравчика, вектор магнитной ин-
дукции В направлен вдоль оси катушки.
Если сечение магнитопровода постоянно по длине, то для R L справед-
ливо выражение
56
2.1. Чувствительные элементы датчиков
—,
РоН5м Н()Л’О
где /м, Iq — длина силовых линий в магнитопроводе и воздухе соот-
ветственно; лм, sq — площадь поперечного сечения магнитопровода и
воздушного зазора соответственно.
Принцип действия большинства электромагнитных ЧЭ основан на изме-
нении зазора AZ0 (рис. 2.3, а). Индуктивность
В расчетах используют упрощенную формулу
jL—s I Iq.
Величина A/o связана с перемещением обкладки Ах выражением А/о =
= 2Аг (рис. 2.3, а). После упрощения получаем
/q 1 + 2 Ах / /q
Данное выражение можно рассматривать как функцию преобразования
электромагнитного ЧЭ. Видно, что зависимость коэффициента самоиндук-
ции L от перемещения Ах нелинейна. При х/q зависимость AL(Ax) ап-
проксимируется рядом:
Существенное уменьшение погрешности, вызванной нелинейностью
АЛ(Ах), достигается при дифференциальном (встречном) включении двух
одинаковых катушек (рис. 2.3, б; 2.4, а). Для первой и второй катушек соот-
ветственно имеем
Рис. 2.3. Простая (а) и дифференциальная (б) дроссельные схемы:
1 — магнитопровод: 2 — катушка; 3— подвижный сердечник
2. Элементы информационных систем
Тогда при ДА (ДА 2-ЛА 0 чувствительность схемы удвоится, а нели-
нейность уменьшится до членов второго порядка малости вследствие ком-
пенсации нелинейностей первого и всех нечетных порядков (рис. 2 4, в).
Действительно,
Приведем типичные параметры простейшего дросселя на несущей час-
тоте 5 кГц: индуктивность около 5 мГн, индуктивное (реактивное) сопро-
тивление около 150 Ом, активное сопротивление 20...200 Ом.
В трансформаторной схеме (рис. 2.4, б) используют три обмотки пер-
вичную и две вторичные. Это позволяет электрически развязать первичною
и вторичную цепи и существенно снизить влияние катушек на подвижный
элемент датчика.
Первичная и вторичные обмотки могут быть включены в схеме согласно
(встречно) либо взаимно заменены.
Для питания датчиков дроссельного и трансформаторного типов исполь-
зуют синусоидальное напряжение с частотой сети до 50 кГц. Правильный
выбор частоты сети уменьшает помехи и магнитные потери.
Рис. 2.4. Дифференциальное включение электромагнитного ЧЭ в дроссельной
(а) и трансформаторной (б) схемах, а также его функции преобразования (в)
1 — подвижный сердечник; 2 — катушки
58
2.1. Чувствительные элементы датчиков
В зависимости от диапазона измерений применяют схемы с продольным
и поперечным перемещением сердечника. В первом случае (см. рис. 2.4, б)
сердечник перемещается вдоль своей главной оси инерции, во втором (см.
рис. 2.4, а) — перпендикулярно ей.
Индуктивные ЧЭ широко используют при построении бесконтактных
датчиков перемещения. В частности, дифференциальные схемы с продоль-
ным перемещением сердечника позволяют измерять расстояния 1 ...500 мм, а
с поперечным — оз 20 мкм до 1 мм. При использовании сердечников дли-
ной, равной длине катушки, регистрируемое перемещение может достигать
80 % от длины сердечника.
Сравнительная характеристика нескольких моделей электромагнитных
ЧЭ дана в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Основные параметры электромагнитных ЧЭ
Модель Диапазон измерения, мм ^ип-В Е, % Размеры, мм т, г
с! / b h
ДСМ-01 4- 2** 24 0,5 28 20 — 50
(Россия) В-ТТ ±5 10...30 2 6 45 . 20
(Германия) GT-43 ± 15 6 7 16 185 250
(Испания) ДИ-1 (Россия) ±1 24 5 — 9 40 28 15
* Напряжение источника питания. ** При расстоянии до объекта 7 мм.
2.1.3. Преобразователи Холла
Одно из важнейших для практических приложений гальваномагнитных
явлений — эффект Холла — известно более 100 лет, оно было открыто в
1879 г Э. Холлом, сотрудником Балтиморского университета им. Дж. Хоп-
кинса. Этим открытием он подтвердил теорию движения электронов, изло-
женную за 30 лет до этого лордом Кельвином. Холл обнаружил, что если
расположить магнит относительно золотой пласт инки, по которой протекает
ток /, так, чтобы магнитное поле было перпендикулярно пластинке, между
ее боковыми сторонами возникнет разность потенциалов — напряжение
Холла. Это напряжение пропорционально силе тока I через проводник и
магнитной индукции В. Поэтому преобразователи Холла можно считать
разновидностью электромагнитных ЧЭ1.
Первые приборы, использующие эффект Холла, появились в 50-е годы XX в., когда
был создан датчик СВЧ излучения. В 1968 г. была изготовлена первая полупроводниковая
клавиатура, в которой применялось это явление
59
2 Элементы информационных систем
Наиболее известно использование преобразователей Холла в магнето-
метрах, измерителях параметров магнитного поля, датчиках перемещений и
др. Например, датчик перемещений состоит из двух основных элементов —
преобразователя Холла и магнита, подвижных один относительно другого.
Перемещение магнита относительно ЧЭ вызывает сигнал, пропорциональ-
ный этому перемещению. Самыми распространенными материалами преоб-
разователей Холла являются полупроводниковые структуры на базе GaAs,
InAs, InSb и др.
Рис. 2.5. Схема преобразователя Холла:
/ — металлическая пластинка; 2 — магнитные силовые линии, 3 — магнит;
4 — линии тока
Датчик, содержащий преобразователь Холла, относится к классу генера-
торных. Его выходным сигналом является напряжение Холла £7Х, ко1ОР°е
возникает в случае, если через находящийся в магнитном поле кристалл
протекает опорный ток /оп (рис. 2.5). Функцию преобразования ЧЭ Холла
можно представить в виде
С/Х = ЛХ— В sine,
h
где Лх — постоянная Холла; А — эффективная толщина полупро-
водникового слоя; В sin 0 — составляющая индукции внешнего магнитного
поля, перпендикулярная плоскости кристалла. Для металлов /?х »
—3 3 5 3
= 10 см /Кл, для полупроводников /?х = 10 см /Кл.
Постоянная Холла зависит от температуры, се температурная чувстви-
тельность 57Х = (1...3)-10“2 К I Если /оп = const и 0 = const, то Ux ~
В этом случае Д£7Х = 5ХДВН где 5Х=/?Х/ОГ1/Л — чувствительность
преобразователя Холла. Конструктивной особенностью ЧЭ этого типа
является то, что линии съема сигнала располагаются перпендикулярно
направлению протекания тока.
60
2.1. Чувствительные элементы датчиков
В измерительных устройствах используют также интегральные микро-
схемы, принцип действия которых основан на эффекте Холла. В состав та-
кой микросхемы (рис. 2.6, а) входят: ЧЭ Холла, стабилизатор опорного на-
пряжения, операционный усилитель и эмиттерный повторитель. Выходное
напряжение (7ВЫХ зависит от напряжения Холла и коэффициента усиления
схемы. В отсутствии магнитного поля (/пых = 0; если питание микросхемы
осуществляется от однополярного источника как на рис. 2.6, а, то £/вых =
= (/И11/2. Напряжение Холла невелико и составляет около 30 мВ при
В\ = 10 мТл, что требует установки операционного усилителя. Эмиттерный
повторитель уменьшает выходное сопротивление микросхемы.
Магнитные поля большой силы не разрушают датчик Холла, а лишь пере-
водят его в режим насыщения с 17вых < (7ИП. Чувствительность микросхемы
5 — Д(7вых/ДВ ।.
Используя приведенные на рис. 2 6, б графики, можно найти Д(7ВЫХ
при изменении ДВ[ для известного С/ип. Погрешность преобразователя со-
ставляет 1 ...2 %.
Рис. 2.6. Микросхема Холла (а) и се функция преобразования (б).
1 — элемент Холла, 2 — стабилизатор напряжения; 3 — эмиттерный повторитель;
4 — операционный усилитель
Часто датчик с преобразователем Холла имеет релейный выход. В этом
случае оконечный каскад микросхемы содержит триггер Шмитта и транзи-
стор с открытым коллектором, что позволяет использовать разные шины
питания микросхемы и нагрузки. Такие микросхемы устанавливают в дат-
чиках положения, тока, тахометрах, бесконтактных переключателях, маг-
нитных карточках и замках.
61
2. Элементы информационных систем
Сравнительная характеристика некоторых преобразователей Холла дана
в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Основные параметры датчиков Холла
Модель В\, мТл, при t/ип.В t, мкс мА Размеры, мм т, г
сраба- тывании отпус- кании вклю- чения выклю- чения 1 b h
КН16КП6 (Россия) 80 20 4...30 0,2 0,5 3 13 12 2 0,5
SAS-250 (Германия; 65 5 0...30 2 1 30 К) 6 2 0,2
TL-175 (США) 35 -35 5...7 Н.д. Н.д. 20 4 5 5 0,2
Примечание. Здесь и далее Н д. — нет данных.
2.1.4. Оптические чувствительные элементы
В качестве оптических ЧЭ чаще всего используют оптронныс пары све-
тоизлучатель — фотоэлемент. Первыми излучателями были вакуумные или
газонаполненные лампы, получившие название ламп накаливания. Их дос-
тоинство — сравнительно большая мощность излучения и стабильная тем-
пературная характеристика в широком диапазоне температур от -60 до
150 °C (рис. 2.7, а). Причем необходимый уровень выходного сигнала дос-
тигается уже при 50-процентной выходной мощности, что позволяет увели-
чить ресурс работы ЧЭ путем снижения (/ип. Так, для лампы с £/ип = 6 В,
имеющей срок службы 100 ч, при понижении (7ИН до 4 В ресурс возрастает
до 10 000 ч. Кроме того, высокая мощность излучения позволяет снизить
требования к чувствительности и помехозащищенности фотоприемников.
Применение ламп накаливания в фотоэлектрических датчиках положения
позволяет непосредственно сформировать «линию считывания» и тем са-
мым обойтись без щелевых диафрагм. Такое простое техническое решение
вдвое увеличивает разрешающую способность датчика.
В последнее время в промышленных датчиках положения все чаще ис-
пользуют излучающие полупроводниковые диоды — светодиоды. Их дей-
ствие основано на явлении электролюминесценции1.
Яркость свечения светодиода пропорциональна току через него.
Для рассмотренных типов излучателей свойственно постепенное умень-
шение излучаемой мощности с течением времени (рис. 2.7, б).
1 Электролюминесценция газов — свечение газового разряда — известна давно. Приме-
нительно к твердым телам она была открыта О Лосевым в 1923 г Сейчас чаще всего для
электролюминесценции используют полупроводниковые материалы, где она проявляется в
«излучательной рекомбинации» носителей в прямосмещенном р—«-переходе.
62
2.1. Чувствительные элементы датчиков
Ниже приведены основные параметры светодиодов:
Мощность излучения Р, Вт.............................. до 1,0
Ширина спектральной характеристики 5(Х)
на уровне 0,5/7РП1ах, нм.............................. до 50
Длина волны X, соответствующая максимуму S(X), мкм.... 0,4...1,2
Угол направленности АО, град.......................... 60... 160
Направленность излучателя представляет собой свойство концентрации
излучаемой мощности в относительно малом телесном угле. Диаграмма на-
правленности (рис. 2.7, в) характеризует зависимость мощности излучения
Р от его направления г (или угла 0):
£>(г) = Р(г)/Р(г0).
Рис. 2.7. Температурные (а) и временные (б) характеристики лампы накаливания (7)
и светодиода (2) и диаграмма направленности светодиода (в)
Направление г0 соответствует мощности излучения , совпадающей
с перпендикуляром к излучающей поверхности. При использовании поляр-
ных координат угол 0 обычно выбирают из условия Р/>0,8
По массогабаритным показателям — надежности, быстродействию и по-
требляемой мощности — светодиоды превосходят лампы накаливания. Их
срок службы превышает 104 ч. Недостатки светодиодов связаны с малой
мощностью излучения (наибольшая у арсснид-галлиевых) и ее зависи-
мостью от температуры.
В последнее время все большее распространение получают полупровод-
никовые лазерные диоды. Принцип действия лазера основан на способности
некоторой активной среды под действием внешнего электромагнитного из-
лучения определенной частоты формировать когерентное монохроматиче-
ское излучение1.
1 Впервые эта идея была предложена В Фабрикантом и Д. Вебером в 1951 г, а реализо-
вана Д. Гордоном, X. Цайгсром и Ч. Таунсом в 1954 г.
63
2. Элементы информационных систем
Особенностью лазерного излучения является очень острая диаграмма
направленности и исключительно малый диаметр фокального пятна (в дат-
чиках положения менее 0,1 мкм). Толщина полупроводникового пакета из
трех слоев не превышает 100 мкм, а стороны пакета имеют длину 400 мкм и
ширину 300 мкм. Генерация света происходит в активном слое GaAs при
прохождении через него тока.
Большинство лазерных диодов излучает свет в ИК диапазоне. Длина
волны X, а следовательно, и размер фокального пятна зависят от содержания
алюминия Сейчас промышленно выпускают лазерные диоды с длиной вол-
ны 0,78...0,63 мкм. Их выходная мощность достигает 0,003...0,5 Вт при дол-
говечности более 105 ч. Недостаток лазерных диодов — сравнительно
большие потери оптической энергии.
Действие приемников света, в качестве которых чаще всего используют
фотодиоды и фототранзисторы, основано на внутреннем фотоэффекте.
Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод на базе р—п-
персхода или барьера металл — полупроводник, смещенного в обратном
направлении. При этом обратный ток фотодиода зависит от освещенности
его р—п перехода
При освещении выпрямляющего р—и-персхода световым потоком Фс
происходит генерация избыточных носителей и обратный ток фотодиода
возрастает на величину /ф, называемую фототоком (рис. 2.8, а). Обратное
смещение перехода составляет 10..30 В. Фотоприемники изготавливают на
основе германия, кремния, свинца, индия, они имеют линейную функцию
преобразования. Так, в качестве приемников для светодиодов из GaAs ис-
пользуют кремниевые фотодиоды, для которых максимум спектральной
чувствительности приблизительно соответствует 1,4 эВ.
Рис. 2.8. Вольт амперная характеристика («) и функция преобразования (б)
фотодиода
64
2. /. Чувствительные элементы датчиков
Принцип действия фототранзистора основан на усилении фототока кол-
лекторного р—п-персхода. Внутри фототранзистора между его базой и кол-
лектором включен фотодиод, вырабатывающий ток /ф, который создает то-
ки в цепях транзистора:
~ О + ^21э)^ф»
здесь /к,/э— ток в цепи коллектора и эмиттера соответственно; —
коэффициент усиления схемы с общим эмиттером.
Функцию преобразования фотоприемника можно представить в обоб-
щенном виде (рис. 2.8, б):
^ф ~ 5фФс *
где 5ф — чувствительность фотоприемника, А/лм; Фс — световой поток, Лм.
Ниже приведены основные параметры фотоприемпиков:
Длина волны X в максимуме спектральной характеристики
5(Х) (рис. 2 9), мкм:
для германиевых фотодиодов ............... 0,6. ..1,0
для индиевых фотодиодов.... ........ < 3,2
«Темновой» ток /т, мкА....................... 50
Чувствительность 5ф, А/лм:
фотодиодов................................. £0.1
фототранзисторов..... ..................... < 1
Быстродействие t, с.......................... 10 11
Рис. 2.9. Спектральные характеристики фотодиодов на основе
германия (/), свинца (2), кремния (5) и индия (4)
Оптические ЧЭ позволяют строить высоконадежные и точные датчики
с разрешающей способностью менее 0,01 % и диапазоном преобразования
до 213. В табл. 2.5 приведена сравнительная характеристика оптических ЧЭ.
3. С.А. Воротников
65
2 Элементы информационных систем
Таблица 2.5
Основные параметры отечественных оптических ЧЭ
Модель Тип ^ип,В 7, мА к мкм Р или 5"ф Размеры, мм т, г Срок служ- бы, ч
d 1
СМИ-10 Лампа накали- вания 10 0,05 — 5 Вт 3 9 5 1500
АЛ-115 Светодиод 2 50 — 10"2 Вт 2,4 6,3 0,2 2500
АОД-111 Оптрон- ная пара 10 20 — Н.д. 1,5 3,0 1 5000
КФДМ Фотодиод 20 — 0,9 0,1 А/лм 1,9 1,9 0,8 5000
ФЭУ-96 Фотоум- ножитель До 2000 — 0,35 30 А/лм 20 85 25 1500
2.1.5. Пьезоэлектрические чувствительные элементы
Пьезоэлектрическим называется эффект поляризации анизотропного ди-
электрика под действием механического напряжения или возникновения в
нем механических деформаций под действием электрического поля1. В пер-
вом случае говорят о прямом пьезоэффекте, во втором — об обратном.
Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, т. е. знак заряда меняется
при замене сжатия растяжением, а знак деформации — при изменении на-
правления ноля. Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кри-
сталлические вещества: сегнетова соль, кварц, турмалин, ниобат лития, а
также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в элек-
трическом поле пьезокерамики- титанат бария, титанат свинца, цирконат
свинца и т. д. Пьезоэлектрики входят в группу сегнетоэлектриков — кри-
сталлических и керамических диэлектриков, у которых в отсутствии внеш-
него электрического поля возникает самопроизвольная ориентация диполь-
ных моментов частиц (доменов), входящих в состав кристаллической ре-
шетки. В пьезоэлектронных устройствах обычно используются ультра- и ги-
перзвуковые волны, а также электромагнитные колебания в частотном диа-
пазоне 10 кГц ... 1,5 ГГц. Для них характерна высокая стабильность пара-
метров. Например, в пьезокерамических генераторах она составляет ~ 105 , а
в кварцевых доел И1 ает 10 .
1 Пьезоэффект был открыт в 1880 г П. Кюри, исследовавшем кристаллы сегнетовой со-
ли. Первые пьезодатчнки для измерения избыточного давления и обнаружения подводных
объектов предложил использовать П. Ланжевен во время первой мировой войны 1914 —
1918 гт В 20-х годах XX в. создают пьезоэлектрические микрофоны, телефоны, граммофон-
ные звукосниматели. В 1922 г. американец У. Кейли использовал пьезоэлектрический стер-
жень для стабилизации частоты электронного высокочастотного генератора. Первый керами-
ческий пьезоматериал (титанат бария) синтезировали в 1944 г. советские ученые Б. Вул и
И. Гольдман.
66
2.1. Чувствительные элементы датчиков
Пьезоэлектрический ЧЭ по своему устройству и принципу действия на-
поминает конденсатор, напряжение на обкладках которого зависит от рас-
стояния между ними и изменяется при любых вариациях последнего. Это
обстоятельство позволяет использовать пьезоэлектрический ЧЭ в качестве
преобразователя динамических параметров — силы, давления, вибрации.
Электрическое состояние пьезоэлектрического ЧЭ описывает связь меж-
ду векторами напряженности электрического поля Е и поляризации Р:
е0Е = -Р,
где е0 =8,85 10 Ф/м —диэлектрическая постоянная.
Рассмотрим модель пьезоэффекта на примере кварца. Кристалл кварца
имеет ромбоэдрическую решетку. Элементарная кристаллическая ячейка
состоит из трех молекул SiO2, которые, группируясь по две, образуют гек-
сагональную структуру (рис. 2.10, а).
В каждой ячейке можно выделить три оси, проходящие через центр и со-
единяющие два разнополярных иона (см. рис. 2.10, а). Это так называемые
электрические оси, или оси х, по которым направлены векторы поляризации
Р|, Р2, Р3. До деформации ячейка электрически нейтральна.
Представим каждую ячейку в виде элементарного куба, внутри которого
расположены ионы кремния и кислорода. Если к рассматриваемой ячейке
вдоль, например, оси Х| приложена равномерно распределенная сила ГЛ,то
в результате деформации электрическая нейтральность ячейки нарушается
(рис. 2.10, б). При этом в деформированном состоянии сумма проекций
Р2ги Р$х на ось Х| станет меньше (при сжатии) или больше (при растяже-
нии) длины вектора Р|. Равнодействующей вектора поляризации соответст-
вуют поляризационные заряды на гранях ячейки. Нетрудно видеть, что та-
кая деформация ячейки нс влияет на ее электрическое состояние вдоль оси
Уз, сумма проекций Р2>, и Р^у на эту ось равна нулю.
Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных
оси Xj, при действии силы вдоль этой оси называется продольным пьезоэф-
фектом.
а б в г
Рис. 2.10. Кристаллическая ячейка пьезоэлектрика (а) и схемы ЧЭ, использую-
щих продольный (б) и поперечный (в, г) пьезоэффекты
3*
67
2. Элементы информационных систем
При приложении силы Fy, например, вдоль оси у3(оси у называются
механическими), геометрическая сумма проекций и ^3 на ЭТУ ось оста-
нется равной нулю, и на гранях пьезоячейки, перпендикулярных оси
заряды не образуются. Однако сумма проекций Р2>,и ^з^на ось Х1 ,,е
равна длине вектора Р] . Гак, при сжатии ячейки она превышает Р|,в ре-
зультате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней
— отрицательные. Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях,
перпендикулярных нагружаемым, называется поперечным ньезоэффсктом
(рис. 2.10, в).
При одновременном действии сил Fx и Fy,a также равномерном нагру-
жении со всех сторон (например, гидростатическом сжатии) ячейка остается
электрически нейтральной 'акая же картина характерна и для случая, когда
сила приложена вдоль перпендикулярной осям х и у оси z, называемой оп-
тической.
При механическом напряжении сдвига, деформирующем ячейку, геомет-
рическая сумма проекций Дхи ^Зх на ось Л'1 равна длине направленного
вдоль той же оси вектора Р],и на гранях, перпендикулярных ей, заряд не
возникает. Однако проекции Р2у и Р^у на ось у3 не равны между собой, и на
гранях, перпендикулярных оси у3, образуется заряд.
Итак, рассмотрение физической природы пьезоэффекта показывает, что
при напряженном состоянии материала заряды принципиально могут возни-
кать между тремя парами граней. Это означает, что поляризационный заряд
Q является вектором и описывается тремя компонентами Q = (Q, Q?’ Й)Т;
Q = q.v = Da,
где q — плотность заряда; 5 — площадь грани ячейки; D — матрица пье-
зомодулей; а— вектор напряженного состояния.
Плотность заряда как параметр, не зависящий от размеров граней, явля-
ется наиболее точной характеристикой пьезоэффекта, поэтому ее использу-
ют в качестве функции преобразования пьезоэлектрического ЧЭ. Для каж-
6
дой компоненты вектора q справедливо qt = i = 1, 2, 3; у =1, 2,..., 6.
7=1
В частности, для q\ получаем
Я\ ~d\ 1а1 + ^!2а2 + — + ^16°6-
Тогда, например, при сжатии вдоль оси xj плотность заряда на гранях,
перпендикулярных этой оси, будет равна q\ = ।Cj; при сжатии вдоль оси у3
68
2 /. Чувствительные элементы датчиков
q ПРИ всестороннем сжатии q{ = с/иО| +<^i2G2+^13a3 и» наконец,
при сдвиге = ^404.
Наиболее интересен поперечный пьезоэффект (см. рис. 2.10, г). Для него
заряд Q можно увеличить выбором относительных размеров пьезоэлемента,
г. с. длин ребер /Л, / . Действительно,
Q ~<7151 “М12~-^12
s2
F’yW
^х
— d\2 —
12 /
Матрица пьезомодулей D (или пьезоэлектрических коэффициентов dtJ )
имеет размерность 3x6. Для уменьшения количества ненулевых коэффици-
ентов матрицы используют специальные срезы кристалла. В частности,
кварц Х-срсза наиболее чувствителен к продольным деформациям. Сечение,
в котором матрица пьезомодулси наиболее разрежена, получило название
сечения Кюри. В нем, например, для кварцевой пластинки имеем
-б/ц 0 ^14 0 0
D = 0 0 0 0 -^14 -2^1
0 0 0 0 0 0
где d]] =2,3iiKh/II; dI4 =-0,7 пКл/Н; здесь учтено, что d]2 = ~^ц> ^25 ~
= -^14, rf26 =-2Jj J.
Пьезоэлектрические параметры ЧЭ зависят от материалов, из которых
они изготовлены (габл 2.6).
Таблица 2.6
Характеристики материалов пьезоэлектрических ЧЭ
Материал Тип с, м/с р, кг/см3 е/ d33, пКл/Н Т, °C, не более
Кварц Природный 5740 2,65 4,5 2,31 570
Ссгнстова соль » 3080 1,77 10,3 54 25
Ниобат лития » 7320 4,64 30 6 1160
Титанат свинца Керамический 3300 7,0 1400 200 290
Титанат бария » 3300 7,1 1000 300 500
Примечание. Здесь и далее в аналогичных таблицах с — скорость звука в материале;
р, Ег и J33 — плотность материала, его относительная диэлектрическая проницаемость и
п ьезомодул ь соотве гстве н н о.
Особенностью пьезоэлектрических датчиков (динамометров, акселеро-
метров, генераторов и др.) является совмещение функций упругого и ЧЭ,
что нехарактерно для датчиков на основе других преобразователей. Исполь-
зование совмещенного ЧЭ позволяет повысить точность измерения из-за
отсутствия переходных соединений. Такая конструкция обладает малым
69
2 Элементы информационных систем
внутренним трением. Одной из оценок этого свойства является добротность,
характеризующая механические потери в совмещенном ЧЭ. Применительно
к генераторному преобразователю добротность 0 = Д// /0, где Д/— ширина
резонансной кривой на уровне убывания амплитуды в J2 раз от резонанс-
ной /0. Добротность О связана с декрементом затухания б соотношением
0 ~ тг/5 и для пьезоэлектрических совмещенных ЧЭ лежит в диапазоне
31О2...11О7.
Совмещенный ЧЭ изготавливают из природных, ньсзокерамичсских и
полимерных материалов типа поливинилфторида, обладающих матрицей D
с пятью ненулевыми элементами. В отличие от природных пьезокс-
рамическис материалы имеют значительно более высокие пьезомодуль dtJ и
диэлектрическую проницаемость ег (меньше влияние паразитных емко-
стей), но худшие упругие свойства и более высокую температурную чувст-
вительность. Модуль упругости Е пьезокерамических материалов лежит в
пределах 65... 130 ГПа.
Все материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами лишь в опре-
деленном температурном диапазоне, граница которого определяется точкой
Кюри. Для кварца ей соответствует температура 570 С, для пьезоксрамиче-
ских материапов она значительно ниже, например, 290 °C для титаната
свинца. Кроме того, кварц обладает рядом других достоинств его прочность
на сжатие достигает о = 4 ГПа, функция преобразования линейна (практи-
чески без гистерезиса), постоянная времени релаксации заряда составляет
несколько часов.
Сравнительная характеристика некоторых пьезоэлектрических ЧЭ при-
ведена в табл. 2.7.
Таблица 2.7
Основные параметры пьезоэлектрических ЧЭ
Модель Измеряе- мый па- раметр Диапазон измере- ний t/ип-В 5 0 Г, С Размеры, мм т, г
d /
МУП-1 (Россия) Акусти- ческое 5 1...710 кПа 12... 100 Н.д. — 40...+150 18 9 20
давление 2 40 мВ с"7м
SA-4M (Швеция) Ускоре- ние -3 10 3 10 2 м/с 6...60 -70.. 4-450 25 27 50
НР-0001 (США) Сила 6 0. .10 н 12 50 пКл/н -70.4-200 12 0,3 5
Пьезоэлектрические первичные преобразователи широко используют в
акселерометрах, датчиках переменной силы и давления, устройствах приема
70
2.2. Измерительные схемы датчиков
и генерации звуковых колебаний. Частотный диапазон измерений составля-
ет 1О-5...1О5 Гц.
Итак, мы рассмотрели основные типы ЧЭ, которые преобразуют измене-
ние измеряемой величины в изменение какого-либо собственного параметра
сопротивления, индуктивности, заряда или другие разнородные характери-
стики (часто их объединяют термином импеданс). Однако, согласно требо-
ваниям унификации, выходной сигнал (обычно напряжение или ток) должен
иметь стандартную форму и установленный диапазон. В целях получения
унифицированного датчика (трансмиттера) отдельные преобразователи
включают в различные измерительные цепи, состоящие из суммирующих
схем и усилителей.
2.2. Измерительные схемы датчиков
2.2.1. Общие сведения
Вариации импеданса 2Д ЧЭ, связанные с изменениями измеряемой величи-
ны х, могут быть преобразованы в электрический сигнал путем включения ЧЭ
в измерительную схему, питаемую от источника ЭДС t или тока /. Измери-
тельные схемы, или схемы формирования сигналов, предназначены для пре-
образования информации, полученной ЧЭ в процессе измерения, в параметры
электрического сигнала (в форме вариации амплитуды, фазы или частоты).
Наиболее распространены два типа измерительных схем датчиков: пара-
метрические и генераторные. В первом случае функция преобразования из-
мерительной схемы описывается выражением вида
^вых
(x)=tF(Za,Zc),
во втором--
G(Zfl, Zc).
Здесь Zc — собственный импеданс измерительной схемы; 0)вых— частота
выходного сигнала.
Потенциометрическую схему в измерительных цепях датчиков используют
наиболее часто. В этой схеме ЧЭ включают последовательно с дополнитель-
ным элементом, образуя делитель напряжения. Основное достоинство потен-
циометрической схемы — ее простота, основной недостаток — чувствитель-
ность к внешним помехам. В мостовой схеме, являющейся модификацией
потенциометрической и содержащей два дифференциально включенных дели-
теля, удается существенно снизить влияние внешних факторов.
Чувствительность датчика 5Д в параметрических схемах определяется
выражением
5д = Д1/.ЫХ / Л* = (ДС/вых / Д2д)(Д2д/Ах) = S^.
71
2. Элементы информационных систем
где Д(7вых/Д7д =5С— чувствительность измерительной схемы; Д7д/Дх =
= 5ЧЭ — чувствительность ЧЭ.
В генераторной схеме вариации импеданса ЧЭ вызывают изменение час-
тоты генерации выходного сигнала, который в этом случае является частот-
но-модулированным. Такая схема обеспечивает хорошую защиту от помех,
особенно при использования длинных линий связи. Чувствительность гене-
раторной схемы Sc = Д(0ВЬ1Х/ Д/д. Следовательно,
Sn = Дсой11Х/Дх = 5г5ч<..
Функция преобразования датчика будет линейна, если чувствительность
измерительной схемы Зс не зависит от х.
2.2.2. Параметрические схемы датчиков
В параметрических схемах осуществляется преобразование импеданса
ЧЭ или группы ЧЭ в электрический сигнал в форме напряжения или тока.
Схема может состоять исключительно из ЧЭ или включать наряду с ними
дополнительные элементы, корректирующие ее функцию преобразования.
Наибольшее применение нашли потенциометрические и мостовые измери-
тельные схемы.
Рассмотрим потенциометрическую схему с резистивными элементами.
Пусть ЧЭ, сопротивление которого Кд, включен последовательно с резисто-
ром постоянного сопротивления /?|, а питание осуществляется от источника
ЭДС £ с внутренним сопротивлением R (рис. 2.11, а). Выходное напряжение
схемы £/вых, измеряемое прибором с собственным сопротивлением Ru (из-
мерительный усилитель, вольтметр), равно
у = £__________RnRu___________
BUX Ra(R + Ri) + R„(R + Rl+Rn)
Общепринятым требованием при построении измерительных схем явля-
ется условие Ru » /?д.При этом напряжение (7Вых не зависит от нагрузки и
является нелинейной функцией от /?д:
U =£
вь,х R + Ri+R'
• д
В большинстве случаев требуется, чтобы вариации напряжения L/B1JX
были пропорциональны вариациям сопротивления /?д ЧЭ. Линеаризация по-
тенциометрических схем достигается двумя основными способами: работой
в линейной зоне характеристики и дифференциальным включением ЧЭ.
72
2.2. Измерительные схемы датчиков
Работа в линейной зоне предполагает, что сопротивление ЧЭ меняется от
А’д0 до (/?д0 + ДЯ ), вызывая изменение выходного напряжения от (7ВЬ1Хо Д°
((/ВыхО + At/вых). Опуская промежуточные выкладки, запишем
ив. ,х0 + Д(/в. 1Х = £---------.
выхО вых (Кдо + 7?1+/?)[1 + Д?д/(ЯдО + /?1 + 7?)]
При Д/?д «с /?д0 + R\ + R с точностью до величин второго порядка малости
имеем
„ (Я + ЯЭДЯ-
Д£/Вых =£—------
(^дО + + Я)
Чувствительность измерительной схемы Sc = Д£/вых / Д7?д максимальна,
если /? + /?[= /?д0, в этом случае функция преобразования будет равна
Д^вых =£ДЛд/4Лд0.
Рис. 2.11. К расчету функции преобразования потенциометрической схемы (а) и
потенциометрическая схема с дифференциальным включением ЧЭ (б)
Дифференциальное включение образуется при замене постоянного со-
противления /?] вторым ЧЭ, идентичным используемому, во с отрицатель-
ным знаком перед 2\7?д,т. с. /?| = 7?д0-Д/?д. Тогда при включении этих ЧЭ
навстречу один другому получим так называемую двухтактную схему. Это
могут быть, например, два одинаковых тензорсзистора, подвергающихся
равным по величине, но противоположным по знаку деформациям. Тогда
ивыМ + Д1/вых = £------^Д0 + ^Д-------,
ВЫХО вых /гдо + ДЛд + Л + 7?дО-Д^д
откуда функция преобразования
^^ных
д
2Яд0 + /?‘
73
2. Элементы информационных систем
Дифференциальное включение ЧЭ позволяет скомпенсировать влияние
посторонних факторов, ухудшающих точность датчика. Рассмотрим потен-
циометрическую схему с двумя ЧЭ сопротивлениями /?д1 и /?д2, вариации
которых вызывают соответствующие приращения Д£7Вых1 и Д^вых2 изме-
ряемой величины (рис. 2.11, б). Пусть влияющий фактор g имеет одинаковое
для двух ЧЭ приращение &g. До воздействия измеряемой величины имеем
Л| — х2, 8 ~ 80' ^д1 “ ^д2 — ^дО’ ^вых “ ^выхО — £ /2,
после воздействия
/?д1 — 2?д0 + Д^д|, ^д2 “ ^дО ’
где ДЯд1 = Ag + 5 AxI; ДЯд2 = Sg&g + S Дг2; Ss = ДЯд / Д&, 5ЧЭ = ДЯд /Лх -
— чувствительность каждого ЧЭ к влияющему фактору и к измеряемой
величине соответственно.
Выходное напряжение URUKM = U3blxQ + Д[/ВЫХ. Полагая « 7?д0, по-
лучаем
р Д^дЭ “
pjj --------
вых 4/?л0[1 + (ДЛд1 + ДЯд2)/(2Яд0)]’
Если на ЧЭ, имеющий сопротивление /?д1, измеряемая величина не воздей-
ствует (ДЛ| =0),то
MJ = Е------------------------
вых (4/?д0)/(1 + 58Д5/7?д0)
при условии, что 5чэДк2 « /?до
При совместных измерениях, когда Дх = Дл2 = -Дл], имеем
д[7 (v) = £_____5чэ—--------
вых 2Кд0(1 + 5^Д8/Лд0)'
Следовательно, при дифференциальном включении влияющие факторы
в функции преобразования представлены намного слабее, чем измеряемая
величина
Недостатком потенциометрической схемы является наличие в выходном
сигнале постоянной составляющей, не содержащей полезной информации.
Для выделения полезной Д{/ВЬ1Х составляющей сигнала можно использовать
емкостную связь между схемой и нагрузкой (см. рис. 2.11, а). В этом случае
конденсатор С и внутреннее сопротивление /?н образуют фильтр верхних
частот. Для устранения постоянной составляющей также используют потен-
циометрическую схему с симметричным питанием или мостовую схему.
74
2.2. Измерительные схемы датчиков
Мостовая схема представляет собой двойной потенциометр с диффе-
ренциальным включением. Ее основное преимущество заключается в боль-
шей точности и меныпей чувствительности к влияющим факторам, чем у
потенциометрической схемы.
В зависимости от типа ЧЭ мостовые схемы получили названия по фами-
лиям их создателей: мост Уитстона (рие. 2.12, а), мост Саути (рис. 2.12, б),
мост Вина (рис. 2.12, в), мост Максвелла и др. Наиболее известна мостовая
схема Уитстона. Во всех схемах нагрузка /?н включена в диагональ моста.
Мост находится в равновесии, когда напряжения Ua=Ub,4. с. 1^=0
(см. рис. 2.12, а). Для этого необходимо выполнение равенства R^R4 = /?2/?3.
Рис. 2.12. Мостовые схемы:
а — резистивная; б, в — комбинированные
Условие равновесия зависит от сопротивлений плеч моста и нс зависит
от внутреннего сопротивления источника питания R и сопротивления на-
грузки /?н. Обычно внутреннее сопротивление источника мало
(/?«:/?1, /?2’ ^3’ ^4’ Ян). В идеальном случае (R = 0) выражение для тока
1аЬ имеет вид
J _______________________^2^3 ~ ^1^4__________________
ab RtR4(R2 + R3) + R2R3(.Ri + Я4) + RH(Ri + Я2ХЯ3 + Я»)'
Если нагрузка (осциллограф, вольтметр или усилитель) имеет большое
входное сопротивление (/?„ » /?2, /?3, /?4),то
Г -Е ^2^3 ~ ^1^4 и _R J р ^2^3 ~ ^1^4
* fit") С* 1 С/ DL!V *
/?„(/?,+/?2)(Я3+Я4) (/?1+/?2)(/?3+/?4)
Зависимость (/ВЬ1Х =/(А) описывает функцию преобразования мостовой
схемы Уитстона. Чувствительность моста Sc максимальна в положении
равновесия, когда R\ = /?2 и /?3 = /?4. Для упрощения процедуры измере-
75
2. Элементы информационных систем
ний часто выбирают сопротивления плеч моста одинаковыми: Я| = /?2 =
= /?3 = /?4 = /?0. В общем случае мост может иметь одно, два или четыре ра-
бочих плеча. Для схемы с четырьмя рабочими плечами (т. е. в каждое плечо
включен ЧЭ) имеем
R\ = Rq + Д7?!; R2 = Rq + &R2; R3 = Rq + AZ?3; R4 = Rq + ДЯ4.
Тогда напряжение разбаланса будет определяться подстановкой значений
R{, R2, R3, R4 в выражение для функции преобразования. Существенно, что
это напряжение является нелинейной функцией вызвавших его вариаций
сопротивлений плеч моста. Так, если в схеме используется только один ЧЭ,
например R2, то
ивык =£-------—----------•
4ЛЬ[1 + ДЛ2/(2Ло)]
На рис. 2.13, а представлена зависимость отношения [7ВЫХ / Ё от измене-
ния Д7?//?о одного из плеч моста, изначально находившеюся в равновесии.
Эта зависимость линейна в относительно узком диапазоне изменения Rq в
обе стороны от положения равновесия. На практике ограничиваются нера-
венством <0,1 Когда сопротивление источника R того же порядка,
что и сопротивления плеч моста, a Ru намного больше их, напряжение раз
баланса можно выразить формулой
U _£________________^2^3 ~ ^1^4____________
ВЬ1Х (Я, + К2)(К3 + Л4)+ /?(/?! + Д2 + К3 + /?4)’
При прочих равных условиях увеличение чувствительности 5С мостовой
схемы требует снижения сопротивления источника R.
Улучшение функции преобразования мостовой схемы заключается в ли-
неаризации характеристики и компенсации влияющих факторов. Как и в
потенциометрических схемах, наиболее известны два способа: работа на
линейном участке характеристики и дифференциальное включение ЧЭ. В
первом случае мост из четырех одинаковых ЧЭ с сопротивлениями
/?1 = /?2 = ^3 = ^4 = ^0’ изменения которых A7?z малы (Д/?{ <sz Rq, i = 1, 2, 3, 4)
с точностью до величины второго порядка малости, линеен вблизи положе-
ния равновесия:
(д/^-д^ + дЯз-д/^)
^вых ~ Л
Эю соотношение отражает очень важное свойство моста, у которого все
плечи в положении равновесия одинаковы — идентичные изменения
сопротивлений в двух смежных плечах не приводят к разбалансу моста.
76
2.2. Измерительные схемы датчиков
Данное свойство позволяет компенсировать воздействия влияющих фак-
торов, в том числе температурных изменений.
При дифференциальном включении плечи моста состоят из одинаковых
ЧЭ, изменения сопротивлений которых в смежных плечах попарно проти-
воположны, т. е.
Л/?, =-Д/?2; Д/?3=-ДЯ4.
Тогда при линейных характеристиках ЧЭ напряжение разбаланса будет ли-
нейно зависеть от изменений этих сопротивлений:
^вых
g ( Д/?2 + )
2^
и при ДТ?2 ~ Д^з = функция преобразования имеет вид
^вых
Рис. 2.13. Зависимость разбаланса моста от изменения сопротивления одного
из его плеч («), а также способы линеаризации функции преобразования (б) и
компенсации аддитивной погрешносги (в)
77
2. Элементы информационных систем
Если же ЧЭ имеют нелинейные характеристики, то их дифференциаль-
ное включение в мостовую схему уже не обеспечит линейности функции
преобразования и ее принимают квазилинейной, т. е. линейной на интервале
(О, ±0,7С7ВЬ1Х тах). Этого вполне достаточно для инженерных расчетов, од-
нако такая схема не гарантирует полной компенсации влияющих факторов.
Так, для схемы моста с четырьмя идентичными ЧЭ имеем
АТ?! =-S43&x + Ss&g\ Д/?2 = 5чэАх +5g Ag;
А7?3 = 5чэАх + Sg Ag; А/?4 = -5чэАх + SgAg
и общее выражение для С7ВЫХ принимает вид
jj __________5чэАх_____
вых /?0(l + 5gAg//?0)'
Видно, что напряжение [7ВЫХ пропорционально изменению только измеря-
емой величины, но чувствительность схемы 5Д = С7ВЬ1Х / Ах зависит от влия-
ющего фактора g.
Чаще всего влияющим фактором является температура Т. Ее изменение
Ag = AT = Т-Tq, где Tq— температура при равновесии моста, когда сопро-
тивление каждого ЧЭ равно /?q. Чувствительность к этому фактору
5g = A/?/A7’ = a^/?Q, где — температурный коэффициент сопротивле-
ния ЧЭ. В этом случае напряжение разбаланса
t/вых (П = ^
5(7ЭАх
/fyU + otflAx)
Линеаризовать функцию преобразования можно, включив последова-
тельно с источником питания резисторы с сопротивлением RI2 (рис. 2.13, б),
изменение которых с температурой корректирует напряжение питания мос-
та таким образом, что чувствительность всей схемы остается постоянной.
Так, если в диапазоне температур, в которых используется схема, тепловые
колебания вызывают изменения сопротивлений схемы и источника вида
/?д(7Э = /?д0(1 + оСдАТ) и S(T) = 50(1 + а^АТ), то напряжение С7ВЫХ не зави-
сит от Г, если для сопротивления источника R справедлива зависимость
* = *д0
а-а5 ’
где а — температурный коэффициент сопротивления источника пита-
ния;^ — температурный коэффициент чувствительности ЧЭ.
Номинальные сопротивления ЧЭ во всех плечах моста, как и их темпе-
ратурные коэффициенты, никогда не оказываются строго идентичными. По-
78
2 2. Измерительные схемы датчиков
этому даже при отсутствии измеряемой величины наблюдается отличное от
нуля напряжение разбаланса, зависящее от температуры. Это напряжение
называется сдвигом, или дрейфом, нуля. Оно образует аддитивную погреш-
ность, входящую в результат измерения.
Коррекция дрейфа нуля осуществляется включением в смежные плечи
моста двух резисторов: R? и R* (рис. 2.13, в). Сопротивление первого зави-
сит от температуры, при этом знак его изменения противоположен знаку
изменения температуры. Сопротивление второго не зависит от температуры
и служит для симметрии сопротивлений плеч моста.
2.2.3. Генераторные измерительные схемы
В датчиках, использующих генераторные измерительные схемы, источ-
ники модулируемого сигнала обычно устроены по схеме синусного генера-
тора. Если ЧЭ входят в состав генератора, то вариации их импедансов под
действием измеряемой величины влияют на частоту его колебаний. В общем
случае частота генерации сигнала соответствует резонансной частоте кон-
тура, состоящего из катушки индуктивности и конденсатора емкостью
Со, соединенных в зависимости от схемы последовательно или параллель-
но. Поскольку на резонансной частоте /о сопротивление контура оказыва-
ется чисто активным, для последовательного и параллельного контура спра-
ведливы, соответственно, следующие выражения:
1 1 / 7
/0 =---г= и /о=--------
Здесь 0£ — добротность катушки индуктивности, 0£ = Lq(&q / R^;
C0q = 2л/0; R — активное сопротивление катушки индуктивности. В боль-
шинстве случаев 0^ » 1, поэтому для обоих контуров
2л^)С()
В генераторных измерительных схемах, как и в параметрических, ис-
пользуют различные способы линеаризации. Чаще всего ЧЭ работают в ли-
нейной зоне, т е. AL«: и ДС «с Cq. Тогда в зависимости от типа ЧЭ для
соответствующих изменений частоты /0 получаем
Д///0=-д^/2^0 или А///о=“АС/2сО’
т.е. / = /0(1-ДД/2/<3)или / = /0(1-ДС/2С0).
Пусть измеряемая величина х изменяется относительно значения по
гармоническому закону с частотой со и амтитудой колебаний Х|, т. е.
79
2 Элементы информационных систем
x(t) = xq + л*| cos сол Тогда, как было показано ранее, ДЦг) = SLx} cos cor (ана-
логично AC(t) = Sc%| coscor). Мгновенное значение частоты генератора бу-
дет определяться выражением
/(О = /о(1~Ц coscor),
где к = AL/2Lq или ДС72С0 в зависимости от типа ЧЭ.
Частота генератора модулируется по закону x(t). Для выходного напря-
жения генератора [/вых в общем случае справедлива запись 77BbJX = £ sin ф(г),
где (р (г) — мгновенное значение фазы генератора. Поскольку при модуля-
ции в каждый момент времени <7ф/di = G)(r) = 2л/(г), то
t i
ф(Г) = J (j^t)dt = 2л| f(t)dt4
О О
а, следовательно,
Г ь- >
ф(/) = 2л/0 г----i-sinco/ .
k W )
Таким образом, на выходе генератора
ВЫХ £$1П 2л/д t
—sin coz
со
Это выражение можно рассматривать как функцию преобразования генера-
торной схемы. Иногда используют другую запись:
ивык = £ sin(CO(/ - К a sin cor),
где Kl0 = A:COq V| /со — параметр, называемый коэффициентом частотной
модуляции.
Функция преобразования генераторной схемы является нелинейной. Ге-
нераторные измерительные схемы часто используют в многоканальных ин-
формационных системах (рис. 2.14). В этом случае сигнал каждого ЧЭ (или
датчика в целом) модулирует свою частоту, которая получила название под-
несущей. Совокупность промодулированных таким образом сигналов моду-
лирует затем общую несущую частоту cOq.
В заключение рассмотрим особенности частотной характеристики изме-
рительных цепей. Выходной сигнал измерительной цепи характеризуется
спектром частот, который зависит, во-первых, от спектра частот измеряемой
величины и, во-вторых, от возможностей самого информационного канала
передать се значение без искажения. Следовательно, измерительная цепь
обладает собственной полосой пропускания В, т. е. совокупностью частот,
которые могут быть переданы через тракт измерений. Чтобы передать
80
2.2 Измерительные схемы датчиков
информацию без искажений, полоса
пропускания измерительной цепи
должна быть шире диапазона частот
спектра сигнала. Обычно измеряемую
величину х с периодом Т представляют
в виде ряда Фурье — бесконечной по-
следовательности гармонических со-
ставляющих с амплитудами хп и час-
тотами /?СО|Г, где п — целое число, со. =
=2idT — основная частота (первая гар-
моника) сигнала. Абсолютно точное
представление функции х таким рядом
требует бесконечно большою числа
гармоник (и = оо) или бесконечно широ-
кой полосы пропускания канала преоб-
разования информации. Ограничение сп<
Рис. 2.14. Многоканальная генера-
торная измерительная схема:
/ — датчик; 2 — генератор; 3 — сме-
ситель, 4 — генератор несущей час-
тоты; 5— усилитель мощности
:тра приводит к искажению сигна-
ла; максимальная величина этого искажения опредслясгся числом гармоник,
которое сохраняется в процессе преобразования сигнала. Если сигнал мож-
но представить в виде последовательности прямоугольных импульсов дли-
тельностью т и периодом Т т,то допустимая ширина спектра измеритель-
ной цепи пропорциональна 1/т. 11анример, для т = 1 мкс верхняя граничная
частота спектра преобразователя составит 1 МГц В соответствии с изло-
женным для уменьшения частотных искажений целесообразно использовать
измерительные схемы постоянного тока.
2.3. Измерительные усилители
Для большинства параметрических датчиков характерно объединение
ЧЭ с помощью суммирующих схем, в качестве которых чаще всего исполь-
зуют измерительные мосты, обладающие высокой линейностью и помехо-
защищенностью. Преобразование дифференциальною выходного сигнала
мостовой схемы в стандартный унифицированный сигнал осуществляется с
помощью измерительных усилителей (ИУ), содержащих дифференциальные
первичные каскады1.
В настоящее время операционные усилители (ОУ) в информационных
системах вытесняют дискретные транзисторные усилители и практически
Первые ИУ появились в середине 60 х годов XX в , но по своим показателям они суще-
ственно уступали транзисторным усилителям. Самой удачной разработкой явилась микро-
схема цА 709 фирмы Fairchild (США), с которой началось первое поколение операционных
усилителей В 1968 i появилась микросхема LM 101 фирмы National Semiconductor (США),
ознаменовавшая появление операционных усилителей второго поколения Дальнейшее их
развитие было направлено на увеличение быстродействия и стабильности параметров. Пер-
выми усилителями с программируемыми свойствами были микросхемы LM 4250.
81
2. Элементы информационных систем
по всем показателям, кроме мощности, превосходят их. Обычно подобные
устройства используют в качестве первого каскада усиления в измеритель-
ных цепях датчиков. Задачей ИУ является нормализация сигнала, т. е. при-
ведение его к стандартному уровню. Исходя из этого основным требованием
к ИУ является точность. Для ее обеспечения необходимо выполнение сле-
дующих условий:
коэффициент усиления по напряжению должен иметь постоянное значе-
ние К у, не зависящее от частоты и фазы входного сигнала;
бесконечно большой коэффициент ослабления синфазного сигнала
к
/УОС,сф’
равенство нулю входного и выходного напряжений смещения, а также
выходного импеданса.
Указанные условия гребуют применения комплексных схемотехниче-
ских решений. Как правило, ИУ строится на базе прецизионного ОУ и
содержит нс менее трех каскадов усиления, каждый из которых решает соб-
ственную задачу (рис. 2.15). ОУ имеет два входа — инвертирующий и неин-
вертирующий — и один выход, напряжение на котором синфазно с напря-
жением на неинвертирующем входе.
/ —дифференциальный каскад; 2 — каскад усиления; 3 — согласующий каскад
Первый каскад всегда представляет собой дифференциальный усили-
тель. Простейший дифференциальный усилитель включает активную схему
с двумя симметричными плечами, питание которой осуществляется генера-
тором тока ГТ (см. рис. 2.15). Входным сигналом U3X является разность на-
пряжений на входах Вх| и Вх2 схемы, выходным (7ВЫХ — разность напряже-
ний на выходах Вых| и Вых2. Напряжения с Bbixj и Вых2 поступают на вто-
рой каскад, состоящий из инвертора и эмиттерного повторителя. Назначение
этого каскада — преобразование двухфазного сигнала с дифференциального
усилителя в однофазный. Сигнал с Выхг инвертируется и вычитается из
82
2.3. Измерительные усилители
сигнала с Выхр Третий каскад используется для усиления сигнала и содер-
жит эмипсрныи повторитель, снижающий выходное сопротивление уси-
лителя. Для повышения Ку в схеме ОУ могут быть дополнительные каскады
усиления.
ИУ является достаточно сложным прибором, его функционирование
описывается большим числом параметров. Приведем важнейшие из них и в
скобках укажем диапазоны изменения их числовых значений:
3 8
коэффициент усиления Ку (от 10 до 10 );
коэффициент ослабления синфазных напряжений /^Оссф(от 60 до
120 дБ);
напряжение смещения [/см, характеризующее несимметричность вход-
но1 о каскада и равное напряжению, которое надо подать на усилитель, что-
“2 2
бы сигнал на его выходе обратился в нуль (от 10 до 10 мВ);
входное (дифференциальное) сопротивление /?вх, равное отношению
изменения дифференциального напряжения на входах ИУ к изменению
4 9
входного тока (от 10 до 10 Ом);
частота единичного усиления , определяющая полосу пропускания
5 8
ИУ, когда коэффициент Ку = 1 (от 10 до 10 Гц);
выходное сопротивление /?вых.
В настоящее время промышленно выпускают усилители самого разного
назначения. Все их условно можно подразделить на четыре группы. К пер-
вой относятся усилители общего применения, используемые в бытовой ап-
паратуре, звукозаписывающих устройствах и др. Вторую группу составляют
прецизионные усилители ((7СМ < 0,1 мВ; Ку > 10 ); как правило, их включа-
ют в измерительные цепи датчиков. Третью группу образуют быстродейст-
вующие усилители, у которых скорость нарастания напряжения Vy >
> 100 В/мкс; обычно их применяют в видеоустройствах. Наконец, к четвер-
той группе относятся усилители с особыми режимами мощности: микро-
мощные, с током позребления менее 10 мкА, и мощные, с током нагрузки до
1А Первые, как правило, используют в бортовых приборах, вторые — в
усилителях мощности.
При расчете схем ИУ применяют модель идеального ОУ, для которого
характерны следующие допущения:
Ку ~ 00 па низких частотах, причем с ростом частоты уменьшение Ку нс
должно превышать 20 дБ/дск (рис. 2.16, а); Авх =<*>; Явых =0 На практике
эти значения недостижимы, однако для большинства режимов работы уси-
лителей указанные допущения выполняются с приемлемой точностью. Так,
вносимые ИУ погрешности, по крайней мере, на два порядка ниже погреш-
ностей ЧЭ и измерительной схемы.
83
2. Элементы информационных систем
На рис. 2.16, б представлена схема подключения обратной связи к ОУ.
Для получения заданных параметров необходимо обеспечить требуемый
Ку и сформировать соответствующую коррекцию АЧХ. Эти требования
определяются параметрами обратной связи ОУ. При использовании отрица-
тельной обратной связи на вход ОУ поступает напряжение
* г»
(/»х — ^вх ~~ Р ВЫХ ♦
причем (/вых =^^ВХ =^(^вх-₽^вых)- Здесь р — коэффициент пе-
редачи напряжения ОУ с цепью обратной связи. Тогда коэффициент
усиления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью,
jz — вых _
иое им i+₽V
При Ку » I (глубокая образная связь) KyGC ~ I /Р,т. е. коэффициент
усиления ОУ определяется только свойствами цепи обратной связи и не за-
висит от свойств самого усилителя. Достаточная глубина обратной связи ОУ
достигается его высоким собственным коэффициентом усиления Ку.
Рис. 2.16. Частотная характеристика (а) и схема обратной связи ОУ (б)
В любом ОУ с ростом частоты амплитуда выходного напряжения
уменьшается и отстает по фазе от входного сигнала. Следовательно, коэф-
фициент усиления частотно зависим. Это определяется емкостными свойст-
вами последующих каскадов и нагрузки. АЧХ и ФЧХ каскада усилителя по-
добны характеристикам датчиков первого порядка.
к и = .---------=; <p = arctg(-///r),
Vl + (///r)
где /г = 1/(2я/?С) — частота среза (граничная частота).
84
2.3. Измерительные усилители
АЧХ трехкаскадного ОУ имеет три излома на разных частотах среза
(см. рис. 2.16, а). После первого на низшей частоте среза АЧХ имеет наклон
20 дБ/дек, после второго — 40 дБ/дек, после третьего — 60 дБ/дск. Соответ-
ственно фаза выходного сигнала после первого каскада отстает от фазы
входного сигнала на 90°, после второго — на 180 , после третьего — на
270°. Условием устойчивости ОУ с отрицательной обратной связью являет-
ся отставание по фазе нс более чем на 120°. Поскольку АЧХ имеет три из-
лома, то для обеспечения устойчивости ОУ требуется два корректирующих
/?С звена. В современных ОУ используется внутренняя частотная коррек-
ция, а также внутренняя защита от перегрузок по выходу.
Наиболее распространены три схемы ИУ: простая дифференциальная,
дифференциальная с буферными каскадами и прецизионная. Самой извест-
ной является простая дифференциальная схема ИУ (рис. 2.17, а). Она явля-
ется базовой для мостовых измерительных схем. Для обеспечения одинако-
вого усиления по прямому и инверсному входам схема содержит делитель
напряжения R3R4 на прямом входе, выбираемый из условия R\ / R2 = ^3 ^4 •
Коэффициент усиления
к *2^1
Uoc Um2-UBXi l+/?2/(K|/Q/)'
Функция преобразования в этом случае аппроксимируется зависимостью
вида
Важнейшим свойством дифференциальной схемы является значительное
уменьшение уровня наводок, действующих на вес плечи моста и поступаю-
щих затем на оба входа усилителя в одной фазе. Эти наводки получили на-
звание синфазные помехи. Степень ослабления такого сигнала определяется
коэффициентом ЛГоссф. Пусть усилитель среднего класса К140 УД7 имеет
*
дифференциальную схему включения, а напряжение сетевой наводки U
*
равно уровню полезного сигнала: U = U =10 мВ. Тогда выходное напряже-
ние от измеряемого сигнала (7ВЫХ и помехи ^вь1Хсф ПРИ Ку ос = Ю (напри-
мер, при /?] = 1 кОм, /?2 = Ю кОм) и паспортном значении А'0ССф= 80 дБ
составят С/вых = UR2/R[ = 100 мВ; С/выххф =t7*/?2/(^1^оисф) = 10 мкВ. Та-
ким образом, выходной сигнал от помехи ослаблен в 1000 раз. Недостатком
простой дифференциальной схемы является низкое входное сопротивление
при дифференциальном и синфазном сигналах:
^вх диф ~ ^1 + ^3’
^вх сф “ (^1 + ^2Х#3 + ^4)^1 + Я2 +
85
2. Элементы информационных систем
Рис. 2.17. Простой дифференциальный усилитель («), усилитель с буферны-
ми каскадами (б) и прецизионный усилитель для мостовой измерительной
схемы (в)
Для получения высокого входного напряжения, а также увеличения ко-
эффициента усиления используют схему усилителя с буферными каскадами,
которая представляет собой двухкаскадный ИУ (рис. 2.17, б). Высокое
/?вх диф обеспечивается использованием одноименных (прямых) входов уси-
лителей. При этом входное сопротивление не зависит от коэффициента уси-
ления. Первый каскад усиливает дифференциальный сигнал в (R\ + /?2 +
+/?3)/ R] раз при единичном усилении синфазной составляющей, второй —
~ (Rt + + ^3)^5
в /?5//?4 раз. Суммарный KUoc =—1-------—Обычно он задается од-
^1^4
86
2 3. Измерительные усилители
ним резистором R\ и достигает 10000. Для обеспечения максимального
К'ос.сф выбирают /?4/?7 =/?5/?6 (в расчетах полагают /?2 = Я3, Я4 = Я6,
/г5 = л7).
Пусть все резисторы, кроме первого, одного номинала: Rt = 25 кОм (где
i = 2, 3, 7), а /?| = KRt = 50 Ом, где К — коэффициент. Тогда К = 1/500.
Напряжение С/вых = (1 + 2/ K)(t/Bx2 - t/BX|) и, следовательно, = 1001.
Если резистор R\ отсутствует (К - ©о), - 1.
Прецизионные ИУ, как правило, используют с конкретными измеритель-
ными схемами. Такой подход обеспечивает очень низкий уровень темпера-
турного дрейфа и шума. Примером ИУ для мостовых схем является одно-
кристальный программируемый усилитель AD 624 фирмы Analog Devices
(США), представленный на рис. 2.17, в. Схема имеет следующие характери-
стики: диапазон рабочих температур - 40 ... + 40 °C; максимальный входной
сигнал 10 мВ, максимальное выходное напряжение 1 В, полоса частот сиг-
нала 103 Гц. Мост предварительно сбалансирован, и напряжение смещения
усилителя при 20 °C равно нулю.
Выпускают четыре модели усилителя AD 624, отличающиеся допусти-
мым уровнем погрешностей. Так, самая точная модель AD 624D обладает
суммарной погрешностью (включающей нелинейность, температурный
дрейф и шум) в рабочем диапазоне не выше 0,0015 %.
Примеры промышленных ИУ приведены в табл. 2.8.
Таблица 2.8
Технические характеристики промышленных ИУ
Модель КU ос (/СМ} мкВ а,, мкВ С 1 17 см. ^вх> а А ^ОС сф> Ь ГцП. В
К140 УД 17 (Россия) 500 75 3 3,8 106 ± 15
К140УД24 (Россия) 1000 5 0,05 0,01 120 ±5
AD 624D (США) 1 1000 2 0,25 0,001 НО ± 15
* Температурный коэффициент напряжения смещения.
Итак, мы рассмотрели основные элементы и принципы построения ин-
формационных устройств для робототехнических и мехатронных систем.
Использование соответствующих ЧЭ, измерительных схем и усилителей
позволяет строить эффективные датчики, которые широко применяются в
устройствах автоматики, станках, а также в средствах измерения и неразру-
шающего контроля.
87
2. Элементы инфор мационных систем
Контрольные вопросы
1. Какой тип тензорезисторов обладает наибольшей чувствительностью?
2. Как обеспечить инвариантность чувствительности пьезоэлектрическо-
го элемента к его размерам?
3. Что такое сечение Кюри?
4. Какой из преобразователей является генераторным — лампа накали-
вания, фотодиод или тсизорезистор?
5. Что такое диаграмма направленности светодиода?
6. Зачем используется дифференциальное включение преобразователей?
7. Линейна ли потенциометрическая схема?
8 Каково условие равновесия мостовой схемы?
9. Сколько корректирующих звеньев содержит трехкаскадный усили-
тель ?
10. Что такое синфазная помеха?
3. КИНЕСТЕТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
В робототехнике и мехатронике наибольшее распространение получили
кинестетические датчики. Решение любых задач, связанных с контролем
линейных и угловых параметров перемещения, обеспечением заданной ско-
рости движения, невозможно без датчиков этого типа. В настоящее время
свыше 70 % информационных устройств промышленного производства реа-
лизуют кинестетические функции. Кинестетические сенсоры по типу вход-
ного воздействия подразделяют на три группы: 1) датчики положения и пе-
ремещения; 2) датчики скорости; 3) датчики усилий и акселерометры.
3.1. Датчики положения и перемещения
Датчиком положения и перемещения (ДПП) называется устройство,
воспринимающее контролируемое положение и (или) перемещение объекта
и преобразующее его в выходной сигнал, удобный для дальнейшей обработ-
ки, хранения или передачи по каналу связи. Существует два основных мето-
да определения положения и измерения перемещения. В первом случае дат-
чик вырабатывает сигнал, который является функцией положения одной из
его частей, связанной с подвижным объектом, а изменение этого сигнала
характеризует перемещение объекта. Во втором случае перемещение объек-
та рассматриваемся как совокупность элементарных перемещений, причем
датчик формирует импульс, соответствующий каждому элементарному пе-
ремещению. Таким образом, перемещение объекта определяется суммой
импульсов датчика.
Датчики первой группы получили название абсолютных (или датчиков с
абсолютным отсчетом), второй — относительных (или датчиков последова-
тельных приращении).
К ДПП робототехнических и мехатронных систем предъявляют сле-
дующие требования:
полная погрешность не более 1 %;
время установления не более 0,01 с;
надежность не менее 0,9,
высокая помехоустойчивость;
хорошая технологичность;
низкая стоимость.
ДПП по пяти основным признакам подразделяют на следующие группы:
I) по измеряемому параметру — линейные и угловые (поворотные);.
2) по принципу действия — резистивные, электромагнитные, фотоэлек-
трические (оптоэлектронные) и электростатические (емкостные);
89
3. Кинестетические датчики
3) по структуре построения — последовательные, дифференциальные и
компенсационные или уравновешиваемые;
4) по характеру изменения выходного сигнала — непрерывные (ампли-
тудные, частотные, фазовые) и дискретные (амплитудпо-, частотно- и кодо-
импульсные);
5) по принципу считывания сигналов — абсолютные и относительные.
В соответствии с ГОСТ 20964-75 и 20965-75 установлены шесть классов
точности ДПП. При поворотах в пределах 360 допускаемая систематиче-
ская погрешность датчиков угловых перемещений I класса точности не
должна превышать 50", а датчиков VI класса точности — 1". В датчиках ли-
нейных перемещений задают 15 интервалов координатных перемещений.
Для шести наиболее высоких классов точности таких ДПП эти интервалы
представлены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Допускаемая систематическая погрешность шести классов
точности, мкм
Интервал перемещения, мм Класс точности
1 II III IV V VI
10...32 12 6 3 1,5 0,5 0,3
32...125 16 8 4 2 1 0,5
125...200 18 9 5 2,5 1 0,5
200 . 320 20 10 5 3 1,5 0,8
320 500 25 12 6 3 1,5 0,8
3.2. Резистивные датчики положения
Резистивный датчик положения (РДП) представляет собой включенный
по схеме делителя напряжений резистивный ЧЭ, информативный параметр
которого — сопротивление — регулируется положением подвижного кон-
такта.
РДП относятся к преобразователям с абсолютным отсчетом, так как их
функция преобразования монотонна и непрерывна. Датчики этого типа
имеют один цикл измерения, благодаря чему кратковременная потеря ин-
формации не приводит к накоплению погрешности.
Конструктивно РДП выполнен в виде потенциометра с движком, кото-
рый в большинстве случаев механически связан с потенциометром и пред-
ставляет собой подвижный (скользящий) контакт. В некоторых моделях
контакт заменен оптической или магнитной связью
РДП подразделяют по следующим признакам:
1) по типу ЧЭ — проволочные (реостатные) и пленочные;
2) по траектории перемещения скользящего контакта — линейные, кру-
говые (максимальный угол перемещения контакта 0тах <360°) и гелико-
идальные (0тах > 360°);
90
3.2. Резистивные датчики положения
3) по способу съема сигнала — контактные и бесконтактные.
Сопротивление РДП в процессе работы изменяется по закону
ад=—«о,
Атах
где х/хтах = % —относительное перемещение подвижного контакта; Rq —
номинальное сопротивление РДП.
Первыми РДП являлись реостаты, или системы Рустрата. Они состояли
из навитой на корпус константановой или никелиновой проволоки, по кото-
рой перемещался медный ползунок. Элемент сопротивления современных
РДП также выполнен в виде коррозионно-стойкой проволоки, обладающей
малыми температурным коэффициентом сопротивления и термоЭДС.
Таким требованиям удовлетворяют материалы на основе константана, ман-
ганина и других медно-никелевых сплавов, а также нихрома. Витки прово-
локи изолированы между собой эмалью, открыта лишь та часть проволоки,
по которой скользит контакт. Еще одним типом элемента сопротивления
являются проводящие углеродные пленки (размер зерен около 0,01 мм).
РДП используют в измерительных системах как постоянного, так и пе-
ременного тока. В последнем случае у проволочных РДП проявляется реак-
тивная составляющая сопротивления обмотки, обусловленная индуктивно-
стью и межвитковой емкостью.
Включение РДП в цепь осуществляется по схеме делителя напряжения
(со средней точкой или без нее). В этой схеме РДП с сопротивлением
/^подключается к источнику ЭДС £ с собственным сопротивлением R (рис.
3.1, а). В общем случае напряжение t/Bblx на выходе РДП, подаваемое на
следующий каскад преобразователя (например, ИУ) с входным сопротивле-
нием /?н, равно
и ____________________™.
вых R + Ro (1 + R(x)/Ra )[l - R(X)/(R„ + fy)]
В частном случае, при R = 0, имеем £ = £7ИП. Тогда выходной сигнал РДП
U -у —?2н—
^ВЫХ ип г> . п ’
*4 + ^2н
ГДС /?2н = + *„); R2 = R{x)\ R\ = Rq ~ R2-
Запишем отношение
^вых _ ^2^н/(^2 ^н)
ип + ^2^н /(^2 + )
91
3. Кинестетические датчики
Рис. 3.1. Включение РДП по схеме делителя напряжения (а) и влияние его коэф-
фициента нагрузки на функцию преобразования (б)
Тогда при отсутствии нагрузки на РДП (RH = °°) = Ry + /?2»и поэтому
{7ВЫХ ^ип “ ^2^0- Следовательно, зависимость £7ВЫХ = /(^2) —
линейная.
В схеме делителя напряжения с параметрами Rq, Uwl, RH относительное
перемещение % подвижного контакта резистора Rq изменяется от 0 до 1.
Функция преобразования РДП в относительных единицах имеет вид
^вых _________^2_______
L/„n Rt(R2/RH+\) + R2
Таким образом, зависимость Г7ВЫХ = /(/?2)ПРИ наличии нагрузки нели-
нейная. Обозначим Rq = XRq, =0 _Х)^о-Тогда
Т^ВЫХ _______X_______
Um 1+(Х-Х2) «о/Я,,
Вводя понятие коэффициента нагрузки кн = /? / Rq, получаем (рис. 3.1, б)
Т^ВЫХ X_____________ ^11X
^ип 1+(х-х2Ж *н+х-х2
Следовательно, функция преобразования нагруженного РДП оконча-
тельно имеет вид
X
^ВЫХ ^ИП^Н , 9
*н+Х“Х
92
3.2. Резистивные датчики положения
Заметим, что эта функция существенно зависит от коэффициента нагрузки и
изменяется в процессе перемещения подвижного контакта РДП.
Параметры, характеризующие РДП, подразделяют на эксплуатационные
и метрологические. К первым относят: номинальное сопротивление
(обычно 0,1...100 кОм ), допуск на номинальное сопротивление (± 1%), мак-
симальную частоту входного воздействия /тах (до 1 кГц) и срок службы
(измеряют в циклах полного преобразования: 106 циклов для реостатного
g
РДП и 10 — для пластикового). Среди вторых выделяют погрешность не-
линейности Енл, разрешающую способность (погрешность нечувствитель-
ности £нч), погрешность люфта Ел и погрешность, обусловленную шумом
сигнала. В соответствии со значением полной погрешности используемые в
робототехнике отечественные модели РДП принято подразделять на три
класса точности:
Класс точности......................... I II Ш
Полная погрешность, %..............
± 0,25 ± 0,5 ± 1,0
Рассмотрим основные параметры РДП, а также их влияние на свойства
системы управления более подробно. Так, точность системы управления
практически нс зависит от допуска на номинальное значение сопротивления
РДП. В типовых режимах включения РДП измеряет лишь приращение пе-
ремещения рабочего органа, а следовательно, на точность системы управле-
ния влияет главным образом линейность функции преобразования датчика.
Одним из важнейших параметров РДП является максимальная скорость
перемещения контакта, определяющая верхний частотный предел входных
воздействий - частоту среза РДП. Рассмотрим линейный РДП и для просто-
ты расчета допустим, что подвижный контакт совершает в окрестности по-
ложения равновесия /0 синусоидальное движение с амплитудой
/ = /0 + /| sincoz (где со = 2л/). Следовательно, для максимальной скорости
перемещения движка будет справедливо выражение
\ dt У max
= coZ|.
Очевидно, что
должна быть меньше некоторой, определяемой
\ dt ) max
конструкцией РДП, линейной скорости Vmax. Тогда
f < Цпах A 27tZ|)
(например, при Vrnax = 2 м/с, 1\ = 0,3 мм получаем f < 1,1 кГц). Аналогично
для углового РДП
/< 3600,^/(27101!),
93
3. Кинестетические датчики
где ОС] — амплитуда перемещений, град (при Qmax = 4 об/с, oq = 2°
получаем f ~ i 10 Гц).
При использовании измерительных схем переменного тока на частотную
характеристику проволочных РДП влияют межвитковые индуктивность и
емкость. Поэтому такие датчики применяют при частотах сети 10...50 кГц.
На более высоких частотах используют пленочные РДП.
Погрешность нелинейности епл обусловлена отклонением отношения
t/BWX/t/Hn нагруженного датчика от пенагруженного и определяется сле-
дующим выражением:
_ _ ^В1,.Х - ^2 _ Х3-Х2
ьнл ГТ , 2 *
^ИП *„+Х-Х
Значение емл, а следовательно, и чувствительность РДП зависят от отно-
сительного перемещения контакта и сопротивления нагрузки. Наибольшее
отклонение реальной кривой от идеальной имеет место при % = 2/3:
4
р =------
онл max л-, г
27 а:,!
Например, для > 100погрешность Енл тах не превышает 0,15 %, а при
/?„ = Rq составляет около 15 % (см. рис. 3.1, б).
Гели погрешность нелинейности оказывается недопустимо большой, то
принимают специальные меры по линеаризации функции преобразования.
Линеаризация достигается двумя способами: включением резистора Rn
последовательно РДП (рис. 3.2, а) или /?л =Rl{ параллельно верхнему плечу
РДП (рис. 3.2, б). В первом случае, обозначив k = Rn/RQ+\t получаем
/^ип = ^нХ/(^н + ^Х ~ X2) • Оптимальная линеаризация достигается
при k = 1,5.
а б
Рис. 3.2. Схемы компенсации нелинейности функции преобразования РДП
Разрешающая способность РДП характеризуется зоной нечувствитель-
ности А. Для проволочных РДП А = xmax / N, где лтах — диапазон измере-
ния (линейный или угловой) РДП; N— число витков. Разрешение А опреде-
94
3.2. Резистивные датчики положения
ляется максимальным перемещением, необходимым для перехода подвиж-
ного контакта из занимаемого положения в ближайшее соседнее. Оно зави-
сит от формы и толщины проволоки, а также размеров контакта и меняется
по мере их износа. Для увеличения разрешающей способности РДП исполь-
зуют тонкую проволоку, правда это приводит к более быстрому износу. В
абсолютном измерении для лучших линейных РДП Д -10 мкм.
Погрешность нечувствительности енч проволочного РДП определяется
выражением
енч=ДЯ/Яо,
где Д/? — минимальное изменение сопротивления РДП.
Значение Ег ч составляет 0,1 ...3,0 %, а для прецизионных моделей датчи-
ков достигав! 0,002 %. Зона нечувствительности зависит от числа витков
проволоки, замыкаемых подвижным контактом. Поэтому функция преобра-
зования РДП будет ступенчатой, причем размеры ступенек неодинаковы.
Это приводит к расширению полосы погрешностей вследствие дополни-
тельной нелинейности. Учитывая это обстоятельство, получаем
Д/? = 0,57^ / N и, следовательно, Енч т,п = 0,5/М.
В целом значение аддитивной погрешности РДП изменяется в диапазоне
1/2V...2/7V.
Дискретность функции преобразования проволочных РДП составляет
150 мВ для однооборотных моделей типа ПТП и 10 мВ для геликоидальных
двадцатиоборотных моделей типа ППМЛ. Лучшее разрешение обеспечива-
ют полосковые РДП, имеющие мелкозернистую структуру (Енч ~ 0). Для
повышения разрешающей способности РДП используют рычажный привод,
увеличивающий длину зоны контакта.
Люфт РДП обусловлен зазором между подвижным контактом и осью
датчика. В первом приближении
ДЯ = 7?05/(у/к),
где 8 — радиальный зазор между осью и втулкой; у — угол душ,
занимаемый обмоткой; /к — длина подвижного контакта. Тогда погреш-
ность люфта
Ел=^//?о«8/(у/к).
Для уменьшения Ел в конструкциях РДП, например в отечественных
моделях СП5-21, СП4-8, используют осевые подшипники.
Шумы РДП обусловлены как свойствами ЧЭ датчика, так и наводками в
его измерительной цепи Шумы - это аддитивная помеха, вызванная измене-
нием сопротивления РДП при перемещении подвижного контакта. Она явля-
ется следствием разнородности структуры ЧЭ, вибраций и т. д. В общем слу-
чае t/Bblx(x) = £7с(х) + {7ш(х), причем иш(х) = 77?ш(х),где t/c(x) — напряжс-
95
3. Кинестетические датчики
ние сигнала; t/ul(x) — составляющая шума; I — ток через подвижный кон-
такт (обычно I < I мА), /?1П(х) - шумовое сопротивление РДП. Допустимый
уровень шума РДП указан в паспорте на датчик. Например, для однооборотно-
го РДП модели СП4-8 £/ш(а) = 2 мВ. Сопротивление /?ш полосковых РДП су-
щественно больше, чем проволочных, и достигает 2 % от Rq.
Наличие шумов РДП приводит к большим погрешностям при дифферен-
цировании сигналов (например, при определении скоростей). Для их
уменьшения разработаны бесконтактные пленочные РДП с полосой из фо-
топроводящего слоя. В настоящее время их выпускают многие фирмы, на-
пример Segor (Франция) и др. Резистивный слой фотопотенциомстра пред-
ставляет собой пластинку, покрытую тонким слоем сернистого кадмия.
Принцип действия РДП основан на внутреннем фотоэффекте. При освеще-
нии поверхности пластины образуется проводящая перемычка, сопротивле-
ние которой на несколько порядков ниже сопротивления затененных участ-
ков фоточувегвительного слоя. Потенциал резистивного слоя измеряют в
точке светового пятна, и следовательно, выходное напряжение является
функцией его координаты. Если сопротивление нагрузки RH » /?осв(где Яосв
— сопротивление освещенного участка), то данный прибор работает
как обычный потенциометр. Чувствительность фотопотенциомегра S =
= 10...50 мВ/мм. Недостатком РДП этого типа является сравнительно низ-
кое быстродействие (/уст - 1 ...5 мс).
Бесконтактные РДП используют в одно- и двухкоординатных измерите-
лях рассогласований (рис. 3.3).
а
б
Рис. 3.3. Схемы однокоординатного (а) и двухкоординатного (б) измерителей
рассогласований фирмы Analog Devices (КО — ключ-ограничитель)
96
3.2. Резистивные датчики положения
Таблица 3.2
Технические характеристики промышленных РДП
Модель Тип Диапазон измерений V , max’ Q шах е,% Число циклов преобра- зования Размеры, мм т, кг
d 1 Ь h
Вт-721 (Россия) Линей- ный 0...16 000 мм 0,3 м/с 1,0 5- 103 — 43 76 120 0,9
Вт-712 (Россия) Угловой 0...700° 0,25 об/с 1,0 6,5 • 103 53 56 — — 0,2
Вт-714 (Россия) Комби- ниро- ванный 0... 16 000 мм; ±70° 0,7 м/с; 0,6 об/с 1,5; 2 3- 104; 5 - 104 — 56 120 133 1,0
LP-250F (Япония) Линей- ный 0...250 мм 1,2 м/с 0,1 106 34 272 — — 0,3
К достоинствам РДП следует отнести простоту построения измеритель-
ных схем, высокий уровень выходного сигнала и малые габаритные разме-
ры. Следует отметить также, что они обладают радиационной стойкостью и
низкой стоимостью. Недостатками РДП являются нелинейность характери-
стики при нагрузке, наличие зоны нечувствительности и малая износостой-
7
кость (не более 10 циклов преобразования) для лучших моделей контакт
ных РДП. Для них характерны также сравнительно невысокие допустимые
значения скоростей (до 2...3 об/с для угловых РДП), а также чувствитель-
ность к вибрациям и загрязнению (табл. 3.2).
3.3. Электромагнитные датчики положения
Главным элементом электромагнитного датчика положения (ЭДП) яв-
ляется индуктивный ЧЭ с подвижным магнитопроводом (сердечником).
Информативным параметром является индуктивность ЧЭ или наведенная в
его обмотках ЭДС индукции. В первом случае ЭДП является индуктивным,
во втором - индукционным.
3.3.1. Общие сведения
Исторически индуктивные датчики явились первыми промышленными
устройствами для измерения малых перемещений. В самых простых ЭДП
применяли схемы с дроссельными ЧЭ (рис. 3.4, а), в более сложных - с
трансформаторными ЧЭ (рис. 3.4, б). Импедансы Zj и Z2 (см. рис. 3.4, а)
при перемещении сердечника изменяются от Zo до Zo + AZ и Zo - AZ
соответственно, а функция преобразования имеет вид
4. С.А. Воротников
97
3. Кинестетические датчики
в
Рис. 3.4. Индуктивный ЭДП:
а — включение дроссельного ЧЭ в мостовую схему, б — конструктивная схема
с трансформаторными ЧЭ, в — функция преобразования
2t/„Z
(Z0+Z)2
где Z— импеданс постоянных плеч моста.
Применение трансформаторной схемы позволяет увеличить уровень вы-
ходного напряжения при сохранении линейности функции преобразования
(рис. 3.4, в). В автономных датчиках используют встроенный генератор пе-
ременного тока, а для выделения пропорциональной AZ компоненты в схему
включают синхронный детектор (рис. 3.5). Промышленно выпускаемые ин-
дуктивные ЭДП обладают линейной функцией преобразования в широком
диапазоне перемещений (± 0,1...±200 мм) при енл = 0,5...2 % и чувстви-
тельности S = 10...100 мВ/(Вмм). Как правило, они содержат встроенный
сердечник, однако известны схемы, в которых регистрируется изменение
поля внешнего магнита. Кроме того, применяют магниторезистивные ЧЭ и
ЧЭ на основе эффекта Холла. ЭДП со встроенными магнитами, работающий
по принципу прерывания магнитного зазора между магнитом и ЧЭ, исполь-
зуют в качестве дискретного измерителя угла (например, в автомобилях
ВАЗ 2108, 2109, 2110).
98
3.3. Электромагнитные датчики положения
Рис. 3.5. Схема ЭДП фирмы Siemens с индуктивными ЧЭ:
/ — датчик; 2 — схема регулировки нуля, Г — генератор, БРФ — блок
регулировки фазы, СД — синхронный детектор
В последнее время наряду с традиционными конструктивными схемами
все чаще применяют индуктивные датчики интегрального исполнения
(табл. 3.3).
Таблица 3 3
Технические характеристики промышленных индуктивных ЭДП
Модель Диапазон измере- ния t/ип, в бвЫХ’ В с, % Частота тока возбужде- ния, Гц АГ*, °C Размеры, мм
d /
992ААО8 (США) 0...1.4 мм 9...30 ± 1,8 1 3000 -25...80 8 40
992АВ30 (США) 0... 16 мм 10 30 ± 1,8 3 250 -25...80 30 5
ВМС 1501 (США) ±90° 1 25 14 Н.д. 5- I06 -40...125 Н.д. Н.д.
М022А (Россия) 0 2 мм 6 ±2 0,1 20 000 -60 ..120 8 62
* Диапазон рабочих температур.
** Модель содержит мостовую схему в виде чстырехплечного магниторезистивного ЧЭ
В наиболее точных ЭДП магнитный контур образуют несколько катушек
(первичных и вторичных), причем во вторичных индуцируется ЭДС индук-
ции, пропорциональная относительному положению катушек Такие ЭДП,
получившие название индукционные, относят к классу электрических ма-
шин и подразделяют на шесть основных групп:
1) дифференциальные трансформаторы;
2) индукционные потенциометры и микросины;
99
3. Кинестетические датчики
3) сельсины;
4) резольверы (или вращающиеся трансформаторы);
5) растровые ЭДП;
6) редуктосины;
7) индуктосины.
В робототехнике и мехатронных системах главным образом используют
резольверы, растровые ЭДП, индуктосины и редуктосины благодаря их
большой точности при полном диапазоне измерения (± 360 ) и сравнительно
небольших размерах. В дальнейшем ограничимся рассмотрением именно
этих типов индукционных ЭДП.
В электрической машине выделяют две группы обмоток - первичные
(активные) и вторичные (пассивные). Активные обмотки, называемые также
обмотками возбуждения, подключают к сети переменного тока. Наличие
тока в обмотке электрической машины вызывает в общем случае следую-
щие электромагнитные эффекты:
1) ЭДС самоиндукции в активной обмотке (закон Фарадея)
dt dt ’
2) ЭДС индукции в пассивной обмотке
_ </ф2| _ dlt
где Loj— коэффициент взаимной индуктивности, равный, например, для
трансформатора Z^j = /V|/V2//?^; Ац =—-—; М’^2— число витков пер-
МДо5
вичной и вторичной обмоток; s — магнитное сопротивление сердеч-
ника, длина и сечение проводника соответственно;
3) магнитодвижущую (намагничивающую) силу
F = IN = ®R^
(данное выражение получило название закона Ома для замкнутой
магнитной цепи, или формулы Гопкинсона);
4) магнитный момент Мц = Is в замкнутом контуре или в системе кон-
г*
туров, например соленоиде.
Анализ основных процессов, происходящих в электрической машине,
рассмотрим на примере базовой структуры индукционного ЭДП — резоль-
вера.
3.3.2. Резольверы
Резольвер — это четырехобмоточная двух- и более полюсная электриче-
ская машина с индукционным взаимодействием роторных и статорных об-
моток. В зависимости от формы выходного сигнала различают синусно-
косинусные, линейные и резольверы-построители. Для получения резольве-
100
3.3. Электромагнитные датчики положения
ров различных типов можно использовать одну и ту же машину с двумя об-
мотками на статоре и двумя на роторе при различных способах их включе-
ния. Конструктивно резольвер выполнен подобно асинхронному двигателю
с фазным ротором, который, как и статор, представляет собой многополюс-
ный сердечник из листов электротехнической стали или пермаллоя. В пазах
ротора и статора размещены по две распределенные обмотки, сдвинутые на
90 одна относительно другой. В общем случае пазов может быть больше,
чем полюсов. Концы обмоток выведены на разъем, причем статорные непо-
средственно, а роторные с помощью четырех токосъемных колец ротора и
щеток. Выпускают также бесконтактные резольверы с подключением go-
торных обмоток посредством плоских пружин с углом поворота до 700 и
резольверы со вспомогательными переходными
трансформаторами.
В схеме резольвера (рис. 3.6) обмотки С),С2и
С3, С4 называются главной и квадратурной обмот-
ками статора, а Р|, Р2 и Р3, Р4 — синусной и коси-
нусной обмотками ротора. При подключении об-
мотки возбуждения (главной обмотки резольвера) к
сети переменного тока в машине возникает продоль-
ный магнитный поток Фпр.Этот поток в обмотках
ротора индуцирует две ЭДС £с0 и £ко, частоты кото-
рых равны частоте сети, а действующие значения
зависят от положения ротора относительно статора.
Каждая замкнутая обмотка резольвера эквивалентна
Рис. 3.6. Схема четырех-
обмоточного резольвера:
/ — статорные обмотки;
2 — ротор, 3 — роторные
обмотки
магниту, представленному в виде пары полюсов.
В многополюсных машинах с р парами полюсов
за один полный поворот ротора изменение магнитно-
го поля (период изменения выходного сигнала) соот-
ветствует пространственному углу ЗбОр . Этот прин-
цип, получивший название электрической редукции,
позволяет существенно повысить точность резольвера и в настоящее время
является общепринятым. В соответствии с этим принципом фаза напряжения
(/ВЬ1х меняется в р раз чаще, чем фаза угла поворота ротора. Величина 0ЭЛ свя-
зана с углом поворота 0 соотношением 0ЭЛ = р0 (рис. 3.7).
В резольвере число пазов полюса, а также распределение в них обмоток
определяют, насколько точно выходной сигнал соответствует функции си-
нуса угла. Так, если в двухполюсном резольвере число пазов статора =
= 20, а ротора zp = 12, то в выходном сигнале будут значительно ослаблены
3-я и 5-я гармоники. С той же целью в многополюсном резольвере, имею-
щем р пар полюсов, на роторе должны быть выполнены zp = 12 р зубцов, а
на статоре zCT = 20 р.
101
3. Кинестетические датчики
0
Рис. 3.7. Иллюстрация принципа электрической редукции
Важным достоинством резольвера является высокий уровень выходного
сигнала L/Bblx, достигающий 100 % от напряжения возбуждения Ua. В за-
висимости от характеристик обмоток и способа их соединения различают
синусно-косинусную и линейную схемы включения резольвера.
При синусно-косинуснои схеме выходные напряжения Uc и UK опреде-
ляются выражениями
t/c = kcUn sin((Dz + eq ) sin 0, UK = kKUR sin(wz + a2)cos0,
где/сс, kK — коэффициенты трансформации синусной и косинусной обмоток
резольвера (равны отношению числа эффективных витков соответствующей
роторной обмотки к числу эффективных витков статорной); СО = 2к/в —
круговая частота тока возбуж, юния резольвера; /в — частота тока возбуж-
дения; ab а2 — фазовые сдвиги, связанные с погрешностями намоток.
Информационное преобразование синусно-косинусного резольвера опи-
сывается функцией вида U = Д0). В режиме холостого хода [7В = £в -IR* ~
~£в» где /?в — сопротивление обмотки возбуждения статора. Тогда при
£с = ~ к напряжения на обмотках ротора равны соответствующим ЭДС:
£^с0 "О з и 0, Ukq — I «о — к в cos 0.
ЭДС обмотки возбуждения £в зависит от магнитного потока в ней:
£в = 4,44/в^КвФпр,
где Кй— соответственно число витков в обмотке возбуждения и ее ко-
эффициент.
Реальный режим работы синусно-косинусного резольвера отличается от
режима холостого хода. Если к синусной обмотке подключить нагрузку
ZHC, то по обмотке потечет ток
~ ;с (Zc + ^нс)»
где Zc — импеданс синусной обмотки.
В соответствии с формулой Гопкинсона, магнитодвижущая сила ротора,
вызванная током синусной обмотки /с, будет определяться выражением
102
3.3. Электромагнитные датчики положения
~ <Мцс — ^С^С’
где Фс — магнитный поток,
наводимый в цепи синусной
обмотки; — полное магнит-
ное сопротивление синусной
обмотки; Nc — число витков
синусной обмотки ротора.
Поскольку направление этой
магнитодвижущей силы совпада-
ет с осью синусной фазы (рис.
3.8), ее можно представить в виде
суммы двух составляющих (по
отношению к потоку возбужде-
ния статора Фи): продоль-
ной Fcnp = = Fc sin 0 и попереч-
ной Fcnon = = Fccos0 (рис. 3.9).
Рис. 3.8. Векторная диаграмма магнито-
движущих сил:
/ — статор, 2 — ротор, 3 — синусная обмот-
ка; 4 — обмотка возбуждения
Продольная составляющая
Fc Пр ротора создает в обмотке возбуждения статора компенсирующий ток,
магнитодвижущая сила FB которого, как и в двухобмоточном трансфо-
рматоре, компенсирует ее действие. Результирующий продольный поток
Фпр = Фв - FB //?рС индуцирует в синусной обмотке ЭДС
£С пр $1П 0.
Вследствие размагничивающего действия силы Fa ЭДС обмотки
возбуждения уменьшается, что приводит к снижению составляющей ЭДС
синусной обмотки £с пр < £со.
Поперечная составляющая Ft поп создает в роторе поперечный поток
Фпоп’относительно которого синусная обмотка является косинусной
(см. рис. 3.8). В ней индуцируется ЭДС
5с non =4>44/B^K'c®noncose = CFccos2 0,
где Kz — коэффициент синусной обмотки; С — константа.
Таким образом, при нагрузке в синусной обмотке кроме ЭДС, пропор-
циональной синусу угла поворота, индуцируется составляющая, пропор-
циональная току нагрузки и квадрату косинуса угла поворота, которая су-
щественно искажает синусный характер функции преобразования:
103
3. Кинестетические датчики
Рис. 3.9. Электрические схемы
резольвера:
при первичном (а); вторичном (б) и
комбинированном (в) симметриро-
вании, а также векторная диаграмма
при вторичном симметрировании (г)
пр поп ^в sin 0 CFq cos 0.
Эта составляющая ЭДС вызывает появление погрешности, которая тем
больше, чем меньше ZHC. Искажениям подвергаются как амплитуда, так и
фаза сигнала £, причем амплитудные искажения достигают 20 % от £с. Ана-
логично в косинусной обмотке индуцируется составляющая ЭДС, пропор-
циональная току нагрузки и квадрату синуса.
Для устранения амплитудных и фазовых искажений сигнала используют
симметрирование синусно-косинусного резольвера, которое заключается в
104
3.3. Электромагнитные датчики положения
компенсации поперечной составляющей потока реакции ротора. Выделяют
три способа симметрирования: первичное, вторичное и полное, или комби-
нированное. При первичном симметрировании (рис. 3.9, а) к квадратурной
обмотке статора С3С4 подключают сопротивление Zkb.Tok, возникающий в
замкнутом на нагрузку контуре этой обмотки, создает поперечную состав -
ляющую магнитодвижущей силы FK, которая направлена противоположно
Fс поп-
^ПОП ^СПОП
Встречное направление векторов FK и Fcnon обусловлено тем, что квадра-
турная обмотка относительно поперечного потока ФПоп представляет собой
вторичную обмотку трансформатора, и ее магнитодвижущая сила FK на-
правлена против FCIIon первичной обмотки. Следовательно, результи-
рующая магнитодвижущая сила Fnon будет значительно меньше Fcnon,a
значит, поперечный поток ФПоп и вызываемая им погрешность также резко
уменьшатся.
Если импеданс источника питания обозначить ZMn, то для лучшего сим-
метрирования резольвера должно выполняться условие
Z -Z
^кв ^ип*
При питании резольвера от сети переменного тока, сопротивление кото-
рой принимают равным нулю, квадратурную обмотку закорачивают.
При вторичном симметрировании к косинусной обмотке Р3Р4 подклю-
чают сопротивление ZHK. Магнитный поток в этой обмотке ослабляет поток
реакции, поскольку поперечные составляющие Fc поп и FK поп направлены в
противоположные стороны (рис. 3.9, г). Наилучшая компенсация получается
при выполнении условия
= 7 + 7
^нс*
где ZK — импеданс косинусной обмотки.
Наибольшая линейность функции преобразования резольвера достигает-
ся при полном (первично-вторичном) симметрировании (рис. 3.9, в). Запи-
шем в комплексных переменных при Nc = NK = 7Vp, Zc = ZK = Zp:
p p /‘Pc p p
F = I N = -----------N sin 6; FK = -------ND cosO,
V С p ryt p ’ Л к p ry p
zp zp
где Np, Zp — соответственно число витков и импеданс роторных обмоток;
Фс, Фк — фазы отставания токов /с и /к от ЭДС в цепях роторных обмоток.
105
3 Кинестетические датчики
Составляющие магнитодвижущей силы по осям статора
Г £се"7Фс 1 tKe~Jv* , 1
--------N- cos2 0 + NB sin 2 0
7 Р у Р
к Р ZP у
е~ж
zp
Следовательно, Fnon ~ 0.
В ряде случаев целесообразно получить линейную зависимость выход-
ного напряжения от угла поворота ротора. Для этого можно использовать
обычные резольверы, включенные по линейной схеме, или специализиро-
ванные линейные резольверы. Схему включения резольвера по линейной
схеме описывает зависимость вида
t = k е _sin0_
сс ЛЛ СВ л»
1 + \|/COS0
где у — множитель, не зависящий от 0. При -55° < 0 < 55° и кп =
= 0,52...0,56 относительная погрешность нелинейности енл составляет 1 %.
На простых режимах функция преобразования аппроксимируется выра-
жением вида
£с ~ kji ^в
Как и для синусно-косинусных, для линейных резольверов применяют
первичное (рис. 3.10) и вторичное сим-
метрирование.
Точность резольверов оценивают по
погрешности отображения синуса (для
синусно-косинусных) или нелинейности
(для линейных), а также по остаточной
ЭДС. Погрешности, вызываемые допол-
нительными гармониками, компенсируют
выбором числа зубцов, их формы и угло-
вого положения. Кроме того, регламенти-
руют значения коэффициентов трансфор-
мации обмоток резольвера; максимальная
разность коэффициентов трансформации
не должна превышать 0,005.. .0,2 %.
Рис. 3.10. Схема линейного резоль- Промышленно выпускают резольверы
вера с первичным симметрирова- шести классов точности: 0,005; 0,01; 0,02;
нием 0,05; 0,1 и 0,2 (табл. 3.4).
106
3.3. Электромагнитные датчики положения
Таблица 3.4
Некоторые метрологические характеристики резольверов
трех классов точности
Тип резольвера еип, %, для класса точности е %, не более, для класса ост • ’ точности
0.005 0,01 0,1 0,005 0,01 0,1
Синусно- косинусный Линейный ±0,005 ±0,01 ±0,1 ±0,1 ±0,003 ±0,006 ±0,06 ±0,06
Примечание. Для синусно-косинусного резольвера под е11Л понимается отклонение
функции преобразования от синусного вида.
Использование резольверов в качестве высокоточных ДПП ограничивает
нелинейность их функции преобразования. Для синусно-косинусных датчи-
ков это харакзерно для всего диапазона измерения, а для линейных - при
измерении углов более 60 . Для получения линейной зависимости выходно-
го сигнала от угла поворота резольверы обычно включают в измерительную
цепь по схеме фазовращателя. В этой схеме информативным параметром
является не амплитуда, а фаза выходного напряжения. Отметим, что фазо-
вращатель представляет собой самостоятельный вид ЭДП, но традиционно
также используют резольверы.
Для получения функции преобразования резольвера в виде ф = /(0), где
ср — фаза выходного напряжения, существуют два подхода: формируют по-
ток возбуждения в виде вращающегося магнитного поля и суммируют вы-
ходные напряжения при помощи фазосдвигающих цепочек.
Для создания вращающегося магнитного поля на статорные обмотки ре-
зольвера подают два синусоидальных напряжения с одинаковой амплитудой
и сдвигом по фазе на к/2(рис. 3.11, а). Сдвиг формируется фазорасще-
пителем:
Ц = t7usincor;
t/2 - sin(cor + л/2) = cos см.
Напряжение на роторе
= Uс = k(Ui cos 0 +IM sin0).
1ЭО1А Vх! л»
Подставляя в это выражение U\ и 172, получаем
t/R, 1Х ~ kUn sin(coz + 0).
DDIA. О х
Таким образом, при повороте ротора на угол 0 фаза (7Вых синхронно
вращается относительно одного из напряжений (например, t/j). Для того
107
3. Кинестетические датчики
чтобы погрешность измерения не превышала 0,1 %, сдвиг по фазе не должен
отличаться от я/2 более чем на 3...5', а разность амплитуд Щ и (/2 не
должна превышать 0,3...0,5 %.
Принцип действия схемы с фазосдвигающим устройством (рис. 3.11, б)
основан на получении сигнала несущей частоты, фаза которого сдвинута по
отношению к фазе опорного сигнала на угол, совпадающий с угловым
отклонением вращающегося вала. Учитывая, что
Ц = k\UB sin(co/ + a|)sin0; U2 = k2UB sin(co/ + «2)cos0,
при k\ = k2 и co AC = 1 имеем
СВЬ1Х =£t/B[sincorcos0 + sin((of + K/2)sin0],
или
^вых ^^в Sin((i)Z 4- 0).
Рис. 3.11. Схемы резольверов-фазовращателей в режиме с вращающимся
магнитным полем (а) и с фазосдвигающим устройством (б), а также схема
фазосдвигающего устройства (в) (ФР — фазорасщепитель)
108
3 3 Электромагнитные датчики положения
Параметры фазосдвигающей цепочки (рис. 3.11, в) определим из условия
R = 1 /(соС)» Rd , где Ro — активное сопротивление роторной обмотки. При
Ru > 2R окончательно находим
^ВЫХ ® kUB sin(<»' + Ч»),
где ц/ = 0-а; а — погрешность, вызванная постоянным сдвигом фаз
вследствие асимметрии обмоток, изменения температуры и т. п.
Следовательно, фаза J7BbIX пропорциональна фазе 0 с точностью до зна-
чения а. По1 решность измерения в такой схеме достигает 0,5°.
Резольверы-фазовращатели позволяют сформировать выходной сигнал в
цифровом виде. Для этого с помощью триггера Шмитта опорное синусо-
идальное напряжение 17в и напряжение (7ВЫХ преобразуют в прямоугольные
сигналы, которые используют для получения старт- и стоп-импульсов счет-
чика (рис. 3.12, а).
Фирмой Muirhead (Великобритания) разработан индукционный датчик
измерения угла (рис. 3.12, б). Измерительная схема датчика двухшкальная,
т. е. содержит каналы грубого и точного отсчетов. Первый служит для под-
счета полных оборотов ротора, второй - для определения угла в пределах
одного оборота. Генератор, делитель и низкочастотный фильтр формируют
синусоидальный сигнал возбуждения с несущей частотой 1 кГц. Выходом
резольвера является роторная обмотка, на которой образуется сигнал той же
частоты, сдвинутый по фазе относительно исходного на угол 0. Точностные
характеристики датчика зависят от частоты тока возбуждения /в и угловой
скорости ротора. В стандартном режиме /в = 1 кГц. Поэтому, если резоль-
вер содержит одну пару полюсов, то за 1 мс ротор совершит 1 оборот, или
повернется на 360°, и за это время в счетчике накопится 360 импульсов.
Разрешающая способность ДО датчика при этом составит 1°. Для поддержа-
ния такой точности необходимо, чтобы угловая скорость ротора не превы-
шала 1°/мс, а следовательно, Qmax была не более 3 об/с. Погрешность нели-
нейности такой схемы енл = 0,28 %. Как и у РДП, частота среза резольвера
определяется по формуле
/г =360Птах/(2яа|)
(при Qmax = 3 об/с, <х| = 2° получаем fr = 87 Гц).
Для повышения точности измерения в ЭДП используют многополюсные
резольверы. Так, если резольвер имеет р полюсов и r-разрядный выходной
счетчик, то
де
360
109
3. Кинестетические датчики
Рис. 3.12. Преобразование синусоидального напряжения в сигнал прямо-
угольной формы с помощью триггера Шмитта (а) и схема цифрового
датчика угла (б)
5
Например, при р = 512, г = 8, ДО » 10" отношение 0тах / ДО = 1,3 • 10 .
Резольверы широко используют в качестве ДПП в системах управления
оборудованием, роботами и манипуляторами. Пример использования ре-
зольвера в системе управления копирующим манипулятором представлен на
рис. 3.13. Здесь система управления построена по принципу двустороннего
действия. Системы двустороннего действия разрабатывались для манипули-
рования удаленными объектами в экстремальных условиях, например в эко-
логически вредном производстве. Затем их стали широко применять и для
решения других задач дистанционного управления, в частности при управ-
лении концертными телекамерами.
В системе управления, представленной на рис. 3.13, а, обеспечивается
двунаправленная передача положений и усилий, которая позволяет операто-
ру ощущать свои действия на расстоянии. Такой подход существенно по-
вышает эффективность работы оператора и облегчает ее. Копирующий ма-
нипулятор представляет собой сочетание двух пространственных механиз-
110
3.3. Электромагнитные датчики положения
мов, образующих задающий и исполнительный органы. По каждой степени
подвижности копирующего манипулятора имеются четыре функциональные
координаты 03, 6И и Л/3, Л/и — соответственно углы поворота и моменты
на задающем и исполнительном органах. В задачу системы двустороннего
действия входит обеспечение согласованного движения этих органов и под-
держание соответствия между моментами М3 и Л/и (рис. 3.13, б). Включе-
ние резольвера в кинематическую цепь копирующего манипулятора позво-
ляет согласовать движения задающего и исполнительного органов. Резоль-
веры нашли применение в системах управления переменного тока, функ-
ционирующих в широком диапазоне изменения напряжения и частоты ис-
точника питания (табл. 3.5).
Рис. 3.13. Система двустороннего действия:
а — схема, б — способ реализации, /, 2 — задающий
и исполнительный манипуляторы, СУ — система управления
111
3. Кинестетические датчики
Таблица 3 5
Сравнительная характеристика промышленных резольверов
Модель Тип ^ип’ В /в» Гн А о вх» кОм е,% Размеры, мм m, кг
d /
МВТ-2А (Россия) Синусно- косинус- ный 30 400 1,0 0,5...2,0 0,02 35 72 0,35
СКТД- 6465’ (Россия) » 36 400...4000 1,0 0,2 0,001 65 16 0,3
1,2ВТ- 2ТВ (Рос- сия) Линей- ный 6 400 0,56 0,2 0,04 12 47 0,02
TS-I52 (Япония) Синусно- косинус- ный 26 2000 U 0,5...3,0 0,01 19 32 0,05
*Многополюсный резольвер ср = 16.
Абсолютная погрешность резольвера с одной парой полюсов составляет
15...25', многополюсного — 5...10".
К достоинствам резольверов можно отнести их малые габаритные раз-
меры, высокую надежность и помехозащищенность, высокий уровень вы-
ходного сигнала и умеренную стоимость, к недостаткам — необходимость
симметрирования обмоток и использования измерительных схем, высокие
требования к точности сборки пакетов магнитопроводов, наличие щеточно-
го узла, зависимость точности измерения от угловой скорости ротора, а
также чувствительность к изменению внешних факторов (температуры сре-
ды, частоты и амплитуды напряжения возбуждения и др.)
В последнее время в связи с резко возросшими требованиями к точност-
ным и динамическим характеристикам систем управления в различных ме-
хатронных устройствах все чаще стали использоваться высокоточные и ма-
лоинерционные ДПП. Они имеют бесконтактную конструктивную схему,
электрическую редукцию, причем статор и ротор содержат зубцовые сопря-
жения определенных типов. Среди таких преобразователей наибольшую
известность получили растровые ЭДП, редуктосины и индуктосины. Эти
виды ЭДП рассмотрены ниже.
3.3.3. Растровые электромагнитные датчики положения
Системы, использующие растровые сопряжения, широко распростране-
ны в прецизионных средствах измерения линейных и угловых перемеще-
ний. Первоначально растры разрабатывались применительно к различным
оптическим системам для модуляции светового потока. Позже они нашли
112
3.3. Электромагнитные датчики положения
применение и в магнитных системах, где растровое сопряжение модулиро-
вало магнитный поток. Самым известным решением, позволяющим форми-
ровать магнитные растры, стало использование зубцовых сопряжений. В
этом случае тип растрового сопряжения зависит от формы, числа зубцов
статора zc и ротора zp, а также их взаимного расположения. Именно по это-
му принципу построены бесконтактные растровые ЭДП, широко исполь-
зуемые в качестве датчиков линейных и угловых перемещений в системах
управления станков.
Наиболее известны растровые сопряжения двух типов: нониусные и
муаровые (комбинационные). Нониусное сопряжение растров — это сово-
купность двух шкал с различной ценой деления, одна из которых смещается
относительно другой в процессе измерения. Эффективность такого сопря-
жения обусловлена тем, что дискретность преобразования определяется не
ценой деления шкал, а их нониусным соотношением. Примером нониусных
сопряжений являются шкалы штангенциркуля и микрометра. Цена деления
нониусной шкалы ан связана с ценой деления опорной шкалы зависи-
мостью
=«oY±C,
где у — модуль нониусной шкалы; С — дискретность нониуса.
Для получения подобных сопряжений статор и ротор растрового РЭДП
делают с различным числом зубцов. Системы этого типа используют при
построении измерителей линейных перемещений.
В муаровом сопряжении растров деления шкалы формируются не от-
дельными зубцами статора и ротора, а их совокупностью, так называемой
комбинационной полосой. При этом, как правило, шаг и число зубцов у ста-
тора и ротора одинаковое, а сами зубцы располагаются под углом один к
другому. Муаровое сопряжение применяют в датчиках угловых и линейных
перемещений. В зависимости от типа преобразователя (линейный или угло-
вой) используют различные сопряжения: параллельные и сеточные для дат-
чиков линейных перемещений и кольцевые, радиальные и спиральные для
датчиков угловых перемещений.
Измерительный сигнал снимается с обмоток считывания, которые, как и
обмотки возбуждения, расположены в проточках статора. Таким образом, в
конструкции растрового ЭДП отсутствует щеточный узел.
Принцип работы растрового ЭДП основан на периодическом изменении
магнитной проводимости участков магнитной цепи, образованной статором,
ротором и воздушным зазором между их зубцами, при перемещении ротора
относительно статора. Магнитная проницаемость зависит от площади вза-
имного перекрытия зубцов. В простых угловых растровых ЭДП один период
изменения выходного напряжения соответствует одному обороту ротора; в
более точных схемах применяется электрическая редукция.
Наиболее распространенным является сопряжение, образованное двумя
параллельными растрами. Разрешающая способность таких датчиков дости-
гает 0,01 мм.
113
3. Кинестетические датчики
В растровых ЭДП обычно используют секционные обмотки возбужде-
ния и считывания. Так, если датчик содержит несколько обмоток считыва-
ния, то, как и в многополюсном резольвере, фазы выходных напряжений
будут сдвинуты между собой на некоторый угол 0, зависящий от числа об-
моток (секций) и расстояния между ними.
В типовой конструкции датчика обмотки возбуждения и считывания
разбиты на четыре секции каждая. Развиваемый секциями обмотки возбуж-
дения мах нитный поток замыкается между статором и ротором через зубцо-
вый зазор, пересекая секции обмотки считывания, и наводит в них ЭДС,
о
смещенные между собой на угол р = 90 . Изменяя такие конструктивные
параметры датчика, как zc и ?р» угол наклона зубцов ротора относительно
зубцов статора и число секций обмоток считывания, можно не только уве-
личить его разрешающую способность, но и получить заданную форму вы-
ходного сигнала.
Фаза выходного сигнала с каждой обмотки считывания изменяется отно-
сительно фазы напряжения обмотки возбуждения синхронно с поворотом
ротора на угол 0. Как и в схеме резольвера,
Цзых sin(cor-bG),
где к — конструктивный парамсгр растрового ЭДП.
При соединении обмоток считывания между собой фаза выходного на-
пряжения связана с фазой угла поворота ротора соотношением ср = 4G.
В датчиках угловых перемещений часто используют спиральное (по
спирали Архимеда) и кольцевое сопряжения расгров. На торцевой поверх-
ности статора выполнены кольцевые проточки и радиальные пазы с шагом
90*. В пазы уложены четыре секции обмоток возбуждения и считывания,
выполненные в виде секторов. Ротор представляет собой ферромагнитный
диск, жестко закрепленный на оси и вращающийся в подшипниках качения.
На торцевой поверхности ротора в виде спирали Архимеда выполнена про-
точка, ширина которой равна половине шага спирали.
Таблица 3 6
Параметры некоторых промышленных растровых ЭДП
Модель Тип Диапазон измерений £, % т,°с Размеры, мм
d / b
ПЛИ-027 (Россия) Линейный 0...45 мм 0,01 -40...+ 120 — 50 50
ПУИ 047 (Россия) Угловой 0...360° 0,015 -60 ...+ 200 34 48 —
TR-21IL (Япония) Линейный 0 .. 100 мм 0,005 -40...+ 100 •Т- 38 54
114
3.3. Электромагнитные датчики положения
К достоинствам растровых ЭДП следует отнести большую по сравнению
с резольверами точность, отсутствие щеточного узла, меньшие габариты, а
также высокую надежность (табл. 3.6); к недостаткам — технологическую
сложность, чувствительность к элекгромагнитным полям, зависимость точ-
ности измерений от частоты тока возбуждения и угловой скорости ротора.
3.3.4. Редуктосины
Одним из наиболее распространенных угловых ЭДП, используемых в
станкостроении, является редуктосин. Его принцип действия напоминает
многополюсный резольвер. Однако при этом редуктосин обычно выполняют
бескорпусным (так называемая встраиваемая конструкция), что позволяет
строить мехатронные модули, объединяющие двигатель, датчик и систему
управления двигателем. Такие схемы применяют в бесконтактных момент-
ных приводах, где редуктосин служит для контроля положения ротора дви-
гателя. С этой целью его устанавливают непосредственно на валу ротора без
применения повышающих редукторов.
Статор редуктосина собран из пластин электротехнической стали с боль-
шим числом зубцов, а ротор представляет собой зубчатое кольцо и подобен
ротору асинхронного двигателя с неявно выраженными полюсами. Соотно-
шение между числом зубцов статора и ротора может быть различным (в наи-
более распространенной схеме 4:3). Как первичная обмотка возбуждения 1—
2, так и две вторичные обмотки считывания 3— 4, 5—6 собраны на статоре,
поэтому в конструкции редуктосина отсутствует щеточный узел (рис. 3.14).
Так как в этом датчике используются многополюсные секционные обмотки,
то обмотки возбуждения и считывания соединяют между собой определен-
ным образом. Обычно в обмотке возбуждения секции соединены таким обра-
зом, чтобы полярности соседних полюсов чередовались (в этом случае обра-
зуется одна однофазная обмотка). В обмотках считывания секции связаны
последовательно через полюс (вторичные обмотки оказываются двухфазны-
ми). Благодаря такому соединению амплитуды напряжений на обмотках счи-
тывания изменяются в зависимости от угла поворота 0. При этом пространст-
венный сдвиг фаз между напряжениями равен 90 или 1/4 зубцового деления
ротора. Следовательно, повороту ротора на угол, равный зубцовому делению,
соответствует полный период изменения выходного напряжения (7Вых с каж-
дой обмотки считывания, а при одном обороте ротора число периодов изме-
нения амплитуды выходного сигнала равно числу зубцов ротора. Форма кри-
вой t/Bblx зависит от угловых размеров зубцов и зазора между ними, поэтому
при определенных соотношениях этих параметров удается получить функцию
преобразования практически синусоидальной формы. Для устранения гармо-
ник высшего порядка в функции преобразования зубцы статора выполняют
фасонными. Обмотки считывания редуктосина также можно соединить по
схеме фазовращателя, получив при этом близкую к линейной зависимость
фазы выходного напряжения от 0.
Современные редуктосины, используемые в прецизионных станках и
роботах, содержат от 64 до 256 пар полюсов, а сама измерительная система
115
3. Кинестетические датчики
выполнена двухотсчетной (с каналами точного и грубого отсчета), что по-
зволяет достичь абсолютной погрешности измерения углов 3...5". Наиболее
распространенные числа электрической редукции р = 2 ...2 , однако с рос-
том р увеличиваются габаритные размеры датчика.
Рис. 3.14. Схема соединения обмоток возбуждения (2, 2) и считывания
(3— 6) рсдуктосина
Таблица 3.7
Основные параметры современных редукюсинов
Модель /в, Гц /?вх, кОм к о, об/с £,% Размеры, мм m, кг
d 1
ВТ-120 (Россия) 400 0,4 0,37 30 0,005 120 22 0,5
ВТ-60 (Россия) 2000 0,4 0,16 70 0,01 60 20 0,15
ВТ-40 (Россия) 2000 0,2 0,16 70 0,02 40 16 0,1
К достоинствам рсдуктосинов можно отнести их высокую точность на
большом диапазоне измерений, отсутствие щеточного узла и сравнительно
малые габаритные размеры (табл. 3.7). Они имеют те же недостатки, что и
все ЭДП. Отметим, что резольверы и редуктосины являются поворотными
ЭДП, т. е. на их основе можно строить только измерители угла. Датчиками,
позволяющими измерять также и линейные перемещения, являются индук-
тосины.
116
3.3. Электромагнитные датчики положения
3.3.5. Индуктосины
Среди ЭДП с электрической редукцией особое место занимают индук-
тосины — многополюсные резольверы с плоскими печатными обмотками.
Индуктосины были разработаны для использования в специальных устрой-
ствах автоматики, однако получили широкое применение, и в настоящее
время являются самыми перспективными прецизионными ЭДП. Более 30 %
станков с ЧПУ оснащены индуктосинами. Главное достоинство индуктоси-
нов — возможность тиражирования магнитопроводов при использовании
одного комплекта фотошаблонов. Обмотки индуктосина выполнены на со-
осных изоляционных (обычно керамических) пластинах путем высокоточ-
ного химического травления. Такая технология обеспечивает одинаковые
реактивные сопротивления в цепях.
По виду входного сигнала различают линейные и угловые (поворотные)
индуктосины.
В угловых индуктосинах обмотки располагаются на торцевых поверхно-
стях дисков, обращенных один к другому, и имеют вид радиального растра
из плоских проводников. Воздушный зазор между дисками составляет
0,1...0,2 мм.
В простейших схемах первичная обмотка — статор имеет 2ис проводни-
ков, последовательно соединенных на внутренней и внешней части диска с
помощью лобовых шин. Вторичная обмотка — ротор имеет 2иг групп про-
водников по 2ир проводника в группе. Шаг w между проводниками на стато-
ре и роторе обычно одинаковый. Деление на группы необходимо для образо-
вания многофазной системы. Вторичная обмотка индуктосина, как правило,
двухфазная (рис. 3.15, а). Для двухфазных обмоток пространственные сдвиги
групп должны составлять 0, 90°, 180° и т. д., что достигается их относитель-
ным смещением на расстояние / = (ли +1/4) w, где т — целое число. При этом
соединенные последовательно нечетные группы образуют первую фазу, чет-
ные — вторую, т. е. число групп в фазе должно быть четным.
Каждый проводник ротора соответствует полюсу, а совокупность двух
дифференциально включенных проводников устанавливает угловой или ли-
нейный шаг w. Так, если ротор индуктосина содержит 720 проводников
360о
(2ио = 720), то угловой шаг w =--= 1° . Следовательно, для поворотного
р 720/2
индуктосина w = 360° /Пр. В линейных индуктосинах статор получил назва-
ние линейки, а ротор — скользящего нониуса. Шаг каждой из обмоток ли-
нейного индуктосина обычно не превышает 2,54 мм.
Наиболее популярная схема включения индуктосина — схема фазовра-
щателя в режиме с вращающимся магнитным полем. На обмотки нониуса
подают два синусоидальных напряжения — U\ и U2 с частотой 2...20 кГц;
фазы напряжений в обмотках возбуждения смещены одна относительно
117
3. Кинестетические датчики
другой на угол я/2. При таких частотах емкостные сопротивления достаточ-
но малы и обеспечивается необходимый уровень выходного сигнала. Заме-
тим, что на частотах свыше 10 кГц обмотки индуктосина можно рассматри-
вать как чисто активное сопротивление.
Имеем
U\ = UB sin со/, U2 = UB sin (со/ + л/2) = (7В cos со/
Тогда в обмотке линейки индуцируется синусное напряжение (/вых, фаза
которого линейно зависит от смещения х нониуса в пределах одного шага
обмотки:
Ц,ых ~ cos(27tx/ w) + U2 sin(27o7 w)] = kUti sin(co/ + 2тис/ w).
Функция преобразования индуктосина (в пределах шага) имеет вид
ср = 2кх/и>,
а следовательно, фаза ср выходного напряжения является линейной функ-
цией перемещения х.
Абсолютные значения перемещений в индуктосинах, как и в других
ЭДП, получают с помощью двухотсчетных измерительных систем. При по-
сгроении такой системы в канале грубого отсчета с помощью реверсивного
электронного счетчика подсчитывается число шагов, а непосредственное
измерение осуществляется в пределах шага.
Для уменьшения погрешности преобразования, связанной с наличием в
выходном сигнале гармонических составляющих высших порядков, в ин-
дуктосинах применяют специальные меры. Типичным решением является
использование распределенной статорной обмотки, у которой шаг отличает-
ся от шага роторных обмоток. Также разрабатывают многослойные обмот-
ки, которые позволяют наряду с увеличением точности поднять мощность
выходного сигнала. Каждый слой представляет собой однофазную обмотку.
Например, в четырехслойной схеме обмотки выполняют таким образом,
чтобы фазовые сдвиги между слоями составляли 0, 90,180 и 270°. В двух-
фазной роторной обмотке соединенные дифференциально (встречно) внеш-
ний и внутренний слои образуют первую фазу, а средние — вторую. Совре-
менные двухотсчетные линейные индуктосины имеют измерительную ли-
нейку длиной более 2500 мм. Относительная погрешность измерения таких
систем достигает 10-4 % (эго соответствует абсолютной погрешности в 1
мкм при измерении перемещения в диапазоне 0...1 м).
Рассмотрим пример использования индуктосина в следящей системе
(рис. 3.15, б). Функцию формирования потока возбуждения выполняют ро-
торные обмотки. Выходной сигнал С/вых зависит от фазы 0 измеряемого пе-
ремещения:
^вых = кив sin(w/ + 6).
118
3 3. Электромагнитные датчики положения
Щ U2
б
Рис. 3.15. Схема обмоток углового (а) и линейного (б) индуктосинов,
а также схема включения индуктосина в качестве датчика угла (в):
/ — ста гор, 2 — ротор, 3 — усилители ротора, 4 — индуктосин; 5 — усилитель
статора; 6 — фазовращатель, 7 — исполни тельный двигатель, ФЧВ — фазо-
чувствительный выпрямитель, У — силовой усилитель
Исполнительная следящая система включает силовой усилитель, двигатель
со встроенным редуктором и датчик обратной связи на базе фазочувстви-
тельного выпрямителя. Вал двигателя жестко связан с валом фазовращателя.
На фазочувствительный выпрямитель поступают два сигнала. На один вход
непосредственно от задающего генератора, на другой — с фазовращателя,
сигнал которого пропорционален фазе С/вых. Следовательно, ошибка
поступающая на силовой усилитель, зависит от разности фаз (со/ + 0) и со/ и
пропорциональна 0.
Индуктосины обладают наивысшей точностью по сравнению со всеми
ранее рассмотренными ЭДП. Это обусловлено как технологическими осо-
бенностями таких ДПП, так и конструктивными решениями (использовани-
119
3. Кинестетические датчики
ем многослойных обмоток, значительным количеством полюсов и др.). В
индуктосинах достигнуты следующие метрологические показатели:
в угловых: разрешающая способность ± 0,05"; воспроизводимость ± 0,1";
е ~ 0,00005 %;
в линейных: разрешающая способность ±0,1 мкм; воспроизводимость
± 0,25 мкм; Е ~ 0,0001 %.
В табл. 3.8 приведены параметры некоторых известных моделей индук-
тосинов.
Таблица 3.8
Сравнительная характеристика промышленных индуктосинов
Модель Тип Диапазон измерений е, % Размеры, мм W
d / b
ПИКШ АЗ (Россия) Угловой 0.360° 0,0004 178 8 — 2°
ПИЛП-Л (Россия) Линейный Определяется длиной линейки 0,002 — 300 20 2 мм
HDR-I (Германия) Угловой 0 ..360° 0,0007 305 22 — Г
HDL-I (Г ермания) Линейный 0...1 м 0,0001 — 120 15 2,54 мм
1С512 (США) Угловой 0...36О0 0,0001 302 19 — Н.д.
Достоинства индуктосинов — наивысшая из всех ЭДП точность измере-
ний, высокая технологичность и малый вес, недостатки — те же, что и у
всех ЭДП.
3.4. Фотоэлектрические датчики положения
3.4.1. Общие сведения
Самый эффективный метод измерения взаимного положения подвижных
кинематических пар, входящих в состав цифровых следящих систем, осно-
ван на использовании фотоэлектрических, или оптических датчиков поло-
жения (ОДП). Современные ОДП обеспечивают более высокую разрешаю-
щую способность, надежность и точность, чем резистивные и электромаг-
нитные датчики тех же размеров. Кроме того, в отличие от последних для
ОДП характерна независимость метрологических параметров от нагрузки, а
также высокая помехозащищенность.
Основой ОДП является оптическая система, включающая источник све-
та, кодирующий элемент (диск или линейка) и блок фотоприемников. В ка-
честве источника света используют твердотельные оптронные пары и осве-
тители в виде ламп накаливания с вольфрамовой нитью. Для обеспечения
равномерной освещенности области кодирующего элемента применяют
120
3.4. Фотоэлектрические датчики положения
коллимационные линзы (коллиматоры). Самым ответственным узлом ОДП,
в наибольшей степени определяющим его характеристики, является коди-
рующий диск. Как правило, его изготавливают методом контактной печати с
диска-эталона, па котором с высокой точностью выполнена маска. Тип мас-
ки определяет способ кодирования Погрешность измерения углов с исполь-
зованием современных ОДП составляет менее 10-5 %.
При построении оптических систем применяют две основные схемы:
в первой оптическая система содержит лампу и линзу, через которую ос-
вещается одна сторона диска; приемники подсвечиваются через узкую щель
диафрагмы, установленную строго по линии считывания;
во второй оптическая система формирует один линейный пучок, проеци-
руемый по линии считывания диска (диафрагма располагается перед диском).
Как показывает опыт, при использовании стандартных светодиодов обе
схемы позволяют применять кодирующие диски, на дорожках которых по
окружности размещено до 2500 оптических сегментов. Если же использо-
вать лампы со специальной тонкой нитью накаливания, то на диске диамет-
ром 100 мм можно различать свыше 10 000 таких сегментов. Дальнейшее
увеличение разрешения достигается электрическими способами. Каждая
дорожка диска имеет свой оптический канал — источник света (например,
электролюминесцентный диод) и приемник (фототранзистор). Выходной
сигнал с приемника напряжением до 100 мВ при нагрузке 10 кОм служит
для формирования логического сигнала заданного уровня. С этой целью
обычно применяют триггеры Шмитта на базе операционных усилителей,
создающие на выходной шине напряжения, соответствующие логическому 0
или 1. Диапазон допустимых изменений выходного напряжения с приемни-
ков, при котором сохраняется требуемый уровень срабатывания, составляет
5...80 мВ.
ОДП подразделяют по двум основным признакам: по принципу считы-
вания сигнала на относительные (накапливающие) и абсолютные (с абсо-
лютным отсчетом), а по способу кодирования на растровые, импульсные,
кодовые и комбинированные (прецизионные).
Накапливающие преобразователи используют датчик и счетную систе-
му, суммирующую отдельные приращения, а также репер (метку), относи-
тельно которого эти приращения суммируются. Абсолютные датчики не
содержат репера, их выполняют либо одношкальными, либо содержат сис-
темы грубого и точного отсчета.
3.4.2. Растровые оптические датчики положения
Растровые ОДП предназначены для преобразования линейных и угловых
перемещений в цифровой код на основе использования растрового сопряже-
ния. Принцип их действия такой же, как у растровых ЭДП. Оптический растр
представляет собой совокупность однотипных непрозрачных элементов, об-
разующих периодическую структуру и воздействующих на поток лучистой
энергии как единое целое. Растр формируется при сопряжении кодирующих
элементов датчика. Расположенные на них растровые решетки модулируют
121
3. Кинестетические датчики
световой поток на пути от источника свеча к приемнику. Конструктивно
растровая решетка представляет собой прозрачную пластину, на которую на-
несено большое количество непрозрачных штрихов различной формы, обычно
равноудаленных и параллельных.
Растры ОДП подразделяют по двум основным признакам: по характеру
воздействия на лучистый поток и по геометрической структуре образующих
элементов. В соответствии с первым признаком различают пропускающие и
отражающие растры. Пропускающие растры представляют собой решетку из
прозрачных и непрозрачных элементов, отражающие — решетку из элемен-
тов, зеркально отражающих свет. В соответствии со вторым признаком разли-
чают растры, формируемые параллельными, сеточными, радиальными, коль-
цевыми и спиральными оптическими структурами. Для измерения линейных
перемещений обычно используется сопряжение двух плоских параллельных
растров, а для угловых — сопряжение радиальных растров.
Растровое сопряжение получается наложением раезровых решеток с ма-
лым постоянным зазором между ними. При этом штрихи одной решетки
накладываются на штрихи другой, уменьшая площадь прозрачных участков
сопряжения. При совпадении темных штрихов площадь прозрачных штри-
хов растра остается без изменения. Возникающие темные и светлые полоски
весьма малы, однако они группируются и образуют различные, но достаточ-
но широкие полосы, называемые комбинационными, или муаровыми
(рис. 3.16, а). Положение, форма и шаг комбинационных полос зависят от
параметров сопрягаемых растров и их взаимного расположения. Собственно
«муар-эффект» является результатом интерференции световых лучей от
разных участков решетки. Он проявляется в виде волнистых или полосатых
узоров, и заметен, например, при воспроизведении телевизионных изобра-
жении регулярной структуры типа «солнца с лучами» или «диктора в поло-
сатой рубашке»
Основу растровых ОДП составляет растровое преобразующее звено. Оно
включает блок осветителя, создающий параллельный пучок света, растровое
сопряжение из подвижного (измерительного) и неподвижного (индикатор-
ного) растров и блок фотоприемников. Модулирующие свойства растрового
сопряжения определяются структурой растра и характеризуются пропус-
кающей способностью Т|ф - Ф/Фо, где Ф, Фо — соответственно световой
поток, прошедший через растровое сопряжение в пределах зрачка фотопри-
емпика и падающий на него. В современных конструкциях значение Т|ф
достигает 0,9...0,95. В простейших параллельных растрах кроме т|ф выде-
ляют еще два параметра: w — шаг шкалы и у — относительное угловое
смещение шкал. Амплитуда потока Ф зависит от относительного перемеще-
ния растров практически синусоидально, во всяком случае выбором пара-
метров сопряжения можно добиться синусоидального характера изменения
лучистого потока. В ряде схем, наоборот, стремятся получить линейный за-
кон изменения Ф от 0 в пределах некоторой зоны перемещений. Для таких
растровых ОДП функцию преобразования можно представить в виде
122
3.4. Фотоэлектрические датчики положения
Рис. 3.16. Схема растрового ОДП фирмы National Engineering:
а — пример растрового сопряжения; б — конструктивная схема; в — диаграмма напряжений;
1.2 — соответственно индикаторная и измерительная пластины; 3 — муаровые полосы; 4 —
маркер начала отсчета; 5 — отражающая решетка; 6 — диафрагма; 7 — сканирующая голов-
ка; 6’ — осветитель; 9 — конденсор; 10 — фотоприемники
123
3. Кинестетические датчики
yw
где ф — пространственная фаза комбинационной полосы.
Один из наиболее известных принципов построения растровых ОДП ос-
нован на применении однодорожечных пропускающих или отражающих
решеток. На рис. 3.16, б представлен пример промышленного растрового
ОДП с отражающей решеткой. Это датчик накапливающего типа, поэтому
для определения абсолютного значения перемещения необходимо исполь-
зование счетных импульсов. Здесь же выделена сканирующая головка с че-
тырьмя фотоприемниками. Диафрагма сканирующей головки содержит че-
тыре щели, размещенные так, что выходные сигналы фотоприемников
сдвинуты на четверть периода измерительной решетки.
а
Рис. 3.17. Растровый ОДП:
а — схема формирования импульсов; б — диаграмма выходных напряжений сканирую-
щей головки; / — формирователи импульсов; 2 — усилители-инверторы; 3—5 — счет-
ные импульсы (один, два и четыре импульса на оборот соответственно)
Следствием этого смещения является сдвиг по фазе и квазисину-
соидальных сигналов фотоприемников. Так, компонента t/21 сдвинута на 90°
относительно t/ц, а компоненты U\2 и U22 имеют сдвиг на 180° по отноше-
нию к U\ । и (721 (рис. 3.16, в). Фотоприемники соединены между собой по-
парно и дифференциально, так что в результате образуются двухтактные схе-
мы (7]j/(7j2 и U2\IV22- Далее сигналы с этих схем поступают на соответст-
вующий электронный каскад, включающий в себя формирователи
прямоугольных импульсов (триггеры Шмитта), усилители и инверторы, пре-
образующие их в противофазные сигналы прямоугольной формы. В результа-
те выходные сигналы схемы U\ [/U\2 имеют фазовый сдвиг на 90° по отноше-
нию к выходным сигналам схемы U21/U2 (рис. 3.17, а). На рис. 3.17, б пред-
124
3.4. Фотоэлектрические датчики положения
ставлена диаграмма выходных напряжений датчика. Кривые А и В — сигна-
лы, формируемые фотоприсмпиками, С и Е — те же сигналы после триггера
Шмитта, a D и F— после инвертирования. Последующие графики отражают
временные соотношения между сформированными счетными импульсами.
Особенностью данной схемы является формирование нескольких счетных
импульсов за один шаг w решетки. С этой целью применяют одновибраторы,
запускающиеся на положительных фронтах прямоугольных импульсов, обра-
зуя один, два либо четыре счетных импульса за один шаг. Максимальное бы-
стродействие такого датчика ограничивается скоростью счета реверсивного
счетчика импульсов. Так, при четырех импульсах за шаг и частоте счетчика f
граничная скорость датчика составит 4 wf. Во всех схемах дополнительно к
измерительной решетке предусматривается еще одна короткая дорожка для
формирования фиксированной опорной метки абсолютного положения. Этот
маркер привязан к квазиабсолютной системе отсчета и используется для вос-
становления показаний после включения питания.
Точность растрового ОДП определяется шагом и количеством растровых
полос на 1 мм (или рад). У лучших датчиков w достигает 3...5 мкм, а коли-
чество полос составляет 10 000 на 1 мм. Разрешающая способность линей-
ных растровых ОДП около (1...2) 10 мм.
В табл. 3.9 представлены основные параметры некоторых известных
моделей растровых ОДП.
Таблица 3.9
Сравнительная характеристика промышленных растровых ОДП
Модель Тип ^ип» В Диапазон измерений W, мкм Е, % Размеры, мм т, кг
d 1
LID-300 (Германия) Линейный 5 0...3000 мм 10 0,0003 45 62 0,15
LIDA-225 (Германия) » 5 0...3000 мм 100 0,0005 68 75 0,3
РФ-20Х (Россия) » 3...12 0...55 мм 20 0,008 22 116 0,22
ОС-32 (Россия) Угловой ±15 0.. 360° Нд. 0,003 58 45 0,2
ЛИР-10 (Россия) Линейный 5 3220 мм 40 0,0005 62 3325 6,7
К достоинствам растровых ОДП можно отнести простоту и техно-
логичность конструкции, малые габаритные размеры и массу, к недостаткам
— накопление ошибок от сбоев и помех в цепях реверсивного счетчика,
потерю информации о перемещении при отказе в цепи питания, а также
необходимость периодичного определения начала отсчета (для получения
достоверного абсолютного значения измеряемого перемещения).
125
3 Кинестетические датчики
3.4.3. Импульсные оптические датчики положения
Импульсный ОДП преобразует значение перемещения исполнительного
механизма в унитарный код, т. с. последовательность импульсов, число ко-
торых пропорционально перемещению. Его оптическая шкала является мо-
дификацией растровой шкалы и содержит несколько дорожек, разбитых на
дискретные (активные и пассивные) участки. Современные импульсные
ОДП, как правило, включают следующие основные модули: оптико-
механическую систему (первичный преобразователь), электрическую схему
считывания и схему определения знака (реверсивную схему).
Оптико-механические системы простейших импульсных ОДП выполняли
безредукторными и содержали блок осветителя, кодирующую шкалу и фото-
элемент. В датчиках современных конструкций шкала содержит несколько
дорожек и смещенных на нецелое число шагов фотоэлементов. При такой
схеме значительно уменьшается цепа управляющего импульса, определяю-
щая разрешающую способность датчика. Например, в датчиках фирмы Fer-
ranti используются шкалы с 1250—10 000 штрихами и два фотодиода, причем
штрихи дорожек смещены между собой на четверть шага (рис. 3.18, а). Одно-
вибраторы измерительной схемы импульсного ОДП формируют и подают на
счетчик два импульса с обеих дорожек — по переднему и заднему фронту
каждого штриха. Поэтому при вращении вала на один оборот шкалы импуль-
сов возбуждается в четыре раза больше числа делений (рис. 3.18, б).
а
б
Рис. 3.18. Импульсный ОДП:
а — схема расположения дорожек; б — диаграммы сигналов, 1,2 — им-
пульсы с наружной и внутренней дорожек соответственно; 3 — счетные
импульсы
Для определения направления вращения вала (штока) используют шка-
лы, на дорожках которых относительное смещение штрихов составляет
(l/4)w. В этом случае выходной сигнал с одновибратора внешней дорожки
будет опережать сигнал с одновибратора внутренней дорожки для одного
направления движения и отставать для другого. Число целых оборотов оп-
ределяют с помощью репера, формирующего импульс начала отсчета. Его
также используют для возврата счетчика в нулевое положение.
126
3.4. Фотоэлектрические датчики положения
Фотоприемники сдвинуты между собой на расстояние
/ = (w + l/4)w,
где т — целое число; и> — шаг диска.
Знак направления движения исполнительного органа определяется логи-
ческой схемой (рис. 3 19, а). В данной схеме используют два канала измере-
ния, связанные с каждой дорожкой кодовой шкалы. Трип еры Шмитта 7J, 72
открыты в то время, когда сигналы с усилителей Уи У2 имеют положитель-
ную полярность. Это соответствует прозрачному участку кодирующей шка-
лы. В соответствии с расположением фотоприемников Ф1 и Ф2 сигналы с
триггеров сдвинуты между собой на 1/4 периода синусоидального сигнала
усилителя (рис. 3.19, б). Дифференцирующие цепи G|,G2 (для этой цели
можно использовать одновибраторы) формируют короткие импульсы в мо-
мент переброса триггера Г2 по переднему и заднему фронту. На выходе схе-
мы совпадения / сигнал появляется только тогда, когда на ее входах есть од-
новременно сигналы с G] и Г] (на выходе схемы II — соответственно с ф и
Г|). Следовательно, на выходе схемы I сигналы формируются при движении
органа управления, например, вперед, а на выходе II — назад. Количество
импульсов определяет само перемещение. В качестве накапливающего сум-
матора используют реверсивный счетчик.
Частотные характеристики импульсного ОДП определяются числом
штрихов-сегментов на дорожке и длительностью импульсов одновибратора,
которая обычно составляет 1/4 периода штриха. Например, для углового
датчика с кодирующей шкалой, формирующей 1250 импульсов за оборот,
максимальная угловая скорость составит 400 об/с, а для датчика со шкалой
5000 импульсов за оборот — 100 об/с. Увеличение числа штрихов-
сегментов требует соответствующего увеличения размеров шкал. В частно-
сти, типовые промышленные импульсные ОДП содержат диск диаметром до
150 мм, на котором размещено 5000 сегментов. Разрешающая способность
такого датчика составляет ~ 1Основные параметры наиболее распростра-
ненных импульсных ОДП приведены в табл. 3.10.
Таблица 3.10
Сравнительная характеристика импульсных ОДП
Модель и ,В ип’ Число им- пульсов за один оборот Q, об/с Е, % Размеры, мм S &
d 1
BE-178 (Россия) ± 15 5000 100 0,02 50 106 0,7
ПУФ- МИНИ (Россия) 5 1024 100 0,04 30 61 0,2
ЛИР-3170А (Россия) 5 3 600 000 16 0,0002 160 64 3,5
127
3. Кинестетические датчики
Окончание табл. 3 10
Модель и ,В ил Число импульсов за один оборот Q, об/с Е, % Размеры, мм /и, кг
d /
ROD-800 (Германия) 5 36 000 5 0,0003 170 50 0,8
mini ROD-450 (Германия) 5 3600 160 0,03 36 33 0,1
TSI-110 (Япония) ± 15 12000 100 0,004 70 75 0,3
Рис. 3.19. Схема определения направления движения (п) и диаграммы
сигналов (б) импульсного ОДП:
/ — осветители, 2 — оптическая шкала; 3 — фотоприемники; Gi, G2 — одно-
вибраторы, Т|, ?2 — триггеры Шмитта
В настоящее время импульсные ОДП являются наиболее распространен-
ным типом ДПП. Гальваническая развязка информационных цепей, а также
простота и надежность конструкции импульсных ОДП обусловили преиму-
щественное использование их в типовых задачах измерения перемещений. В
то же время следует помнить, что для них характерно накопление ошибок при
сбоях питания и необходимость периодического определения нуля отсчета.
128
3.4. Фотоэлектрические датчики положения
3.4.4. Кодовые оптические датчики положения
В большинстве случаев ДПП являются элементами цифровых систем
управления, что требует преобразования выходного сигнала в цифровую
форму. Именно такой сигнал формируется в кодовых ОДП. Оптическая сис-
тема у кодового ОДП построена так же, как у импульсного ОДП, а его коди-
рующая шкала представляет собой стеклянное основание с кодовой маской,
выполненной в виде нескольких (обычно до 20) дорожек с прозрачными и
непрозрачными cei ментами Число дорожек, как правило, определяет раз
рядность выходного двоичного кода. Осветитель создает лучистый поток,
падающий на шкалу. В момент съема информации луч, проходя через про-
зрачные сегменты кодовых дорожек шкалы и ограничивающую щелевую
диафрагму, освещает фотоприемники (фотодиодные линейки), усиленные
сигналы с которых принимаются за двоичные единицы. Отсутствие сигнала
с фотоприемника соответствует двоичному нулю. В результате каждому пе-
ремещению соответствует определенная комбинация двоичных единиц и
нулей, являющаяся его цифровым кодом.
Как известно, произвольное целое число А можно представить в любой
системе счисления с основанием В в виде ряда
А = апВп +а„_1Вп-1 + .... + at В1 +0^°,
где ап,.ciq— коэффициенты разрядов, принимающие значения от 0 до
(Я-1).
Наибольшее распространение в цифровой измерительной технике полу-
чила двоичная система счисления (В = 2), в которой коэффициенты at могут
принимать два значения: Он 1. В двоичной системе максимальное число
Атах ’ которое можно закодировать при п разрядах, равно А11ях = 2п -1. Для
углового кодового ОДП разрешение шкалы составляет 2л/2”. Следователь-
но, разрешающая способность кодового ОДП определяется числом разрядов
его кодовой шкалы. Зависимость разрешающей способности от разрядности
кодовой шкалы датчика приведена ниже:
Число разрядов шкалы ....... 2 4 8 10 16
Разрешающая способность ... 90 22°30' 1°24' 2Г5" 20"
Вид конструктивной схемы кодового ОДП определяется главным обра-
зом числом разрядов шкалы, а также способом кодирования и считывания.
Наиболее часто в кодовых ОДП используют два типа шкал: с прямым дво-
ичным кодом и с кодом Грея (рис. 3.20)
Шкалы с прямым двоичным кодом представляют собой оптические рей-
ки или диски, разделенные на равновеликие площадки — полосы для реек и
сектора для дисков, на которых записаны бинарные слова, соответствующие
прямому двоичному коду. Светлый элемент шкалы, пропускающий свет,
переводит фотоэлементы в состояние «1», темный — в состояние «0». Число
площадок определяет разрешающую способность кодового ОДП.
5. С.А. Воротников
129
3. Кинестетические датчики
Рис. 3.20. Кодирующий диск для двоичного кода (а) и для кода Грея (б)
Несмотря на простоту кодирования и считывания шкалам с обычным дво-
ичным кодом присущ крупный недостаток, связанный с появлением ложных
кодов. Обусловлено это невозможностью изготовления идеальных шкал и
проявляется во время движения шкалы (в момент изменения состояния «1» на
«0» или «0» па «1») одновременно в нескольких разрядах. Так, при изменении
кода 15 на 16, т. е. 01111 на 10000, происходит замена значений сразу в пяти
разрядах (рис. 3.20, а). Если же случайно (из-за погрешности шкалы), напри-
мер, во втором разряде состояние «1» нс меняется на «0», тогда вместо значе-
ния 16 будет считано 18 (10010). Существенно, что ошибка измерения пре-
вышает цену деления шкалы, равную одному младшему значащему разряду.
Вероятность возникновения неоднозначности считывания информации в ко-
довом ОДП особенно велика при высоких скоростях движения шкалы.
Для устранения неоднозначности считывания применяют специальные
методы считывания и специальные коды. Одним из таких методов является
V-считывание, особенно распространенное в контактных ДПП. Здесь сохра-
няется обычная двоичная шкала, но на каждой дорожке, кроме младшей,
имеются по два фотоприемника. Один (условно называемый опережающим)
установлен относительно опорной линии считывания чуть впереди, а другой
(отстающий) — чуть сзади (рис. 3.21, а). Каждая пара таких фотоприемни-
ков подключена к отдельной логической схеме, обеспечивающей идентифи-
кацию истинного значения считываемого разряда. Считывание в младшем
значащем разряде осуществляется одним фотоприемником, установленным
точно по опорной линии считывания. Расположение других приемников
также показано на рис. 3.21, а. Сигнал с первой дорожки используется для
управления приемниками па следующей дорожке. Алгоритм работы логиче-
ской схемы основан на анализе изменения состояния разрядных дорожек.
Если двоичное число увеличивается, то при изменении состояния младшего
разряда от «0» к «1» другие разряды своего состояния не изменяют. Если же
состояние младшего значащего разряда переходит от «1» к «0», то должно
измениться состояние, по крайней мере, еще одного из разрядов. Данный
алгоритм реализуется с помощью схемы, представленной на рис. 3.21, б.
130
3 4. Фотоэлектрические датчики положения
Рис. 3.21. Кодовый ОДП:
а — расположение приемников при V-считывании; б — логическая схема
В соответствии с этим алгоритмом, выходной сигнал для дорожки сле-
дующею по старшинству разряда считывается с запаздывающего приемни-
ка, если для двух из них на дорожке предыдущего разряда истинный выход-
ной сигнал соответствует состоянию «1». Если же для данной дорожки
истинным является выходной сигнал соответствующий «О», то с дорожки
следующего по старшинству разряда сигнал будет считываться с опере-
жающе! о приемника. Синхронизация всех разрядов производится сигналом
младшего разряда. Таким образом, логическая схема определяет, который из
двух приемников каждой дорожки имеет истинный выходной сишал.
Друюй пугь повышения надежности преобразования основан па приме-
нении циклического кода Грея (рис. 3.20, 6). Большинство выпускаемых
промышленно кодовых ОДП используют именно этот код, при котором
ошибка считывания нс превышает младшего значащего разряда независимо
от того, в каком из разрядов она произошла (табл. 3.11).
Недостатком датчиков, использующих шкалы с кодом Грея, является
необходимость последующей их дешифрации в стандартный двоичный код.
Пусть некоторое число в двоичном коде записывается в виде В-
~b„bn_x...b2bx, а в коде Грея как G = Тогда для преобразова-
ния его из двоичного кода в код Грея справедливо выражение
8). = /4+i ®bk,
где знаком «Ф » описывается булевская операция сложения по модулю 2,
которая реализуется по следующему алгоритму: 1 + 1=0, 0 + 0 = 0, 0+1 =
= 1,1+0=1.
5’
131
3. Кинестетические датчики
Таблица 3.11
Таблица перевода десятичных чисел из двоичного кода в код Грея
Десятичное число Двоичный код Код Грея Десятичное число Двоичный код Код Г рея
0 00000 00000 9 01001 01101
1 00001 00001 10 01010 01111
2 00010 00011 11 01011 01110
3 00011 00010 12 01100 01010
4 00100 00110 13 01101 01011
5 00101 00111 14 OHIO 01001
6 00110 00101 15 ОНИ 01000
7 00111 00100 16 10000 11000
8 01000 01100
Промышленно выпускаются одношкальные и двушкальные кодовые
ОДП (с системами грубого и точного отсчета). Самые современные одно-
шкальные датчики имеют 12... 16-разрядную шкалу, двушкальные — две
7...9-разрядные шкалы. И та и другая схемы позволяют получить
16-разрядный двоичный код и гарантировать разрешающую способность до
20". Некоторые параметры кодовых ОДП представлены в табл. 3.12.
Таблица 3.12
Сравнительная характеристика кодовых ОДП
Модель Тип Разрядность выходного кода Число оборотов Е,% об/с Размеры, мм т, кг
d 1
ППК-15 (Россия) Двушкаль- ный 15 16* 0.04 15 70 160 0,8
Л И Р-458А (Россия) Одно- шкальный 14 1 0,006 0,5 57 63 0,27
ROC-717 (Германия) » 17 1 0,001 2 150 Н.д. 1.6
TS1-200 (Япония) Двушкаль- ный 20 1 0,002 15 70 75 0,4
Соответствует числу оборотов вала за полный цикл преобразования
В настоящее время самые современные системы измерения перемеще-
ний строятся на основе кодовых ОДП. Их достоинства — возможность не-
посредственного получения двоичного кода и высокая точность измерений,
недостатки — технологическая сложность и высокая стоимость, а также
значительные габаритные размеры.
3.4.5. Прецизионные оптические датчики положения
При построении комбинированных (прецизионных) ОДП используют все
способы фотоэлектрического преобразования. Высокая точность в таких сис-
132
3.4. Фотоэлектрические датчики положения
темах достигается не только благодаря внедрению самых современных техно-
логических достижений, но и применением оригинальных схемотехнических
приемов. Наиболее известными решениями являются двушкальныс схемы с
системами ipy6oio и точного отсчета, а также одношкальные конструкции с
совмещенной кодово-растровой cei ментацией. В обоих случаях имеются два
канала преобразования, причем в одношкальных схемах оба канала построены
на базе одной оптической шкалы. Таким образом, в двушкальных схемах ка-
нал точного отсчета реализуется с помощью отдельной шкалы точного отсче-
та, а в одношкальных — на базе специальных дорожек или с помощью растро-
вой интерполяции. В соответствии с этим системы точного отсчета прецизи-
онных ОДП подразделяют на дорожечные и интерполяционные.
Угловые прецизионные ОДП шкального типа содержат отдельный диск
точного отсчета, связанный с входным валом датчика непосредственно, че-
рез редуктор или через редуктор и диск фубого отсчета. В нервом случае
датчик является однооборотным, во втором и в третьем — многооборотным
с числом оооротов, определяемым редукцией или разрядностью кодовой
шкалы диска грубого отсчета. В дорожечных системах точного отсчета не-
сколько младших дорожек выполняют штриховыми и при преобразовании
используют импульсные или растровые схемы. В прецизионных ОДП с ин-
терполяционными системами точного отсчета нс используют кодовых шкал;
их диски выполняют со штриховым рисунком, а схемы считывания содер-
жат фазовращатели 1ые устройства, формирующие несколько прямоуголь-
ных импульсов на один оптический импульс (штрих шкалы).
Наиболее эффективным методом построения прецизионных ОДП явля
ется растровая интерполяция. Суть ее состоит в том, что с помощью сигна-
лов, считываемых с одной растровой дорожки, получают «-разрядный кодо-
вый сигнал. В схемах этого типа
используют синусно-косинусные
преобразователи, позволяющие
получать 19... 32-разрядный вы-
ходной сигнал.
На рис. 3.22 представлена
схема 19-разрядного углового
прецизионного ОДП. Показания
грубого отсчета снимают с 14
старших разрядных дорожек ко-
довой шкалы. Канал точного от-
счета построен на базе шгриховой
растровой дорожки, шаг которой
и'=2е/215.
Таким образом, конструктивно
шкала представляет собой 14 до-
рожек грубого и 1 дорожку точно-
го отсчета. В канале точного от-
Рис. 3.22. Схема однооборотного прецизи-
онного ОДП с растровым интерполятором:
I — растровая дорожка; 2 — датчики канала
грубого отсчета, 3 — блок осветителей; 4 —
далчики канала точного отсчета, 5 — канал
синуса, 6 — канал косинуса, 7 — интерполятор;
8 — шифратор; 9 — выходной буфер;
10 — триггеры Шмитта
133
3 Кинестетические датчики
счета используется растровая интерполяция, позволяющая увеличить его
разрядность до 5. С этой целью в канал включены четыре пары фотоприем-
ников, расположенных через 90° вдоль внешней разрядной дорожки, и со-
пряжение подвижною (измерительного) и неподвижного (индикаторного)
растров. Симметричное расположение фотоприемников позволяет устра-
нить влияние эксцентриситета и эллиптичности шкалы. Растры сдвинуты
один относительно другого на (1/4) и>, благодаря чему с каждой пары фото-
приемников снимают электрические сигналы, пропорциональные синусу и
косинусу угла поворота. Эти сигналы поступают на схемы усреднения и ин-
терполятор, представляющий собой потенциометрический фазовращатель,
выполненный в виде резистивного моста Схема интерполирования преоб-
разует синусоидальный и косинусоидальный входные сшналы в группу
сигналов, сдвинутых по фазе относительно исходных. В результате на вы-
ходе интерполятора образуется 32 синусных сигнала, смещенных между
собой на 360°: 32 = 11,25°. В данном случае 360° соответствуют одному
шагу измерительного растра точного отсчета. Каждая из 16 пар противофаз-
ных сигналов поступает на соответствующий триггер Шмитта, а значит, при
вращении измерительного pacipa сигналы с выходов триггеров будут иметь
вид прямоугольных меандров. Эти меандры также сдвинуты между собой на
11,25° по фазе. Шифратор на ло1ических элементах кодирует состояние
триггеров Шмитта в 5-разрядный двоичный код, пропорциональный пере-
мещению измерительно! о растра в пределах шага w (5 двоичных разрядов
соответствуют 32 комбинациям сигналов). Растровый интерполятор точно! о
отсчета формирует также синхронизирующий импульс считывания выход-
ных сигналов с разрядных дорожек грубого отсчета, обеспечивая тем самым
необходимое согласование соответствующих каналов.
Датчик, представленный на рис. 3.22, содержит один двухканальный
диск, а его разрешающая способность составляет 2,5". Известна модифика-
ция такого датчика с диском диаметром 254 мм и разрешающей способно-
стью до 0,6".
Рассмотренный одпошкальный прецизионный ОДП выполняет полное
преобразование за один оборот. При необходимости многооборотного пре-
образования чаще всего применяют двушкальные схемы. Одна из первых
конструкции такого датчика была разработана на фирме Litton (Великобри-
тания). Аналогичную схему имеет отечественный датчик ДПК-1 промыш-
ленных роботов семейства «Универсал». Датчик ДПК-1 содержит кодовые
диски точного и грубого отсчета с нанесенными в циклическом коде Грея
масками. Диски представляют собой точные оптические шкалы, изображе-
ние которых проецируется в проходящем свете через диафрагму на фотоди-
одную матрицу. На диске точного отсчета размещены восемь кодовых до-
рожек, на диске грубого — семь. Каждая разрядная дорожка считывается
134
3.4. Фотоэлектрические датчики положения
отдельно и непрерывно во времени. Оси обоих дисков связаны между собой
и с входным валом датчика через редуктор, причем передаточное число ме-
жду ними равно 128. При такой редукции за полный цикл преобразования
диск грубого отсчета делает 1 оборот, а диск точного — 128.
В общем случае для кодовых многооборотных датчиков число оборотов
диска точного отсчета за полный цикл преобразования определяется выра-
жением лт0 = 2Гго, где гго — число разрядных дорожек в коде Грея, нане-
сенных на диск грубого отсчета. Если разрядные дорожки диска грубого
отсчета располагаются равномерно по его окружности, то угол поворота
диска за полный цикл преобразования составляет 2л. Обычно для повыше-
ния точности датчика число разрядных дорожек на диске точного отсчета
выбирают максимальным и устанавливают его на входной вал датчика. То-
гда абсолютная погрешность преобразования соответствует погрешности
изготовления маски диска точного отсчета. Полный цикл преобразования
ДПК-1 составляет 16 оборотов входного вала. Число разрядов выходного
кода равно суммарному числу разрядных дорожек обоих дисков: = гГ0 +
+ г10 =8 + 7 = 15.Скорость преобразования прецизионных ОДП О1раничена
частотными возможностями фотодиодных матриц и, как правило, не пре-
3
вышает (5... 10) • 10 отсчетов в секунду.
В двушкальпых схемах очень важно правильное согласование шкал.
Коммутация кодовых участков любой разрядной дорожки диска грубого
отсчета должна совершаться в пределах угла поворота диска точного отсче-
та, при котором ci о младшая разрядная дорожка перемещается на величину,
не превышающую половины кодового участка’ Дат0 = л/2Гто.Приведенный
к валу диска грубого отсчета угол Даго = Дато //, где / — коэффициент ре-
дукции между дисками (для ДПК-1 Дато =0,7°, Даго = 20").
Для согласования шкал применяют диафрагму и специальную маску с
системой одновитковых спиралей (число спиралей равно числу кодовых до-
рожек на диске грубого отсчета, шаг спирали равен перемещению соответ-
ствующей разрядной дорожки этого диска за один оборот диска точного от-
счета). Угловая ширина щелей диафрагмы не должна превышать половины
ширины дорожки младшего разряда кодового диска. Если угловую ширину
щелей выбрать одинаковой независимо от разряда, то ее линейная ширина h
будет зависеть от радиуса, на котором расположена считываемая дорожка.
Так, для ДПК-1 на диске радиусом 30 мм h = 0,4 мм для канала точного от-
счета и 0,003 мм для канала грубого отсчета соответственно.
Современные прецизионные ОДП применяют в информационных систе-
мах особо высокой точности (в прецизионных станках, системах управления
антенн и телескопов и т. д.). Параметры некоторых датчиков этого типа
представлены в табл. 3.13.
135
3 Кинестетические датчики
Таблица 3 13
Сравнительная характеристика промышленных прецизионных ОДП
Модель Тип Размерность выходного кода Е. % Скорость преобразова- ния, отсч./с Размеры т. кг
d /
ФПУ-16 (Россия) Одно- шкальный 16 0,0015 20 000 70 140 0.9
SpecialRI (Германия) » 27 0.00002 10 000 310 85 2.1
ДПК-1 (Россия) Двушкаль- ный 15 0.001 7000 75 170 0.95
Контрольные вопросы
1. Зависит ли линейность резистивного датчика положения или резоль-
вера от нагрузки?
2. В чем отличие индуктивного и индукционного датчиков?
3. Как ориентированы силовые линии магнитного поля резольвера?
4. Что такое электрическая редукция?
5. Зачем в электромагнитных датчиках положения используют многопо-
люсныс обмотки?
6. Почему обмотки ротора индуктосинов смещены между собой на
(1/4) и’?
7. Для чего в растровых датчиках используют интерполяцию?
8. Позволяет ли код Грея увеличить точность кодового датчика положе-
ния?
9. В чем отличие унитарного и прямого двоичного кодов?
10. Чему равна погрешность импульсного датчика, диск которого содер-
жит 5000 штрихов?
4. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ И ДИНАМИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ
При разработке современных систем управления недостаточно контро-
лировать только параметры положения исполнительного механизма. Во
многих случаях требуется управлять скоростью и ускорением исполнитель-
ного механизма, а также моментом или силой на его валу. Кроме того, в
последние годы резко возросла необходимость контроля качества быстро-
протекающих процессов, особенно в металлургии, энергетике, атомной тех-
нике. Появившиеся в конце XX в. высокопроизводительные интегральные
вычислительные устройства позволили строить такие системы управления.
В данной главе рассмотрены принципы построения измерителей скоро-
сти, а также моментов и сил. В соответствии с приведенной в гл. 3 класси-
фикацией эти устройства относятся к классу кинестетических датчиков.
4.1. Датчики скорости
В мехатронных и робототехнических системах в большинстве случаев
приходится определять скорости вращающихся деталей или узлов, поэтому
иод тахометрическими датчиками обычно понимают датчики угловой ско-
рости. Они служат для измерения и стабилизации скорости привода в задан-
ных пределах. Контроль скоростных показателей существенно повышает
плавность хода и точностные характеристики приводов, является необходи-
мым условием при построении систем управления позиционно-контурного
типа.
Принцип действия большинства промышленных датчиков скорости ос-
нован на законе Фарадея £ = - ddMt, в соответствии с которым ЭДС ин-
дукции t прямо пропорциональна скорости изменения машитного потока
Ф. Конечно, не во всех датчиках скорости используется электромагнитный
метод преобразования. Например, для обеспечения необходимой точности
при измерении очень малых или очень больших скоростей лучше применять
оптические (лазерные, интерферометрические и др.) способы преобразова-
ния. В то же время именно электромагнитный метод позволяет создавать
измерители скорости, не нуждающиеся в источниках питания, например ис-
пользующие принцип генерации ЭДС индукции в обмотках датчика при
взаимодействии его магнитной системы с ферромагнитными деталями вра-
щающегося объекта.
Наиболее известным типом углового датчика скорости является тахоге-
нератор (ТГ). Среди основных задач, решаемых с помощью ТГ, необходимо
137
4. Измерение скорости и динамических факторов
выделить измерение угловой скорости вала, осуществление обратной связи
по скорости, а также электромеханическое преобразование (интегрирование
и дифференцирование).
В отличие от ДПП ТГ не обладают высокими точностными характери-
стиками. Как правило, для них допустимая погрешность Едоп = 0,1 ...0,5 % в
зависимости от назначения и условий эксплуатации ТГ. Так, при измерении
угловых скоростей в приводах Едоп = 1...2,5 %, а при использовании ТГ в
вычислительных устройствах (повышенные требования к точности измере-
ния) едоп <0,05...0,1 %.
Промышленно выпускают ТГ постоянного и переменного тока. При этом
Т1 переменного тока, как и двигатели переменного тока, подразделяют на
два основных класса: асинхронные и синхронные. Рассмотрим сначала осо-
бенности построения ТГ переменного тока.
4.1.1. Taxoi операторы переменного тока
ТГ переменного тока являются наиболее распространенными датчиками
скорости промышленного назначения. Существенной особенностью таких
устройств является отсутствие щеточно-коллекторного узла, что значитель-
но увеличивает срок их службы. В то же время датчики этого типа требуют
использования специальных схем включения. Синхронный ТГ представляет
собой одно- или трехфазную машину с постоянными магнитами на роторе и
обладает существенно нелинейной функцией преобразования, зависящей от
частоты сети. Поэтому в автоматических системах синхронные ТГ не ис-
пользуют.
Асинхронные ТГ применяются в станках и приводах большой мощности,
работающих от сети переменного тока. Конструкция асинхронного ТГ ана-
логична конструкции асинхронного исполнительного двигателя с полым
немагнитным ротором. На статоре в пазах уложены две сдвинутые одна от-
носительно другой на 90° обмотки, одна из которых — обмотка возбужде-
ния — постоянно включена в сеть, а другая — генераторная обмотка —
присоединена к нагрузке ZH и является выходной (рис. 4.1, а).
Проходящий по обмотке возбуждения переменный ток создаст магнит-
ный поток Фпр, пульсирующий с частотой сети/в. Этот поток распределен в
пространстве практически синусоидально, и его ось совпадает с осью об-
мотки возбуждения, которая, как и в резольвере, называется продольной, а
перпендикулярная ей ось — поперечной.
При неподвижном роторе магнитный поток Фпр пронизывает обмотку
возбуждения, индуцируя в ней ЭДС:
£в = 4,44/Л0ЛвФпр.
где kB— число витков и коэффициент обмотки возбуждения.
138
4 I. Датчики скорости
Пренебрегая активным сопротивлением обмотки возбуждения и индук-
тивным сопротивлением, обусловленным потоком рассеяния, получаем
уравнение
£7в+£в = 0>
где UB — напряжение сети.
В идеальном случае в генераторной обмотке продольный поток Фпр нс
индуцирует ЭДС, так как эта обмотка сдвинута относительно обмотки воз-
буждения на 90°. Однако на практике часть потока Фпр вследствие транс-
форматорной связи между обмотками индуцирует в генераторной обмотке
остаточную ЭДС.
Полый ротор асинхронного ТГ представляет собой совокупность
элементарных проводников, в каждом из которых пульсирующий поток ин-
дуцирует ЭДС £тр, называемую трансформаторной. Так как активное сопро-
тивление полого ротора во много раз больше индуктивного, то £тр и вызы-
ваемый ею в роторе ток /тр практически совпадают по фазе. При этом усло-
вии создаваемая током магнитодвижущая сила ротора Гпр действует
вдоль продольной оси асинхронного ТГ как при неподвижном, гак и при
вращающемся роторе. При возникновении ГПр в обмотке возбуждения
асинхронного ТГ появляется компенсирующий ток, магнитодвижущая сила
которого, как и в резольвере, направлена против Гпр.
а б
Рис. 4.1. Схема включения (а) и сечения (б) асинхронного ТГ:
/ — обмотка возбуждения, 2 — ротор; 3 — генераторная обмотка
При вращении ротора каким-либо посторонним механизмом в его эле-
ментарных проводниках кроме трансформаторной ЭДС индуцируется ЭДС
139
4 Измерение скорости и динамических факторов
вращения £вр, пропорциональная Фпр и угловой скорости ротора Q. Эта
ЭДС в каждом проводнике ротора создает ток, направление которого (с уче-
том малости индуктивного сопротивления ротора) совпадает с направлени-
ем ЭДС £вр (рис. 4.1, о). При этом возникает магнитодвижущая сила Япоп и
пульсирующий магнитный поток Фпоп, направленные вдоль поперечной оси
асинхронного ТГ. Поток Фпоп индуцирует в генераторной обмотке ЭДС
£г=4,44/ЛЛФпоп.
где Nr, кг — число витков и коэффициент генераторной обмотки.
Существенно, что частота ЭДС £г не зависит от угловой скорости ротора
и при любых условиях равна частоте ЭДС £вр, т. е. частоте /в сети. Отсюда
следует важное свойство асинхронного ТГ — неизменность частоты выход-
ного напряжения.
ЭДС £г пропорциональна поперечному потоку Фпоп, причем
Фпоп — ^ПОП ПОП ’
где поп —магнитное сопротивление ТГ вдоль поперечной оси.
В любом асинхронном TI с полым немагнитным ротором эффективный
воздушный зазор весьма велик, а следовательно, магнитное сопротивление
Яр можно считать постоянным Поэтому Фпоп - Япоп и, в свою очередь,
ЯПоп ~ £вр- Поскольку £вр прямо пропорциональна магнитному потоку Фпр и
угловой скорости ротора Q, то окончательно имеем
= £г= А Ф = f Ф Q=AX О
вых • 7ч./в^поп /Y2^BM/npA4 Ла44’
где Aj, Яа — константы; Ка — коэффициент преобразования (крутизна
характеристики).
Таким образом, при принятых допущениях напряжение в выходной об-
мотке асинхронного ТГ прямо пропорционально угловой скорости ротора,
т. е. его функцию преобразования можно считать линейной (рис. 4.2, а).
В реальных асинхронных ТГ наблюдается отклонение функции преобра-
зования от линейной зависимости. Причины, вызывающие это отклонение,
можно разделить на три основные группы: 1) технологические особенности
изготовления датчика, 2) поток реакции ротора и 3) изменение сопротивле-
ния обмоток и магнитного сопротивления под влиянием внешних факторов
(температуры, влажности и др.).
Наиболее серьезные погрешности вызывают технологические особенно-
сти изготовления датчика: отклонения осей обмоток от взаимно перпенди-
кулярного положения, непостоянство ширины воздушного зазора и толщи-
ны полого ротора и др. Все это приводит к тому, что в генераторной обмот-
ке при нулевой частоте вращения ротора индуцируется остаточная ЭДС,
140
4.1. Датчики скорости
называемая нулевым сигналом, значение которой достигает 0,1...0,3 В
(рис. 4.2, б). Для уменьшения нулевого сигнала используют различные ре-
шения, позволяющие вручную изменять положения одной обмотки относи-
тельно другой. Например, выполняя статор в виде двух концентрических
колец и располагая обмотку возбуждения на внешнем кольце, а генератор-
ную на внутреннем, можно настроить датчик на минимальный нулевой сиг-
нал путем поворота внутреннего кольца в такое положение, при котором
остаточная ЭДС достигнет минимального значения.
Рис. 4.2. Функция преобразования асинхронного ТГ (а) и изменение
нулевого сигнала (б) для ZH = °о (/) и ZH # оо (2)
Для уменьшения погрешностей асинхронного ТГ также ограничивают
диапазон рабочих значений Q. При этом отношение Qmax /^Синх не Д°лж"
но превышать 0,5...0,7 — для измерительных устройств и следящих систем
и 0,2...0,3 — для счетно-решающих устройств. Параметр £2СИНХ здесь опре-
деляется выражением £2СИНХ = р, где р — число пар полюсов. Следова-
тельно, для расширения диапазона рабочих скоростей нужно увеличить
ПСИ1|Х. Поэтому эти датчики либо выполняют с малым числом пар полюсов,
либо увеличивают частоту сети/в = 400... 1000 Гц.
Выпускают высокоточные (класс точности 0,025 и 0,05), точные (класс
точности 0,1 и 0,25) и общего назначения (класс точности 0,5) асинхронные
ТГ.
141
4. Измерение скорости и динамических факторов
Значения погрешности нелинейности этих датчиков приведены ниже:
Класс точности....... 0,025 0,05 0,1 0,25 0,5
£нл,%................. ±0,025 ±0,05 ±0,1 ±0,25 ±0,5
Современными асинхронными ТГ измеряют угловые скорости в диапа-
зоне 0,1...200 об/с, уровень их выходного напряжения составляет 0...10 В,
остаточное напряжение — до 100 мВ. В табл. 4.1 приведены параметры не-
которых промышленных моделей этих датчиков.
Таблица 4.1
Основные параметры асинхронных ТГ
Модель <4, В /в. ГЦ о, об/с А’а» мВ • с/об кОм е, % Размеры, мм ж, кг
d 1
ТГ-5А (Россия) 115 400 150 0,02 1,2 2,5 55 82 0,28
ДИГ-0,3 (Россия) 36 400 166 0,03 Н.д. 2 35 80 0,18
4ТИ-3.2 (Россия) 115 400 66 0,05 30 0,05 32 86 0,32
ASI-7 (Швеция) 36 1000 100 0,1 10 0,7 28 72 0,2
Широкое использование асинхронных ТГ в промышленном производстве
связано с рядом очевидных достоинств этих датчиков скорости: простота и
надежность конструкции, очень малый момент инерции, а также отсутствие
щеточно-коллекторного узла. К их недостаткам можно отнести необходимость
стабилизации напряжения возбуждения и наличие нулевого сигнала.
4.1.2. Тахогенераторы постоянного тока
ТГ постоянного тока представляет собой маломощную электрическую
машину с независимым возбуждением или с постоянными магнитами
(рис. 4.3). Конструктивно он состоит из статора, выполненного в виде фер-
ромагнитного каркаса с числом полюсов 2р; ротора, представляющего собой
многослойный цилиндр, и щеточно-коллекторного узла. Электрические ма-
шины этого типа используют в следящих приводах постоянного тока раз-
личного назначения, в системах измерения скоростей и т. д.
Функция преобразования ТГ постоянного тока (как и других индукцион-
ных машин) зависит от конструктивных особенностей и величины нагрузки.
ЭДС индукции £р, возникающей в электрической машине при вращении ро-
тора относительно обмотки возбуждения, выражается зависимостью вида
£р=^фвп,
и 2л в
где г — количество проводников, образующих ротор.
142
4.1. Датчики скорости
Рис. 4.3. ТГ постоянного тока:
а — схема включения / — обмотка возбуждения, 2 — ротор; 3 — щетки,
б — функция преобразования при разных параметрах нагрузки: / — = <ю;
2 — / °°, Фр = 0,3 — /?|4 / оо, фр / О
Для идеального режима работы ТГ (см. кривую 1 на рис. 4.3, б)
^ВЫХ ~ £р = KyQ.,
где Ку— коэффициент преобразования (крутизна характеристики).
Данная функция преобразования является линейной, она справедлива
при допущении, что магнитный поток возбуждения Фв, а также сопротивле-
ния якорной (роторной) обмотки 7?я и нагрузки Rn постоянны.
Реальный режим работы ТГ постоянного тока значительно отличается от
идеального. Следствием этого является зависимость Kv =/(Q) особенно при
высоких скоростях (см. кривая 3 на рис. 4.3, б):
к £р
*Т = Я(1 + Яя/Кн)’
Крутизна характеристики С/вых = /(Q) наибольшая на холостом ходу
при Лн = со. У современных ТГ постоянного тока = 0,5...2,0 мВ • с/об).
Среди факторов, влияющих на погрешности ТГ постоянного тока, обыч-
но выделяют сопротивление щеточно-коллекторного узла, размагничиваю-
щее действие потока реакции ротора Ф „ изменение сопротивления обмоток
и зубцовая пульсация выходного напряжения.
Щеточно-коллекторный узел оказывает большое влияние на точность ТГ
постоянного тока. Падение напряжения на щетках (кривая 3 на рис 4.3, б)
приводит к появлению некоторой зоны нечувствительности при малых уг-
ловых скоростях ротора. Кроме того, на нестабильность функции преобра-
зования влияет непостоянство переходного сопротивления контактов.
143
4. Измерение скорости и динамических факторов
Уменьшить погрешность данного узла можно путем снижения переходного
сопротивления щеток и экранирования корпуса. С этой целью щетки делают
из серебряно-графитовых материалов.
Еще одна погрешность, присущая всем индукционным машинам, обу-
словлена влиянием тока в цепи нагрузки на магнитный поток обмотки воз-
буждения. Действительно, при Ru Ф «> поток Фв уменьшается с возрастани-
ем угловой скорости ротора вследствие размагничивающего действия Фр.
Мультипликативная погрешность достигает при этом 3 %.
Магнитный ноток обмотки возбуждения чувствителен и к изменению
температуры окружающей среды. Например, тепловые эффекты, возникаю-
щие в процессе работы ТГ постоянного тока, приводят к увеличению сопро-
тивления его обмоток. При этом поскольку сопротивление роторной обмот-
ки очень мало, его изменение практически не влияет на выходной сигнал.
Существенно большее действие оказывает изменение сопротивления /?в об-
мотки возбуждения, приводящее к уменьшению тока возбуждения /в, а сле-
довательно, и магнитного потока Фв. (Значение этой погрешности может
достигнуть 5 %.) Для компенсации температурной чувствительности в цепь
обмотки возбуждения, как правило, включают термонезависимое сопротив-
ление Ядоб » /?в. При этом ток возбуждения будет определяться в основном
сопротивлением /?доб, и следовательно,
/в — Uв KRpvfi + ) — const.
Можно также использовать ТГ постоянного тока с постоянными магни-
тами, нс имеющими обмотки возбуждения.
Наконец, для датчиков этого типа характерны некоторые зубцовые пуль-
сации выходного напряжения, возникающие вследствие неравномерного
воздушного зазора, вибраций щеток и т. п. Поэтому в конструкции ТГ по-
стоянного тока используют полый ротор в виде стакана, состоящего из об-
мотки, проводники которой связаны воедино пластмассой. У таких датчиков
весьма мал момент инерции ротора, а также отсутствуют пульсации выход-
ного напряжения, поскольку ротор не имеет зубцов.
Выпускают высокоточные (классы точности от 0,02 до 0,05), точные
(классы точности 0,1 и 0,2) и общего назначения (классы точности 0,5; 1,0
и 2,5) ТГ постоянного тока. Значения погрешности нелинейности для них
приведены ниже:
Класс точности ........... 0,02
EHJI, %................................. ±0,02
0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 2,5
±0,05 ±0,1 ±0,2 ±0,5
В номинальном режиме работы суммарная погрешность ТГ постоянного
тока составляет 1,0...4,0 %. Датчики этого типа широко используют при по-
строении следящих систем различного назначения: в приводах механизмов
черной металлургии (транспортеры, прокатные станы), на транспорте
(электропоезда), в грузоподъемных устройствах (манипуляторы, краны), а
144
4.2. Датчики динамических величин
также во многих устройствах автоматики. В табл. 4.2 приведены параметры
некоторых известных моделей ТГ постоянного тока.
Таблица 4.2
Основные параметры промышленных ТГ постоянного тока
Модель Q, об/с Ку, мВ • с/об /?н, к'Ом Е, % Размеры, мм т, кг
d /
ТГП-5 (Россия) 100 0,06 10 5 37 48 0,09
ТД-103 (Россия) 25 1,6 1,2 2,5 55 98 0,7
TS-252 (Япония) 66 0,05 0,4 1,4 40 50 0,1
THG-7A (Румыния) 100 0,1 8 1 27 72 0,1
К достоинствам ТГ постоянного тока можно отнести большую выход-
ную мощность, отсутствие фазовой погрешности (при активной нагрузке),
малые размеры и массу, а также отсутствие обмоток возбуждения (для ТГ с
постоянными магнитами). Недостатки этих датчиков обусловлены большей
по сравнению с асинхронными ТГ стоимостью, нестабильностью выходной
характеристики и наличием пульсаций напряжения.
4.2. Датчики динамических величин
К датчикам динамических величин (ДДВ) относятся информационные
устройства, преобразующие изменение динамических факторов (силы, уско-
рения и давления) в изменение электрического сигнала. Датчики этого типа
весьма распространены в различных системах контроля и диагностики. Прак-
тически нет такой области техники, где в процессе измерения не использова-
лись бы методы преобразования динамических параметров. Например, при
контроле параметров натяжения всевозможных лент и полос в бумажной
промышленности и металлургии, при измерении сил на валках клетей про-
катных станов, в подъемных механизмах и транспортных средствах, а также
контроле весовых и инерционных характеристик различных объектов. Ис-
пользование ДДВ в системах управления и робототехнике позволяет регули-
ровать момент на валу привода или ускорение выходного вала и реализовы-
вать сложные законы управления звеньями исполнительного механизма.
ДДВ подразделяют по четырем основным признакам:
1) по назначению — датчики систем управления (измерители момента или
силы на валу и давления в магистрали, акселерометры) и датчики контроля (в
основном технологических параметров и параметров безопасности);
2) по принципу преобразования — пьезоэлектрические, магнитоупругие,
тензометрические (омические), электростатические (емкостные) и электро-
магнитные (индуктивные);
145
4. Измерение скорости и динамических факторов
3) по способу создания противодействующей силы — датчики совме-
щенного преобразования (содержат электрически активный упругий преоб-
разователь, реакция которого создастся упрую-чувствительным элементом),
датчики раздельного преобразования (включают электрически неактивный
упругий преобразователь) и датчики с силовым уравновешиванием (сила
реакция создастся электрическими способами);
4) по виду выходной величины — генераторные (на выходе заряд, на-
пряжение или ток) и параметрические (на выходе изменение сопротивления,
индуктивности или емкости).
Придерживаясь указанного деления, рассмотрим способы построения
ДДВ в зависимости от принципа преобразования.
4.2.1. Пьезоэлектрические датчики
Пьезоэлектрические ДДВ представляют собой преобразователи электри-
ческой энергии в механическую (и наоборот). Они состоят из одного или
нескольких пьезоэлектрических ЧЭ — пьезоэлементов, элекзрически и ме-
ханически связанных между собой в измерительную схему. Каждый пьезо-
элемент выполнен в виде кварцевой или керамической пластины и является
совмещенным ЧЭ генераторного типа, способным накапливать электриче-
скую энергию. Поэтому при построении измерительных цепей широко при-
меняют схемы последовательного и параллельного соединения пьезоэле-
ментов. При последовательном соединении пьсзоэлсмснтов (рис. 4.4, а) на-
пряжение в цепи увеличивается, а суммарная емкость датчика уменьшается
пропорционально их числу. В случае параллельного соединения пьезоэле-
ментов (рис. 4.4, б) возрастают емкость и заряд датчика; такая схема подоб-
на зарядовой батарее. Как и конденсатор, пьезоэлсмент измеряет перемен-
ные внешние воздействия. В то же время, используя зарядовые усилители и
другие специальные устройства, можно измерять и квазистатические на-
грузки. Функция преобразования пьезоэлектрического ДДВ в общем случае
имеет вид
I = dQ/dl = k dF/dt
или в первом приближении
^вых ~
где I, Q — ток, протекающий через пьезоэлсмент, и его заряд
соответственно; к — константа; F — внешняя сила; Кп — коэффициент
преобразова! i ия.
Пьезоэффскт имеет обратимый характер. Поэтому различают механо-
электрические ДДВ (прямой пьезоэффект), электромеханические ДДВ (об-
ратный пьезоэффект), а также преобразователи, принцип действия которых
основан как на прямом, так и на обратном пьезоэффекте. Первые применяют
в приборах для измерения силы, давления, ускорения; вторые — в качестве
излучателей ультразвуковых колебаний, в пьезоэлектрических реле и ис-
полнительных элементах автоматических систем; третьи — в качестве пъе-
зорезонаторов и пьезотрансформаторов, а также узкополосных фильтров.
146
4.2. Датчики динамических величин
^иых
-о
в г
Рис. 4.4. Пьезоэлектрические ДДВ:
а, б — схемы последовательного и параллельного соединения ЧЭ соответственно;
в — простой пьезодатчик; г — трансформаторный пьезодатчик
В большинстве случаев при построении пьезоэлектрических ДЦВ исполь-
зуется несколько пьезоэлементов в виде кварцевых пластин, дисков или
колец. Оси симметрии пьезоэлементов ориентированы вдоль осей прямо-
угольной системы координат и соединены таким образом, чтобы у каждого
элемента выходной сигнал был максимальным. У датчиков силы верхний
предел измерений определяется площадью нагружаемой поверхности и для
промышленных образцов составляет ±(2...200) кН. Чувствительность такого
датчика определяется типом пьезоэффекга и зависит от пьезоэлектрических
коэффициентов dy. Как отмечалось в 2 1.5, матрица пьезомодулей кварца со-
держит только пять коэффициентов. Чувствительность пьезоэлемента X среза
к растяжению-сжатию характеризуется коэффициентом Лц, а пьезоэлемента
Y-срсза к сдвигу — коэффициентом ^26- Следовательно, применяя пьезоэле-
менты разных срезов можно построить многокомпонентный датчик силы.
Метрологические характеристики пьезоэлектрических ДДВ, как правило,
очень высокие. Для них характерна высокая линейность (вследствие высокой
жесткости конструкции) и малая зона нечувствительности.
Простой пьезоэлектрический ДДВ (рис. 4.4, в) представляет собой сово-
купность кварцевых или керамических пластин или колец, установленных
соосно. Каждая пластина такого датчика — это пьезоэлемент Х-срсза с про-
дольным пьезоэффсктом (в этом случае плотность заряда нс зависит от гео-
метрических размеров пластины).
В настоящее время выпускают различные пьсзоксрамичсскис материа-
лы, позволяющие конструировать высокочувствительные датчики. Так,
для дисков из пьезокерамики ЦТС-19 коэффициент преобразования
Кп = 1 ...5 В/Н.
147
4. Измерение скорости и динамических факторов
Существенный недостаток конструкций, представленных на рис. 4.4,
а—-в, связан с эффектом стекания заряда. Этот эффект, вызывающий
постепенное уменьшение сигнала при статических измерениях, приводит
к невозможности их использования при длительных измерениях. Действи-
тельно, типичный пьезоэлектрический ДДВ с емкостью Сд = 100 пФ имеет
3
постоянную времени т = 10' с. Следовательно, нижний частотный пре-
дел /н измеряемого силового воздействия составляет 0,73/(4,6т) или
1,6 • 10~4 Гц (см. 1.1). Поэтому при статических измерениях уже через 10 с
погрешность датчика превысит 0,1 %.
Для устранения эффекта стекания заряда пьезоэлектрические ДДВ стро-
ят по схеме трансформатора переменного тока, работающего в зависимости
от резонансной частоты в диапазоне 20 Гц ... 200 кГц. Трансформаторный
пьезоэлектрический ДДВ обычно представляет собой Т-образный четырех-
полюсник и содержит три обкладки — одну общую для входной и выходной
цепи и две изолированные Различают трансформаторные пьезодатчики
с продольным, поперечным и продольно-поперечным пьезоэффектом
(см. рис. 4.4, г), направления поляризации показаны на рисунке стрелками.
Коэффициент трансформации подобных систем достигает 1000 и более.
Одна из наиболее известных конструкций трансформаторного пьезо-
электрического ДДВ показана на рис. 4.5. Датчик представляет собой два
соосных кварцевых ЧЭ с продольным пьезоэффектом, соединенных после-
довательно. Каждый ЧЭ выполнен в виде диска диаметром 10 см
(см. рис. 4 5, а). Источником питания для первого ЧЭ является переменное
напряжение С/ип; для второго — выходное напряжение первого ЧЭ. Выход-
ное напряжение (/Вых датчика пропорционально коэффициенту трансфор-
мации каждого ЧЭ и измеряемой силе (см. рис. 4.5, б). Рассмотренный пье-
зоэлектрический ДДВ показана статические и динамические силы до 1 МН.
В последние годы в информационных системах все чаще применяют ре-
зонаторные пьезоэлектрические ДДВ. Их выполняют в виде двухполюсника,
объединяющего систему электрического возбуждения механических коле-
баний с системой съема электрического сигнала. Если частота приложенно-
го напряжения совпадает с одной из собственных механических частот дат-
чика, возникает резонанс, сопровождающийся резким уменьшением импе-
данса и увеличением тока через резонатор. Спектр колебаний определяется
размером и конструкцией датчика, а также упругими свойствами материала
ЧЭ. Резонансные свойства пьезоэлектрического ДДВ зависят от его доброт-
ности 0-
0 = 2п/рЛ,/Кд,
где /р — резонансная частота; £□, 7?д — соответственно эквивалентная
индуктивность и активное сопротивление датчика.
148
4.2. Датчики динамических величин
Наивысшей добротностью (0=10) обладают резонаторные пьезо-
электрические ДДВ с ЧЭ из кварца (для сравнения у колебательного конту-
ра 0 =102,у датчика с ЧЭ из керамики 0 = 103). Их сопротивление 7?д име-
ет два экстремума на частотах резонанса и антирезонанса.
б
Рис. 4.5. Трансформаторный пьезоэлектрический ДДВ фирмы Hewlett Packard (а) и
схема включения его в измерительную цепь (6):
/ — диск из пьезоматериала; 2 — общая обкладка; 3, 4 — входная и выходная обкладки; 5 —
изолирующая прокладка
Резонаторные пьезоэлектрические ДДВ обычно включают в измеритель-
ные схемы, использующие принципы частотной модуляции сигналов.
При расчете пьезоэлектрических ДДВ и выборе компонентов измери-
тельной цепи широко используют эквивалентные схемы, учитывающие осо-
бенности работы прибора, температуру, влажность среды и другие факторы.
Простая эквивалентная схема содержит следующие электрические компо-
ненты: пьезоэлемент, обладающий некоторым сопротивлением /?д и емко-
стью Сд, подводящие провода (обычно коаксиальный кабель) и нагрузку (в
качестве которой применяют усилитель напряжения с высокоомным вход-
ным сопротивлением или усилитель заряда).
Как отмечалось в I. I, пьезоэлектрический ДДВ относят к датчикам вто-
рого порядка, а значит, его свойства зависят от рабочей частоты и эквива-
лентная схема будет различной на разных рабочих частотах. Наибольшее
распространение получила эквивалентная схема, приведенная на рис. 4.6, ау
где отдельно выделены пьезоэлектрический ДДВ (в виде пьезоэлемента с
кабелем) и усилитель напряжения. Пьезоэлсмент является генератором за-
ряда, возникающего под действием приложенной силы и вызывающего ток
между обкладками. Поэтому на схеме пьезоэлемент представлен источни-
ком тока / = dQ/dt, включенным параллельно кабелю. В пьезоэлектрических
ДДВ обычно используют коаксиальный кабель, который обладает активным
сопротивлением RK и емкостью Ск. В свою очередь, пьезоэлемент также об-
149
4 Измерение скорости и динамических факторов
ладаст достаточно высоким активным сопротивлением Ra и емкостью Сд.
Схема составлена в предположении, что импеданс датчика на низких часто-
тах в основном определяется сопротивлением Яд, а на средних и высоких
частотах — емкостью Сд. В эквивалентной схеме обычно учитывают сопро-
тивление /?и и емкость Си изоляции, определяемые соответственно выраже-
ниями
= + 1/R-
и д К ’
с — С +с
'“'Д Т V'K '
На рис. 4.6, б представлена зависимость RU(T)4 согласно которой сопро-
тивление изоляции уменьшается на порядок через каждые 33 С.
Рис. 4.6. Эквивалентная схема пьезоэлектрического ДДВ с усилителем напряжения
(<т) и изменение сопротивления изоляции от температуры (б):
/ — датчик, 2 — усилитель напряжения
Эквивалентная схема усилителя напряжения также представляет собой
параллельное соединение активного сопротивления /?н и емкости Сп. Таким
образом, для эквивалентных сопротивления и емкости измерительной схемы
соответственно имеем
1/Лэкв=1/Ли+1/Лн;
С — с + с
^экв и т би-
характеристики пьезоэлектрического ДДВ очень чувствительны к ста-
бильности параметров элементов, образующих схему. Поэтому для точных
измерений недопустимо заменять отдельные элементы, даже на функцио-
нально подобные. Например, для схемы с типичными значениями Сд =
= 1000 пФ, Ск= 100 пФ и Сн = 10 пФ увеличение длины коаксиального ка-
беля всего на 1 м снизит чувствительность датчика на 10 %.
Типичным пьезоэлектрическим ДДВ, использующим усилитель с высо-
коомным входным сопротивлением, является акселерометр, схема которого
приведена на рис. 4.7, Надежность схемы определяется стабильностью всех
ее элементов, особенно конденсатора Cj, благодаря которому все изменения
заряда, вызванные действием ускорений, передаются на вход усилителя. Ко-
эффициент преобразования этой измерительной схемы
150
4.2. Датчики динамических величин
Д^вых _ 1 + ^з//?2
Д^вх G
Усилитель необходимо размещать вблизи датчика.
Мостовые измерительные схемы появились в связи с разработкой техно-
логии, позволяющей выращивать пьезоэлектрические сгруктуры непосред-
ственно на поверхности упругого элемента. Широко применяемая в тензо-
метрических измерительных системах, эта технология позволяет строить
интегральные пьезоэлектрические ДДВ по схеме раздельного преобразова-
ния (рис. 4.8). Пьезорсзистивныс ЧЭ, объединенные в мостовую измери-
тельную схему, располагаются на поверхности кремниевой диафрагмы, ко-
торая служит упругим элементом датчика. Для уменьшения погрешности
измерения (компенсации смещения нуля и регулировки температурной чув-
ствительности) в схеме предусмотрены внешние навесные элементы; пита-
ние осуществляется от источника тока. Измерительная цепь датчика содер-
жит усилитель с буферными каскадами (см. 2.3), выходной сигнал которого
определяется выражением
^вых = - U4X1 + 2Я / 7?!) + иы.
Сравнительная характеристика некоторых пьезоэлектрических ДДВ дана
в табл. 4.3.
Рис. 4.7. Электрическая схема акселерометра с высокоомным усилителем
Пьезоэлектрические ДДВ чрезвычайно широко используют в измери-
тельных системах. Высокая механическая жесткость, широкий диапазон из-
мерения, малые габаритные размеры и масса, а также стабильность характе-
ристик этих датчиков обеспечили применение их в силовых измерительных
установках. Некоторые модели датчиков стали базовыми, в частности рас-
смотренный на рис. 4.5 датчик силы фирмы Hewlett Packard с двумя пласти-
нами толщиной 1 мм. При механическом напряжении о = 150 МПа его де-
формация составляет всего 2-10~3мкм. К недостаткам пьезоэлектрических
ДДВ можно отнести зависимость точности измерения от частоты входного
сигнала, а также чувствительность к загрязнению, температуре и влажности
окружающей среды.
151
4. Измерение скорости и динамических факторов
Рис. 4.8. Электрическая схема пьезоэлектрического датчика
давления фирмы Honeywell:
/ — мостовая схема, 2 — резистор балансировки нуля, 3 — резистор
регулировки коэффициента усиления
Основные параметры пьезоэлектрических ДДВ
Таблица 4.3
Модель Измеряе- мый параметр Диапазон измерений Чувстви- тельность с, % Размеры, мм
d / b h
ДХП-096 (Россия) Звуковое давление 0...80 кГц 4 мкВ/Па 2 4 25 — — 5
ДПС 003 (Россия) Динами- ческое давление 0...5 МПа (при f до 25 к! и) 0,1 мкВ/Па 10 27 55 — — 250
АЛО-034 (Россия) К-9077 Ускоре- ние Сила 0 ±6 м/с2 I В-с2/м 1 — 46 46 47 400
(1 ермания) (Л. Fy, F,) 0 88 кН, 0. .200 кН 3,7 пКл/Н, 2 пКл/Н 1; 1 100 25 — т- 900
FSG15N1 (США) Сила 15 Н 0,03 В/Н 1,5 и — 12,7 8 9 100
К-9233 (Г ермания) Деформа- ция Э 0...±3 10 % 6-Ю'5 пКл 1 — 30 40 54 210
152
4.2. Датчики динамических величин
4.2.2. Магнитоупругие датчики
Магнитоупругие ДДВ предназначены для измерения динамических фак-
торов и основаны на обратимом преобразовании энергии магнитного поля и
механических колебаний. Их используют для тех же задач, что и пьезоэлек-
трические ДДВ, также в генераторных и параметрических измерительных
схемах.
В основе работы датчиков этого типа лежит эффект магнитоупругости,
обнаруженный в 1865 г. Э. Виллари (эффект Виллари) — изменение намаг-
ниченности ферромагнетика при его деформации. Обратный по отношению
к магнитоупругости эффект, заключающийся в изменении размеров и фор-
мы тела при его намагничивании, был открыт Дж.П. Джоулем в 1842 г. и
называется магнитострикцией.
Рис. 4.9. Изменение кривой намагниченности псрмаллоя-68 (/)
и никеля (2) при деформировании:
сплошные линии — о = 0; штриховые линии — а = 5 МПа для никеля
и о = 20 МПа для пермаллоя-68
Эффект магнитоупругости во многом подобен пьсзоэффскту. В то же
время использование магнитоупругих ДДВ позволяет получить существен-
но большую (на несколько порядков) мощность выходного сигнала, чем
пьезоэлектрических ДДВ. При этом в отличие от последних магнитоупругие
ДДВ имеют нелинейную характеристику. Изменение электрических и маг-
нитных свойств материалов этих датчиков при механическом воздействии
описывает кривая гистерезиса (рис. 4.9). Механические напряжения а в
153
4. Измерение скорости и динамических факторов
ферромагнетике приводят к изменению его кривой намагниченности (маг-
нитной проницаемости ц, остаточной индукции Вост). Различают линейную
и объемную магнитострикцию. В первом случае относительная линейная
деформация составляет КГЛ.ЛСГ^во втором — относительная объемная
деформация достигает 10-5 (у инварных сплавов).
В качестве материала для совмещенных ЧЭ магнитоупругих ДДВ можно
использовать любой ферромагнетик со значительной магнитострикцией на-
сыщения. Чаще всего применяют трансформаторные стали (желсзокрем-
ниевые сплавы), отличающиеся низкой стоимостью и невысокой чувстви-
тельностью; термообработанныс железоникелевыс сплавы (пермаллои), об-
ладающие высокой чувствительностью и высокой стоимостью, а также спе-
циальные магнитоупругие материалы, например железо-алюминиевые спла-
вы, имеющие такую же чувствительность, как и пермаллои, но в пять раз
большее удельное сопротивление.
Классический магнитоупругий ДДВ представляет собой совмещенный
ЧЭ в виде катушки с сердечником из никеля или пермаллоя. Как и пьезо-
электрические ДДВ, магнитоупругие ДДВ бывают двух типов: генератор-
ные и параметрические.
Генераторный магнитоупругий ДДВ (рис. 4.10, а) по своим характери-
стикам подобен пьезоэлектрическому ДДВ из сегнетоэлектрика. Под дейст-
вием механической нагрузки сердечник датчика (постоянный магнит)
деформируется, вызывая изменение наведенной в нем индукции Вост. Вели-
чина JB0CT/Jo характеризует чувствительность датчика и составляет
1,5 10-9 Вб/Н. При этом в выходной обмотке индуцируется ЭДС, пропор-
циональная dBocx!dt. Таким образом, функцию преобразования генераторно-
го магнитоупругого ДДВ можно представить так:
U - l _ . do
'-'вых Г . ’
dt dt
k — коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от
числа витков катушки и площади ее сечения; кг — коэффициент преобра-
зования генераторного датчика.
Генераторные магнитоупругие датчики наиболее просты и миниатюрны,
но работают только в динамическом режиме. Принцип действия наиболее
распространенного параметрического магнитоупругого ДДВ основан на из-
мерении вариаций магнитной проницаемости ц под действием механиче-
ской нагрузки на сердечник. Параметрические датчики подразделяют на
дроссельные (рис. 4.10, б) и трансформаторные (рис. 4.10, в). Относительное
изменение магнитной проницаемости сердечника Дц/ц вызывает соответ
ствующее изменение импеданса датчика, а следовательно, выходного на-
пряжения. Функция преобразования такого датчика имеет вид
154
4.2. Датчики динамических величин
^вых
=к
" Л
где А'п — коэффициент преобразования параметрического магнитоупругого
датчика.
Основной характеристикой параметрического датчика является магни-
тоупругая чувствительность 5М:
$м = ДЦ/ЦО.
п 2
В желсзоалюминиевых сплавах максимальное значение 5М = 2 10 м /Н
достигается при отношении Д|д/р = 40 %. Максимальное механическое на-
пряжение отах в материале датчика составляет 50...80 Mila; оно соответст-
вует относительной линейной деформации (2—4) • 10 .
Рис. 4.10. Схемы генераторного (а), параметрического дроссельного (б) и парамет-
рического трансформаторного (в) магнитоупруго! о ДДВ.
I — сердечник; 2 — выходная обмотка; 3 — обмотка возбуждения
Точность магнитоунругих ДДВ определяется гремя основными факто-
рами: магнитоунругой чувствительностью, уровнем допустимых механиче-
ских напряжений и частотными характеристиками материала ЧЭ.
Магнитоунругим ДДВ свойственна изотропия магнитных свойств, а
также их зависимость от нагрузки. Для уменьшения влияния этих факторов
увеличивают размеры сердечника и ограничивают значения измеряемых
параметров до 50 % от максимально возможных. В этом случае удастся
обеспечить погрешность измерения менее 1 %.
Сравнительная характеристика некоторых моделей магнитоунругих ДДВ
дана в табл. 4.4.
Магнитоупругие ДДВ нашли довольно широкое применение в специаль-
ных областях техники. На рис. 4.11 представлен пример использования дат-
чика в системе двухстороннего действия с пассивным отражением нагрузки.
Системы этого типа применяют в дистанционно-управляемых манипулято-
рах, когда на задающее устройство необходимо передать информацию о си-
ловом взаимодействии исполнительного механизма с объектом работ.
155
4. Измерение скорости и динамических факторов
Таблица 4.4
Основные параметры магнитоупругих ДДВ
Модель Измеряемый параметр Диапазон измерений Г, °C Е, % Размеры, мм кг
d 1
TD-3 (Япония) Сила 1О4...1О7 И -20...+60 2 510 310 3,2
TS-V (Япония) У гловая скорость 0...2,5103об/с -20.. .+40 0,8 76 65 0,7
У Г-50 (Россия) Глубина погруже- ния 0,1...70м -5...+30 1,0 43 62 0,4
МСП-22 (Россия) Уровень звукового давления 10... 170 дБ 0...+40 it л. 300 54 3
Для этого служит обратный канал, который имитирует нагрузки, дейст-
вующие на исполнительный механизм. В канал отражения входят имитатор
нагрузки (загружатель), бесконтактный магнитоупругий ДДВ (тордуктор) и
усилитель. В данной схеме применен пассивный загружатель, который раз-
вивает момент только при приложении усилия со стороны оператора. Это
существенно упрощает управление манипулятором и не требует постоянно-
го контроля за его состоянием.
Рис. 4.11. Использование магнитоупругого ДДВ в системе дистанционного
управления:
1 — вал оператора; 2 — муфта; 3 — загружатель; 4 — усилители; 5 — система
управления; 6 — двигатель; 7 — магнитоупругий датчик момента; 8 — вал нагрузки;
9 — датчик положения
В качестве пассивного загружатсля чаще всего применяют фрикционные
электромагнитные муфты. При отсутствии сигнала управления с тордуктора
(при МИ = 0) половинки муфты свободно скользят одна относительно другой
и нагрузка оператору не передается. При А/н ^0 тордуктор формирует сиг-
нал на загружатель и возникающий в нем магнитный поток прижимает обе
половинки муфты друг к другу. Момент Л/Оп на валу оператора является
пассивным, т. е. он не может привести его в движение. Система двухсто-
156
4.2. Датчики динамических величин
роннего действия с пассивным отражением нагрузки позволяет манипули-
ровать тяжелыми объектами, в частности переносить радиоактивные кон-
тейнеры в реакторной зоне.
Основные достоинства магнитоупругих ДДВ — большая выходная
мощность (отсутствие каскадов усиления), высокая механическая жесткость
и надежность — позволяют использовать их в экстремальных условиях (при
высокой влажности, давлении и т. п.). К недостаткам этих датчиков можно
отнести ограниченную полосу пропускания (вследствие токов Фуко) и не-
высокую точность измерения.
4.2.3. Электростатические датчики
Электростатические (емкостные) ДДВ широко используют в кинесте-
тических и локационных системах. В первых они выполняют те же функ-
ции, что пьезоэлектрические и магнитоупругие ДДВ, во вторых — служат
для обнаружения объектов (например, в разного рода охранных системах),
но во всех случаях измеряемым параметром является вариация емкости дат-
чика.
Простейший электростатический ДДВ представляет собой электромеха-
нический преобразовазель, в корпусе которого размещены два (или более)
параллельных или концентрических электрода, разделенных слоем диэлек-
трика. Емкость С плоского конденсатора без учета краевых эффектов (т. е.
при d <sl Vs) определяется известной зависимостью
С — ErEQS / d,
где Ег — диэлектрическая проницаемость слоя; ео=8,85 1О Ф/м; s —
площадь электрода; d — расстояние между электродами.
Для цилиндрического конденсатора справедливо следующее выражение:
/ гвн)
где — глубина проникновения внутреннего цилиндра радиусом гвн во
внешний цилиндр радиусом гвнеш.
Как следует из этих формул, на емкость датчика влияют его геометриче-
ские размеры и параметры диэлектрического слоя. Отметим, что указанные
факторы должны быть динамическими, так как для конденсатора характерен
эффект стекания заряда (см. 4.2.1). Следовательно, к электростатическим
ДДВ применимы те же ограничения, что и к пьезоэлектрическим. Преобра-
зователи этого типа работают на переменном токе с несущими частотами от
50 кГц до нескольких мегагерц.
Электростатические ДДВ подразделяют по трем основным признакам:
1) по форме — плоские и цилиндрические;
2) по типу диэлектрика — воздушные, керамические и полупроводнико-
вые;
157
4. Измерение скорости и динамических факторов
3) по влияющему фактору — с изменяемым взаимным положением элек-
тродов-обкладок и с изменяемой диэлектрической проницаемостью.
Преобразователи с воздушным диэлектриком используют при измерении
сил и ускорений, в качестве детекторов близости и т. д. Датчики на основе
керамических материалов, диэлектрическая проницаемость которых зависит
от напряженности приложенного электрического поля, температуры и гид-
ростатического давления, применяют для контроля параметров окружающей
среды. Для этого же используют датчики, ЧЭ которых имеют структуру на
базе р—«-перехода — варикапы.
Электростатические ДДВ являются обратимыми электромеханическими
преобразователями. Их электрическими характеристиками являются: на-
пряжение U между пластинами, заряд Q = CU, ток / = dQJdt и энергия IV =
= QU/2 = СС?/2. Среди механических показателей выделяют: жесткость G,
взаимное перемещение х электродов и скорость V = dxldt их перемещения
под действием внешней силы F.
Механические и электрические параметры преобразователя связаны ме-
жду собой следующими уравнениями:
F = Gx+K3MU- Q-K„Mx+CU,
где К™ = ЕС — коэффициент электромеханической связи; Е — напряжен-
ность электрического поля.
Эти зависимости получены в предположении, что вариации напряжения
U и перемещения х малы по сравнению с их начальными значениями, а зна-
чит, емкость С и напряженность поля Е постоянны. В частности, согласно
второму уравнению, ток через преобразователь определяется нс только со-
ставляющей I\=dQIdt-C{dU / Jr), но и не всегда учитываемой состав-
ляющей /2 = dQJdt = EC(dx!dt), обусловленной перемещением электродов.
Электростатические ДДВ имеют простую и надежную конструкцию. На
рис. 4.12, а приведен датчик силы с дифференциальным ЧЭ в виде плоского
трехобкладочного конденсатора с воздушным диэлектрическим слоем.
Диапазоны измерения электростатических ДДВ составляют 0...2 мм в
—2 7
режиме измерения малых перемещений и 10 ...10 Н в режиме измерения
сил.
Функция преобразования электростатического ДДВ зависит от его конст-
рукции и схемы включения. В частности, для простого цилиндрического дат-
чика, зависимость емкости от перемещения линейна:
С = Ксх,
ГЛ 2леге0
где Кс =--------—-—
Ь?(гвнеш / ^вн )
— коэффициент преобразования. Чувствительность
такого датчика постоянна: = К„.
v С
При использовании плоского датчика с изменяемым воздушным зазором
зависимость С(х) нелинейна:
158
4.2. Датчики динамических величин
С = ef.eQs/(d + х),
а чувствительность определяется выражением
Sc =ErEQs/(d + х)2.
Очевидно, что чувствительность электростатического ДДВ тем выше,
чем меньше расстояние между электродами. Для обеспечения линейности
функции преобразования используют схему дифференциального конденса-
тора (см. рис. 4.12, а).
Рис. 4.12. Электростатический ДДВ фирмы Kistler (я) и его эквивалентная схема (б):
/ —упругий сферический корпус; 2 — ЧЭ; 3 — изоляционная прокладка; 4—выходные
электроды
Электростатические датчики с переменным зазором имеют диапазон из-
мерения 0...1 мм. У датчиков с изменяемой площадью обкладок он сущест-
венно больше — 0...10 мм и более, однако их чувствительность меньше.
Электростатический ДДВ является измерительным устройством второго
порядка, т. е. частотно-зависимым прибором. В его эквивалентной схеме (рис.
4.12, б) кроме емкости Сд датчика учитывают сопротивление 7?у изоляции
(утечки) между электродами, сопротивление RK и индуктивность LK кабеля,
а также паразитную емкость Сп между электродами и заземленными деталя-
ми конструкции. Вид эквивалентной схемы определяется режимом работы
датчика. Так, при работе на низких частотах активное сопротивление угечки
Ry велико и влияние индуктивности LK и сопротивления RK кабеля не ска-
зывается. При работе на высоких частотах сопротивление Ry падает и
большую роль начинают играть индуктивность LK и сопротивление RK. В
этом случае 7?экв = RKt Сэкв = СД + Сп. Влияние частоты на сопротивления Ry
учитывают внесением дополнительного слагаемого в выражение для /?экв:
159
4. Измерение скорости и динамических факторов
^экв *к + л о ’
(соЛуСэкв)2
где (о = 2ти^ — круговая частота входного воздействия. Тогда эквивалентная
схема будет прсдсгавлять собой последовательное соединение элементов
^экв и Сэкв.
В эквивалентной схеме электростатического ДДВ с керамическим ди-
электриком следует учитывать потери, изменяющие сдвиг фаз между на-
пряжением и током на угол потерь В образцовых воздушных конденса-
торах tg\g<5-10-5и \j/ определяется только сопротивлением Ry. Обычно
электростатические ДДВ с С = 10... 100 пФ используют на несущих частотах
выше 100 кГц (вплоть до нескольких мегагерц).
Наиболее распространенными измерительными схемами в электростати-
ческих ДДВ являются мост Саути и усилительная схема (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Схемы включения электростатического ДДВ в измерительную цепь:
а — мост Саути; б — усилительная схема; в — частотная характеристика датчика
В мосте Саути чаще всего применяют дифференциальный конденсатор с
двумя рабочими плечами, емкости которых равйы С| и С2, причем 1/Cj +
+ I/C2 = 1/С (см. рис. 4.13, а). При смещении центральной обкладки конден-
сатора относительно начального положения на величину х емкости Q и С2
изменяются согласно выражениям
160
4.2. Датчики динамических величин
С. —-------С2 ~----------•
1 l-2x/J 2 l + 2x/J
Если пренебречь утечками в конденсаторе, то функцию преобразования
схемы можно представить в виде
Заметим, что эта зависимость линейна при включении датчика как по схеме
с изменяемым зазором, так и по схеме с изменяемой площадью.
При использовании усилительной схемы (см. рис. 4.13, б) датчик можно
устанавливать вместо конденсатора Ci или С2. Элементы схемы подбирают
таким образом, чтобы /?j(oC|«:l,a 7^cdC2»1. Тогда в диапазоне частот
1/(2тс/?2^2) - f ^1/(27гЛ]С|) функция преобразования ^вых =-(Q/C2)t7Hn.
Если датчик установлен вместо конденсатора Ср то функция преобразова-
ния линейна у датчика с изменяемой площадью обкладок, если вместо кон-
денсатора С2, то у датчика с переменным зазором. Следовательно, размещая
электростатический ДДВ в соответствующем месте измерительной схемы,
можно всегда получить линейную функцию преобразования.
Погрешности электростатических ДДВ определяются главным образом
стабильностью параметров зазора и постоянством диэлектрической прони-
цаемости среды. Поэтому в конструкциях используют стабильные диэлек-
трики (как правило, воздух), а сами датчики тщательно герметизируют.
(Так, &CIC при изменении температуры на 10 °C составляет <0,002%,
а при изменении давления на 10 Па ДС/С <0,06 %). Стабильными диэлек-
триками являются также расплавленный кварц и стекло.
При включении электростатического ДДВ в измерительную цепь особое
значение имеет согласование реактивных сопротивлений датчика и подво-
дящего кабеля, который уже при малой длине имеет емкость, сравнимую с
емкостью датчика. Это обстоятельство существенно влияет на чувствитель-
ность схемы и погрешность измерения. Поэтому большинство элементов
измерительной цепи схемы размещают непосредственно в корпусе датчика.
В охранных системах к электростатическим ДДВ не предъявляют высо-
ких метрологических требований. Обкладки конденсатора размещают на
значительном расстоянии одна от другой, а измеряемым параметром служит
изменение диэлектрической проницаемости среды при попадании в нее по-
сторонних объектов. На этом принципе основано действие детекторов при-
сутствия и приближения, реагирующих на проникновение человека в закры-
тое помещение или на его прикосновение к замкам, ручкам дверей, сейфам
и другим металлическим объектам. Чувствительность таких датчиков про-
порциональна площади пластин (обычно ее выбирают такой, чтобы можно
было бы обнаружить человека на расстоянии 0,5...1,0 м).
6. С.А. Воротников
161
4. Измерение скорости и динамических факторов
Сравнительная характеристика электростатических ДДВ дана в табл. 4.5.
Таблица 4.5
Основные параметры электростатических ДДВ
Модель Измеряе- мый параметр Диапазон измерений Т. °C £, % Размеры, мм т, КГ
d / b h
ДДЕ-100К (Россия) Давление 0...10' Па -30...+90 1 58 159 — — 0,9
AL-105 (Франция) Сила О...1О6Н - 10...+90 2 60 Н.д. — — 0,5
CGS-H11 (Япония) Влаж- ность 40... 100 % 0...+70 1 — 12 13 0,7 0,03
YMS-110 (Япония) Переме- щение 0...250 мм -30. .+60 5 — 70 60 250 1,2
Van Kent (Германия) » 0...40 мм -25...+70 I 20 80 — — 0,3
Как следует из табл. 4.5, многопарамстричность является очевидным
достоинством электростатических ДДВ. Кроме того, их отличает простота
консгрукции, широкий диапазон измерения, помехоустойчивость к магнит-
ным полям и работоспособность при высоких температурах. Основные не-
достатки электростатических ДДВ — необходимость использования высо-
ких несущих частот, обязательное согласование емкостей кабеля и датчика,
а также чувствительность к параметрам окружающей среды.
4.2.4. Электромагнитные датчики
В робототехнике электромагнитные ДДВ используют для решения ки-
нестетических (определение сил, вибрации давлении и т. п.) и локационных
(обнаружение различных металлических объектов) задач. В первом случае
конструктивная и электрическая схемы подобны соответствующим схемам
магнитоупругих ДДВ, во втором — используются специальные схемотех-
нические решения.
В общем случае электромагнитный ДДВ представляет собой один или
несколько контуров (обмоток), находящихся в магнитном поле, которое мо-
жет быть создано как протекающим по контурам током, так и внешним ис-
точником. Простейший одноконтурный датчик характеризуется индуктив-
ностью L, магнитным потоком или потокосцеплением T = LZ, ЭДС
£ = /dt и энергией электромагнитного поля W = Чу//2 = L/2/2. Исполь-
зуя в качестве информативного признака любой из этих параметров, можно
построить датчики, измеряющие различные физические величины. Однако
важно отмстить, что параметры магнитной цепи взаимозависимы. Напри-
мер, протекающий по замкнутому контуру ток приводит к появлению силы,
162
4.2. Датчики динамических величин
поворачивающей его относительно поля и изменяющей тем самым индуци-
руемую ЭДС.
Электромагнитные ДДВ обычно регистрируют вариации магнитной
проницаемости, вызывающие изменение индуктивности или взаимной ин-
дуктивности катушек. Существенной особенностью таких датчиков являет-
ся наличие потоков рассеяния. Обусловлено это тем, что часть основного
магнитного потока замыкается не через все витки катушки. Следовательно,
полная индуктивность контура имеет две составляющие: основную индук-
тивность и индуктивность рассеяния. Для уменьшения последней в обмотку
преобразователя вводят ферромагнитный сердечник, концентрирующий
магнитный поток и уменьшающий долю потока рассеяния в общем потоке.
Наименьшую индуктивность рассеяния имеет обмотка, выполненная на то-
роидальном сердечнике. Наличие сердечника позволяет использовать те же
схемы, что и в ЭДП и магнитоупругих ДДВ. У первых сердечник перемеща-
ется относительно катушки, что характерно для систем малой механической
жесткости, у вторых деформируется, что свойственно жестким системам.
Значение механической жесткости G достигает при этом 106 Н/м.
Электромагнитные ДДВ подразделяют по трем основным признакам:
1) по типу конструктивной схемы — с изменяемой площадью обкладок и
с изменяемой величиной зазора;
2) по типу электрической схемы — дроссельные и трансформаторные;
3) по степени симметрии электрической схемы — простые и разностные
(дифференциальные).
Наибольшее распространение на практике получили дифференциальные
дроссельные электромагнитные ДДВ, имеющие более высокую точность,
чем трансформаторные, но требующие использования усилительных схем.
Конструктивно электромагнитные ДДВ, как правило, аналогичны элек-
тростатическим ДДВ. В представленной на рис. 4.14, а схеме две дифферен-
циально включенные катушки находятся в герметичном сферическом кор-
пусе, который является упругим элементом, ограничивающим деформацию
сердечника. Для измерения сил до 0,01 МН упругие элементы выполняют в
виде мембран, а от 0,01 до 10 МН — в виде балок. При этом сферический
корпус является защитным кожухом. Функция преобразования элекгромаг-
нитного ДДВ существенно нелинейна и ее точный расчет практически не-
возможен. Приблизительная аналитическая зависимость получена для про-
стого дроссельного датчика с изменяемой величиной зазора:
L = L0/(l + kx) ~ Lq(I + kx—k2x2),
где Ijq — начальная индуктивность; k — постоянная, определяемая
геометрическими размерами датчика и магнитной проницаемостью цепи.
Более высокая линейность достигается при использовании дифференци-
альных схем, где погрешность нелинейности уменьшается до 0,2 %, а функ-
ция преобразования аппроксимируется выражением вида
L = L0(l + b).
6*
163
4. Измерение скорости и динамических факторов
Электрическая эквивалентная схема электромагнитного ДДВ, как и любого
другого частотно-зависимого преобразователя, учитывает вклад отдельных
элементов конструкции в зависимости от рабочей частоты датчика. В пред-
ставленной на рис. 4 14, б электрической эквивалентной схеме дроссельного
датчика с ферромагнитным сердечником Ьд, /?д — индуктивность и сопротив-
ление обмотки, С — межвитковая емкость, Lpac — индуктивность, обуслов-
ленная магнитным потоком рассеяния, Е — ЭДС датчика. При работе на час-
тотах свыше 10 ...10 Гц необходимо учитывать факторы, представленные на
рис. 4.14, б элементами Rn и UU1, где /?п — сопротивление, связанное с потерей
мощности на перемагничивание; — напряжение шума, вызванное эффек-
том Баркгаузена. Этот эффект, особенно заметный в высокочувствительных
приборах, связан со скачкообразными смещениями доменных границ при пе-
ремагничивании ферромагнетика. Он вызывает импульсы напряжения
иш = ДФ/т, где ЛФ — приращение магнитного потока, обусловленное скач-
ком Баркгаузена; т — длительность этого скачка (для разных материалов
“3 -7
т = 10 ...10 с). Использование сердечников с высокой магнитной проницае-
мостью и высоким удельным сопротивлением (например, ферритов) позволяет
практически устранить потери из-за рассеяния и токов Фуко.
Рис. 4.14. Электромагнитный ДДВ {а) и его эквивалентная схема (б):
1 — упругий сферический корпус; 2 — ЧЭ; 3 — выходные электроды
При разработке электромагнитных ДДВ приходится учитывать различ-
ные источники погрешностей. Для их компенсации применяют специальные
меры: датчик экранируют от внешнего магнитного поля, а соединительные
провода подводят таким образом, чтобы не возникали дополнительные кон-
туры. Кроме того, применяют симметричные магнитные цепи и обмотки
(например, тороидальные). В симметричной обмотке каждому витку на сер-
дечнике соответствует симметрично расположенный по отношению к про-
низывающему сердечник магнитному потоку «парный» виток. Наводимые в
164
4.2. Датчики динамических величин
«парных» витках ЭДС взаимно компенсируются, уменьшая тем самым сум-
марную ЭДС.
Еще одним способом повышения точности датчика является ограниче-
ние диапазона его рабочих частот. Верхняя граничная частота определяется
длительностью скачков Баркгаузена и составляет 1О2...1О5Гц (для ферритов
7
до 10 Гц), нижняя зависит от частоты источника питания/ип и составляет
нс менее 3/ип.
В табл. 4.6 приведен<1 сравнительная характеристика различных элек-
тромагнитных ДДВ.
Таблица 4 6
Примеры промышленных электромагнитных ДДВ
Модель Измеряе- мый параметр Диапазон измерений Г, °C Е. % Размеры, мм т, кг
d 1 b h
ВК-5 (Россия) Вибрация 2...5000 Гц -30.. +100 5 20 30 — — 0,12
BES-I50 (Германия) Дальность 0,5... 150 мм Нд. 1 33 76 — — 0.27
С-041 (Россия) Давление Ю...Ю6Па -50 .. +100 1,3 — 68 53 88 0,6
NBB-5 (Германия) Переме- щение 0...25 мм -25...+70 1 20 80 — — 0,3
RC-I5 (Германия) Скорость 0... 10 м/с -25... +70 1 — 15 4] 65 0,4
По своим эксплуатационным характеристикам электромагнитные ДДВ во
многом подобны электростатическим Их достоинства — простота конструк-
ции и эксплуатации (питание от сети переменного тока 50 или 400 Гц), низкая
стоимость, температурная стабильность, а также высокие уровень и мощность
выходного сигнала, недостатки — невысокая линейность и низкая по сравне-
нию с пьезоэлектрическими и магнитоупругими датчиками жесткость.
Контрольные вопросы
1. Зависит ли час юга выходного напряжения асинхронного ТГ от скоро-
сти вращения?
2. В каких единицах измеряется магнитодвижущая сила?
3. От каких параметров зависит мультипликативная погрешность ТГ по-
стоянного тока?
4. Можно ли в конструкции ТГ постоянного тока исключить щеточный
узел?
5. Какой тип пьезоэффскта используется в пьезогенераторах?
165
4. Измерение скорости и динамических факторов
6. Какой ДДВ обладает большей линейностью — электромагнитный или
емкостной?
7. Какие ДДВ наиболее чувствительны к условиям внешней среды?
8. Для каких ДДВ характерна большая выходная мощность — пьезоэлек-
трических или магнитострикционных?
9. Можно ли использовать пьсзоэлекгрические ДДВ для измерения ста-
тических сил?
10. Зависит ли вид эквивалентной электрической схемы ДДВ от частот-
ного диапазона?
5. ЛОКАЦИОННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ
СИСТЕМЫ
Локационные информационные системы (ЛС) относятся к устройствам
бесконтактного действия и реализуют бионическую функцию слуха. Ин-
формативным параметром этих систем является модулированная волна
различной физической природы, характеристики которой определяются ин-
тегральными свойствами среды распространения. В робототехнике и мсха-
тронике ЛС используют для определения координат и скорости объектов в
задачах управления и навигации, для обеспечения необходимой траектории
движения исполнительного механизма вблизи границы раздела сред, а так-
же в качестве средств безопасности. Отдельной областью их применения
является определение свойств среды распространения. Во всех случаях пре-
образователи ЛС являются датчиками среды. Поскольку и система, и объект
находятся в некотором физическом поле, результаты измерения существен-
но зависят от его свойств. В зависимости от пространственно-временных
свойств среды различают потенциальные (например, электростатические) и
вихревые (электромагнитные и акустические) поля. Как правило, вихревые
поля содержат больше параметров, пригодных для измерения, и поэтому
более информативны. Тем не менее иногда (например, при работе на малых
расстояниях) целесообразно использовать ЛС, принцип действия которых
основан на свойствах потенциальных полей. Однако в любом случае необ-
ходимые данные получают из переносимой полем информации об объекте.
ЛС подразделяют по трем основным признакам:
но физической природе носителя информации — электромагнитные,
акустические, оптические, пневматические, электрические и магни тные;
по способу локации — активные и пассивные;
по типу модулирующей функции — непрерывные и импульсные.
Активные ЛС регистрируют отраженный эхо-сигнал, в то время как
пассивные воспринимают собственное излучение объекта. Примером ак-
тивной ЛС является акустический дальномер, пассивной — вихретоковая
система.
5.1. Теоретические основы локации
5.1.1. Общие сведении
Движение волны, представляющее собой колебательный процесс рас-
пространения возмущения в некоторой среде, происходит с конечной скоро-
стью с и описывается волновым уравнением вида
167
5 Локационные информационные системы
Э2п Э2и д^и _ 1 Э и
где и — амплитуда возмущения; x,y,z — ортогональные оси координат.
В волновой теории наиболее известным является частотное уравнение
X = df= сТ,
где X, fnT— длина, частота и период волны соответственно.
Механизм распространения волн в среде связан с явлениями отражения,
дифракции, рефракции (искривление луча вследствие преломления), погло-
щения, рассеяния и различен для разных длин волн. Особенно наглядно это
проявляется в области радиочастот, которые широко используются в нави-
гационных системах мобильных роботов. Так, волны сверхдлинного диапа-
зона (X > 10 км) сравнительно слабо поглощаются земной корой, а на их
распространение существенно влияет ионосфера, которая вместе с поверх-
ностью Земли образует сферический волновод. Длинные волны
(X = 1... 10 км), напротив, сильно поглощаются Землей и хорошо ее огибают;
это происходит вследствие дифракции и волноводного эффекта, присущего
волнам данного диапазона. Средние волны (X = 100... 1000 м) значительно
поглощаются ионосферой днем и распространяются только благодаря ди-
фракции (так называемые земные волны). Ночью ионосферные отражения
улучшаются, и дальность волн резко возрастает (эти волны получили назва-
ние пространственных). Что касается коротких волн (X = 10... 100 м), то ди-
фракция у них выражена слабо, однако благодаря ионосферному отражению
они могут достигать точки антипода. В диапазоне X = 10... 100 м сильно
проявляются дисперсионные свойства ионосферы, а для наиболее коротких
волн она и вовсе прозрачна. Ультракороткие волны (X = 1 мм ... 10 м) рас-
пространяются практически прямолинейно, а на их дальность влияет зату-
хание колебаний в тропосфере и стратосфере Земли. Диапазон ультракорот-
ких волн делят на четыре поддиапазона: метровый, дециметровый, санти-
метровый и миллиметровый. Дальность распространения метровых волн
достигает 2000 км, сантиметровые волны рассеиваются и поглощаются об-
лаками и туманом, а миллиметровые — газами атмосферы. Так как даль-
ность распространения санти- и миллиметровых волн невелика, то в систе-
мах передачи информации этих диапазонов применяют волноводы и другие
направляющие устройства.
Под затуханием будем понимать некоторую интегральную характери-
стику, которая связана с потерей энергии колебаний в среде, приводящей к
ослаблению амплизуды сигнала. Затухание сигнала влияет на дальность его
распространения. В линейных системах с одной степенью свободы ампли-
туда и колебаний убывает с расстоянием х по экспоненциальному зако-
ну: и = где £ — коэффициент затухания. Для механической системы
£ = Ь/(2т) (Ь — коэффициент скоростного трения, т — масса колеблющего-
168
5. /. Теоретические основы локации
ся тела), для электрического колебательного контура £ = RI(2E). Теоретиче-
ски затухание длится бесконечно долго, однако на практике колебательный
процесс считают закончившимся, если его амплитуда составляет 1% от на-
чальной, т. е. =0,01, или т = 4,6/£.
Зная коэффициент затухания, можно определить глубину проникновения
электромагнитных волн в среду. Так, для морской воды коэффициент зату-
хания (э= I----— , где ц, р — соответственно магнитная проницаемость и
V Р
удельное электросопротивление морской воды; ц0— магнитная постоян-
ная. Глубина проникновения 8, при которой амплитуда сигнала уменьшает-
ся в е раз, определяется выражением 8 = 1/е. Следовательно, при частоте
электромагнитного сигнала f = 1 кГц (X = 300 м), р « 0,25 Ом • м и
|1 = 1 глубина проникновения 8 = 8 км. В металлических предметах затуха-
ние значительно сильнее. Так, в стали (р~7 10-4Ом • м, р.= 103) глубина
проникновения 8 составляет доли миллиметра.
В инженерных расчетах для определения затухания сигнала также ис-
пользуют интегральный параметр, называемый коэффициентом ослабления
^осл-
^ОСЛ — ^пр / ^изл,
где Рпр, Ризл — мощность сигнала на входе приемника и на выходе излу-
чателя соответственно.
Ослабление сигнала зависит от расстояния I между приемником и излу-
чателем (или объектом) и свойств среды. Так, для изотропной среды, когда
волна имеет сферическую форму, мощность сигнала на входе приемника
убывает пропорционально Z2. Например, в пассивной ЛС, где волна прохо-
дит расстояние до объе <та один раз,
р _ iz Р Р //2
2пр /уослу изл лр^изл ' 1 ’
и следовательно,
/ = Ik Р / Р
1 у] лрх ИЗЛ 1 * пр ’
где кр — размерный коэффициент.
В активной ЛС (например, в импульсном дальномере) волна дважды
проходит путь до объекта, поэтому ослабление сигнала будет в четыре раза
больше. Для таких систем дальность определится выражением
/ = сДг/2,
где Д/ — время прохождения сигнала от момента излучения до момента
приема.
169
5. Локационные информационные системы
5.1.2. Направленность излучения
Эффективность ЛС в значительной степени определяется надежностью
локации (точностью обнаружения сигнала, помехоустойчивостью связи
и др.) и дальностью ее распространения. Поэтому при посылке информаци-
онных сигналов используют направленные модулированные излучения.
Направленность излучателя (приемника) ЛС — это свойство, заклю-
чающееся в наличии некоторой пространственной избирательности, т. е.
способности излучать (принимать) волны в одних направлениях в большей
степени, чем в других. Направленность преобразователя позволяет увели-
чить соотношение сигнал/шум как в режиме излучения, так и в режиме
приема сигнала.
В режиме излучения направленность определяется интерференцией ко-
лебаний, приходящих в данную точку среды от отдельных (малых по срав-
нению с длиной волны в среде) участков излучателя. Для направленного
излучения необходимо выполнение неравенства
^хар ,
ЛГ ’
где Лхар/Х — параметр, называемый волновым размером излучателя;
^хар — характерный размер излучателя (например, его диаметр).
В режиме приема сигнала направленность вызывается интерференцией
электрических напряжений, развиваемых на выходных клеммах отдельных
элементов приемника.
В общем случае диаграммы направленности излучателя и приемника ЛС
отличаются Эго характерно, например, для оптических ЛС. Если же в сис-
теме используются обратимые преобразователи, например в акустических
ЛС, то их диаграммы направленности в режимах приема и излучения пола-
гают одинаковыми.
Направленность — важнейшая характеристика локации, обеспечивающая саму
возможность связи. В живой природе она реализуется при фокусировке сигнала
вследствие интерференции его составляющих, излучаемых несколькими источника-
ми. У летучей мыши такими источниками являются две ноздри, расстояние между
которыми приблизительно соответствует 2Х излучаемого звука Ширина диаграммы
направленности излучающего аппарата летучей мыши составляет 30...50°, приемного
— 1 50 . Указанное обстоятельство обеспечивает высокую разрешающую способ-
ноегь ее локационного аппарата и позволяет различать проволоку толщиной
0,2 мм, натянутую на расстоянии всего 5 мм от плоской отражающей поверхности.
Высокая разрешающая способность характерна и для навигационном системы дель-
фина, который обнаруживает шарик диаметром 3 мм на расстоянии 5 м.
Наиболее простая математическая модель, описывающая излучатель, ос-
нована на его представлении в виде дискретной или непрерывной совокуп-
ности малых по сравнению с длиной волны излучающих элементов, а поле
170
5.1. Теоретические основы локации
излучателя определяется суммированием сферических волн, создаваемых
отдельными элементами. Общие теоретические методы описания направ-
ленности излучения основываются на использовании функций Грина,
позволяющих учесть геометрические характеристики излучателя и излучае-
мого сигнала. Однако для преобразователей произвольной формы эти ха-
рактеристики трудно определить из-за сложности формы поля вблизи излу-
чающей поверхности.
Направленность излучателя (приемника) ЛС описывается двумя пара-
метрами- характеристикой направленнос ти и коэффициентом концентрации.
Характеристикой направленности преобразователя называется выраже-
ние вида
Р(г) = Р(г)/Р(г0),
где Р(г), Р(го) — мощности фиксируемых на одинаковом расстоянии от центра
преобразователя сигналов в направлениях, характеризуемых радиус-векторами
г и го соответственно. Обычно радиус-вектор г<> выбирают таким, чтобы его
направление совпадало с направлением максимума излучения или максимума
чувствительности. В графическом виде характеристика Z)(r) представляет
собой пространственную или плоскую диаграмму направленности,
отображаемую в полярных или декартовых координатах (рис. 5.1, а).
Аргументом диаграммы направленности, как правило, является угол 0,
отсчитываемый от направления ОА максимального излучения (см. рис. 5.1, а)
и зависящий от частоты сигнала. Направление ОА обычно совпадает с одной
из осей преобразователя.
00
У-"- \ %,707 /
Рис. 5.1. Диаграмма направленности в полярной (а) и в декартовой (б) сис-
темах координат (ОА — направление главного максимума, 0q 707 — угловая
ширина главного максимума по уровню 0,707)
171
5. Локационные информационные системы
Диаграмма направленности характеризуется: главными и добавочными
максимумами (лепестками); угловой шириной главного максимума; отно-
шениями амплитуд добавочных максимумов к главному.
Угловую ширину главного максимума определяют двумя способами. В
первом она равна углу 0О между направлениями нулевого излучения, во
втором — углу 0()э7О7 между направлениями излучения по уровню 0,707,
соответствующему 50 %-ной излучаемой мощности.
Лепестковый характер диа1раммы направленности излучателя связан с
интерференцией волн, излучаемых отдельными элементами. В главном ле-
пестке диаграммы может сосредоточиваться свыше 90 % всей мощности
излучателя. Простейшим излучателем является магнитный диполь — виток
провода, диаметр которого мал по сравнению с длиной излучаемой волны.
Диаграмма направленности диполя имеет форму тороида. Направленности
реальных преобразователей в горизонтальной и вертикальной плоскостях
обычно различаются. Так, в радиолокационных системах сантиметрового
диапазона диаграмма узкая в горизонтальной плоскости и широкая в верти-
кальной.
Коэффициент концентрации, или коэффициент направленного действия
АГвд характеризует меру концентрации излучаемой энергии вдоль некоторо-
го направления (обычно направления главного максимума диаграммы на-
правленности) определяется выражением вида
^•нд ~ Лпах
где Ртах — мощность сигнала в направлении главного максимума на
некотором расстоянии / от излучателя; Р — мощность сигнала гипо-
тетического «ненаправленного» излучателя на том же расстоянии. Под
ненаправленным понимается излучатель с диаграммой направленности в
форме шара. Для простейших преобразователей ЛС (диполей) Кпл - 1,5.
Направленность зависит от волнового размера cfxap/^ излучателя. С его
увеличением уменьшается ширина диаграммы направленности и возрастает
Рис. 5.2. Зависимость угловой
ширины Оо главного максимума
от волнового размере! dKap/X излу-
чателя
коэффициент концентрации (рис. 5.2). В
современных ЛС, преобразователи кото-
рых состоят из большого числа элементар-
ных диполей (так называемые антенные
решетки), существует возможность управ-
ления диаграммой направленности путем
соответствующего амплитудно-фазового
распределения излучения по поверхности
преобразователя. 1 ак, уменьшая мощность
излучения Р(х) отдельных диполей от цен-
тра излучающей поверхности к се краю,
можно расширить главный максимум диа-
граммы направленности и уменьшить до-
бавочные максимумы (рис. 5.3, а). Если же
172
5 1. Теоретические основы локации
увеличивать мощность излучения Р(х) диполей к краю излучающей повер-
хности, можно сформировать более острую диаграмму направленности
(рис. 5.3, б). Изменяя фазу излучения отдельных диполей, можно поворачи-
вать главный максимум диаграммы направленности, т. е. осуществлять
сканирование среды излучения.
а б
Рис. 5.3. Зависимость вида диаграммы направленности от амплитудного
распределения мощности
5.1.3. Модуляция и детектирование сигналов
Основным принципом передачи информации в ЛС является модуляция —
изменение по заданному закону во времени некоторых параметров, характе-
ризующих сигнал. Обычно такими параметрами являются его амплитуда, час-
тота и фаза. Так как информация в ЛС переносится волновыми процессами,
то имеет место модуляция колебаний, т. е. вариация какого-либо параметра
периодических колебаний, медленная по сравнению с самими колебаниями
(рис. 5.4). Колебание, с помощью которого передается сигнал, называется не-
сущим, а его частота f— несущей частотой (см. рис. 5.4, а). Несущее колеба-
ние имеет более высокую частоту, чем частота /м переносимого (моду-
лирующею) сигнала, которая называется модулирующей частотой (см.
рис. 5 4, б). При описании модуляции обычно используют понятие круговой
частоты <о=2л/. В дальнейшем для краткости со также будем называть не-
сущей частотой, а сом — частотой модулирующего сигнала.
173
5. Локационные информационные с ист емы
а
д
Рис. 5.4. Модулированные колебания:
а — несущее колебание; б — модулирующий сигнал; в — 0 — амплитудно-, частотно- и
фазово-модулированнос колебание соответственно
Разделяют непрерывную и импульсную модуляции. В первом случае мо-
дулирующий сигнал изменяет амплитуду, частоту или фазу несущего коле-
бания, во втором — кроме указанных имеет место также вариация ширины
импульсов, а также импульсно-кодовая модуляция. При любом способе не-
прерывной модуляции скорость изменения амплитуды, частоты или фазы
должна быть достаточно мала, чтобы за один период несущего колебания
Т = 1// = 2л/со модулирующий сигнал почти не менялся. Обычно круговую
частоту несущего колебания (несущую частоту) выбирают из условия
со > 5(0м. При импульсной модуляции вместо круговой частоты используют
термин частоты следования импульсов сои, которая в соответствии с теоре-
мой Шеннона должна быть по крайней мерс вдвое выше максимальной час-
тоты модулирующего сигнала: (0и > 2(0м.
Сложение сигналов с близкими частотами вызывает биение, которое
можно рассматривать и как модуляцию.
174
5.1. Теоретические основы локации
В живой природе при локации используется как непрерывная, так и импульсная
модуляция Первая характерна для летучих мышей, вторая — для дельфинов и на-
земных млекопитающих. В обоих случаях имеет место частотная модуляция, при-
чем закон изменения частоты довольно сложен и определяется конкретной задачей.
Так, летучая мышь в обычных условиях в течение 40... 100 мс излучает ультразвуко-
вые сигналы постоянной частоты 70.. 80 кГц, но в конце подачи сигнала эга часто-
та за 1...5 мс линейно убывает до 45...60 кГц. Локационные сигналы дельфинов
имеют существенно мсныную длительность (0,04...0,1 мс), но более широкий
спектр (30. .150 кГц). Наземные млекопитающие, например землеройки, излучают
импульсы длительностью 0,1...3,5 мс и частотой 20 кГц. Слуховая (приемная) сис-
тема животных, использующих локацию, обладает выраженными резонансными
свойствами.
Рассмотрим основные способы непрерывной модуляции сигналов
(рис. 5.4, в—д). Наиболее распространенной является амплитудная модуля-
ция (AM). В общем случае амплитудно-модулированный сигнал определя-
ется выражением
w(/) = WM(/)COSC0f,
где им(/) — амплитуда модулирующего сигнала, причем —— сопм.
dt
Если изменение амплитуды несущего колебания u(t) пропорционально
модулирующему сигналу, то AM является линейной. В этом случае
«(0 = wq[1+тпцм(г)/имтах(г)1, где «о — амплитуда несущего колебания,
т — глубина модуляции, характеризующая степень изменения амплитуды:
- цмтах ~цмтт л i
^мтах + Ммтт
нм max» wm min— максимальная и минимальная амплитуды модулирующего
сигнала соответственно.
В простейшем случае, когда модулирующий сигнал является гармониче-
ским: wM (г)/ммтах (О= coscdm (0» имеем (рис. 5.5, а)
и(Т) = м0(1 + racoso)Mr)cos(co/ + (р),
где (р — начальная фаза несущего колебания.
Для определения спектра амилитудно-модулированного сигнала вели-
чиной <р можно пренебречь. Тогда выражение м(г) для такого сит нала примет
вид
м(г) = coscor + — mUQ cos(co- сом )/ +—ти$ cos(co+ сом )/.
Как следует из этой зависимости, амплитудно-модулированный сигнал
состоит из трех гармонических сигналов: одного с несущей частотой со и
175
5. Локационные информационные системы
двух с нижней со-сом и верхней со+сом боковыми частотами, соот-
ветствующие им сигналы называются спутниками (рис. 5.5, б). Амплитуда
uq несущего колебания не меняется, в то время как амплитуда спутника
равна тн0/2. Амплитуды сигналов в спектре соотносятся как 1:ш/2:лп/2,
2 2
поэтому соотношение мощностей этих сигналов имеет вид 1: (ш/2) : (ш/2) .
Следовательно, при т = 1 мощность каждого спутника составляет лишь
25 % от мощности несущего колебания. Чем больше глубина модуляции,
тем больше мощность, переносимая спутниками, т. с. лучше отношение
сигнал/шум. Однако на практике т - 0,6...0,8, поскольку при т > 0,8 резко
возрастают искажения при детектировании амплитудно-модулированного
сигнала. Ширина спектра Асо при AM определяется как разность между
наибольшей (верхней) и наименьшей (нижней) частотами спектра и в
рассматриваемом случае равна 2сом.
Рис. 5.5. Амплитудно-модулированный сигнал (л) и его спектр (б)
В общем случае модулирующий сигнал uM(t) имеет более сложный
спектр: спутник состоит уже не из одночастотного сигнала, а из набора сиг-
налов разных частот, образующих по обе стороны от несущей две полосы
боковых частот. Если AM линейная, то нижняя (левая) полоса боковых час-
тот в точности повторяет форму модулирующего сигнала, а верхняя (пра-
вая) является ее зеркальным отражением (см. пунктирные линии на
рис. 5.5, б). Анализ спектра сигнала свидетельствует, что полезную инфор-
мацию можно восстановить по любой боковой полосе. Для этого в схемах
детектирования подавляют несущую частоту и одну из боковых.
Достоинством AM является простота решений и малая ширина спектра
сигнала, составляющая десятки килогерц при передаче звукового и десятки
мегагерц при передаче телевизионного сигнала. В то же время передача ам-
плитудно-модулированного сигнала требует значительных энергетических
затрат, причем мощность полезного сигнала зависит от глубины модуляции.
Так, при мощности несущего колебания 500 Вт мощность каждого спутника
даже при т = 1 не превышает 125 Вт, а поскольку для уменьшения искаже-
ний т < 0,8, следовательно, доля полезного сигнала еще меньше.
176
5.1. Теоретические основы локации
При частотной модуляции (ЧМ) модулирующий сигнал wM(z) изменяет
мгновенные значения частоты со, не влияя на амплитуду колебаний (см. рис.
5.4, г). Характерным примером является известный скрипичный прием виб-
рато, когда качание пальца на струне изменяет ее длину и тем самым высоту
звука. Чаще всего использую! линейную ЧМ, при которой изменение несу-
щей частоты пропорционально амплитуде модулирующего сигнала.
В простейшем случае модуляции гармоническим сигналом uM(t) =
= uMmax (Z)cosMr несущая частота со изменяется по закону
= COS€0MZ.
Здесь Дш представляет собой амплитуду отклонения несущей частоты со от
начальной соо, a coscoMz определяет форму модулирующего сигнала. Пара-
метр Дш, называемый девиацией частоты, не зависит от частоты сигнала и
соответствует глубине модуляции при AM.
Ширина спектра Дсо частотно-модулированного сигнала определяется
значением индекса ЧМ: р = Дго/сом. При малых р ширина спектра практи-
чески не зависит от его значения и равна 2сом (рис 5.6, а). В этом случае
частотно-модулированный сигнал, как и амплитудно-модулированный, со-
стоит из колебания с несущей частотой coq и двух спутников с частотами
со0-сом и coq + сом и описывается приближенным соотношением
w(z) » uq (sin (o0Z + р sin coMZ COS CDq/),
т. e. при малых p спектры амплигудно- и частотно-модулированных
сигналов одинаковы. Однако, как правило, Р» 1, и, следовательно, спектр
частотно-модулированного сигнала значительно шире, чем амплитудно-
модулированного. Кроме сигналов с частотами соо ± сом появляются
сигналы, частоты которых равны со0± 2wM, ... , со0± ло)м (рис. 5.6, б).
Ширину спектра в этом случае определяют из приближенного выражения
Дсо« 2а>м (1+ Р).
"4 «
V-1
со0
Рис. 5.6. Спектры частотно-модулированных сигналов при значении индекса
частотной модуляции р, равном 0,1 (а) и 5,0 (б)
В большинстве случаев модулирующий сигнал не является гармониче-
ским, а представляет собой набор частот. Для примера рассмотрим передачу
177
5. Локационные информационные системы
частотно-модулированных сигналов звукового диапазона 20 Гц ... 20 кГц на
несущей частоте 50 МГц. Пусть при увеличении амплитуды модулирующе-
го сигнала в диапазоне от 0 до 1 В несущая частота будет изменяться от 49,9
до 50J МГц, т. е. девиация частоты А^ = 0,2 МГц. Для верхней частоты пе-
редаваемого сигнала, равной 20 кГц, индекс Р = 10 и ширина спектра соста-
4
ви'1 440 кГц. (Для нижней частоты сигнала при тех же условиях р = 10 .)
Поскольку Р имеет различные значения при изменении частоты модули-
рующего сигнала, в настоящее время принят стандарт, в соответствии с ко-
торым индекс ЧМ вычисляют но формуле
Ртах — А сот ах ^^мтах •
Например, при передаче звука в телевизионном стандарте максимальная
девиация несущей частоты звукового сопровождения Awmax = кГц, а
максимальная модулирующая частота сомтах = 15 кГц, при этом ртах = 3,33.
Амплитуда колебания несущей частоты при ЧМ в отличие от AM зави-
сит от амплитуды им модулирующего сигнала и при некоторых значениях
индекса Р обращается в нуль. Поскольку ширина спектра частотно-моду-
лированного сигнала намного больше, чем амплитудно-модулированного,
ЧМ используют в диапазоне метровых волн, соответствующем частотам от
50 МГц и выше.
Основным достоинством ЧМ является высокая помехоустойчивость.
Обусловлено это главным образом тем, что амплитуда частотно-
модулированного сигнала постоянна и, следовательно, аддитивные помехи
на нее не влияют. Кроме того, вследствие постоянства амплитуды частотно-
модулированного сигнала его мощность изменяется незначительно. Еще
одним достоинством ЧМ является наличие дополнительных линий в спектре
сигнала, что повышает надежность связи.
Фазовой модуляцией (ФМ) называется способ модуляции, при котором
фаза колебания с несущей частотой изменяется в зависимости от амплитуды
нм модулирующего сигнала. Модулированный сигнал при ФМ колебания с
несущей частотой соо гармоническим сигналом sin OW имеет вид
н(0 = liq cos(a^t + Acpsin coMr),
где Аф — индекс ФМ, характеризующий максимальное отклонение фазы
модулированного сигнала от фазы исходного.
Несущая частота при ФМ, как и при ЧМ, непостоянна и определяется со-
гласно выражению
CD(r) = СОо + АфСОм COSGV.
Девиация частоты Аю при ФМ зависит от частоты модулирующего сигна-
ла А^ = Аф (Д,. Если модулирующий сигнал им гармонический, то спектры
фазово- и частотно-модулированного сигналов практически одинаковы.
178
5.1. Теоретические основы локации
В противном случае законы изменения фазы и частоты сигнала оказываются
различными. Для ФМ с небольшим индексом Дф спектр боковых частот прак-
тически такой же, как и при AM.
Проведенный обзор способов непрерывной модуляции позволяет сде-
лать вывод, что качественное различие существует лишь между AM, с
одной стороны, и ЧМ или ФМ — с другой. Для всякого закона изменения
часто! j всегда может быть указан эквивалентный закон изменения фазы. В
отличие 01 AM глубина ЧМ и ФМ, характеризуемая соответственно индек-
сами р и Дф, не изменяет средней мощности модулированного сигнала, в то
время как ширина спектра этого сигнала увеличивается с возрастанием глу-
бины модуляции.
В ЛС наряду с непрерывной модуляцией широко применяют импульсную
модуляцию (ИМ) сигналов. В этом случае переносчиком сигнала служит по-
следовательность импульсов, каждый из которых обычно представляет со-
бой цуг колебаний с высокой несущей частотой. Данная последовательность
используется в схемах ИМ, где параметры импульсов модулируются сигна-
лом. Частота посылок импульсов, называемая частотой дискретизации /Д,
определяется спектром передаваемого сигнала и должна по крайней мере в
2—3 раза превышать верхнюю частоту спектра модулирующего сигнала. В
этом случае возможна демодуляция сигнала, т. е. выделение необходимой
информации из импульсно-модулированно! о сигнала. Так, для разборчивого
воспроизведения речевых сообщений достаточно передавать спектр частот
0,1...3 кГц, что требует обеспечения частоты дискретизации 8... 10 кГц. По
сравнению с гармоническими колебаниями импульсы характеризуются
большим числом параметров, поэтому видов ИМ значительно больше. Кро-
ме амплитуды, частоты и фазы различают длительность (или ширину) им-
пульсов т и их скважность q = 1/(/дт). Использование импульсов с большой
скважностью позволяет в рамках одного частотного канала (т. с. при одной
и той же частоте дискретизации) сформировать несколько информационных
каналов. Например, если в рассмотренном выше случае ограничить дли-
тельность импульса значением 1 мкс, т. е. при частоте дискретизации 10 кГц
обеспечить скважность, равную 100, то можно сформировать несколько де-
сятков каналов передачи речевых сообщений. Этот подход, получивший
название временной селекции, характерен для многоканальных систем свя-
зи. Обычно в ЛС применяют модуляцию импульсами прямоугольной или
колоколообразной формы с т = I О-5... 10-9 с и q = I... 1 (Г .
Наибольшее распространение получили амплитуд! ю-, частотно-, широт-
но- и фазово-импульсный, а также импульсно-кодовый способы модуляции
сигналов. На рис. 5.7, а—в показан принцип формирования сигналов при
амплитудно-импульсной модуляции, когда амплитуда импульсов, посылае-
мых через равные промежутки времени, изменяется пропорционально ам-
плитуде передаваемого сигнала. Вид сигнала на выходе излучателя ЛС дан
179
5 Локационные информационные системы
на рис. 5.7, в. При фазово-импульсной модуляции (рис. 5.7, г—е) импульсы,
имеющие постоянную амплитуду и длительность, смещаются относительно
некоторых фиксированных моментов времени в сторону опережения или
отставания на временные ишервалы, пропорциональные мгновенным зна-
чениям передаваемого сигнала. Вид сигнала на входе приемника ЛС после
прохождения через среду распространения показан на рис. 5.7, д, а тот же
сигнал после фильтрации и детектирования — на рис. 5.7, е. Помехоустой-
чивость ЛС возрастает при использовании фазово- и кодово-импульсной
модуляции сигналов. Последняя приобретает особое значение в связи с ак-
тивным развитием систем цифровой связи. К недостаткам ИМ по сравнению
с непрерывной можно отнести большую ширину спектра сигнала и слож-
ность технической реализации.
Для восстановления информации из модулированных сигналов приме-
няют схемы демодуляции. Рассмотрим демодуляцию амплитудно-моду-
лированного и частотно-модулированного сигналов В нервом случае ис-
пользуют методы амплитудного де актирования, во взором — частотной
демодуляции.
Основными элементами амплитудного детектора (рис. 5.8, а) являются
усилитель £М|, диод КО) и фильтр низкой частоты, поороенный на основе
ЯС-конгура. Эмиттерный повторитель DA\ служит для снижения выходного
сопротивления схемы. Подадим на вход усилителя DA\ амплитудно-мо-
дулированный сигнал вида
Овх = Ц)(1 + wcosojM/)cos(o>f + (р),
где Uq — амплитуда напряжения модулирующего сигнала.
Обозначая А/и = т cos сом/ и полагая <р = 0, получаем
(7ВХ =(1 + A,ZJ)cos(o/.
Если соотношение элементов фильтра удовлетворяет условию 10/со<
< RC < 1 / сом, то на выходе схемы имеем
^вых WO
где — динамическая чувствительность схемы (0 < 5Д < 1).
Постоянную составляющую 5ДЦ) детектируемого напряжения устраняем
с помощью фильтра верхних частот на конденсаторе Сп. Графическая иллю-
страция работы детектора представлена на рис. 5.8, б.
Одной из схем частотной демодуляции является частотный дискримина-
тор (детектор наклона), принцип работы которого основан на пропорцио-
нальном изменении амплитуды напряжения на колебательном контуре с
элементами A, L и С при вариациях мгновенных значений частоты модули-
рованных колебаний.
180
5. J. Теоретические основы локации
Рис. 5.7. Примеры амплитудио- (а—в) и фазово-импульсной (г—е) модуляции
сигнала:
/ — модулирующий сигнал; 2 — модулированный сигнал; 3 — импульсы на выходе из-
лучателя, 4 — импульсы на входе приемника; 5 — шум; 6,7 — верхний и нижний поро-
ги ограничения амплитуды сигнала, 5 — импульсы после ограничения и фильтрации
181
5 Локационные информационные системы
Рис. 5.8. Схема амплитудного детектора (а) и графическая иллюстрация прин-
ципа выпрямления (б):
/ — входной сигнал; 2 — вольт-амперная характеристика; 3 — сигнал после детектора;
4 — выходной сигнал
Рис. 5.9. Принцип преобразования сигнала в частотном дискриминаторе:
/ — входной сигнал; 2 — функция преобразования колебательного контура;
3 — выходной сигнал
ри отклонениях несущей частоты модулированных колебаний о г резо-
нансной частоты сок контура изменяется амплитуда выходного сигнала
^вых> причем влияние модулированных колебаний тем слабее, чем острее
резонансная кривая (рис. 5.9) Резонансные свойства контура зависят от его
добротности 0, определяемой выражением
182
5.2. Электромагнитные локационные системы
0 = kLOR,
где к — константа.
Недостатком схемы является нелинейность ее функции преобразования.
Для уменьшения нелинейности используют двухконтурные дискриминаторы.
5.2. Электромагнитные локационные системы
Принцип работы электромагнитных локационных систем (ЭЛС) основан
на взаимодействии магнитного поля преобразователя с металлическими
объектами. Эти системы обычно используют для параметрического контро-
ля и дефектоскопии, а также для измерения расстояний, вибраций и т. п. В
качестве ЧЭ служат дроссели и трансформаторы различной формы.
В зависимости от частоты магнитного поля ЭЛС разделяют на зри груп-
пы:
1) магнитные — возбуждение постоянным или низкочастотным магнит-
ным полем;
2) вихретоковые — возбуждение переменным магнитным полем часто-
той от 2 • 102 до 5 • 106 Гц;
3) радиоволновые — возбуждение высокочастотным магнитным нолем
частотой от ЗЮ10 до 3-1О12Гц.
5.2.1. Магнитные локационные системы
Магнитные ЛС являются основными средствами неразрушающего кон-
троля в литейном и прокатном производствах. Их используют для задач
дефектоскопии — выявления нарушений сплошности предметов из ферро-
магнитных материалов, обнаружения мелких (3...10 мкм) трещин па их по-
верхности, определения толщины немагнитных покрытий на магнитной ос-
нове и толщины стенок изделий из магнитных и немагнитных материалов.
Принцип магнитной дефектоскопии иллюстрирует рис. 5.10, а. Если деталь
из ферромагнитного материала находится в однородном магнитном поле, то
при отсутствии в материале дефектов магнитный поток Ф практически не
выходит за пределы детали, так как магнитная индукция в воздухе В в р раз
меньше, чем в металле. Следовательно, магнитное сопротивление тре-
щины шириной h будет намного выше, чем феррома! нстика (рис. 5.10, б).
Использование магнитных систем в задачах дефектоскопии требует
создания достаточно высоких уровней магнитной индукции в материале де-
тали. Поэтому определяющее значение приобретают собствешю магнитные
характеристики материала, для оценки которых используют такие парамет-
ры, как остаточная индукция Вост, намагниченность S и магнитная воспри-
имчивость д. Намагниченность представляет собой векторную величину,
характеризующую состояние материала при воздействии на него магнитно-
го поля напряженностью Н:
183
5. Локационные информационные системы
S = М„/У,
где Мц — магнитный момент единицы объема V тела.
Рис. 5.10. Распределение магнитного поля (а) и изменение магнитного
сопротивления (6) в области дефекта:
} — деталь; 2 — трещина; 3 — магнитные линии
Индукцию в намагниченном материале определяют по формуле В =
= Цо (Н + Е), где Цо = 4я- 10-7 Гн/м. Магнитная восприимчивость g характе-
ризует способность материала намагничиваться в магнитном поле и Q = Е/Н.
Для всех металлов <; зависит от магнитной проницаемости: q = р - 1, при-
чем для диамагнетиков £ < 0, а для парамагнетиков £ > 0. Поскольку в обоих
случаях р нс зависит от напряженности магнитного поля и мало отличается
от единицы, значения магнитной восприимчивости для диа- и парамагнети-
ков весьма малы: ЦГА-.Ю-4 и 10'7...10~6 соответственно. Магнитные де-
фектоскопы позволяют обнаруживать подповерхностные трещины и ра-
ковины на глубине до 20 мм.
Магнитные ЛС применяют также для измерения зазоров в магнитных
цепях. В системах этого типа используют как индуктивные, так и индукци-
онные датчики. В первых вариация магнитного сопротивления зазора вызы-
вает изменение индуктивности катушки, во вторых — ЭДС индукции. В
простейших магнитных системах катушка внешним источником питания не
возбуждается; при этом выходной сигнал возникает только при движении
объекта относительно датчика. На этом принципе построены магнитные го-
ловки разных типов, использующиеся в системах магнитной записи сигна-
лов. Для повышения эффективности магнитных головок их сердечник вы-
полняют из материала с большой магнитной проницаемостью (феррита,
пермаллоя и др.). В системах измерения зазоров или малых расстояний го-
ловка содержит две катушки — первичную и вторичную, при этом первая
является катушкой возбуждения и питается от внешнего источника напря-
жения, а вторая — сигнальной.
Пример использования индукционной головки наведения для управле-
ния подвижным мобильным средством приведен на рис. 5.11, а. Головка
184
5 2 Электромагнитные локационные системы
включена в состав навигационной системы транспортной тележки, переме-
щающейся внутри цеха вдоль уложенных под полом металлических шин.
Катушка возбуждения создает высокочастотное электромагнитное поле, ко-
торое на поверхности металлической шины наводит соответствующее маг-
нитное поле, под действием которого во вторичных (сигнальных) катушках
генерируются переменные напряжения. Обмотки катушек соединены диф-
ференциально, в результате чего их суммарный сигнал С/диф соответствует
разности напряжений в каждой катушке. Угловое рассогласование а вы-
зывает на выходе фазочувствителытого выпрямителя сигнал С/Вых» ам"
плитуда которого пропорциональна напряжению С/Диф, а знак соответствует
фазе а (рис. 5.11, б). В некоторой зоне измерения при Да < ±40° достига-
ется линейность функции преобразования головки наведения.
Рис. 5.11. Схема индукционной головки наведения (а) и се функция преобразова-
ния (б).
1 — поверхность пола, 2 — металлическая шина, 3 —датчик, 4 — генератор, 5 — прием-
ник, б — фазочувствитсльный выпрямитель
В робототехнике магнитные ЛС с индуктивными датчиками широко ис-
пользуют для определения расстояния до металлического объекта. На
рис 5.12 представлена функция преобразования и схема включения индуктив-
ного датчика в контур управления сварочным роботом. Выходные сигналы
поступают в регулятор привода, который перемещает исполнительный орган
(сварочную головку) по соответствующей оси до тех пор, пока не будет до-
стигнуто требуемое расстояние /pag между элекгродом и поверхностью за-
готовки. Это расстояние, определяемое эмпирически, составляет в среднем 6; 4
и 3 мм для черных металлов, алюминия и меди соответственно. Погрешность
позиционирования головки при отслеживании траектории равна ± 0,4 мм.
К достоинствам магнитных ЛС можно отнести простогу конструкций,
большую глубину зоны контроля, высокую надежность (на показания дат-
чика практически не влияют климатические факторы и загрязнение поверх-
ности), к недостаткам — низкую разрешающую способность и нелиней-
ность функции преобразования.
185
5. Локационные информационные систем ы
Рис. 5.12. Функция преобразования магнитной ЛС (а) и схема включения индук-
тивного датчика в контур управления сварочным роботом (б)
5.2.2. Вихретоковые локационные системы
Впервые датчик вихревых токов был использован англичанином Д. Хью-
зом в 1879 г. для сравнения параметров металлических объектов. С тех пор
вихретоковые ЛС нашли широкое применение в прокатном и сварочном про-
изводствах, на транспорте, в задачах измерения геометрических параметров
быстропротекающих процессов движения и др. Системы этого типа работают
в условиях активного воздействия внешней среды (при значительных перепа-
дах температур и влажности, в агрессивных средах и т. д.).
Работа вихретоковой ЛС основана на взаимодействии внешнего магнит-
ного поля с электромагнитным полем вихревых (замкнутых) токов, наводи-
мых возбуждающей катушкой в любом электропроводящем объекте1. Си-
нусоидальный или импульсный ток, действующий в катушке возбуждения
датчика, создает электромагнитное поле, которое вызывает вихревые токи в
материале объекта. Электромагнитное поле этих токов воздействует на сиг-
нальную катушку, наводя в ней ЭДС. В простейших схемах (без сигнальной
катушки) вихревые токи воздействуют непосредственно на катушку возбуж-
дения. Сила / вихревых токов, возбужденных в изделии, определяется урав-
. . _ 1 d В _ _
нением Максвелла rot I =----и зависит от частоты тока обмотки возбуж-
р dt
дения, материала объекта (его удельного электросопротивления р и магнит-
ной проницаемости ц), а также расстояний между катушками и объектом. Она
1 Принцип формирования вихревых токов в материале был открыт в 1825 г. Д. Араго и
развит впоследствии его учеником Л. Фуко.
186
5.2. Электромагнитные локационные системы
максимальна на поверхности объекта в контуре, диаметр которого близок к
диаметру катушки возбуждения (рис. 5.13).
Рис. 5.13. Схема образования и эпюра вихревых токов:
1 — генератор; 2 — катушка возбуждения; 3 — сигнальная катушка; 4 — измеритель;
5 — металлический объект
В настоящее время выпускают большое количество различных вихрето-
ковых датчиков, размером от долей миллиметра до 0,5 м в диаметре и мас-
сой от нескольких граммов до сотен килограммов. В зависимости от взаим-
ного положения катушек датчика и объекта контроля вихретоковые датчики
разделяют на три типа: проходные, накладные и комбинированные.
Катушки проходного датчика устанавливают с двух сторон объекта (на-
пример, катушку возбуждения внутри, а сигнальную снаружи трубы). На-
кладной датчик также содержит две катушки, но их размещают с одной сто-
роны объекта. Наконец, в комбинированном да1чике используют несколько
катушек, расположенных с двух сторон объекта. Во всех случаях между ка-
тушками возникает взаимовлияние. Так, наводимая в сигнальной катушке
ЭДС вызывается нс только полем вихревых токов в объекте, но и непосредст-
венно полем катушки возбуждения, а, в свою очередь, ток в сигнальной ка-
тушке вызывает прогивоЭДС в катушке возбуждения. Для уменьшения вза-
имного влияния катушек часто используют несколько дифференциально
включенных сигнальных катушек — так называемые катушки с восьмеркооб-
разной намоткой, а также схемы с коаксиальным и ортогональным располо-
жением катушек. В первом случае ЭДС в каждой половинке восьмерки при
отсутствии объекта компенсируются. Во втором случае при коаксиальном
расположении катушек выходной сигнал в сигнальной катушке образуется
совместным действием потока возбуждения и вихревых токов объекта кон-
187
5. Локационные информационные системы
троля, что требует устранения постоянной составляющей, обусловленной ка-
тушкой возбуждения. При ортогональном же расположении катушек ток в
сигнальной катушке наводится только вихревыми токами, однако и уровень
выходного сигнала при этом будет ниже, чем в первом и втором случаях.
Расчет вихревых токов достаточно сложен, поэтому в большинстве слу-
чаев используют эмпирические зависимости, полученные для разных част-
ных случаев. Например, для вихретоковой ЛС с накладным преобразовате-
лем глубину S проникновения вихревых токов определяют по формуле
8= рР~
Wo'
где сов = 2л/ — круговая частота тока возбуждения; р — удельное
электросопротивление материала.
Данное выражение дает завышенное значение 5, и для более точных из-
мерений в расчет вводят обобщенный параметр ъ, учитывающий диаметр d
катушки возбуждения:
и=£
2V р
Следовательно,
dy[2
Значение 5 глубины проникновения вихревых токов тем ближе к реаль-
ному, чем больше параметр 1), например диаметр катушки возбуждения.
При работе в диапазоне частот 0,1... 10 кГц для большинства металлов
6 < 0,5...5 мм и уменьшается с увеличением частоты.
В дефектоскопии с помощью вихревых токов удается обнаружить тре-
щины наружного и внутреннего залегания длиной 1...2 мм и глубиной
0,1.. 0,3 мм, раковины с глубиной залегания до 6 мм, неметаллические
включения. Вихретоковые ЛС позволяют измерять толщину покрытий в
диапазоне 0,001...1,0 мм. Для увеличения глубины проникновения вихревых
токов применяют специальные меры. Например, создавая в материале маг-
нитное насыщение (уменьшая его магнитную проницаемость), увеличивают
глубину проникновения вихревых токов до 10 мм.
Особенностью вихретоковых ЛС является нх многопараметричность, так
как ЭДС преобразователя зависит от разных характеристик объекта контроля и
окружающей среды, неявно влияющих на выходной сигнал. Это обстоятельст-
во определяет как достоинства, так и недостатки таких систем. Существенным
недостатком всех многокомпонентных вихретоковых датчиков является высо-
кий коэффициент влияния информационных каналов (А^ = 12...20 %). Для
компенсации интегрального влияния внешних факторов, вызывающих допол-
нительную погрешность системы, в ее состав включают компенсационную
катушку, на которую действуют те же факторы, что и на рабочие катушки,
188
5.2. Электромагнитные локационные системы
кроме непосредственно измеряемого параметра. Суммируя сигналы с катушек
с помощью дифференциального усилителя (см. 2.3) можно существенно
уменьшить дополнительную погрешность.
В задачах многопараметрического контроля, когда приходится измерять
сразу несколько параметров, удобно использовать многокомпонентные вих-
ретоковые датчики, получившие название матричных. ЭЛС, построенные на
базе магричных датчиков, широко используют для контроля геометрических
параметров движущихся узкопрофильных поверхностей с разрывами и усту-
пами. Примерами таких объектов являются рельсовый путь и контактный
провод. Матричные датчики содержат не одну, а несколько (матриц) си-
гнальных катушек. Так, для диагностики рельсового пути обычно применяют
четыре-шесть, а для контроля состояния провода — две катушки.
На рис. 5.14 показан пример установки матричного вихретокового датчика
накладного типа на шасси вагопа-дефсктоскопа. Датчик представляет собой
несколько идентичных катушек, намотанных на прямоугольный каркас и
имеющих общую ось вертикальной симметрии Oz- В горизонтальной плоско-
сти хОу оси продольной симметрии катушек ортогональны, поэтому некото-
рые из них ориентированы вдоль, а некоторые — поперек рельса. Схема
включения катушек дифференциальная. Датчик, работающий в диапазоне час-
тот 0,1... 1,0 МГц, располагают непосредственно под вагоном на фиксирован-
ном расстоянии над контролируемым рельсом. На рис. 5.14, а контролируемые
параметры пути обозначены так: Ах, АЛ — смещение оси рельса в боковом и
вертикальном направлении соответственно; Az, Ay — изменение высоты и за-
зор в стыке рельсов. На рис. 5.14, б показан боковой износ рельса Аг.
Рис. 5.14. Схема установки матричного вихретокового датчика
«Спектр» (а) и боковой износ рельса (б):
/ — рельсовая колея; 2 — датчик; 3 — вагон-дефектоскоп
В матричных датчиках осуществляется разделение измеряемых факторов.
Например, катушки, у которых в плоскости хОу оси продольной симметрии
перпендикулярны оси рельса, наиболее чувствительны к изменению парамет-
ров Az, Ду и АЛ, а катушки, у которых эти оси параллельны оси рельса — к па-
189
5. Локационные информационные системы
раметрам Ахи Аг. Рассмотренная система установлена в передвижной лабора-
тории комплексной диагностики пути, способной проводить контроль при
скорости движения вагона по железнодорожной магистрали до 80 км/ч.
Другой распространенной областью применения вихретоковых ЛС явля-
ется сварочное производство, где их используют для слежения за сварочным
швом. Многокомпонентный вихретоковый датчик измеряет параметры вза-
имного положения свариваемых деталей и сварочной головки: расстояние
от центра датчика до объектов сварки или линии шва, ширину шва и др.
Важной областью применения вихретоковых Л С является также пераз-
рушающий контроль изделий металлургической промышленности. По-
скольку структурное состояние металлов влияет на их электрические и
магнитные свойства, оказывается возможным контролировать не только
сплошность материала, но и его химический состав, а также качество тер-
мической обработки и состояние поверхностного слоя после механической
обработки. Схема такой системы для автоматизации процесса контроля
сплошности отливок и се функции преобразования представлены на
рис. 5.15. Система включает несколько разнотипных вихретоковых датчи-
ков, что позволяет детерминировать различные дефекты: длину I и толщину
h наружных царапин, глубину 5 залегания трещин и т. д. Выходным сигна-
лом датчика является изменяющаяся частота генерации, которая с помощью
частотного дискриминатора преобразуется в аналоговый амплитудный сиг-
нал (/ВЬ1Х, пропорциональный измеряемому параметру. Заметим, что функ-
ции преобразования данной системы нелинейны (см. рис. 5.15, б). Для их
линеаризации в схеме используется нормализатор.
Рис. 5.15. Схема вихретоковой системы фирмы Assembly Machines
для контроля качества отливок (а) и ее функции преобразования (б)
190
5.2. Электромагнитные локационные системы
В табл. 5.1 дана характеристика некоторых вихретоковых ЛС.
Таблица 5.1
Основные параметры вихретоковых ЛС
Модель Измеряемый параметр Диапазон измерений £, % /в, кГц Р, Вт Размеры, мм т, кг
d / b h
дсм- 0,1/1 (Россия) Глубина залегания трещины 2 мм 5 1000 10 — 230 270 150 2.7
ВМ-ЮН (Россия) Шерохова- тость поверхности 0,3 мм 3 100 0,1 — 160 110 50 0,5
Вибрации 0 02. 20 Гц 2 100 » — 160 110 50 0,5
TQ-403 (Швейца- рия) Расстояние до объекта 1...13 мм 5 20 Н.д. 20 65 — — 0,25
МТП-01 (Россия) Толщина покрытия 0,2... 10 мм 5 Н.д 0,4 — 220 130 150 1,5
К достоинствам вихретоковых ЛС можно отнести надежность, простоту
конструкций и высокую разрешающую способность; к недостаткам — не-
линейность функции преобразования, низкую точность измерений, сравни-
тельно малую глубину зоны контроля.
5.2.3. Электромагнитные локационные системы
специального назначения
В последнее время все чаще ЭЛС применяют для решения специальных
задач экстремальной робототехники, а также задач, связанных с обеспече-
нием безопасности, контролем доступа и т. п. Первые разработки в этой об-
ласти датируются 20-ми годами XX в., когда в США были созданы устрой-
ства, позволяющие обнаруживать выносимые с заводов детали. К середине
XX в. в СССР на Монетном дворе были установлены приборы, способные
различать изделия из черных и цветных металлов. Во время второй мировой
войны активно развивались средства поиска мин, и к концу XX в. было раз-
работано большое количество различных схем миноискателей, позволяю-
щих обнаруживать мины всех типов, включая пластиковые.
В зависимости от области применения ЭЛС специального назначения
можно разделить на две группы: детекторы металлов и электромагнитные
антенны. Часто эти системы называют металлоискателями, понимая под
этим активные или пассивные ЭЛС, предназначенные для обнаружения ме-
таллических предметов из черных и цветных металлов в непроводящих и
слабо проводящих средах (дерево, одежда, пластмасса). Дальность обна-
ружения металлических объектов в таких системах составляет 20...200 мм.
191
5. Локационные информационные системы
Основным элементом металлоискателя является антенна, регистрирующая
пассивные металлосодержащие объекты в зоне обнаружения или определяю-
щая наличие электрома! нитных полей в этой зоне. В наиболее распространен-
ных схемах металлоискателей антенна содержит две катушки — излучающую
и приемную (сигнальную). Для уменьшения взаимовлияния между катушками
в металлоискателях, так же как и в вихретоковых ЛС, используют специаль-
ные схемы соединения сигнальных катушек: с взаимно перпендикулярными
(рис. 5.16, а) и со скрещивающимися осями (рис. 5.16, б), дифференциальную
(рис. 5 16, в) и компланарную (рис. 5.16, г, д). В последнем случае сигнальная
катушка выполнена в виде восьмерки и помещена внутрь излучающей, при
этом датчик максимально приближен к поверхности земли.
г д
Рис. 5.16. Схемы расположения катушек металлоискателя.
а — с взаимно перпендикулярными осями; б — со скрещивающимися
осями, в — дифференциальная, г, д — компланарная, 1 — излучаю-
щая катушка, 2 — приемная катушка
В основе большинства методов расчета металлоискателей лежит модель
антенны, состоящей из двух катушек в виде бесконечно тонких рамок с вза-
имно перпендикулярными осями. Магнитный поток излучающей катушки
попадает на объект и переотражается от него на сигнальную катушку. Сле-
довательно, объект можно представить эквивалентной рамкой, магнитный
момент Мр которой зависит от тока, т. е. проводимости объекта, его разме-
ров и т. д. Таким образом, модель взаимодействия антенны металлоискателя
с объектом соответствует взаимодействию трех рамок с током. Количест-
венно отраженный от объекта сигнал можно оценить по индукции, наведен-
ной в сигнальной катушке. Магнитный момент эквивалентной рамки зави-
сит от формы объекта. Для однородного шара радиусом г
192
5.2. Электромагнитные локационные системы
М = ~—Вг3
м ЗЦМо
где В — индукция магнитного поля излучающей катушки; ц — магнитная
проницаемость материала шара.
Недостатком металлоискателя с двумя катушками является зависимость
его функции преобразования от ориентации на объект. Этот недостаток от-
сутствует у индукционных металлоискателей, в антеннах которых использу-
ется только одна катушка. Наведенное в объекте магнитное поле восприни-
мается той же катушкой, при этом к индукции возбуждения добавляется со-
ставляющая, пропорциональная магнитному моменту Мц.
Основными характеристиками металлоискателя являются чувствитель-
ность, разрешающая способность и селективность, под которой понимается
возможность детектировать объекты из разных металлов. Значения этих ха-
рактеристик зависят от частоты /в магнитного поля излучающей катушки.
Так, с увеличением /в возрастает разрешающая способность металлоискате-
ля, для оценки которой используют радиус г некоторой эквивалентной мо-
неты. Эмпирически установлена связь между радиусом эквивалентной мо-
неты и частотой магнитного поля излучающей катушки:
15р
2щ10Л
Например, для обнаружения медной монеты диаметром 25 мм необходимая
частота магнитного поля излучающей катушки должна составлять 1 кГц.
Промышленные металлоискатели работают в широком диапазоне частот от
I кГц до 1 МГц. На низких частотах (1...15 кГц) обеспечивается слабая чув-
ствительность к влияющим факторам (мокрый песок, мелкие объекты,
стружка) при разрешающей способности, достаточной для обнаружения
объектов малого и среднего размера (металлических коробок, труб, монет и
пр.). Для повышения разрешающей способности частоту магнитного поля
излучающей катушки увеличивают до 0,1...0,5 МГц.
Еще одним типом ЭЛС специального назначения являются устройства,
работающие в радиоволновом СВЧ диапазоне и получившие название гео-
радаров. Как следует из названия, системы этого типа используют принцип
активной локации и предназначены для обнаружения различных объектов,
расположенных в грунте. В отличие от рассмотренных выше систем геора-
дар предназначен для обнаружения главным образом неметаллических объ-
ектов: пустот в поверхностных слоях грунта, подземных коммуникаций, по-
лезных ископаемых, пластмассовых мин и др. Глубина локации современ-
ных систем достигает 7... 10 м.
В основу работы георадара положен принцип,классической локации —
обнаружение и регистрация вторичных радиоволн, отраженных или рассе-
янных объектами, находящимися в слое грунта. Однако в отличие от тради-
ционного радара георадар работает в существенно анизотропной среде
7. С.А. Воротников
193
5. Локационные информационные системы
(грунте), что значительно затрудняет расчет его конструкции. Георадар, как
правило, содержит две антенны — излучающую и приемную. Сигнал U в
приемной антенне на расстоянии / от излучающей определяется приближен-
ным выражением
г, _ ^нд
~ 16л:2/4 ’
где РИ — излучаемая мощность; 5 — эффективная площадь отражаемой
поверхности. Коэффициент направленного действия /кнд зависит от
материала обнаруженного объекта, его формы, размера и положения,
удельного электросопротивления и диэлектрической проницаемости среды.
Наиболее часто применяют импульсные гсорадары, предназначенные
для обнаружения объектов на глубине до 5 м и обладающие разрешающей
способностью менее 0,15 м. В системе используют согласованные по харак-
теристикам приемную и излучающую антенны, причем параметры излуче-
ния подбирают в зависимости от диапазона исследуемых глубин. Так, несу-
щая частота излучения для обнаружения объектов на глубине 0...1.5 м
должна составлять 400... 1000 МГц, а на глубине от 1,5 до 5 м — 150 МГц.
Работа ЭЛС сводится к определению распределения диэлектрической
проницаемости по глубине. С этой целью излучающую и приемную антен-
ны перемещают вдоль поверхности. На основе полученных сигналов фор-
мируют временной профиль грунта, на котором ось глубин калибрована в
единицах времени. Различные значения коэффициента огражения соответ-
ствуют определенным уровням яркости на индикаторе. С учетом диэлектри-
ческой проницаемости рассчитывают шкалу для определения глубины каж-
дой о сражающей границы.
На рис. 5.17 показан профиль грунта, полученный с использованием гео-
радара. В нижней части рисунка можно идентифицировать два объекта ок-
руглой формы (две трубы).
1,5м
Рис. 5.17. Профиль грунта, полученный с использованием георадара
194
5,3. Акустические локационные системы
5.3. Акустические локационные системы
Акустические локационные системы (АЛС) классифицируют по пяти
основным признакам:
1) по назначению — дальномеры, охранные устройства и системы безо-
пасности, дефектоскопы и томографы;
2) по типу первичного преобразователя — пьезоэлектрические,
магнитострикционные и электростатические;
3) по характеру частотного спектра сигнала — широкополосные и
резонансные;
4) по типу модулирующего воздействия — непрерывные и импульсные;
5) по избирательности — интерференционные и с широкой диаграммой
направленности
5.3.1. Общие сведении
АЛС имеют чрезвычайно широкую область практического применения.
Условно выделяют три основных направления применения АЛС: получение
информации об объекте, прием и передача сигналов и активное воздействие на
вещество. В рамках первого направления разрабатывают различные
дефектоскопы, уровне- и толщиномеры, системы медицинской диагностики и
звуковидения, гидролокациошзыс приборы (эхолоты и гидролокаторы), рабо-
тающие в диапазоне 10 ...10 Гц. Второе направление в основном связано с
созданием средств связи, а также ультразвуковых процессоров. Устройства
этой группы функционируют на частотах 1О5...1О10 Гц. Наконец, в
акустических системах, активно воздействующих на вещество (например,
хирургические инструменты, устройства механической обработки материалов
и сварки), применяются колебания с высокой интенсивностью 1...105Вт/м2 с
4 7
частотой 10 ...10 Гц
Напомним, что ультразвуком называются упругие колебания и волны,
частота которых превышает 15 кГц. Таким образом, АЛС в основном
работаю г в ультразвуковом диапазоне.
До недавнего времени считалось, что ультразвук редко всгрсчается в
природе, однако исследования последних лет показали, что наш мир — это
мир звуков высокой частоты. Его источниками являются как живые суще-
ства, так и природные источники: леса, горы, молнии, ветер. Интенсивность
излучателей ультразвука варьируется в широких пределах. Например,
сверчки на расстоянии 30 см создают ультразвуковое излучение интен-
сивностью 90 дБ1. Мощными генераторами ультразвука являются джунгли и
моря; интенсивность фона на частоте 20 кГц здесь достигает 55 дБ.
1 Поскольку диапазон изменения интенсивности сигналов в ультразвуковой технике
весьма велик, для оценки интенсивности звука широко применяют логарифмическую
единицу децибел. В общем случае логарифмической единицей измерения отношений
мощностей является бел, но на практике обычно употребляют его 1/10 долю, или децибел.
7*
195
5. Локационные информационные системы
История исследований в области ультразвуковой локации ведет свое начало с
70-х годов XVIII в. и связана с именем итальянца Л. Спалланцани, изучавшего ноч-
ное зрение сов и летучих мышей. Его подход является примером научно организо-
ванного эксперимента. Сначала ученый, надев на голову летучей мыши светоне-
проницаемый колпачок, убедился, что ориентация животного намного ухудшилась.
Затем, уточняя результат, он заменил колпачок на прозрачный и с удивлением по-
лучил тот же результат. Со временем Спалланцани понял, что зрение вовсе нс влия-
ет на способность летучих мышей перемещаться в пространстве. Его швейцарский
коллега III. Жюрин, закупорив в своих опытах уши летучих мышей воском, пришел
к выводу что именно они принимают на себя функцию зрения. Спалланцани снача-
ла скептически отнесся к этому результату, полагая, что опыты Жюрина травмиру-
ют мышей, но собственными точными экспериментами с использованием тонких
пробок убедился в правоте швейцарца. Тем не менее только спустя 120 лет изобре-
татель станкового пулемета X. Максим выдвинул предположение о наличии у мы-
шей звуковой локации. Он же первым сделал попытку рассчитать и диапазон частот
эхолокации; по его мнению, она осуществлялась в инфразвуковой области с часто-
тами, не превышающими 15 Гц.
Толчком к активному изучению ультразвука послужили два фактора. Первым
была гибель «Титаника» в 1912 г., вторым — проблема обнаружения немецких под-
водных лодок во время первой мировой войны. Для этой цели П. Ланжсвсн и пред-
ложил использовать ультразвуковую локацию, тем самым положив начало гидро-
акустике. Годом рождения дефектоскопии можно считать 1928 г., когда советский
инженер С. Соколов выдвинул идею использовать отражение ультразвуковых волн
для обнаружения дефектов в твердых телах. Что же касается механизма эхолокации
летучих мышей, то он окончательно был понят лишь в 40-х годах XX в., благодаря
исследованиям сотрудников Гарвардского университета США Г. Пирса, сконструи-
ровавшего ультразвуковой детектор, и Д. Гриффина. Они обнаружили, что частот-
ный диапазон излучения летучих мышей составляет 30...70 кГц при максимальной
интенсивности в области 45...50 кГц, причем само излучение нс непрерывно, а дис-
кретно (осуществляется импульсами длительностью 1...2 мс).
В робототехнике и мехатроникс под АЛС понимают совокупность аку-
стических датчиков и средств первичной обработки информации, предна-
значенных для определения геометрических и физических характеристик
объектов в зоне контроля, а также их ориентации относительно выбранной
системы координат. В робототехнике локационные системы очувствления
обычно реализуют в соответствии с концепцией «очувствленная рука», при
этом АЛС включают в контур управления роботом, а акустические датчики
монтируют на каждом звене кинематической цепи.
5.3.2. Звук и его основные характеристики
Для описания основных принципов построения АЛС необходимо на-
помнить важнейшие характеристики звука. Так, распространение звука в
некоторой среде описывается волновыми уравнениями
э2и= 1 Э2« э2р= 1 э2р Э2у= 1 Э2т
Эг2 с2 Э? : Эг2 " с2 dt2 : дг2 ~ с2 Э/2 ’
196
5 3 Акустические локационные системы
где и — амплитуда волны, или смешение частиц среды; г, с — соот-
ветственно дальность распространения и скорость волны; р, у — давление и
плотность среды
Частотное уравнение для звука имеет тот же вид, что и для других вол-
новых процессов. Оно определяет длину волны X гармонического колебания
(тона), распространяющегося со скоростью с:
X = c/f.
Чистые звуки — тона встречаются крайне редко. Обычно звук представ-
ляет собой сложное колебание в виде линейчатого спектра с основной час-
тотой f и кратными частотами (обертонами) 2/’ 3 f и т. д. У гармонического
колебания (тона) спектр состоит из одной частоты Для непериодических
колебаний (шумов) характерны сплошные спектры. Нижняя граничная час-
тота /н ульгразвука, отделяющая ее от области слышимого звука, определя-
ется субъективными свойствами человеческою слуха и является условной
(обычно принимают/, = 20 кГц). Верхняя граничная частота/в ультразвука
обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распро-
страняться лишь при условии X » Г'1е ^экв— длина свободного пробе-
га молекул в газах или межатомное расстояние в жидкое »ях и твердых те-
лах. Следовательно, /В=ШЭКВ. Д-ня газов при нормальном давлении
/в -109 Гц, а для жидкостей и твердых тел достигает 10,2...1013 Гц.
В зависимости от длины волны ультразвук обладает специфическими
особенностями передачи и распространения, поэтому область ультразвуко-
4 5
вых частот удобно разделить на три диапазона, 1 ц: 1,510 ...10 — низкие,
5 7 7 9 9
10 .10 — средние и 10 ..10 — высокие частоты. Частоты от 10 до
13
10 Гц называют гиперзвуковыми.
Для АЛС по сравнению с ЭЛС характерна значительно меньшая (на не-
сколько порядков) скорость распространения сигналов. Для газов она со-
ставляет 0,2... 1,5 км/с, для жидкостей — 0,5 . 2 км/с, для твердых сред —
2...8 км с. Такие малые скорости, а следовательно, малые длины волн на-
много повышают разрешающую способность ультразвуковых методов но
отношению к электромагнитным при равных частотах.
Длина звуковой волны зависит от частоты и среды распространения.
Так, для воздуха в самой низкочастотной области значения X не превышают
нескольких сантиметров В случае высоких частот значения X в воздухе со-
ставляют 0,34 .34 мкм, в воде 1,5 ..150 мкм и встали 5...500 мкм.
Особенностью волн высокочастотного и гиперзвукового частотных диа-
пазонов является возможность применения к ним методов квантовой меха-
ники, поскольку длины волн и частоты при этом становятся одного порядка
с параметрами, характеризующими структуру вещества. Упругой волне
данных частотных диапазонов сопоставляется квазичастица — фонон или
квант звуковой энергии. Квантово-механические представления применяют
при изучении физических свойств кристаллической решетки
197
________________5. Локационные информационные системы
Для оценки звуковой волны используют следующие параметры, упругое
смещение и и колебательную скорость v = du/dt частиц среды, акустиче-
ское давление р. Колебательную скорость следует отличать от скорости
распространения волны с (скорости звука). Так, для плоской звуковой волны
v = р /(ус), а следовательно, v «: с. В свою очередь, характеристикой аку-
стического давления в среде является интенсивность, или сила звука, опре-
деляемая через энергию звуковой волны.
Интенсивностью J называется величина, которая равна средней по вре-
мени энергии, переносимой звуковой волной через перпендикулярную на-
правлению ее распространения единичную площадку в единицу времени.
Для плоской синусоидальной бегущей волны
1 = РХ.= Р2
2 2Z
Параметр Z- ус получил название характеристического импеданса сре-
ды. Наряду с Z также используют акустический импеданс Za = p/v, завися-
щий не только от свойств среды, но и от условий отражения, углов падения
и других факторов. В стоячей волне J = 0, так как она не переносит энергию.
Интенсивность звука изменяется от 10 12 (нижнее пороговое значение)
до Ю10 Вт/м2 (значение в фокусе ультразвукового концентратора). В част-
ности, в задачах акустического контроля применяют AJIC звукового и ульт-
развукового диапазонов с частотами 50 Гц ... 50 МГц и интенсивностью до
3 2
10 Вт/м . В логарифмических единицах интенсивность J|g определяется
выражением
•/lg=101gy-.
где J0 = 10“12 Вт/м2.
Интенсивность звука обратно пропорциональна квадрату расстояния г от
источника, зависит от характеристического импеданса Z, возрастает про-
порционально квадрату акустического давления р и квадрату частоты f сиг-
нала Следовательно, на высоких ультразвуковых частотах могут быть по-
лучены сигналы очень большой интенсивности. Зависимость интенсивности
от акустического импеданса приводит к тому, что в более плотных средах
меньшие звуковые давления вызывают большую интенсивность звука. В
частности, при излучении в воду можно получить ту же интенсивность при
давлении в 60 раз меньшем, чем при излучении в воздух
Громкость £ слышимых звуков одинаковой интенсивности зависит от их
частот. За единицу громкости принят сои — громкость гона (чистого звука)
частотой 1 кГц при интенсивности 40 дБ. Громкость звука в децибелах вы-
числяют по формуле
£ =2Olg(p/po),
198
5 3 Акустические локационные системы
гдеро= 2 10 5Па — минимальное давление, которое способно воспринять
человеческое ухо, т. е порог чувствительности. Например, шепот человека
оценивается в 20 дБ, крик — в 40 дБ, болевой порог — в 130 дБ.
Громкости некоторых источников звука, дБ, приведены ниже:
Тихая комната................................. 30
Оживленная улица.............................. 60
Самолет (на расстоянии 1 м).................... 115
К основным законам распространения звука относят: законы отражения
и преломления звука на границах сред, законы дифракции и рассеяния звука
при наличии препятствий и неоднородностей на границах и закон волно-
водного распространения в ограниченных участках среды
В большинстве случаев построения АЛС ограничиваются моделью гео-
метрической, или линейной, акустики. Эга модель соответствует зоне упру-
гих деформаций среды распространения звука. Характер распространения
волн зависит от соотношения между длиной волны X звука и характерным
для условий его распространения геометрическим параметром <7хар (разме-
ром источника звука или препятствия на пути волны, поперечным сечением
волновода и т. д.). В рамках линейной модели принимают <tfxap » X.
Границы применения линейной акустической модели определяются
двумя основными факторами: интенсивностью звуковых волн и их частотой.
Так, при увеличении интенсивности волн в их поле проявляются многочис-
ленные нелинейные эффекты (нарушается принцип суперпозиции, изменя-
ется форма волны, а ее спектр обогащается высшими гармониками и т. д.).
Критерием применимости аппарата линейной акустики служит неравенство
М = v/c 1,
где М — число Маха.
Данное неравенство означает, что колебательная скорость частиц среды
v должна быть много меньше скорости распространения звука в этой среде
(на практике это выражение выполняется довольно часто). Так, в воздухе
для звука, интенсивность которого соответствует громкому разговору,
М я 10-6. Даже вблизи мотора реактивного самолета v ~ 2,5 м/с, а значит,
при скорости звука в воздухе с = 342 м/с число Маха М < 0,01.
Роль нелинейных эффектов в звуковом поле возрастает и с частотой.
Действительно, для гармонической волны частотой f колебательная ско-
рость частиц среды v = 2nfu и тогда М = 2п fit!с.
Законы дифракции и рассеяния звука необходимо учитывать в задачах
акустической диагностики и звуковидения. Степень отклонения от геомег-
рической картины распространения и необходимость учета дифракционных
явлений определяется параметром Ку =^Xr/dxap, где г — расстояние от
точки наблюдения до объекта, вызывающего дифракцию.
199
5. Локационные информационные системы
Закон волноводного распространения имеет очень большую роль в зада-
чах гидроакустической связи, описывая явление «подводного звукового
канала». Этот канал образуется на некоторых глубинах моря вследствие
стратификации — неравномерного распределения температуры и плотности
воды с глубиной. Указанная неравномерность приводит к тому, что характе-
ристический импеданс среды на некоторой глубине локально уменьшается.
Образующийся волновод достигает сотен километров и может быть исполь-
зован для передачи сигналов с малым затуханием.
5.3.3. Акустические свойства среды
Распространение звуковых волн определяется главным образом акусти-
ческими свойствами среды: ее упругостью (модулями объемной упругости
К, Юнга Е и сдвига); плотностью; характеристическим импедансом Z и за-
туханием (коэффициентом Q. Например, при распространении звуковых
сигналов в неограниченной газовой или жидкой среде в последней возника-
ет изменение объема, вызывающее продольные волны, скорость которых
с = у/к/у . В твердом теле, кроме того, существует упругость формы, по-
этому здесь образуются волны двух типов: продольные и поперечные. Ско-
рость распространения этих волн зависит от типа деформации. В частности,
для безграничного твердого тела продольные волны, вызывающие деформа-
цию растяжения — сжатия, и поперечные, приводящие к деформации сдви-
га, распространяются со скоростями спр и споп, равными соответственно
I £(1 - v) I 1Г
С"р ~ V у(1 + v)(l - 2V); С"°" “ V 2у(1 + V) ’
где v — коэффициент Пуассона.
На границе сред возникают так называемые поверхностные волны, ско-
рость спов распространения которых зависит от характера границ. Наличие
границ, а также неоднородностей в среде распространения волн приводит к
появлению эха и реверберации, возникновению зависимости скорости звука
от частоты (дисперсии скорости звука). В табл. 5.2 представлены некоторые
акустические характеристики различных сред.
Затухание звукового сигнала представляет собой уменьшение амплиту-
ды и и, следовательно, интенсивности J звуковой волны по мерс ее распро-
странения:
Il , J J,
где Q — в дБ/м; х — расстояние от точки излучения до некоторой точки
волны в направлении ее распространения. В этих формулах учтено, что
интенсивность звука пропорциональна квадрату амплитуды волны (или
давления) и волна при локации проходит двойной путь 2х.
200
5.3. Акустические локационные системы
Табчица 5.2
Акустические характеристики некоторых сред
Материал у, г/см с, км/с Z (для продольных воли), МПа • с/м
продольных поперечных поверхностных
Алюминий 2,7 6,4 3,1 2,9 17,2
Железо 7,8 5,9 3,2 3,0 46,3
Платина 21,4 3,9 1,6 1.5 84,6
Бетон 1,8...2,8 2,1...5,2 — — 6,9
Стекло 2,6 5,7 3,4 3,1 14,5
Вода 0,98 1,5 — — 1.5
Резина 1,3...2,1 1,5 — — 1,9 ..3,1
Костная 1,2...1,8 2,5...4,3 — — 3,3...7,5
ткань
Камни Н.д. 1,4...2,2 — — 1,2 ..2,4
печени
Кровь 1,06 1,54 .1,6 — — 1,5...1,7
Воздух 0,0013 0,33 — — 0,00043
Затухание вызывают следующие основные факторы: расхождение фрон-
та волны по мере удаления от источника, рассеяние и поглощение звука.
Первый связан с тем, что при удалении волны от источника его энергия рас-
пределяется во все большую границу волнового фронта, уменьшая тем са-
мым интенсивность волны. Амплитуда сферической волны убывает обратно
пропорционально г, цилиндрической — л/г .
В звуковой локации также используют представление о коэффициенте
ослабления Кося = Рпр /Ри :| (где Рпр, Ризл — соответственно мощности сигна-
ла приемника и излучателя). С увеличением расстояния между объектами
связи /ц)СЛ уменьшается, а его значение зависит от размеров излучателя и час-
тоты сигнала (рис. 5.18). В ультразвуковой локации обычно /^осл > 100 дБ.
При анализе затухания звуковых волн расходящееся от излучателя вол-
новое поле рассматривают в двух зонах: ближней Iq (зоне Френеля) и даль-
ней /д (зоне Фраунгофера). В ближней зоне поле имеет неопределенную
форму и поэтому сложно для расчета (иногда его сечение аппроксимируется
цилиндром), в дальней — фронт волны имеет сферическую форму, а само
поле подобно усеченному конусу с углом расхождения а:
sin а = l,22X/c/xan.
7 Аар
Для определения границ ближней и дальней зон используют неравенства
^б — А<р » (д ^кр ’
201
5. Локационные информационные системы
причем ^кр-^излА- Приведенные выражения свидетельствуют, что рас-
хождение фронта зависит от диаграммы направленности излучателя. На
практике для оценки затухания чаще всего используют графики (рис. 5.19).
Рис. 5.18. Зависимость коэффициента ослабления ультразвукового сигнала от диа-
метра излучателя и частоты излучения:
/, 2 — Jiran = 100 мм, /= 60 и 120 кГц соответственно, 3, 4 — dmji = 10 мм, /= 60 и 120 кГц
соответственно
—12 z
Рис. 5.19. Зависимость относительной интенсивности J/Jq (где Jq = 10 Вт/м )
ультразвукового сигнала от его частоты и коэффициента затухания среды:
1 — 3 — f= 60 кГц, % = 0,1, 0,3 и 0,6 соответственно; 4 — /= 200 кГц, х = 1,0
Рассеяние и поглощение звука определяют потери энергии в среде. При
поглощении звуковая энергия переходит в другие формы, в первую очередь
в тепловую, а при рассеянии остается звуковой, но теряет направленность в
результате отражений от неоднородностей среды. Относительная роль того
или иного фактора при затухании звука зависит от свойств среды
распространения и характеристик самой волны. Так, для жидких и газовых
сред (без взвесей) рассеяние практически отсутствует и затухание опреде-
ляется в основном поглощением. В твердых телах коэффициенты погло-
202
5 3. Акустические локационные системы
щсния <^п для продольных и поперечных волн различны, правда, их
значения сравнительно невелики и поэтому затухание зависит главным
образом от рассеяния, например на границах зерен металла. В задачах де-
фектоскопии, когда дальность распространения ультразвука мала, за-
тухание оценивают одним коэффициентом Q + £р, |де — коэф-
фициент рассеяния.
Коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты, следо-
вательно, затухание ультразвуковых волн существенно выше, чем звуковых.
Так, повышение частоты колебаний в 10 раз увеличит в 100 раз, что
уменьшит дальность локации также в 100 раз. Поэтому коэффициент зату-
хания Q приводят к установленной частоте, например 2 МГц, либо вводят
унифицированный параметр Q/f2.
Значения коэффициента затухания и дальность распространения /тах
продольных ультразвуковых волн в некоторых средах при / = 2 МГц приве-
дены ниже:
дБ М 4пах> М
Алюминий, магний, сталь, фарфор....... 0,1...10 1...10
Полистирол, чугун, медь, бронза...... 10 ..100 0,1... 1
Резина, медь, дерево, керамика....... >100 0...0J
Отражение и рассеяние ультразвуковых волн па неоднородностях среды
позволяют, используя звуковые фокусирующие системы, формировать в
оптически непрозрачных средах звуковые изображения предметов подобно
тому, как это делается с помощью световых лучей. Процесс фокусирования
ультразвуковых волн посредством акустических линз, рефлекторов и с по-
мощью излучателей вогнутой формы возможен лишь приХ<^ Jxap. Благо-
даря фокусировке получают звуковые изображения н<1 дисперсионных сре-
дах, например в системах звуковидепия и акустической голографии; кон-
центрируют звуковую энергию и т. д.
5.3.4. Направленность и модуляция в акустической локации
При построении АЛС необходимо учитывать, что направленность про-
является только в дальней зоне излучения (зоне Фраунгофера) при г>1л.
Характеристика направленности £)(г) датчика АЛС описывает отношение
давлений, развиваемых в этой зоне на одном и том же расстоянии / от цен-
тра датчика в направлении произвольного радиус-вектора г и некоторого
фиксированного Гц:
£>(г) = Р(г)/ /?(г0).
Диаграмма направленности АЛС зависит от волнового размера излуча-
теля, т. с от отношения характерного размера излучателя г/хар к длине X из-
лучаемой волны (рис. 5.20).
203
5. Локационные информационные системы
Рис. 5.20. Диаграммы направленности идеального излучателя при t/xap^>
равном 0,5 (а), 1,0 (б), 2,0 (в) (на рис. 5.20, б также показана диаграмма на-
правленности реальною излучателя)
О направленности ультразвукового сигнала можно говорить только в
том случае, если диаметр излучателя в несколько раз превышает его длину
волны Так, для частоты сигнала 60 кГц, когда X = 5,5 мм, направленность
создается излучателем диаметром нс менее 20 мм. Например, при с/хар = 4
ширина диаграммы направленности 0 < 30°.
Учитывая, чго ширина 0 обратно пропорциональна частоте сигнала, а за-
тухание — ее квадрату, для ультразвуковой локации в воздушной среде
обычно используют частоты 30... 100 к! ц.
При оценке направленности в АЛС, так же как и в других ЛС, используют
коэффициент концентрации X1W. Определяют его как отношение интенсивно-
сти звука Jniax, создаваемой на расстоянии / > /д в направлении главного мак-
симума интенсивности, к интенсивности J гипотетического ненаправленного
излучателя с такой же излучаемой мощностью и на том же расстоянии /: =
= Значения KIVI рассчитывают по формуле
нд
где Р — мощность излучателя; р(го) — амплитуда звукового давления в
направлении радиус-вектора го.
Это выражение можно упростить, если представить излучатель в виде
плоского поршня в жестком экране. Тогда при s>X2(s — площадь излу-
2
чающей поверхности) Кил = 4ns/X . Уровень добавочных максимумов по
отношению к главному в этом случае составляет не более 0,13.
В активных АЛС приемник воспринимает сигнал, посланный собствен-
ным излучателем и отраженный от объекта. Чем выше направленность из-
лучателя, тем меньше диаметр пятна озвучивания на объекте. Так, при лока-
204
5.3. Акустические локационные системы
ции плоского объекта на расстоянии 3 м диаметр пятна озвучивания состав-
ляет 4,7 см на несущей частоте 30 кГц и 2,5 см на частоте 120 кГц. Уровень
полученного приемником сигнала зависит от отражательной способности и
формы объекта (в среднем он в 100—1000 раз меньше излучаемого сигна-
ла). Наилучшим для локации был бы вогнутый сферический объект с радиу-
сом кривизны, равным расстоянию от поверхности объекта до приемника.
В АЛС используют различные виды модуляции сигналов, выбор которой
зависит от назначения системы и радиуса ее действия. Например, для акусти-
ческих дальномеров, работающих в б шжней зоне (до 1 м), обычно применяют
непрерывную ЧМ или ФМ В дальномерах среднего радиуса действия (> 2 м)
предпочтение отдают импульсному излучению на несущей частоте. Этот тип
модуляции нашел особенно широкое применение в задачах звуковой локации
и связи. Как уже отмечалось, ИМ позволяет строить энергетически эф-
фективные многоканальные АЛС. Подобный подход позволяет разместить в
одном частотном диапазоне несколько десятков каналов ультразвуковой связи.
Спектр акустического сигнала обычно строят в координатах звуковое
давление (интенсивность) — частота. Для импульсной модуляции характе-
рен епчошной спекгр, для непрерывной — комбинированный, содержащий
линии и сплошные участки. В целом спектр импульспо-модулированног о
сигнала шире, чем амплитудно- или частотно-модулированного, хотя в лю-
бом случае большая часть энергии сигнала (основная площадь спектра) со-
средоточена в области главных гармоник. Полосу пропускания В приемника
сигнала, определяющую ширину его спектра, при ИМ выбирают из условия:
В = fr </73, где /г — верхняя граничная частота приемника. В целом ИМ с
несущей частотой обладает большей эффективностью, чем без нес. Досто-
инством такой передачи является большая направленность излучения, обу-
словленная наличием высокочастотной составляющей, а также лучшая по-
мехозащищенность сигнала. В частности, разрешающая способность аку-
стического дальномера достигает 0,1 % от его диапазона измерения. При
этом несущую частоту сиг нала выбирают вдали от основных акустических
частот. В ряде случаев, особенно в системах акустической связи, нашли
применение также методы непрерывной модуляции сигналов. Использова-
ние в АЛС непрерывной модуляции приводит к уменьшению ширины спек-
тра сигнала, а следовательно, улучшению избирательности канала передачи
информации и увеличению отношения сигнал/шум.
5.3.5. Датчики и системы акустической локации
Датчики АЛС подразделяют по двум основным признакам:
1) по назначению — излучатели и приемники;
2) по принципу действия — генераторные и параметрические преобразо-
ватели.
Рассмотрим сначала излучатели акустической энергии. В излучателях ге-
нераторного типа колебания возбуждаются вследствие наличия препятствия
205
5. Локационные информационные системы
на пути постоянного потока — струи газа или жидкости (к ним относятся си-
рены, свистки). В параметрических излучателях заданные колебания электри-
ческого напряжения или тока преобразуются в механические колебания твер-
до! о тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.
Жидкостные механические излучатели часто основываются на возбуж-
дении колебании твердой излучающей системы при натекании на нее струи.
Они создают относительно дешевую энергию ультразвуковых колебаний на
частотах до 40 кГц при интенсивности вблизи излучателя до 2 104Вт/м2.
Такие излучатели используют в звуковом и низкочастотном ультразвуковом
диапазонах. Их недостатком является невозможность получения монохро-
матического излучения, а также излучения звуковых сигналов строго задан-
ной формы (спектр их сложен и определяется конструкцией и режимом ра-
боты). КПД генераторных преобразователей составляет 5...50 % при общей
мощности излучения от нескольких ватт до десятков киловатт.
Параметрические излучатели подразделяют па две группы: обратимые
преобразователи и громкоговорители.
Эффективность излучателя зависит от соотношения между его размера-
ми и длиной волны. Для излучателя произвольной формы точные решения,
связывающие излучаемую мощность с размерами излучателя, в настоящее
время отсутствуют. Полученные зависимости относятся только к идеальным
2
моделям излучателя типа большого поршня (для которого 5 > А ), монополя
и ряда других. В частности, полная мощность излучателя типа большого
поршня
Р = 0,5ycv2s-.
При расчетах реальных АЛС чаще всего пользуются моделями излучате-
лей нулевого, первого, второго, ..., н-го порядка. Излучатель нулевого по-
рядка — монополь — представляет собой пульсирующую сферу с конечным
радиусом г, которая создает в окружающей среде сферические волны. Если
.2
размеры излучателя нс удовлетворяют условию 5 > А , мощность излучения
определяют приблизительно:
Р = yck2V2 /(8л),
где к = 2л/А — волновое число; V — объемная скорость излучателя, V =
= v. Поскольку обычно kr<z 1, следовательно, при заданной частоте
мощность излучения определяется объемной скоростью излучателя
независимо от его размеров.
Еще одним простейшим излучателем является акустический диполь (из-
лучатель первого порядка). Он представляет собой сферу, осциллирующую
около положения равновесия, а его излучение не имеет сферической симмет-
рии и харакгеризуется направленностью. Диаграмма направленности диполя
— тело вращения в виде восьмерки. Промышленные ультразвуковые излуча-
206
5.3. Акустические локационные системы
тели, широко применяемые в системах
гидроакустической связи, подводных
роботах и других подводных системах,
представляют собой наборную конст-
рукцию (пакет) из диполей. Диполи, как
правило, идентичны и, следовательно,
имеют одинаковые диаграммы направ-
ленности, а их соединение в излучателе
позволяет сформировать диаграмму на-
правленности нужной формы.
На рис. 5.21 представлены два гидро-
акустических излучателя. Оба представ-
ляют собой короткие полые цилиндры
(кольца). Электроды первого установлены снаружи и изнутри цилиндра, вто-
рого — собраны из отдельных секций. На рис. 5.22, а показана частотная ха-
рактеристика излучателя с максимумом на частоте 40 кГц, а на рис. 5.22, б —
зависимость ширины излучаемого спектра от отношения толщины излучателя
h к его среднему радиусу гср. Некоторые параметры излучателей представле-
ны в табл. 5.3.
Рис. 5.21. Схемы гидроакустиче-
ских излучателей с продольным (а)
и поперечным (б) пьезоэффектом
(стрелками показаны направления
колебаний)
Рис. 5.22. АЧХ излучателя (а) и зависимость ее ширины от отношений Л/гср (б)
Параметры пьезокерамических излучателей
Таблица 5.3
Модель Назначение f Гц С, нФ В Размеры, мм W7, КГ
d / b h
SCS-I7 (США) Громкого- воритель 700... 8000 20 5...30 — 9,7 22 22 0,002
SCS-77 (США) Динамик 150... 20 000 380 5...30 — 10 77 77 0,04
OMS-2000 (Швеция) Генератор шума 250... 5000 Н.д. 12...18 45 62 — -- 0,055
ИГ-500 (Россия) Гидроакус ги- чсский излу- чатель 15...150 Н.д. 27 550 110 — — 70
207
5. Локационные информационные системы
Приемники звука в зависимости от частотного диапазона разделяют на
две группы: параме1рическис ультразвуковые приемники и микрофоны. И те
и другие, как правило, устроены по принципу обратимых электроакустиче-
ских преобразователей. Для них характерна линейная функция преобразова-
ния, что позволяет точно воспроизводить форму возбуждающего сигнала как
в режиме приема, так и излучения. Как правило, электроакустические преоб-
разователи обладают сравнительно узкой частотной характеристикой, что по-
зволяет применять их в мобильных системах связи. Для повышения эффек-
тивности в конструкциях датчиков используют явления резонанса.
Задачей электроакустических преобразователей является определение
звукового давления р в поле излучателя по известным значениям напряже-
ния и тока на его входе и, наоборот, расчет напряжения или тока на выходе
приемника по заданному полю (давлению р и колебательной скорости v).
Важнейшей частью преобразователя, определяющей его КПД и направлен-
ность, является механическая колебательная система. Как правило, она име-
ет форму стержня, пластины, сферы, полого цилиндра и т. д. и рассчитана
на вибрации определенного вида.
Электроакустические преобразователи ЛС строят на базе ДДВ. В рабо-
чем диапазоне частот применяют пьезоэлектрические, магнитострикцион-
ные, электростатические и электродинамические датчики.
Самым распространен!гым способом преобразования информации в элек-
троакустических преобразователях является прямой и обратный пьезоэффскт.
При этом в режиме излучения используется обратный пьезоэффект, в режиме
приема — прямой. До недавнего времени эти преобразователи разрабатывали
преимущественно для систем акустической связи ультразвукового диапазона
частот (30... 100 кГц). Механическая колебательная система обычно пред-
ставляла собой составную конструкцию, включающую пьезокерамические
или кристаллические диски (стержни), зажатые между двумя металлическими
блоками. В качестве примера можно привести цилиндрический излучатель из
пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 26 и толщиной 20 мм. На резонансной час-
тоте 60 кГц в нем создаются торцевые колебания амплитудой около 1 мкм
при излучаемой акустической мощности 10 Вт. Направленность достигает-
ся использованием акустической линзы и демпфера.
В настоящее время появились пьезоэлектрические громкоговорители и
микрофоны, работающие в звуковом диапазоне 0,100...20 кГц1. Амплитудно-
частотная характеристика громкоговорителя SCS-77 приведена на рис. 5.23.
Частотные свойства пьезоэлектрических датчиков зависят от условий экс-
плуатации: в одних случаях их делают резонансными, других — широкопо-
лосными. Исходя из этого выбирают и размеры. Например, размер подводно-
го ультразвукового приемника — гидрофона рассчитывается из условия, что-
Первый широкополосный громкоговоритель, по-видимому, был выпущен в 1997 г.
фирмой Sonitron. Его достоинством явилась высокая стабильность характеристик в широком
диапазоне частот и температур, а также малое потребление энергии и высокий КПД.
208
5.3. Акустические локационные системы
бы его резонансная частота была несколько выше рабочего диапазона частот.
Это позволяет использовать гидрофон диаметром несколько миллиметров для
2 6
приема без искажений сигналов в диапазоне частот 10 ...10 Гц.
Рис. 5.23. АЧХ пьезокерамического громкоговорителя SCS-77 фирмы Sonitron
Самым распространенным типом акустического приемника является
микрофон. В зависимости от принципа действия различают шесть основных
типов микрофонов: порошковые угольные, электродинамические, электро-
статические (конденсаторные и электретные), пьезоэлектрические, электро-
магнитные и полупроводниковые.
Порошковый микрофон был разработан русским изобретателем М Махальским в
1878 г. и независимо от него П. Голубицким в 1883 г. Сейчас используется только в
телефонии. Электродинамический микрофон катушечного типа изобрели американ-
ские ученые Э. Венте и А. Терас в 1931 г В нем применена фольговая диафрагма или
очень тонкая (1 .3 мкм) фольговая ленточка. Конденсаторный микрофон был также
изобретен Э. Венте в 1917 г., а электретный в 1923 г. японцем Егути Отличие элек-
третного микрофона от конденсаторного заключается в том, что роль неподвижной
обкладки конденсатора и источника постоянною напряжения в нем играет пластина
из электрета. Недостатком его является высокое выходное сопротивление, что требу-
ет применения истокового повторителя. Первый пьезоэлектрический микрофон был
создан в 1925 г. советскими учеными С. Ржсвкиным и А. Яковлевым на базе кристал-
ла сегнетовой соли. В настоящее время это один из самых распространенных типов
микрофонов, используемых, в частности, в системах мобильной связи Электромаг-
нитные микрофоны конструктивно похожи на электродинамические, но в отличие от
последних в них применяют постоянные магниты, а мембрана жестко связана с яко-
рем магнита. Действие полупроводниковых микрофонов основано на изменении со-
209
5. Локационные информационные системы
противления эмиттерного перехода транзистора под действием звукового давления на
связанную с ним диафрагму. Несмотря на достаточно высокую чувствительность для
полупроводниковых микрофонов характерна значительная неравномерность частот-
ной характеристики, поэтому их, как порошковые и электромагнитные, применяют
только в простых акустических устройствах.
В современных системах звукозаписи,
как правило, используют электродинамиче-
ские и конденсаторные (чаще электретные)
микрофоны. Они представляю! собой по-
следовательную цепь преобразователей,
содержащую, как правило, четыре каскада
преобразования информации: акустический
(приемный), акустико-механический, меха-
ноэлектрический и электрический (согласу-
ющий). Первые два каскада служат для
формирования необходимой диаграммы
направленности микрофона, в зависимости
от которой различают два типа микрофо-
нов: ненаправленные (нулевого порядка,
круговые), называемые также приемниками
давления, и направленные (градиентные)
(рис. 5.24). Градиентные микрофоны со-
Рис. 5.24. Диаграммы направ-
ленности микрофона:
/ — круговая; 2 — восьмеркообраз-
лая; 3 — кардиоида
держат несколько акустических входов, что позволяет получать диаграмму
направленности требуемой формы. Так, в микрофоне с двумя симметричны-
ми акустическими входами (их называют двунаправленными) диаграмма на-
правленности имеет форму восьмерки. Если же в микрофоне два или более
Рис. 5.25. Диаграмма направленности
электродинамического микрофона МД-78
на частоте/, равной 0,05 (7), 0,5 (2), 1 (3),
4 (4) и 10 кГц (5)
несимметричных входа, диаграмма
направленности имеет форму кар-
диоиды. В этом случае микрофоны
являются однонаправленными. От-
метим, что ненаправленные микро-
фоны не подавляют шума.
На рис. 5 24 представлены идеа-
лизированные диаграммы направ-
ленности микрофонов. Реальные диа-
граммы направленности близки к
ним только в пределах узкого диапа-
зона частот (рис. 5.25). Особенно
сильно сказывается зависимость вида
диа!раммы направленности от часто-
ты для ненаправленных микрофонов.
С увеличением частоты ширина диа-
граммы направленности обычно
уменьшается.
210
5.3. Акустические локационные системы
В особую группу выделяют комбинированные микрофоны, или микро-
фоны с переменной диаграммой направленности. В них форма диаграммы
определяется напряжением поляризации на электродах.
Электродинамические микрофоны в зависимости от конструкции механи-
ческой колебательной системы подразделяют на катушечные и ленточные.
Ленточный микрофон обладает наиболее естественной передачей звука.
Конденсаторные микрофоны бывают одно- и двухмембранные. Приме-
рами одномембранных являются кардиоидный электретный микрофон
МКЭ-1 ЗМ и ненаправленный микрофон МКЭ-400. В двухмембранных мик-
рофонах (например, в отечественном МК-51, а также U87i и U89i фирмы
Neumann) можно форму диаграммы направленности изменять от круговой
через кардиоиду к восьмеркообразной.
Важнейшим требованием, предъявляемым к микрофонам, является равно-
мерность их АЧХ. У микрофонов с неравномерной АЧХ возникают нелиней-
ные искажения при передаче звука, которые могут привести к самовозбужде-
нию акустической системы. На рис. 5.26 представлены АЧХ электродинамиче-
ского и электретного микрофонов. Как видно на рисунке, АЧХ электретного
микрофона существенно равномернее, чем электродинамического.
а
дБ
20 50 100 200 500 1000 2000 5000 10000 /, Гп
б
Рис. 5.26. АЧХ электродинамического микрофона МД-78 (а) и электретного
микрофона МКЭ-2 (б)
Отдельный класс составляют направленные микрофоны, использующие
резонансные схемы и параболические отражатели. Серийно выпускают не-
сколько моделей обоих типов с диапазоном частот 100...22 кГц. Игольчатая
форма диаграммы направленности микрофона с параболическим отражате-
лем позволяет контролировать речь на расстоянии до 1500 м.
211
5. Локационные информационные системы
В табл. 5.4 представлены типовые характеристики микрофонов разных
типов.
Таблица 54
Сравнительный анализ микрофонов различных типов
Тип микрофона X кГц Д£*, дБ 5, мВ м2/Н
Порошковый 0,3... 3,4 20 500
Электродинамический 0,03 15 12 1
Конденсаторный 0,03... 15 5 5
Электретный 0,02... 18 2 1
11ьезоэлекгрический 0,1 ..5 15 50
Электромагнитный 0,3...5 20 5
I Золупроводниковый 0,1...15 30 50
♦ 1^равномерность частотной характерно! ики.
Для работ в водной среде достаточно широко применяют преобразовате-
ли из магнитострикционных материалов (никеля, железокобальговых спла-
вов или феррита), сердечник которых имеет форму стержня или кольца. В
режиме излучения в этих устройствах используется магнитострикционный
эффект (деформация ферромагнетика, помещенного в переменное магнит-
ное поле), в режиме приема — магнитоупругий эффект (переменные дефор-
мации вызывают изменение магии зной проницаемости ферромагнетика и
появление ЭДС). Магнитострикционные преобразователи работают прибли-
зительно в том же частотном диапазоне, что и пьезоэлектрические, но обла-
дают значительно большей акустической мощностью. Так, излучатель из
никель-кобальтового феррита диаметром 60 мм и высотой 40 мм на частоте
45 кГц развивает акустическую мощность около 5 Вт с амплитудой колеба-
ний 10 мкм. Столь высокие деформации материала приводят к его быстрому
разрушению в воздушной среде, поэтому такие устройства обычно исполь-
зуют в качестве гидроакустических излучателей. Их КПД при работе в жид-
кости и в твердых телах в диапазоне низких и средних частот достигает
80 %. КПД преобразователей, работающих в гиперзвуковом диапазоне час-
тот, существенно ниже. Для них используют специальные материалы на ос-
нове магнитострикционных пленок из никеля, пермаллоя или др.
Параметры датчиков АЛС рассчитывают с использованием электроме-
ханических уравнении образ имых преобразователей, связываюзцих механи-
ческие конструктивные параметры преобразователя с электрическими ха-
рактеристиками сигнала. Например, уравнения пьсзоэлектрическозо преоб-
разователя имеют вид
/ = У£ + Лоу; F = -Jn£ + Zv,
где У(Г) = yjeya)/ = I/U — проводимость механически заторможенного
преобразователя; E(t) = E^eJli>l— напряженность электрического поля;
Ло(О = AQieJ(at = Uv и A - A = F/U — обратный и прямой
212
5 3. Акустические локационные системы
факторы силы соответственно; F(t) = F^eJ<ibt — переменная сила;
Z(t) = Z^eJi£ii = Flv — импеданс механической колебательной системы;
v(z) = v|ey<0 —- колебательная скорость поверхности преобразователя.
Уравнения магнитострикционною преобразователя записываются ана-
логично:
E = ZI + Aqv\ F = -Anl + Zv.
Для определения функции преобразования электроакустического преоб-
разователя из пьезоэлектрического материала используют выражение, свя-
зывающее напряженность электрического поля Е с относительной линейной
X. л/
деформацией Д//7: £ = 4пА:э------, где к3 — размерный коэффициент; X
еге0 /
пьезоэлектрическая постоянная материала; / — расстояние между об-
кладками датчика. Поскольку электрическое напряжение на обкладках дат-
чика U= EI, то его функцию преобразования можно представить так:
С/ = 4пЛэ-^-Д/.
Ег£()
Здесь V и Д/ являются комплексными величинами.
Для магнитострикционного электроакустического преобразователя
функция преобразования описывается эмпирической зависимостью
Д/ = 4я/гэ|А?1сц2//2,
где к3\ — размерный коэффициент; тс — магнитострикционная постоянная
сердечника; Н — напряженность магнитного поля, причем Д/ и Н также
являются комплексными величинами.
4 2
Интенсивность J звукового излучения достигает (3...5)-10 Вт/м у се-
рийных пьезоэлектрических излучателей и (1...5)-105 Вт/м у магнито-
стрикционных. Ее максимальное значение ограничивается прочностью и
упругостью материала. Для увеличения интенсивности излучения исполь-
зуют импульсные режимы работы излучателя, а также применяют специ-
альные ультразвуковые концентраторы, которые представляют собой фоку-
сирующую систему, излучающую сходящуюся сферическую волну. В фоку-
се подобных концентраторов интенсивность достигает 10 ...10 Вт/м на
частотах 0,1...10 МГц. Ультразвуковые концентраторы используют, в част-
ности, при проведении операций, когда необходимо обеспечить воздействие
ультразвука на малую область пространства. Для низкочастотного диапазо-
на разработаны концентраторы в виде резонансных стержней переменного
сечения, позволяющие получать амплитуды смещения до 50...80 мкм Их
применяют при механической обработке, сварке, дроблении материалов и в
других случаях. Параметры некоторых наиболее распространенных моделей
электроакустических преобразователей приведены в табл. 5.5.
213
5. Локационные информационные системы
Таблица 5.5
Параметры электроакустических преобразователей
Модель Тип кГц Размеры, мм
d /
МУП-1 (Россия) Пьезоэлектрический 30...85 (40) 18 11
УЗП-2 (Россия) Конденсаторный 20...70 (50) 15 9
R-I60 (Япония) » 0,02... 100 6 7
* В скобках указана частота резонанса
Рассмотрим несколько характерных примеров применения АЛС. Как
правило, в промышленности и робототехнике они выполняют функции
ультразвуковых дальномеров или локаторов. Первые предназначены для
измерения дальности до объекта или препятствия в воздушной или жидкой
среде, вюрые — для детектирования препятствий распространению волн.
Например, разнообразные ультразвуковые дефектоскопы позволяют оп-
ределять нарушения сплошности в твердых средах (металлических предме-
тах, строительных конструкциях и др.), а разработанные на основе традици-
онного эхо-метода приборы — обнаруживать дефекты размером 0,05 мм
при глубине залегания до 5 м.
На рис. 5.27 приведена схема ультразвукового локатора, представляю-
щего собой индикатор препятствия и предназначенного для определения
объектов в воздушной среде на расстоянии до 10 м на основе эхо-метода.
Посланный излучателем 1 сигнал отражается от препятствия и воспринима-
ется микрофоном 2. Полученный сигнал усиливается транзистором VT3, де-
тектируется цепочкой С3, У£>|, У£>2 и подается на реле 3.
Рис. 5.27. Электрическая схема ультразвукового локатора:
/ — излучатель; 2 — микрофон; 3 — реле
214
5.3. Акустические локационные системы
Функциональная схема акустического дальномера приведена на рис. 5.28.
Схема управления переключает режим работы дальномера на излучение или
прием. В первом случае формируется импульсно-модулированный сигнал с
несущей частотой 50... 120 кГц, во втором — принятый и усиленный сигнал
поступает па временной дискриминатор, вычисляющий задержку принятого
сигнала по отношению к излученному. Дальномер определяет расстояние до
предметов в пределах 0,2.. .80 м с погрешностью около 2 %.
Рис. 5.28. Функциональная схема акустического дальномера фирмы Bosch
Для работы на еще меньших расстояниях и в режиме наведения необхо-
дима ФМ. В этом случае отраженный сигнал принимается двумя приемни-
ками, причем разность хода лучей Д вызывает разность фаз принятых сиг-
налов. Так, если на первом приемнике сигнал имеет вид U\ = t/cosciV, то на
втором = t/cos(coot-\|/), где \|/ — фазовый сдвиг, \|/ = 2лД/К =
= 2л Uo / A.)sin а; Zo — база приемников (расстояние между ними); а — угол
между направлением фронта волны и осью приемника.
Для определения искомой величины служит фазовый детектор, на ко-
торый поступают два сигнала, причем с первого приемника через фазовра-
щатель, изменяющий фазу сигнала на л/2. Выделив постоянную состав-
ляющую с помощью фильтра нижних частот, имеем
1/вых = 0,5t/2 sin у = 0,5{/2 2л (Zo / X) sin а.
При значениях а, удовлетворяющих неравенству (Zq/X)sin ex <sc 1, функция
преобразования ультразвукового локатора наведения близка к линейной:
^вых ~ ^р(^0
где кр — коэффициент преобразования.
215
5 Локационные информационные, системы
Ультразвуковой локатор наведения установлен на захватном устройстве
окрасочного робота фирмы Tralfa (Норвегия). Погрешность измерения при
его использовании не превышает 1,5 %. Основные параметры некоторых
моделей ультразвуковых АЛС представлены в табл. 5.6.
Таблица 5.6
Параметры промышленных улы развуковых АЛС
Модель Дальность действия,м /, кГц 9’, град Е, % Размеры, мм т, кг
b h /
УТ-1 ОДР (Россия) 0J5...9.5 60 20 5 200 120 300 2,5
УТ 65 (Россия) 0,001 0,3 Переменная 7 1 85 40 165 0,5
М-942 (Германия) 0,001...2 215 10 0,05 Н.д Н.д. Н.д 1,0
UC2000-F43 (Германия) 0,1.. 2,0 Н.д 5 0,5 45 20 210 0,3
RS/8,5 (Япония) 0,1...6 140 5 0,3 Н.д. Н.д. Н.д. 0.7
Zircon-4,0 (США) 0,5... 12,5 75 10 0,5 62 30 110 0,1
* Угол диаграммы направленности.
5.3.6. Акустические локационные системы специального назначения
В последние годы АЛС находят широкое применение в ряде специаль-
ных отраслей* интроскопии, медицине, военном деле. Разрабатываемые
изначально как отдельные приборы, эти средства все чаше включаются в
состав автоматических диагностических устройств и роботов, например в
системах неразрушающего контроля при диагностике корпусов ядерных ре-
акторов. В таких задачах реализуется прямая визуализация объекта контро-
ля путем его сканирования узким ультразвуковым лучом. Минимальное
время Гв, необходимое для получения информации о структуре и геометрии
объекта, определяется выражением
t — 1с I
'в А-в‘тах/е’
где къ — коэффициент, зависящий от метода визуализации и равный 2 при
использовании отраженных воли и 1 в случае прямого прохождения луча;
/max — максимальная длина объекта в направлении распространения воли. В
простейшем случае одномерного сканирования объект облучается
ультразвуком в импульсном режиме, а отраженные от неоднородностей
216
5.3. Акустические локационные системы
сигналы воспринимают обратимым электроакустическим преобразователем.
Амплитуда сигнала зависит от многих факторов: длины волны, коэффи-
циента затухания, размеров дефекта и расстояния до него. При качествен-
ных оценках амплитуда отраженного импульса прямо пропорциональна
площади дефекта, а время прохождения сигнала — глубине его залегания.
Чрезвычайно эффективна ультразвуковая компьютерная томография, позво-
ляющая получать дву- и трехмерные изображения исследуемого объекта
(рис. 5.29).
Рис. 5.29. Схема получения ультразвукового изображения:
а — схема АЛС; б — двумерный ультразвуковой зонд: 1 — ультразвуковая матрица; 2 —
биологический объект; 3 — границы структур; 4 — гель, в — изображение
В томографе применяется обратимая пьезоэлектрическая матрица (мно-
гоэлементная решетка), содержащая до 10 000 точечных преобразователей.
Рабочую поверхность матрицы смазывают гелем и прикладывают непосред-
ственно к биологическому объекту. Каждый из преобразователей формиру-
ет узкий пучок ультразвукового излучения в диапазоне частот 2... 10 МГц,
который, проходя сквозь мягкие ткани, отражается от более плотных. Уст-
ройства приема-передачи и управления режимами обеспечивает временную
селекцию сигналов и фокусировку излучения на конкретном органе. Для
этого в конструкцию излучателя входит двухлинзовый (или более) акусти-
217
5. Локационные информационные системы
ческий объектив, формирующий звуковой рельеф (распределение звукового
давления) контролируемого объекта в плоскости электроакустического пре-
образователя. Большую часть времени томограф работает на прием: время
посылки составляет 5... 10 % времени приема. Похожие схемы имеют аку-
стические микроскопы, работающие на частоте 10... 100 МГц и обладающие
разрешающей способностью оптических микроскопов среднего класса.
Для повышения чувствительности ультразвуковых приборов используют
схемы стетоскопов, обеспечивающие коэффициент усиления более 50 000.
Основные достоинства АЛС, позволяющие широко применять их в са-
мых разных областях техники — многофункциональность, широкий диапа-
зон измерении, простота и надежность технических решений; недостатком
этих устройств является низкая помехозащищенность.
5.3.7. Основы цифровой записи звука
Во многих случаях, особенно в автономных режимах работы АЛС, воз-
никает задача записи и хранения больших объемов звуковой информации. В
наиболее простых системах производится аналоговая запись акустических
сигналов на магнитофонную ленту с помощью традиционных или специ-
альных магнитофонов, в других случаях используются системы цифровой
записи. Важнейшим требованием к системам звукозаписи является необхо-
димое! ь обеспечения заданного динамического диапазона £дин в широком
спектре звуковых частот при наличии значительных акустических помех.
Ограничимся простой задачей — записью акустических сигналов звуково-
го диапазона. Как известно, полоса частот звукового сигнала составляет
16 Гц...20 кГц. Динамический диапазон натурального звука определяется вы-
ражением £ДН1| = 20 lg( pmax/fo)»гДе Ртах — болевой порог; ро — давление,
соответствующее порогу слышимости. На разных частотах диапазон £дин раз-
личен, например на тестовой частоте 1000 Гц £ДИ|1 = 120... 140 дБ. Мак-
симальный динамический диапазон, достигаемый в канале аналоговой записи
звука, даже со средствами шумоподавления обычно нс превышает 70 дБ.
Больший диапазон (свыше 100 дБ) достигается в цифровых системах записи.
В этом случае практически исключаются нелинейные искажения (составляют
нс более 0,05 %) и детонация звука. Поэтому для высококачественной записи
и воспроизведения звука все чаще используются именно цифровые системы.
В 1928 г. Г. Найквистом, инженером телефонной компании AT&T, был сформу-
лирован основополагающий принцип оцифровки сигналов, согласно которому чис-
ло замеров должно, но крайней мере, вдвое превышать число деталей Примени-
тельно к записи звука верхний порог сигнала составляет 20 кГц. Следовательно,
замеры напряжения нужно проводить не реже 40 000 раз в секунду. За стандартную
частоту дискретизации/д принято значение 44,1 кГц Дробность этого значения свя-
зана с тем, что в первых системах цифровой записи звука использовали бытовые
видеомагнитофоны. В стандарте PAL видеомагнитофон записывает 50 изображений
218
5.3. Акустические локационные системы
(полей) в секунду, причем в каждом поле содержится 294 телевизионные строки.
Число замеров звука на строку может быть любым целым. При трех замерах на
строку получаем 50 х 294 х 3, что и составляет /д = 44,1 кГц. Интересно, что ви-
деомагнитофон, работающий в стандарте NTSC, также годен для оцифровки звука,
так как он записывает 60 полей по 245 строк в секунду (60 х 245 х 3), т. е. по-
прежнему /д = 44,1 кГц.
Во всех системах звукозаписи звуковой сигнал записывается аналоговы-
ми средствами. В цифровых системах аналоговый сигнал затем преобразу-
ется в цифровую форму. Это преобразование описывается двумя основными
параметрами: разрешением (квантованием по уровню) и частотой дискрети-
зации /д (определяющей квантование по времени). Разрешение определяется
необходимым динамическим диапазоном воспроизводимого сигнала.
Например, £дин = 100 дБ требует не менее чем 16-битного квантования,
т. е. разрешение составит 1/65 535 максимальной амплитуды сигнала или
0,0015 дБ. Общепринятыми значениями /д являются: 44,100 кГц (высокое
качество), 22,050 кГц (среднее качество) и 11,025 кГц (низкое качество).
Представление звука в цифровой форме предполагает значительное расши-
рение полосы пропускания канала. Так, передача звука с полосой 20 кГц и
£дин = ЮО дБ при частоте дискретизации Уд - 44,1 кГц (без компрессии) тре-
бует пропускной способности канала Ш нс менее 44,1 кГц х 16 бит =
= 706 Кбит/с, что соответствует полосе частот, равной 768 кГц.
При цифровой записи стереозвука полоса расширяется вдвое. В этом
случае сначала производят аналоговую запись каждого канала. Далее сигна-
лы оцифровывают и записывают непосредственно на компакт-диск в полосе
частот 768 кГц х 2 = 1536 кГц. Объем двоичных данных, полученных в ре-
зультате такой записи, весьма велик. Так, для хранения всего 10 секунд ау-
диоинформации необходимо 15,3 Мбит дискового пространства. С увеличе-
нием числа каналов это пространство еще больше возрастает. Поэтому
обычно информацию на диск записывают не непосредственно, а в формате
линейной импульсно-кодовой модуляции (англ. Pulse Code Modulation, или
PCM). Линейная импульсно-кодовая модуляция является алгоритмом кван-
тования и дискретизации, преобразующим аналоговые сигналы в дискрет-
ные цифровые без сжатия частотного спектра. Алгоритм линейной
импульсно-кодовой модуляции позволяет записывать сигналы с полосой
пропускания до 6,144 Мбит/с, однако и этого для высококачественной мно-
гоканальной записи оказывается недостаточно.
Более прогрессивный способ кодирования предполагает использование
дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (англ. DPCM). В этой
схеме кодируются разности между текущими и предшествующими значе-
ниями сигналов, а нс сами дискретизированные значения. Поскольку разно-
сти меньше дискретизированных значений, для кодирования той же звуко-
вой информации можно использовать меньше битов (разница между двумя
219
5. Локационные информационные системы
16-битовыми значениями равна всего 4 бита). Поэтому дифференциальную
импульсно-кодовую модуляцию можно рассматривать и как схему сжатия
звуковой информации. Простейшим способом сжатия звукового сигнала без
потерь является кодирование по алгоритму Хаффмена. Подробнее этот ал-
горитм будет рассмотрен в гл. 6.
5.4. Оптические локационные системы
Оптические локационные системы (ОЛС) предназначены для получения
информации об объекте на основании анализа его оптических параметров в
диапазоне видимых, ультрафиолетовых, инфракрасных и рентгеновских
волн. Такими параметрами являются спектральные и фотометрические
характеристики, зависящие от строения и рельефа поверхности объекта, его
температуры и агрегатного состояния, а также от длины волны и угла паде-
ния излучения. Оптическое излучение является, пожалуй, самым перспек-
тивным носителем информации, что позволяет использовать ОЛС в самых
разнообразных задачах навигации, измерения и контроля, дефектоскопии и
т. п. Наиболее широко ОЛС применяют в машино- и приборостроении, ме-
таллургии и химической промышленности, средствах связи, охранных сис-
темах и устройствах видеонаблюдения. ОЛС является также важнейшим
элементом информационного обеспечения современных роботов. Поэтому
все ОЛС можно разделить на два больших класса: системы локации и сис-
темы технического зрения. Первые используют главным образом в задачах
навигации и измерения, вторые — в задачах, связанных с получением и ана-
лизом образа объекта. ОЛС обеспечивают высокую точность измерения
размеров объектов, расстояний и скоростей (погрешность составляет
0,01...0,1 %). Мощность различных ОЛС лежит в пределах 10-3...105 Вт, что
позволяет применять их в средствах ближней и дальней локации.
ОЛС подразделяют по трем основным признакам:
1) по принципу локации — активные и пассивные;
2) по типу первичного преобразователя — вакуумные, оптронныс и ла-
зерные;
3) по взаимному расположению объекта и его изображения — каллима-
торныс (объект и сю изображение находятся в бесконечности), телескопи-
ческие (в бесконечности расположен только объект), проекционные (в бес-
конечности находится только изображение) и фокусирующие (объект и его
изображение расположены на конечном расстоянии).
Первичные преобразователи ОЛС необратимы, поэтому их принято раз-
делять на источники и приемники излучения.
5.4.1. Теоретические основы оптики
В соответствии с открытой в 1864 г. Д. Максвеллом электромагнитной
теорией света оптические явления создают электромагнитные поперечные
220
5 4. Оптические локационные системы
волны, представляющие собой распространяющееся в пространстве элек-
тромагнитное поле. Скорость распространения оптического излучения в ва-
кууме со = 299 792,5 м/с. Диапазоны электромагнитных волн представлены в
табл. 5.7.
Таблица 5.7
Диапазоны электромагнитных волн
Тип излучения X, м £, Гц
Радиоволны ю8... ю-4 12 3 .3- 10
Инфракрасное излучение (100.. 0,76) 10 6 3 1012 ...4 - 1014
Видимый свет (0,76 ..0,4)- 10'6 4 I014...7,5- IO*4
Ультрафиолетовое излучение (0,4...0,01)- 10'6 7,51014...3- 1016
Рентгеновское излучение (1...0,001)- ю'8 З Ю16... 3 • ю19
Гамма-излучение (1...0,001 )-10'Н ЗЮ19... 3 10"
Большинство используемых в робототехнике ОЛС, а также системы тех-
нического зрения (СТЗ) функционируют в диапазоне видимого света. Излу-
чение субъективно описывается двумя переменными: яркостью (амплитудой
сигнала) и цветом (длиной волны). Информация о яркости применяется во
всех ОЛС, о цвете — только в СТЗ.
Оптическое излучение создастся благодаря колебаниям большого числа
элементарных осцилляторов. Излучения с X = 380...750 нм образуют види-
мый свет. Источники света принято разделять на когерентные и некогерсн-
тные. В некогерентных источниках (естественных, а также вакуумных и оп-
тронных) различные атомы активного вещества излучают волны, фазы и
направления полей которых независимы и случайным образом изменяются
во времени. Когерентные источники (например, лазер) излучают мо-
нохроматические волны. Световая монохроматическая волна создастся вза-
имно перпендикулярными и синусоидально изменяющимися во времени и в
пространстве электрическим и магнитным полями, имеющими одинаковые
частоты и перпендикулярными направлению ее распространения. Когерент-
ность излучения оценивают коэффициентом монохроматичности Км -
= Д/7/,где — ширина спектра излучения Для естественных источников
света Км ~ 10 , для лазера Км = 10 |6.
Преобразователи ОЛС, в том числе и СТЗ, основаны на использовании
принципов геометрической оптики, которые были сформулированы в XVIII в.
и постулируют прямолинейное распространение волн. Это справедливо,
если пренебречь дифракционными эффектами, т. е. полагать, что длина
волны излучения значительно меньше характерного размера препятствия:
221
5 Локационные информационные системы
X ^хар (ГДС ^хар — наименьший размер препятствия), а следовательно, вол-
на отражается от препятствия.
Теоретическую основу геометрической оптики составляют закон взаим-
ной независимости световых лучей и принцип наименьшего времени, из-
вестный как принцип Ферма, согласно которым световые лучи распростра-
няются по прямым линиям и не взаимодействуют между собой. Частными
случаями принципа Ферма можно рассматривать законы отражения и пре-
ломления света. Известно, что если луч света падает на границу раздела
двух прозрачных сред с коэффициентами преломления nj и П2, он отклоня-
ется на угол, пропорциональный углу падения. Все лучи, параллельные оп-
тической оси сферической поверхности раздела, преломляются так, что схо-
дятся в одной точке, называемой фокальной, или фокусом.
Зависимости для определения скорости распространения и длины свето-
вых волн в среде имеют следующий вид:
с = с0/п; X =
где п — показатель преломления среды (и > 1);/— частота излучения.
Следовательно, скорость света в вакууме больше, чем в любой другой среде.
Значения показателя преломления п и коэффициента отражения £отрдля
некоторых сред приведены ниже:
п ^огр
Воздух 1,0003 —
Вода дистиллированная 1,333 0,02
Алмаз Стекло: 2,420 0,17
органическое 1,49 0,04
непросветленное 1,5—2,0 0,05—0,1
просветленное 1,5—1,7 0,006—0,01
Для геометрической оптики в основном справедливы те же законы, что и
для геометрической акустики. Это позволяет применить принципы проекти-
рования АЛС к ОЛС. В частности, оптическое излучение также характери-
зуется направленностью, а информативный параметр накладывается на
несущее колебание посредством модуляции. Диаграмма направленности
формируется оптической фокусирующей системой, а из всех способов мо-
дуляции наиболее распространена импульсная.
Для оценки светового излучения применяются энергетические и свето-
технические (визуальные) характеристики. Первые используют, как прави-
ло, для излучений, которые лежат за пределами видимого спектра, вторые
служат для описания процессов, протекающих в диапазоне видимого света и
воспринимаемых глазом. Такое разделение вызвано тем, что действие види-
мого света на глаз зависит не только от физических параметров излучения
(энергии, частоты, спектрального состава), но и спектральной чувствитель-
ности 5С(Х) глаза (рис. 5.30). Как видно на рисунке, чувствительность глаза
222
5.4. Оптические локационные системы
к сине-фиолетовому и красно-оранжевому излучению существенно ниже,
чем к желто-зеленому. Максимум 5С(Х) достигается при X = 0,5...0,555 мкм
(первое значение справедливо для черно-белого, так называемого ското-
пического зрения, второе — для цветного, или фотопичсского зрения).
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,4 0,5 0,6 0,7 X, мкм
Рис. 5.30. Спектральная чувствительность глаза:
1 — 111 — сине-фиолетовая, желто-зеленая и красно-оранжевая области солнечного спектра
соответственно, / — спектр солнечного света; 2 — скотопическая чувствительность; 3 —
фотопическая чувствительность глаза
Для перевода фотометрических характеристик в энергетические исполь-
зуют коэффициент видности ку, показывающий, как меняется световое
ощущение по всему диапазону видимого света. Так как глаз имеет наиболь-
шую видность (световое ощущение) VmaxK излучению с X = 0,555 мкм, то
kv=Vyvm.M,
где — световое ощущение к излучению с длиной волны X. В диапазоне
0,38 ..0,77 мкм коэффициент Ху изменяется в 105 раз.
Различают следующие основные характеристики светового излучения:
энергия излучения W (энергетическая в джоулях и светотехническая в
люмен-секундах);
световой поток Ф = dWIdt (энергетический в ваттах и светотехнический в
люменах, причем 1 Вт излучения с X = 5,55 • 10 7 м соответствует 683 лм);
сила света J = d<Pld&, где 0 — телесный угол (энергетическая в ваттах на
стерадиан и светотехническая в канделах);
освещенность S = d®/ds (энергетическая в ваттах на квадратный метр и
светотехническая в люксах);
яркость (интенсивность) Y = dJldsn, где dsn — площадь ортогональной
проекции светящегося элемента поверхности ds (энергетическая в ваттах на
223
5. Локационные информационные системы
стерадиан-квадратный метр и светотехническая в канделах на квадратный
метр).
В фотометрии для определения светотехнической яркости по известной
энергетической используют таблицы видности. Например, энергетическая
яркость потока гелий-аргонового лазера с X = 0,514 мкм, работающего в нс-
13 2
прерывном режиме, составляет 10 Вт/ср -м . По таблице видности фото-
метрическая яркость Y = 4- 10*5 кд/м2, что приблизительно в 2,5- 106 раз
больше яркости солнца.
Способность глаза реагировать на изменение яркости в очень большом
диапазоне получило название зрительной адаптации. В среднем для челове-
ка ДУ - 2(10~6...105) кд/м . Свойство глаза восстанавливать световую чув-
ствительность называется световой или темновой адаптацией. Первая про-
является при резком увеличении освещенности, например при выходе из
темного помещения на свет, и составляет 2—3 мин; вторая существенно
продолжительнее и достигает 20—30 мин. Параметры некоторых типовых
источников света представлены ниже:
Фотографическая вспышка......
Лампа накаливания...........
Дневной свет................
Полная луна.................
Звездное небо...............
10 2
У = 7- 10 и кд/м
6 2
Y = 6- 10 кд/м
3 = 104 лк
Y = 2- 103кд/м2,3 = 2 10-1лк
У = 4 10"4 кд/м , 3 = 10 1 лк
-5 2
Примечание. Минимальная видимая яркость У = 10 кд/м .
Порог чувствительности глаза характеризуется наименьшим количест-
вом энергии, вызывающей его световое раздражение. Пороговое значение
светового потока зависит от диаметра зрачка и составляет около 2 -10 14 лм
при диаметре зрачка 8 мм.
5.4.2. Оптическая система и ее характеристики
Основой ОЛС является совокупность оптических деталей (линз, зеркал,
призм и т. д.), образующих изображение предметов на фотоприемнике, ко-
торая получила название оптической системы. В оптической системе приня-
то различать пространство предметов — область, в которой расположены
объекты, и пространство изображений — область, в которой размещается
изображение. Важнейшим элементом оптической системы является линза. В
зависимости от комбинации образующих линзу поверхностей (выпуклой,
вогнутой и плоской) различают более 10 типов линз. Наиболее распростра-
ненные типы линз имеют сферические сопрягаемые поверхности. В отдель-
ных случаях, например для луп, конденсоров, светофильтров и т. п., исполь-
зуют линзы Френеля, обладающие ступенчатой поверхностью с минималь-
224
5.4. Оптические локационные системы
ным размером ступенек около 0,01 мм. Линзы Френеля получают прессова-
нием пластмасс, что существенно снижает их стоимость.
Важнейшим параметром линзы является ее фокусное расстояние. В об-
щем случае линза содержит две поверхности раздела сред, поэтому она име-
ет два фокуса: передний fn (со стороны пространства предметов) и задний
f3 (со стороны пространства изображений). Соответственно и фокусных
расстояний в такой линзе два: переднее и заднее (рис. 5.31). В такой линзе
выделяют две главные точки (переднюю Н и заднюю Н'), а также переднюю
N и заднюю N' узловые точки. В простых расчетах ограничиваются мо-
делью тонкой линзы, для которой переднее и заднее фокусные расстояния
принимают одинаковыми и равными расстоянию вдоль оптической оси от
центра линзы до ее фокальной точки.
Рис. 5.31. Основные оптические точки линзы
Оптическая (преломляющая) сила FD сферической поверхности зависит
от радиуса кривизны границы раздела двух сред с показателями преломле-
ния «1 и п2 и связана с передним и задним фокусными расстояниями выра-
жением
Л) =-«|/<п =«2^3-
Оптическую силу линзы измеряют в метрах в минус первой степени
(м“1). Эта единица получила название диоптрия (дгггр).
Для тонкой линзы, находящейся в воздухе -п2~ 1), справедлива при-
ближенная зависимость
FD=-l/fn=l/f3.
У собирающих линз FD > 0, у рассеивающих FD < 0. Чем больше опти-
ческая сила, тем ближе к линзе располагается изображение и тем оно
меньше.
8. С.А. Воротников
225
5. Локационные информационные системы
Оптическую силу системы с несколькими линзами вычисляют по фор-
муле Гульстранда, учитывающей количество преломляющих поверхностей.
Так, если оптическая система состоит из нетонких линз, то для каждой из
них справедливо
= ^Dn + ~ ^Dn ^Ьз •
п
Здесь FDn и FDi— оптические силы передней и задней поверхностей линзы
соответственно; /пз — расстояние между ними; п — показатель прелом-
ления заключенной между ними среды.
Одной из самых совершенных оптических систем является глаз человека (рис.
5.32, «), состоящий из двух линз — роговицы и хрусталика, которые разделены слоем
так называемой водянистой влаги. Пространство изображений совпадает с сетчаткой
глаза, на которой образуется действительное перевернутое изображение. Наивысшая
острота зрения при дневном освещении достигается в области сетчатки, называемой
центральной ямкой. В центральной ямке находится желтое пятно, где концентрация
цветовых рецепторов максимальна. Хрусталик является двояковыпуклой линзой (ра-
диусы поверхностей в спокойном состоянии составляют 10 и 6 мм). Заднее фокусное
расстояние в процессе работы изменяется на 20 %, варьируя тем самым оптическую
силу глаза. Это свойство глаза получило название аккомодации. Объемом (силой)
аккомодации называют величину, равную расстоянию между ближней и дальней точ-
ками ясного зрения. Объем аккомодации приблизительно составляет 11 дптр и зави-
сит от возраста человека. К 50 годам он уменьшается до 2,5 дптр.
Оптическая сила глаза составляет примерно 59 дптр. При его напряжении про-
исходит изменение фокусных расстояний хрусталика и оптическая сила возрастает
до 70 дптр Нормальный глаз называется эмметропическим, в этом случае плоскость
изображений находится на сетчатке. Близорукость (миопия) возникает тогда, когда
задний фокус глаза оказывается перед сетчаткой, дальнозоркость (гиперметропия)
— если за ней. Для нормализации близорукого глаза необходимо уменьшить его
оптическую силу, для чего к глазу приставляют отрицательную линзу, оптическая
сила которой приводит задний фокус на сетчатку. Глаз без хрусталика (афакиче-
скии) требует для восстановления оптической силы компенсационной очковой лин-
зы силой 11... 14 дптр I лаз как линзовая система может иметь и другие дефекты.
Например, различие оптической силы глаза в разных направлениях приводит к ас-
тигма1изму, который проявляется в том, что изображения двух взаимно перпенди-
кулярных прямых не получаются одинаково резкими.
Упрощенная оптическая схема глаза (по Гульстранду) и ход лучей в ней
представлены на рис. 5.32, б. В схеме выделяют переднюю // и заднюю Н' главные
точки, расположенные на расстоянии 1,35 и 1,6 мм от полюса роговицы, и
переднюю W и заднюю N' узловые точки на расстоянии 7,05 и 7,3 мм соответст-
венно. Переднее фокусное расстояние равно 17,05 мм, заднее 22,78 мм.
Главными характеристиками оптической системы являются: масштаб
изображения, светосила, поле зрения и разрешающая способность.
Масштаб изображения р есть отношение размера изображения /и к раз-
меру предмета Zn:
₽ = 4А-
226
5.4. Оптические локационные системы
Это выражение справедливо, если расстояние до предмета не превышает
фокусное (например, в микроскопах); в противном случае Р находят как от-
ношение фокусного расстояния системы к расстоянию до объекта.
Светосилой Sp называется отношение освещенности Зи изображения,
создаваемой данной оптической системой, к яркости предмета Уп:
5/г = Зи/Гп-
Рис. 5.32. Глаз (а) и его оптическая схема (б):
/ — склера; 2 — роговица; 3 — зрачок; 4 — оптическая ось; 5 — передняя камера; 6 —
радужная оболочка; 7 — хрусталик; 8 — стекловидное тело; 9 — сетчатка; 10 — желтое
пятно; 11 — слепое пятно
Обычно яркость предмета принимают постоянной. Тогда освещенность
изображения 5И (отношение светового потока, прошедшего через линзы, к
площади изображения) и будет являться параметром, определяющим
светосилу оптической системы. Яркость изображения Y связана с яркостью
предмета Уп соотношением:
Y = к (—1 У
1 пр 2 п ’
\п2 У
где &пр— коэффициент пропускания света.
8*
227
5 Локационные информационные системы
Рис. 5.33. Апертура оптической системы.
/ — объект; 2 — входной зрачок; 3 — диафраг-
ма, 4 — выходной зрачок, 5 — изображение
Угловым полем (полем зре-
ния) называется та часть про-
странства предметов, которая
видна или изображается с помо-
5 щью данной оптической систе-
мы. Поле зрения определяется
апертурой — действующим от-
верстием оптической системы,
зависящим от размеров линз и
диафрагмы (рис. 5.33). Апертура
характеризует яркость изображе-
ния, образуемого в фокальной
плоскости. Ее можно изменять,
варьируя диаметр так называемо-
го входного зрачка (со стороны
пространства предметов) с помощью ирисовой диафрагмы. Выходной зра-
чок образуется с задней стороны оптической системы (со стороны про-
странства изображений). Диафрагмой глаза, изменяющей размер зрачка в
пределах 1,5...8 мм, является его радужная оболочка. Диафрагма, проходя-
щая через точку пересечения главного луча с оптической осью (в системе с
одной линзой она является ее оправой), называется апертурной. Ее изобра-
жением в пространстве предметов и изображений является входной и вы-
ходной зрачок соответственно.
В расчетах чаще всего используют угловую апертуру, под которой по-
нимают угол между точкой предмета на оптической оси и диаметром
входного зрачка или угол уи между изображающей точкой на оптической
оси и диаметром выходного зрачка (см. рис. 5.33)
Обычно угловое поле оценивают через угол, под которым в оптической
системе изображение получается резким. Например, угловое поле проекци-
онных объективов составляет около 60 . Человеческий глаз имеет большое
угловое поле — около 125 по вертикали и 150 по горизонтали, однако об-
ласть резкого фотопического зрения, ограниченная желтым пятном, не пре-
вышает у него 5...7 (см. рис. 5.32, а). Угол восприятия стереоизображения у
человека составляет 60...70 .
Разрешающая способность связана со свойством оптической системы
получать контрастное изображение, т. е. воспроизводить раздельно две точ-
ки. Ее также можно определить в угловых и линейных единицах. Угловую
разрешающую способность крр вычисляют по формуле Рэлея:
sin \i/n ~ -—Xf,
Yp (I
UBX
где JBX — диаметр входного зрачка.
Линейную разрешающую способность Кр определяют с помощью тсст-
объектов, называемых мирами. Различают штриховые миры (миры Фуко) и
228
5 4. Оптические локационные системы
радиальные. Штриховая мира указывает число линий на миллиметр самой
мелкой черно-белой линейной диаграммы, которая может быть ясно зафик-
сирована в пространстве изображений данной оптической системой. В робо-
тотехнике разрешающая способность Кр оптических систем достигает
100 линий на 1 мм. Разрешающая способность глаза зависит от диаметра его
зрачка (1,5...8 мм) и растет с увеличением последнего. Она максимальна при
освещенности S около 50 лк и длины волны излучения X = 0,55 мкм. В сред-
нем ур составляет 1', однако может достигать и 10".
5.4.3. Элементы и схемы оптических локационных систем
В настоящее время в системах навигации, как правило, используют оп-
тронные ОЛС для ближнего и лазерные ОЛС для дальнего радиуса дейст-
вия. Информативным параметром является амплитуда регистрируемого
приемником ОЛС сигнала, зависящая от оптических свойств объекта, в том
числе от его яркости. Для системы, работающей в отраженном свете, уро-
вень принимаемого сигнала пропорционален отражающей способности объ-
екта, определяемой его коэффициентом отражения А'отр. Следовательно,
сигнал от объекта с большей отражающей способностью, будет выше. На-
пример, белый объект будет казаться ближе черного.
Датчики оптронных ОЛС строятся на основе твердотелы них фотоопти-
ческих преобразователей (например, оптронной пары светодиод - фотоде-
тектор с открытым оптическим каналом), работающих, как правило, в ин-
фракрасном диапазоне. Качество обнаружения (детектирования) определя-
ется следующими параметрами: мощностью и направленностью излучения,
спектральной характеристикой первичных преобразователей (излучающего
диода на стороне излучателя и фотодетектора на стороне приемника) и
свойствами отражающей поверхности объекта.
Излучатели и приемники ОЛС состоят из двух основных функциональ-
ных блоков: первичного преобразователя и оптической системы.
Первичные преобразователи оптронных ОЛС строятся по тем же схемам,
что и преобразователи оптических датчиков положения. Как правило, для
излучения света применяют полупроводниковые светодиоды. Их изготавли-
вают на базе фосфида и арсенида галлия (обеспечивая при этом КПД до
25 %) или карбида кремния. В оптических системах для приема светового
сигнала чаще всего используются матрицы фотоэлементов (фотодиодов или
фототранзисторов), обладающие высокой чувствительностью и линейной
функцией преобразования. Обычно матрицы имеют прямоугольную форму,
а их размер характеризуется форматом — параметром, соответствующим
диаметру эквивалентного по площади круглого фотоприемника. Промыш-
ленно выпускаемые фотоматрицы имеют формат 1/2, 1/3 или 1/4 дюйма. В
некоторых случаях в качестве приемников света применяют фотоумножите-
ли с малыми значениями темнового тока (около 0,1 мкА) и постоянной вре-
_7
мен и (до 10 мкс).
229
5. Локационные информационные системы
Оптическая система, входящая в состав излучателей и приемников оп-
тронпых ОЛС, предназначена для формирования направленного светового
потока и получения изображения объекта. Ее, как правило, строят по схеме
объектив — конденсор.
Объективом1 называется ближняя к объекту линза (или система линз),
дающая его обратное действительное изображение. Изображение объекта
формируется объективом в области анализатора, оправой которого является
диафрагма. Конденсор, расположенный за анализатором, переносит изобра-
жение в плоскость чувствительного слоя фотоприемника.
Современный объектив характеризуется фокусным расстоянием f
(1... IО ООО мм), угловым полем \|/и (до 170°), светосилой Sy, относительным
отверстием гож = Jnx/f или диафрагменным числом N = 1/готн.
Объектив использую г как в излучателях, так и в приемниках ОЛС. Его
важнейшая характеристика — фокусное расстояние характеризует угловое
поле. В зависимости от фокусного расстояния различают корожофокусныс,
нормальные и длиннофокусные объективы. Чем меньше фокусное расстоя-
ние, тем больше зона обзора, поэтому короткофокусные объективы называ-
ют также широкоугольными. Хотя угловое поле таких объективов достигает
о
170 , разрешающая способность их невысока. Для нормальных объективов
характерно угловое поле \|/и = 45...60°, а для длиннофокусных (телеобъек-
тивов) — 5 ..30°. Следовательно, для каждой конкретной задачи необходи-
мо подбирать объектив с требуемым фокусным расстоянием. Иногда в ос-
нову разделения объективов по фокусному расстоянию положен параметр
к(> равный отношению фокусного расстояния к диагонали изображения.
Объективы с kf <0,9 относятся к короткофокусным, ас >1,5— длинно-
фокусным. Таким образом, короткофокусные объективы позволяют увидеть
большую зону, чем длиннофокусные, но с меньшими подробностями.
Качество объектива определяется всеми образующими его элементами.
При этом каждой линзе объектива свойственна аберрация — нелинейное
искажение изображения, обусловленное отклонением свойств реальной лин-
зы от идеальной. Выделяют три основные причины аберрации:
1) невозможность отображения одной точки объекта в одну точку изо-
бражения при использовании линз со сферическими поверхностями;
2) зависимость положения фокальной точки от длины волны света;
3) зависимость оптических искажений от апертуры оптической системы.
Частичная компенсация аберраций достигается в объективах с несколь-
кими линзами, например склеенными или выполненными из разных мате-
риалов (рис. 5.34), а также применением зеркальных систем, как в фотообъ-
Появленис объектива датируется 1840 г., когда венский оптик Й. Петцваль рассчитал
первый прибор, который затем использовал для получения портретных изображений. Его
объектив был четырехлинзовым, линзы имели большие размеры и были выполнены из двух
сортов стекла
230
5.4 Оптические локационные системы
ективах . Считается, что при малых значениях
относительного отверстия и углового поля
(готн < 1:12, \|/и < 5°) аберрации практически
отсутствуют. Такие объективы используют в
качестве тестовых.
Допустимое значение аберраций достига-
ется в объективах, параметры которых связа-
ны эмпирической зависимостью
Рис. 5.34. Схема симметрич-
ного объектива Гаусса:
1 — выпуклая линза; 2 — выпук-
лый мениск; 3 — вогнутый ме-
ниск; 4 — двояковыпуклая линза;
5 — вогнутая линза
dBXtg^^yl=O,24...O,5O.
Яркость изображения Y пропорциональна
квадрату светосилы объектива, которая, в
свою очередь, зависит от относительного от-
верстия объектива. Светосила объектива оп-
ределяется выражением
с — г~ ъ
F 'отн^пр-
Как правило, готн<1. Поэтому для увеличения светосилы повышают
коэффициент пропускания света, для чего в большинстве современных
объективов используют специальные фильтры с центральным пятном.
Распространенной оценкой светосилы является диафрагменное (апер-
турное) число N. Его значение указывают на тубусе объектива непосредст-
венно или косвенно. Например, маркировка EF85mm f/1,2 L означает, что
N= 1,2, т. е. f = 1,2 JBX. Яркость изображения У обратно пропорциональна
квадрату числа /V, т. е. изображение становится темнее по мере увеличения
Л/. Для учета этого факта при маркировке объектива на его тубусе вместо
диафрагменного числа Л/ указывают эффективное диафрагменное число
Допустимые значения обычно выбирают из ряда предпочтительных
значений, отличающихся между собой на множитель, равный х/2: 1,0; 1,4;
2,0; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32 ... Таким образом учитывают тот факт, что
при каждой последующей установке диафрагмы наполовину уменьшается
количество света, проходящего через объектив, а значит, наполовину со-
кращается яркость изображения. Заметим, что в современных камерах с
электронным управлением и индикацией значение множителя ряда равно
1/2 или 1/3.
Используемые в современной фотографии оптические системы, состоящие из несколь-
ких линз, получили название «объектив-анастигмат». В частности, известная модель «Инду-
стар» содержит четыре линзы, две из которых простые, а две склеенные.
231
5. Локационные информационные системы
Диафрагменное число определяет также разрешающую способность и
глубину резкости объектива. Для нахождения линейной разрешающей спо-
собности Кр существует следующая эмпирическая зависимость:
Kp=1473/N.
Всем объективам свойственны определенные аберрации, в частности ас-
тигматизм, поэтому они не могут идеально сводить лучи от точки объекта
(т. е. образовывать точку изображения с нулевой площадью). На поверхно-
сти фотоприемника изображение образуется совокупностью светочувстви-
тельных точек, имеющих конечные размеры. Поскольку изображение ста-
новится менее резким при увеличении размеров этих точек, они получили
название кругов нерсзкости (рис. 5.35). Максимально допустимый диаметр
круга нерсзкости JHp для объектива с фокусным расстоянием 35 мм не
должен превышать 1/1000... 1/1500 характерного размера фотоприемника
(обычно диагонали матрицы). В объективах с электронной фокусировкой
минимальный круг нерсзкости не превышает 0,035 мм.
Рис. 5.35. Определение глубины резкости объектива
Глубина резкости fy выражается через расстояние вдоль оптической оси
между точками пространства предметов, определяющими границы резкого
изображения. Другими словами, это область перед и позади объекта, где
размытость изображения в плоскости фотоприемника находится в пределах
допустимого крута нерсзкости. Глубина резкости зависит от фокусного рас-
стояния f объектива, апертуры (диафрагменного числа N), расстояния I до
объекта и минимального диаметра круга нсрезкости Jxap. Обозначив К =
= rfxap /V/, получим
Из этой зависимости можно сделать следующие выводы:
1) глубина резкости на малых фокусных расстояниях больше, чем на
больших;
2) чем более открыта диафрагма (меньше диафрагменное число), тем
меньше глубина резкости;
232
5 4. Оптические локационные системы
3) глубина резкости больше при съемке удаленных предметов, чем близ-
ко расположенных
Промышленность выпускает объективы с фокусными расстояниями
50... 1200 мм и относительными отверстиями 1:2,8... 1:9 (табл. 5.8). Широ-
кое распространение получили объективы с переменным фокусным рас-
стоянием — вариообъективы (трансфокаторы или ZOOM), позволяющие
изменять фокусное расстояние в десятки раз.
Таблица 5 8
Параметры некоторых промышленных объективов
Модель Тип ГОТ11 /, мм Ую град ли- ний/мм Размеры, мм т, кг
d /
Мир-20М (Россия) Короткофокус- ный (широкоуголь- ный) 1:3,5 20 96 50 92 68 0,47
Minolta AF-16 (Франция) » 1:2,8 16 180 65 75 66 0,4
OKC2-I5-1 (Россия) Нормальный 1:2,8 15 46 65 23 27 0,11
Гелиос-40-2 (Россия) Длиннофокус- ный (светосильный) 1:1,5 85 28 36 82 ПО 0,95
МСЗМ 7К (Россия) Д шннофо- кусный 1:5,6 300 8 40 67 81 0,47
Вариогоир-12Т (Россия) Вариообъектив 1:3,5 11,8 ..180 5 72 40 95 230 2,2
Canon EF17- 35 (Япония) » 1:2,8 17...35 63. 104 70 83 96 0,55
Важным элементом оптической системы является конденсор, используе-
мый как в излучателях, так и в приемниках ОЛС. В первом случае конденсор
служит для равномерного освещения объекта, во втором — дня
получения действительного изображения объекта на удаленном фотоприем-
никс. Частным случаем конденсора является коллиматор, формирующий па-
раллельный световой пучок. В излучателе конденсор устанавливается перед
объективом, в приемнике — после него, т. с. во всех случаях ближе к плоско-
сти изображений. Конструкция конденсора зависит от апертуры оптической
системы. Простейший конденсор представляет собой плосковы-пуклую лин-
зу, плоская поверхность которой направлена в сторону источника света (для
излучателя) или изображения (для приемника). Конденсоры с более сложны-
о
ми схемами используют при уи > 30 , они содержат 2 — 3 линзы.
233
5. Локационные информационные системы
В робототехнике при расчете ОЛС необходимо, во-первых, выбрать об-
ласть наблюдения, во-вторых, определить разрешающую способность и,
в-третьих, найти способ компенсации изменения освещенности. Первые два
требования обеспечивают выбором надлежащего углового поля, которое
может изменяться от нескольких градусов (в случае концентрации внимания
на удаленном объекте) до 180 при обзоре большой территории. Зная угло-
вое поле, находят фокусное расстояние оптической системы.
Проще всего рассчитать фокусное расстояние оптической системы, если
заранее известны размеры и расстояние х$ до объекта наблюдения. Тогда
^"^ВИ^б^ВП И f — ^ги^О^гп,
где /ви,/ги— вертикальный и горизонтальный размеры изображения на
фотоприсмникс соответственно; /вп, /гп — вертикальный и горизонтальный
размеры объекта соответственно. Обычно под /ви и /ги понимают верти-
кальный и горизонтальный размеры матрицы фотоэлементов. Так, для
матрицы форматом 1/3 дюйма /ви = 3,6 мм, /ги = 4,8 мм, для матрицы фор-
матом 1/4 дюйма соответственно 2,4 и 3,2 мм.
В устройствах видеонаблюдения в зависимости от углового поля исполь-
зуют объективы с фокусным расстоянием 2,8... 12 мм и более. Так, при об-
зоре участка длиной 20 м с расстояния 40 м с помощью матрицы фотоэле-
ментов форматом 1/3 дюйма необходим объектив с фокусным расстоянием
f = 4,8 х 40/20 = 9,6 мм. Для изменения углового поля применяют трансфо-
каторы. В установленных в помещении устройствах видеонаблюдения ис-
пользуют объективы с ручной диафрагмой и без диафрагмы (так называе-
мые Pin hole), а в размещенных на улице — объективы с автоматической
диафрагмой (табл. 5.9).
Таблица 5.9
Основные параметры объективов для устройств видеонаблюдения
Модель Тип f, мм готн Фи. град Кр, ли- ний/мм Размеры, мм
d 1
ЛТВ-13 (Россия) С вынесенной диафрагмой 4,9 1:2,5 76 88 12 10
ЛТВ-15 (Россия) То же 3,1 1:2,6 117 93 12 6,8
SKB-9210 (Корея) Без диафрагмы 3,6 1:1,6 92 68 12 28
SE-2514 (Лиония) С ручной диафрагмой 25 1: 1,4 75 87 12 4,5
TG-O8I2AFC (Япония) С автоматиче- ской диафрагмой 8 1:1,4 85 76 12 12,5
SLA-854 (Корея) То же 8,5...68 1:1,4 Н.д. Н.д. 53 НО
234
г
5.4 Оптические локационные системы
Оптронные ОЛС чаще всего
используют в системах безо-
пасности релейного типа. Разли-
чают дискретную и матричную
схемы стройных датчиков.
Классическая дискретная схема
датчика фирмы АЕСО содержит
первичный оптроштый преобра-
зователь в виде светодиода и фо-
тотранзистора, объединенных в
едином корпусе. Линзы конден-
сора предварительно сфокусиро-
ваны в точку, удаленную от дат-
Рис. 5.36. Электрическая схема дискретного
оптического датчика фирмы АЕСО
чика на расстояние 0,5... 1,5 м При нахождении в зоне действия датчика по-
стороннего предмета отраженный от него сигнал воспринимается фототран-
зистором и подается на компаратор (рис. 5.36). Быстродействие такого датчи-
ка достигает 0,5 мс при мощности излучения не выше 0,05 Вт. Диапазон сра-
батывания настраивается фокусировкой оптической системы. Недостатком
схемы является невысокая дальность действия, а также чувствительность к
помехам и отражающим характеристикам препятствия. Для повышения по-
мехоустойчивости в условиях световых засветок используют оптические
фильтры, оставляющие в оптическом диапазоне только инфракрасную об-
ласть, а также ИМ оптического излучения с последующим синхронным де-
тектированием отраженного сигнала.
Большей дальностью (до 20 м) обладают датчики, работающие в прохо-
дящем свете и включающие оптическую систему объектив—конденсор, а
также узкополосный инфракрасный оптический фильтр на стороне прием-
ника.
В робототехнике оптронные ОЛС используют очень широко не только в
дискретном, но и непрерывном режимах, обеспечивая при этом достаточно
высокую точность измерений. Например, абсолютная погрешность ОЛС
фирмы Dolan-Jenner (США) составляет ± 15 мкм, а ОЛС фирм Keyence
(Япония) и Balluff (Германия) — ±5 мкм при измерении расстояний в диа-
пазоне от 0 до ± 1 мм. Быстродействие этих систем достигает 2 мс.
Функция преобразования ОЛС нелинейна, поэтому ее датчики обычно
калибруют на некоторую эффективную дальность, относительно которой и
регламентируют все ее метрологические характеристики. Для расширения
температурного диапазона работы (от 0 до 250 С) в современных модифи-
кациях оптронных датчиков малых расстояний используют свстоволокон-
ныс каналы передачи данных. Дискретные бинарные датчики применяют
также в оптических системах идентификации (Smart-картах).
Матричная схема оптронных датчиков предназначена для обнаружения
предметов, поверхность которых имеет переменный коэффициент отраже-
ния, и предполагает применение массива фотодетекторов в виде полупро-
водниковой матрицы или линейки. Такие схемы используют также в задачах
наведения, когда несколько дифференциально включенных фотоэлементов
235
5. Локационные информационные системы
устанавливают, например, на пальцах захватного устройства робота. В этом
случае сигнал позиционирования формируется в виде разности сигналов
фотоэлементов с противоположных пальцев. Такая ОЛС, содержащая две
пары фотоэлементов, была разработана в Токийском технологическом ин-
ституте для транспортного робота. Система позволяет определить не только
расстояние до объекта, ио и его координаты.
Промышленно выпускаемые оптронныс дальномеры измеряют расстоя-
ния до 100 мм с погрешностью около 1 %, причем время измерения не пре-
вышает 4 мс. Для увеличения радиуса действия до 10 м используют оптиче-
ские отражатели.
5.4.4. Лазерные оптические локационные системы
Самым мощным и точным средством дистанционного обнаружения и
распознавания обьектов является ОЛС на базе оптического квантового ге-
нератора — лазера, позволяющего обнаруживать предметы на расстоянии
свыше 100 м.
Впервые идея усиления электромагнитных волн за счет вынужденного излучения
или инициирования самовозбуждающихся колебаний была предложена В, Фабрикан-
том и Д. Вебером в 1951 г., а реализована в 1954 г. Изготовленный Д. Гордоном,
X. Цангером и Ч. Таунсом прибор, работавший в диапазоне сантиметровых волн, по-
лучил название мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) В
качестве активной среды использовали аммиак. Идея о переводе излучения в види-
мый диапазон, предложенная в 1959 г. А. Джаваном, Н. Басовым и др., привела к по-
явлению первых лазеров — сначала твердотельного рубинового (в I960 г. Т. Меима-
ном), а затем газового гелиево-неонового (в 1961 г. А. Джаваном, В. Беннетом и
Д. Эрриотом). За работы в этой области несколько человек были удостоены Нобелев-
ской премии, в том числе советские физики Н. Басов и А. Прохоров
В основе работы лазера лежит свойство системы возбужденных атомов
или молекул под действием внешнего электромагнитного излучения соответ-
ствующей частоты совершать вынужденные квантовые переходы и усиливать
это излучение. Система возбужденных атомов (активная среда) способна уси-
ливать падающее излучение, если она находится в состоянии с так называемой
инверсией населенностей, когда число атомов на возбужденном энергетиче-
ском уровне превышает число атомов на нижерасположенном уровне.
Для создания в активной среде инверсии населенностей применяют спе-
циальные методы, например накачку оптическим генератором (лампой-
вспышкой или другим источником). При многократном прохождении уси-
ливаемого излучения между зеркалами оптического резонатора формирует-
ся мощный когерентный поток электромагнитного излучения оптического
диапазона, направленный перпендикулярно плоскости зеркал. Обычно из-
лучение выводится наружу через одно из зеркал, которое делают частично
прозрачным
Схема простейшего лазерного излучателя, состоящего из активной сре-
ды, в которой формируется лазерный луч, резонатора в виде системы зеркал
и системы возбуждения (накачки), представлена на рис. 5.37.
236
5.4. Оптические локационные системы
Рассмотрим основные типы лазе-
ров. Их подразделяют по следующим
признакам.
1. Но типу активной среды — га-
зовые, жидкостные и твердотельные,
в том числе полупроводниковые. Га-
зовые, у которых активной средой
является, например, Не—No или
СО2—N2, обладают наивысшим К11Д
и мощностью непрерывного излуче-
ния среди всех лазеров. Так, у лазера
на основе СО2—N2 с длиной волны
X = 10,6 мкм и КПД около 30 % она
4
достигает 2-10 Вт. Жидкостные ла-
Рис. 537. Схема лазерного излучателя:
/ — корпус, 2 — активная среда, 3 —
оптический генератор, 4 — зеркальные
слои; 5 — источник энергии
зеры в робототехнике не применяют. Твердотельные лазеры, использующие в
качестве активной среды оптические монокристаллы и стекла, обладают наи-
высшей пиковой мощностью излучения. В частности, для рубинового лазера с
длиной волны X = 0,6943 мкм она достигает 109 Вт в импульсе длительно-
стью 30 нс. Что касается полупроводниковых лазеров, самых миниатюрных и
маломощных, то именно они в последние годы получили наибольшее приме-
нение в робототехнике и мехатронике. В большинстве схем активной средой
является система Ga—Al—As.
2. Но режиму излучения — непрерывные, однократные и импульсные.
3. По диаграмме направленности — лучевые (гелиево-неоновые, руби-
новые и другие с углом диаграммы направленности < 0,01°) и секторные
(полупроводниковые с углом диаграммы направленности 1...40°).
4 По мощности излучения — малой, средней и пиковой мощности. В за-
дачах локации обычно применяют лазеры малой и средней мощности (по-
лупроводниковые и жидкостные с мощностью излучения 10~4...500 Вт).
Лазеры большой и пиковой мощности используют в специальных задачах.
Например, рубиновый спектроскоп в импульсе длительностью 100 пс разви-
9
ваег мощность до 2 • 10 Вт.
В зависимости от типа лазера длина волны излучения изменяется от
10 4 до 0,8 мм, мощность — от 10 6 до 10° Вт, энергия в импульсе — от 0,1
до 106 Дж.
В последнее время получены очень высокие энергетические характери-
стики лазерных установок. Так, достигнута интенсивность излучения
10 Вт/м . При такой интенсивности напряженность электрического поля
14
составляет 10 В м, что па два порядка сильнее поля протона. Однако дли-
тельность такого излучения очень мала и не превышает фемтосекунды
237
5. Локационные информационные системы
(10 15 с). Указанные обстоятельства позволили разработать лазеры, излу-
чающие в рентгеновском (разеры) и у-диапазоне (гразсры). Длительность
_|О
импульсов при этом составляет аттосекунды (10 с).
Наиболее распространенным применением лазеров в локации являются
дальномеры. Промышленно выпускаются твердотельные импульсные ла-
зерные дальномеры на основе алюмоиттрисвого граната с неодимом. Прин-
цип действия прибора основан на измерении временного интервала т между
приемным и опорным импульсами. Схема такого дальномера, прсдиазна-
ченного для измерения расстояний от 1 до 30 км в телесном угле 60°, пред-
ставлена па рис. 5.38. Длительность импульсов варьируется от 10~15до
10 с, а энергия в импульсе — от 0,01 до 10 Дж. Поскольку лазерные даль-
номеры обладают очень узкой диаграммой направленности (ширина главно-
о
го максимума нс превышает 0,05 ), относительная погрешность приборов
о
достигает 10 %). Использую гея такие дальномеры преимущественно в
военном деле.
Рис. 5.38. Схема импульсного сканирующего дальномера фирмы Leico
Наряду с твердотельными лазерами в дальномерах также применяют га-
зовые инфракрасные лазеры с активной средой из Аг, Не—Ne и СО2, имею-
щие высокий КПД, низкую чувствительность к фоновым излучениям и сла-
бое затухание сигнала в воздушной среде.
При работе лазерного импульсного дальномера большая часть энергии
излучения посылается в среду в виде короткого импульса и лишь малая ее
часть непосредственно подводится к приемнику, создавая опорный (маркер-
ный) импульс. Этот импульс запускает измеритель временного интервала.
Через некоторое время т = 2х$!с отраженный импульс достигает приемника
и после усиления и фильтрации останавливает счетчик измерителя времен-
ного интервала.
238
5.4. Оптические локационные системы
Высокая частота и монохроматичность излучения позволили создать вы-
сокоточные системы наведения и позиционирования. Лазерная головка яв-
ляется важной частью таких систем, используемых как в специальных зада-
чах, так и в промышленности. Характерным примером является система по-
зиционирования лазерной головки в приводах оптических дисков.
В большинстве конструкций головка содержит лазерный диод мощностью
2... 10 мВт, оптическую схему для фокусировки и управления положением фо-
кального пятна, а также фотоприемники. Малое по размеру фокальное пятно
используется для перемещения головки по дорожке оптического диска, а так-
же для точного поддержания заданного расстояния между ним и фокусирую-
щей линзой. Это обеспечивается системой автофокусировки, которая позво-
ляет отслеживать осевые биения диска в допускаемых пределах (± 0,5 мм).
Глубина резкости hi лазерной головки определяется зависимостью:
. + Х
hl = ±-----Г’
2(М)2
где NA — безразмерная величина, используемая для выражения разре-
шающей способности высокоточных оптических систем, или числовая
anepiypa, NA = I/(2/V). Как правило, NA < 1. Для лазера с X = 0,635 мкм и
NA = 0,6 получаем = 0,88 мкм. Степень расфокусировки при такой
глубине резкости и допустимом изгибе диска 0,5 мм составит около 600.
Оптическая схема головки наведения работает следующим образом. Из-
лучение лазера проходит через коллиматор, линейно поляризуется призмой
(расщепителем), проходит сквозь четвертьволновой фильтр и отражается от
поверхности оптического диска (рис. 5.39, а). При прохождении через чет-
вертьволновой фильтр в обратном направлении характер распространения
излучения лазера изменяется — на расщепитель попадет излучение с пер-
пендикулярной поляризацией по отношению к исходной, которое уже нс
проходит сквозь призму, а отражается сю на фотоприемник в виде линейки
из четырех фотодиодов.
В основе автофокусировки лежит метод Фуко (подобные схемы приме-
няют в системах автоматического наведения на резкость в телекамерах).
При начальной настройке оптической системы фотоприемпик располагают
таким образом, чтобы граница (контур) фокального пятна располагалась
между наружными и внутренними фотодиодами (рис. 5.39, б). В этом случае
сигналы со всех фотодиодов, а следовательно, и выходной сигнал £/вых
равны (рис. 5.39, д). Если плоскость наведения приближается к фокусирую-
щей линзе (рис. 5.39, в), то фокальное пятно увеличивается, его граница
фиксируется наружными фотодиодами и сигнал [/вых становится отрица-
тельным. При удалении плоскости наведения фокальное пятно уменьшает-
ся, его граница фиксируется внутренними фотодиодами (рис. 5.39, г) и (7ВЬ1Х
становится положительным. Лазерная головка перемещается к плоскости
наведения или от нее в зависимости от знака сигнала LL. .
239
5 Локационные информационные системы
Рис. 5.39. Лазерная головка:
а — оптическая система: 1 — лазерный диод; 2 — коллиматоры, 3 — поляризующая призма:
4 — четвертьволновой фильтр; 5 — фокусирующая линза; 6 — плоскость наведения; 7 —
фотоприемник; 8 — границы фокального пятна; б—г — принцип автофокусировки, д — схе-
ма формирования сигнала управления
Разрешающая способность оптической системы определяется диаметром
фокального пятна:
<7ф=Х/(2Ш.
Из этой зависимости следует, что для повышения разрешающей способно-
сти необходимо уменьшать длину волны и увеличивать числовую апертуру.
Большинство лазерных диодов излучают инфракрасные волны с X =
= 0,63...0,78 мкм. В конце XX в. были разработаны коротковолновые диоды,
работающие в зеленой и голубой частях спектра1. Что касается апертуры, то
она выше у короткофокусных объективов, однако надежность таких схем ниже
и поэтому в оптических системах выбирают компромиссное значение NA = 0,6.
К лазерным ОЛС специального назначения относятся лазерные микро-
фоны, принятые на вооружение спецслужбами еще в 60-х годах XX в. На-
пример, такие микрофоны регистрируют модулированные колебания вибри-
рующих стекол.
1 Одним из основоположников этих разработок был Нобелевский лауреат 2000 г. русский
физик Ж. Алферов.
240
5.4. Оптические локационные системы
В заключение отметим основные достоинства оптронных и лазерных ОЛС:
малая постоянная времени (до 50 нс), широкий диапазон и высокая точность
измерений, возможность измерения геометрических характеристик движу-
щихся объектов, а также их скоростей, высокая надежность и прочность кон-
струкции. В то же время эти системы нс лишены недостатков, наиболее суще-
ственные из которых — низкая помехозащищенность и чувствительность к
отражающим свойствам объектов, температурная зависимость светового пото-
ка; для оптронных ОЛС также характерна малая оптическая мощность.
В табл. 5.10 дана сравнительная характеристика ОЛС.
Таблица 5.10
Основные параметры ОЛС
Модель Тип Даль- ность, м Быстро- действие, мс е, % Размеры, мм т, кг
d / Ъ h
РФ8422 (Россия) Оптронный. видимого диапазона 6 1 1 53 112 — — 0,2
ДОБЦ-15 (Россия) Оптронный, инфракрас- ного диапа- зона 0.05...8 2 1 8 28 — — 0,3
LS05 (Германия) То же 1 1 0,5 8 20 — — 0,1
МН-10 (Израиль) » 20 Нд. 5 • — 80 60 43 0,4
NRT-39O (Япония) Лазерный, инфракрас- ного диапа- зона 500 Н.д. 0,01 2,5 8 Н.д.
Гранат (Россия) То же 20 000 Н.д. ю-4 — 410 330 330 15
Контрольные вопросы
1. Какими параметрами описывается волновое уравнение?
2. Какой тип модуляции колебаний имеет самый узкий спектр?
3. Можно ли использовать вихретоковый датчик для контроля неферро-
магнитных материалов и диэлектриков?
4. Какой локационный прибор обладает большей разрешающей способ-
ностью — ультразвуковой локатор или электромагнитный радар?
5. Какое колебание имеет линейчатый спектр?
6. От каких параметров зависит расхождение и затухание ультразвуко-
вой волны?
241
5. Локационные информационные системы
7. В каких единицах измеряются яркость и освещенность?
8. Для чего используется конденсор?
9. Какой тип лазерного излучателя обладает наибольшей мощностью?
10. Что такое диафрагма и для чего ее применяют?
6. СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
Человек по визуальному каналу получает более 60 % всей информации,
регулирующей его взаимодействие с внешней средой. От глаз к мозгу пере-
даются сигналы по двум из трех миллионов нервных волокон. Это же спра-
ведливо и для искусственных сенсорных систем: тс из них, которые исполь-
зуют визуальную информацию, обладают наибольшей информативностью.
В классе оптических ЛС особое место занимают СТЗ, относящиеся к группе
бесконтактных пассивных информационных средств. Для большей части
СТЗ характерно отсутствие излучателя. Однако в некоторых случаях, на-
пример в рентгеновских телевизионных системах, излучатель используют.
Функционируют СТЗ в широком диапазоне длин волн электромагнитного
излучения — от 10 “до 10 м, но наибольшее распространение получили
СТЗ, работающие в видимом диапазоне длин волн (0,38...0,78 мкм).
Сейчас в промышленности СТЗ применяют для контроля качества про-
дукции, отслеживания контуров при механической обработке и дуговой
сварке, а также в задачах сборки и монтажа деталей, конвейерной сортиров-
ки, видеонаблюдения и др.
Рынок СТЗ быстро растет. Так, если в 1994 г. в США было выпущено
около 60 тыс. систем со средней стоимостью 20 тыс. долларов, то к началу
XXI в. их производство увеличилось в 3,4 раза. Доля США в мировом про-
изводстве СТЗ составляет около 40 %, Японии и Франции — по 15 %, Вели-
кобритании и Германии — по 8 %. Выпуском СТЗ занимаются более 200
крупных фирм.
6.1. Общие сведения
Существенной особенностью СТЗ является необходимость формирова-
ния изображения объекта, которое представляет собой распределение ам-
плитуды его двумерной функции яркости Y(x, у).
Все окружающие предметы поглощают и отражают разное количество
излучения в зависимости от его длины волны, поэтому спектральная отра-
жательная способность каждого объекта распределяется в видимом диапа-
зоне длин волн неравномерно. Это приводит к тому, что поверхность объек-
та воспринимается разноцветной. Неодинаковой будет и амплитуда
отраженного от него сигнала, т. е. его яркость. Разница в средней яркости
соседних структур воспринимается как их контраст. Средняя яркость окру-
-6 2
жающей среды варьируется в широких пределах: от 10 кд/м пасмурной
243
6. Системы технического зрения
ночью и КУ 1 кд/м2 в полнолуние до 107 кд/м2 в солнечный день на снежном
поле. Человек способен достаточно уверенно ориентироваться в этом диапа-
зоне значений яркости, однако для зрения свойственна адаптация к освеще-
нию, поэтому при постоянном освещении воспринимаемые им значения яр-
кости могут изменяться нс более чем на два порядка.
Обработка визуальной информации об окружающей среде как в живых,
так и в технических системах заключается в получении изображения рабо-
чей сцены и формировании последующего ее описания. Описание должно, с
одной стороны, содержать всю существенную информацию о рабочей сцене,
а с другой — обеспечивать обработку ее изображения за необходимое вре-
мя. Поэтому при описании сцены происходит частичное выделение сущест-
венной информации при некоторой потере общей. Баланс этих двух проце-
дур является важнейшей задачей СТЗ.
Под распознаванием образов будем понимать процесс, при котором на
основании многочисленных характеристик (признаков) некоторого объекта
определяется одна или несколько наиболее существенных, но недоступных
для непосредственного определения его характеристик, в частности принад-
лежность к определенному классу объектов. Данное определение использу-
ют в задачах искусственного интеллекта при анализе любого сложного изо-
бражения, когда отсутствует ограничение по времени обработки данных.
Робототехнические системы обычно функционируют в реальном масштабе
времени. Это требует разрешения классического противоречия между быст-
родействием информационной системы и объемом ее памяти. В этом смыс-
ле далеко не все задачи распознавания являются доступными. Например,
распознавание сложных трехмерных образов требует очень высокой произ-
водительности системы (миллионы операций в секунду). Поэтому напрямую
такие задачи в робототехнике нс решают. Традиционным путем здесь явля-
ется конкретизация начальных условий, позволяющая упростить алгоритмы
распознавания. В частности, в большинстве случаев ограничиваются пло-
ским изображением объекта. Если требуется восстановить его форму, ис-
пользуют несколько изображений, на которых видны все точки поверхности
объекта и их взаимное положение. Однако и в этом случае форма объекта
может оказаться недоступной для непосредственного рассмотрения. Поэто-
му различают два класса объектов: объекты, все точки которых можно уви-
деть под определенным углом зрения, и объекты, некоторые точки которых
нельзя рассмотреть независимо от угла зрения. Так, полное описание вы-
пуклого объекта1 можно получить на основании двух его частичных изо-
бражений, например при использовании двух датчиков с правильно выбран-
ным направлением съемки.
Способ расположения датчика в СТЗ зависит от того, необходима ли
информация о рельефе объектов. Один двумерный неподвижный датчик та-
кую информацию дать нс может, поэтому в состав СТЗ вводят либо не-
Под выпуклым понимается объект, для которого касательная плоскость в любой точке
его поверхности не разрезает эту поверхность.
244
6.1. Общие сведения
сколько двумерных датчиков, либо сканер — подвижный двумерный дат-
чик. (Двумерное изображение от одномерного датчика получают сканиро-
ванием рабочей сцены.)
В общем случае поверхность реального объекта сложная и содержит как
выпуклые участки, так и вогнутые. При анализе подобных объектов необхо-
димо выбирать бесконечное множество направлений съемки, покрывающих
телесный угол 4 л. Однако и в этом случае возможны области, недоступные
для наблюдения. Таким образом, даже максимально полное трехмерное
описание объекта может оказаться недостаточным для его адекватного рас-
познавания. Поэтому распознавание образов в СТЗ, как и у человека, осно-
вывается на признаках, полученных при анализе частичных изображений.
По назначению СТЗ условно можно разделить на два класса: прикладные,
предназначенные для обработки простых изображений с заданным быстро-
действием; универсальные, позволяющие анализировать сложные изобра-
жения с использованием принципов искусственного интеллекта1.
Современные СТЗ подразделяют по трем основным признакам: 1) по
сложности решаемых задач — мощные, средние, малые и персональные;
2) по структуре вычислительного процесса — однопроцессорные, много-
процессорные, системы на базе матричного процессора, системы поточной
обработки; 3) но типу первичного преобразователя — одномерные 1D, дву-
мерные 2D, подвижные двумерные K2D и трехмерные 3D.
В настоящее время в зависимости от технической задачи и типа датчи-
ков наибольшее распространение получили 5 вариантов построения СТЗ
(табл 6.1).
Таблица 6.1
Варианты построении СТЗ
№ вари- анта Тип изображения Тип вычислительной структуры Тип датчика
плоское объемное последо- вательная парал- лельная смешан- ная цветной черно- белый
1 + — + — — — +
2 + + — м — + +
3 + — — — МК — +
4 + + — к — — +
5 + + — т — + +
Примечание. Буквами «М», «К», «Т» и «МК» соответственно обозначены
архитектуры на базе матричного и конвейерного процессоров, транспьютера, а так-
же использующие смешанный матрично-конвейерный способ обработки данных.
Первые универсальные СТЗ начали применять в робототехнике в конце 60-х годов
XX в В стенфордском проекте 1968 г. «глаз — рука» СТЗ содержала телекамеру на основе
видикона, устройство полукадрового ввода изображения и ЭВМ типа PDP 6 В 1972 г. в Мас-
сачусетсском технологическом институте была разработана опытная СТЗ для обработки
трехмерных сцен. Родоначальником промышленных СТЗ явилась фирма SRI International
(США), которая в 1975 г. выпустила систему Vision Module, обрабатывающую бинарные
изображения и ставшую прототипом большинства современных СТЗ На основе тех же аппа-
ратно-программных принципов в 1978 г. была построена классическая система VS-IOO фир-
мы Machine Intellcgcnce Corp (США).
245
6. Системы технического зрения
Наиболее распространенной является однопроцессорная структура СТЗ,
построенная на базе персонального компьютера. Системы такого рода
иногда называют персональными или одношинными (рис. 6.1). Более 80 %
эксплуатируемых СТЗ относятся к однопроцессорным. В ряде случаев пред-
варительная обработка изображения осуществляется в них аппаратно, с
помощью специализированных устройств ввода — фреймграбберов. Так бы-
ли организованы, в частности, отечественные системы «Видеоскан» и «Мега-
пиксел». Однопроцессорная структура имеет существенный недостаток —
невозможность обработки сложного (в том числе цветного) изображения в
реальном масштабе времени. Относительно низкое быстродействие этих сис-
тем обусловлено невозможностью распараллеливания вычислений и отсутст-
вием специальной шины для передачи изображений. Наиболее распростра-
ненным путем повышения производительности СТЗ явилась концепция фир-
мы Data Translation (США), предполагающая не только аппаратную фильтра-
цию изображения, но и использование в устройстве ввода программируемых
логических матриц, позволяющих изменять алгоритм обработки в зависимо-
сти от типа и характера изображения. В большинстве случаев СТЗ на базе
персонального компьютера включают в состав системы управления, а ее обу-
чение осуществляет оператор в ручном или полуавтоматическом режиме.
Рис. 6.1. Структура СТЗ на базе персонального компьютера
246
6.1. Общие сведения
В целях уменьшения времени на пересылочные операции из памяти в про-
цессор и обратно потоки информации разделяют, т. с. создают многошинные
структуры. Примером является модель DT-100 фирмы Data Translation. Боль-
шинство таких систем имеют две шины (рис. 6.2, а), по одной из которых пе-
редается видеоинформация (шина изображения), по другой — управляющие
сигналы (шипа управления). Эго позволяет совмещать во времени процесс
управления системой и передачу данных. Для повышения эффективности вы-
числений СТЗ содержит несколько блоков обработки данных (например, од-
нокристальных) БОц ..., БОдг. Каждый блок специализирован на определенный
круг задач, которые решаются параллельно. Общее управление работой сис-
темы осуществляет персональный компьютер (процессор управления). Эта
структура также не лишена недостатков, которые связаны с возможностью
возникновения конфликтов на шинах. Их разрешение требует либо организа-
ции жесткой приоритетной дисциплины обращения к шинам, либо использо-
вания шинного арбитра и диспетчера заданий. Первый способ дает большой
выигрыш по быстродействию, но возможен только для определенного класса
задач, второй позволяет анализировать любые изображения, по его реализация
ведет к временным потерям на их анализ, определение процедур обмена и вы-
дачу текущих задании блокам обработки данных.
Одно из условий эффективной реализации процесса параллельной обра-
ботки — наличие у задачи внутреннего параллелизма, благодаря которому
она может быть разбита на отдельные слабозависимыс части. В общем слу-
чае реализация процесса параллельной обработки требует слишком большо-
го числа вычислительных блоков, поэтому в существующих системах ис-
пользуют смешанный последовательно-параллельный принцип организации
вычислений. Примером многопроцессорной структуры СТЗ является модель
79а фирмы Kawasaki (Япония).
Система на базе матричного процессора осуществляет параллельную об-
работку данных при полной загрузке процессоров (рис. 6.2, 6). Такая струк-
тура, называемая SIMD (Single Instruction Multiple Data), представляет собой
матрицу процессоров, обладающих собственной локальной памятью и ис-
пользующих одно устройство управления. Устройство управления форми-
рует единый поток команд всем подчиненным процессорам, которые одно-
временно выполняют одну и ту же операцию, но со своими данными. Ана-
лиз подобной архитектуры показывает, что для слабозависимых задач она
обеспечивает максимальное быстродействие. Очевидным недостатком СТЗ
на базе матричного процессора является ее высокая стоимость. Среди из-
вестных структур этого типа отметим систему РЕРЕ, применяемую мини-
стерством обороны США для обработки визуальной информации о воздуш-
ной обстановке
Системы на базе конвейерной архитектуры, называемой MISD (Multiple
Instruction Single Data), эффективны при обработке массивов данных за дли-
тельный период времени (рис. 6.2, в). В СТЗ конвейерная (поточная) обработка
используется для массивов с большим числом элементов поля и градаций яр-
кости. Конвейер состоит из последовательности процессоров, каждый из кото-
247
6 Системы технического зрения
рых решает свою группу задач, а конечный результат появляется на выходе
последнего из них. Максимальный эффект достигается в случае, когда на кон-
вейере одновременно находится р задач, где р — длина конвейера. На практи-
ке такая ситуация возможна только на определенном этапе вычислительного
процесса, поскольку после решения своей задачи /-й процессор переходит в
режим ожидания, в то время как конечный результат будет получен только
через р шагов В настоящее время создана конвейерная система PIPE для об-
работки сложных изображений в реальном времени.
в
Рис. 6.2. Архитектуры СТЗ'
а — двухшинная; б — на основе матричного процессора; в — конвейерная
Последним достижением в области построения высокоскоростных сис-
тем параллельной обработки изображений явилось использование транс-
пьютеров. Транспьютерные системы позволяют на одной и той же аппара-
туре формировать различные топологии процессоров («линейка», «кольцо»,
248
6.1 Общие сведения
«дерево», «решетка», «гиперкуб» и др) и различные типы параллельных
архитектур. Для каждой задачи обработки видеоинформации существует
оптимальная топология, обеспечивающая ее эффективное решение. Так, ал
горитмам распознавания и идентификации, характеризующимся сужением
потока данных (от большого массива пиксельных данных к данным на
уровне признаков объекта), соответствует структура «дерево», в основании
которого формируется обобщенное описание объектов кадра.
Некоторые модели СТЗ, реализованные в рамках рассмотренных струк-
тур представлены в табл. 6.2.
Таблица 6.2
Общая характеристика и области применения промышленных СТЗ
Модель Уровень СТЗ Область применения Тип ЭВМ Устройство ввода Размер кадра, элементы
Су be Ikon (США) Высокий Космическая съемка NEC SX-5 Сканер 10 000x10 000
Magiscan (Англия) Средний Биология, медицина IBM 2900 Специальная телекамера 4096x4096
VS-100 (США) Низкий Машинострое- ние, металлургия IPC-610 Промышлен- ная телекамера 1024x1024
Камелот-4 (Россия) » Охранные системы IBM PC Видеокамера 575x767
В робототехнике, как правило, используют достаточно простые СТЗ. В за-
висимости от задачи обработки информации и типа робота наиболее распро-
странены 2D и K2D СТЗ. В первых применяются видеодатчики, формирую-
щие плоскую рабочую сцену, во вторых при сканировании плоской сцены
выделяется трехмерная информация. Типичным решением при построении
системы управления роботов с СТЗ явилась структура главная машина — са-
теллит. Здесь инициализация работы СТЗ осуществляется главной машиной,
в качестве которой обычно выступает управляющая ЭВМ робота Вся обра-
ботка видеоинформации проводится в СТЗ (сателлите), которая затем переда-
ет в главную машину соответствующие данные Чаще всего такими данными
являются характеристики рабочей сцены, координаты конкретных объектов
и т д. Описанная структура системы управления получила название двух-
уровневой: на нижнем уровне проводится обработка сенсорной информации,
а на верхнем — непосредственное управление манипулятором.
Несмотря на свое подчиненное по отношению к главной машине поло-
жение, СТЗ способна решать весьма сложные информационные задачи
249
6. Системы технического зрения
Процесс преобразования информации в СТЗ можно представить в виде шес-
ти основных этапов:
1) ввод (восприятие) информации, т. е. получение изображения рабочей
сцены с помощью датчиков;
2) предварительная обработка изображения с использованием методов
подавления шума;
3) сегментация, т. е. выделение на изображении одного или нескольких
представляющих интерес объектов сцены;
4) описание, т. е. определение характерных параметров (размеров, фор-
мы и т. д.) каждого объекта, необходимых для его выделения на сцене;
5) распознавание, или идентификация, объекта, т. е. установление его
принадлежности к некоторому классу деталей, например к «болтам»;
6) интерпретация, т. е. выявления принадлежности объекта к группе рас-
познаваемых, например: «на сцене есть несколько гаек».
В соответствии с тем, какие этапы преобразования информации реали-
зуются в конкретной системе, ее можно отнести к СТЗ высокого, среднего
или низкого уровня. Так, задачи, решаемые СТЗ низкого уровня, ограничи-
ваются восприятием и предварительной обработкой информации. По мне-
нию К. Фу, подобные задачи можно сравнить с теми, что решает человек,
пытающийся найти свое место в темном зале кинотеатра, куда он попал с
яркой улицы. В СТЗ среднего уровня решаются задачи сегментации, описа-
ния и распознавания отдельных объектов. Алгоритмы, используемые в СТЗ
низкого и среднего уровня, основаны на традиционных подходах к обработ-
ке информации и разработаны достаточно хорошо, в то время как алгорит-
мы СТЗ высокого уровня разработаны в меньшей степени.
6.2. Основы формирования и передачи изображения
На первом этапе преобразования информации в СТЗ происходит непосред-
ственно формирование изображения, т. е. определение яркости У(х, у) и цвета
каждой конкретной его точки. Собственно изображение представляет собой
распределение яркости и цвета объектов сцены в пространственной области, а
его сигнал — развертку этого распределения во времени. Формирование изо-
бражения осуществляют датчиками СТЗ — телевизионными и видеокамерами,
используемыми также для передачи изображения на расстояние.
Первые опытные демонстрации передачи изображения на расстояние были про-
ведены практически одновременно в Англии, США и СССР в 1925—1926 гг. Нача-
ло регулярного телевизионного вещания датируется 1928 г., в СССР — 1931 г. Ос-
новной вклад в технику передачи изображения внесли С KaiaeB (СССР) и двое со-
ветских эмигрантов — В. Зворыкин в СП!А и И. Шоэнберг — в Англии. В качестве
основной идеи было предложено передавать изображение последовательностью
кадров, состоящих из отдельных строк. В первых телевизионных системах кадр
изображения раскладывался на 30 строк с помощью механической системы раз-
вертки Перед второй мировой войной в разных странах испочьзовали разные стан-
дарты разложения кадра на строки, пока в 1943 г в США был принят один из со-
250
6.2. Основы формирования и передачи изображения
временных стандартов разложения изображения на 525 строк и 60 полукадров (по-
лей) в секунду. В Европе в мае 1945 г. первым возобновил вещание СССР, и вскоре
у нас был принят стандарт 625 строк и 50 полей в секунду. В настоящее время в
мире действуют два стандарта разложения: 625/50, охватывающий 150 стран с насе-
лением ~ 5 млрд, и 525/60 — 55 стран с населением 1 млрд.
6.2.1. Понятие о видеосигнале
Сигнал изображения является аналоговым многоуровневым сигналом.
Полным видеосигналом называется совокупность сигнала изображения и
служебных сигналов. Сигнал изображения строится из сигналов яркости и
цветности, служебные сигналы представляют собой набор гасящих, син-
хронизирующих, уравнивающих и других импульсов.
Принципы развертки видеосигнала в системах черно-белого и цветного
телевидения одинаковые (в последних сигнал цветности лишь «подмешива-
ется» в спектр сигнала яркости). Поэтому при анализе развертки видеосиг-
нала не будем уточнять тип сигнала изображения.
Телевизионное изображение воспроизводится путем последовательного
сканирования электронным лучом покрытого электролюминесцирующим
веществом экрана. Сканирование происходит слева направо вдоль горизон-
тальных линий (телевизионных строк) и сверху вниз по строкам. При раз-
вертке кадра луч пробегает по экрану строку за строкой сверху вниз, воз-
вращается назад и со следующим кадром вся процедура повторяется. Вслед-
ствие инерционности глаза в процессе такого сканирования вызываемые
вспышки света сливаются в линии, а затем в полное изображение. В резуль-
тате полный телевизионный кадр представляет собой совокупность после-
довательно высвечиваемых линий, передающих пространственное распре-
деление изображения. В большинстве систем используется чересстрочная
развертка, когда весь растр разбивается на два полукадра — четный и не-
четный. Сначала прочерчиваются нечетные строки, образуя нечетный полу-
кадр, затем луч отклоняется вверх и прочерчиваются четные строки
(рис. 6.3, а}. Сигнал яркости, формирующий черно-белое изображение сце-
ны, образуется во время прямого хода луча развертки на активных строках
(рис. 6.3, б). Во время обратного хода луч гасится, что достигается подачей
на прожектор передающей камеры и приемной гасящих импульсов. Дли-
тельность строчного гасящего импульса составляет 12 мкс или около 19 %
периода строки Тс, длительность кадрового гасящего импульса — 1600 мкс
или около 8 % периода полу кадра Тп. В результате действия строчных гася-
щих импульсов все активные строки на экране разделены тонкими черными
промежутками, хорошо видными на близком расстоянии. Кадровые гасящие
импульсы образуют широкие промежутки между кадрами, однако при ус-
тойчивом изображении они не видны, так как располагаются за пределами
поля экрана.
Диапазон яркости определяет разницу между сигналами, соответствую-
щими черному и белому изображениям. Уровень черного составляет
65...7O % полной амплитуды сигнала, уровень белого — 10... 15 %
251
6 Системы технического зрения
(рис. 6.4). Следовательно, черное изображение передается сигналом более
высокого уровня. Этот способ кодирования яркости, получивший название
негативная модуляция, позволяет снизить среднюю излучаемую мощность,
так как на изображении обычно преобладают светлые тона. При этом поме-
хи проявляются в виде черных точек, плохо различаемых глазом.
Рис. 6.3. Траектория движения луча (а) и графики кадрового и строчного
отклоняющих сигналов (б) при чересстрочной развертке:
1 — активные строки, 2 — пассивные строки
Uc
10,2 мкс
Первая строка
64 мкс
Вторая строка
5,1 мкс
1,3 мкс
100%
75%
10.. 15%
/
О
t
Рис. 6.4. Развертка полного черно-белого видеосигнала:
/ — сигнал изображения; 2 — строчный синхронизирующий
импульс, 3 — строчный гасящий импульс
Все служебные сигналы лежат в области «чернее черного». Амплитуда
полного видеосигнала обычно составляет 1 В при нагрузке 75 Ом.
Обеспечение синхронной и синфазной работы всех развертывающих
схем передающего датчика и кинескопа (принимающего устройства) дости-
гается подачей строчных (в конце прямого хода каждой строки) и кадровых
(в конце каждого полукадра) синхронизирующих импульсов. Согласно
стандарту, длительность кадрового синхронизирующего импульса составля-
ет 160 мкс, строчного — 4,7 мкс. Для обеспечения качественно! о воспроиз-
ведения изображения, а также устойчивости чересстрочной развертки кад-
252
6.2. Основы формирования и передачи изображения
ровый импульс синхронизации усложняют путем добавления импульсов
строчной частоп,I, а также передачи уравнивающих импульсов. Длитель-
ность всех этих служебных сигналов составляет 2,35 мкс.
В отечественном телевизионном стандарте принята чересстрочная раз-
вертка видеосигнала, которая по ГОСТ 7845—79 характеризуется следую-
щими параметрами:
числом строк разложения в одном кадре z = 625 телевизионных линий
(твл);
числом кадров в секунду пк = 25;
форматом кадра К -
периодом развертки кадра Тк = 40 мс;
периодом развертки полукадра (поля) Тп = 20 мс;
периодом развертки строки Тс = 64 мкс (Тс = Тк/z).
Следовательно, частота развертки полного кадра /к = 1/7^ = 25 Гц, часто-
та развертки поля/п = 2/к = 50 Гц, а частота строчной развертки/с = 1/7с =
= 15 625 Гц.
Номинальное число элементов разложения по полю телекамеры (при пе-
редаче черно-белого сигнала и хорошей четкости изображения) определяет-
ся выражением
N = Kz2 = |(625)2 = 520 833.
Частотный спектр видеосигнала характеризуется верхней /в и нижней
/н граничными частотами и зависит как от характера изображения, так и от
параметров развертки. Нижняя граничная частота соответствует изображе-
нию, имеющему минимальное число изменений яркости. Период этого им-
пульсного сигнала равен периоду полукадра Тп, а его частота — частоте
развертки поля /п = /п. Следовательно, /п = 50 Гц, т. е. время смены полу-
кадров в телевизионном стандарте равно 0,02 с, что существенно меньше
инерционности глаза, составляющей 0,1...0,15 с. Верхняя граничная частота
/в соответствует изображению, содержащему максимальное число элемен-
тов, яркость которых позволяет раздельно передать телекамера. Получаем
Л =АУк -520833x25- 13 MI ц. Это значение применяется при прогрессив-
ной (построчной) развертке. Передача столь широкополосного видеосигнала
вызывает’ значительные технические трудности, для уменьшения которых и
была предложена чересстрочная развертка. В этом случае значение /в
уменьшается вдвое:
/в = S'z2/,, /4 = 6,5 МГц.
Таким образом, чересстрочная развертка вдвое сужает спектр видеосиг-
нала, что весьма существенно при передаче изображения по каналам связи.
Обычно в расчетах полагают /в = 6,0 Мгц. При увеличении частоты кадро-
вой развертки (или строк разложения) увеличивается верхняя граничная
253
6. Системы технического зрения
частота /в и расширяется частотный спектр видеосигнала. Геометрические
размеры каждого элемента разложения соответствуют высоте строки, кото-
рая, в свою очередь, определяется апертурой — сечением развертывающего
электронного луча.
Полный видеосигнал передается путем AM несущей частоты, следова-
тельно, его частотный спектр содержит несущую частоту и две боковые по-
лосы. В отличие от сигнала изображения сигнал звукового сопровождения в
телевидении обычно представляет собой частотно-модулированное колеба-
ние несущей частоты. Ширина спектра видеосигнала равна 2/в, поэтому в
отечественном стандарте он занимает полосу 13 МГц. Для амплитудно-
модулированного сигнала характерно, что каждая боковая полоса содержит
полную информацию об изображении. Следовательно, без потери качества
можно одну из них подавить, сузив тем самым спектр передаваемого сигна-
ла и требуемую полосу пропускания канала. Обычно частично (для сохра-
нения несущей частоты) подавляется нижняя боковая полоса
(1,25 МГц), верхняя же передается полностью. Применительно к телевеща-
нию это позволяет увеличить число передаваемых каналов в отведенном
диапазоне волн. Во всех случаях AM несущая частота должна в несколько
раз превышать максимальную частоту /в спектра модулирующего сигнала.
Например, в отечественном стандарте наименьшая несущая частота соот-
ветствует первому частотному каналу и равна 49,75 МГц.
При передаче цветного изображения сигнал цветности встраивается в
спектр сигнала яркости.
6.2.2. Способы кодирования цвета
Рис. 6.5. Спектральная чувствительность
глаза к синему (7), зеленому (2) и красному
(3) цвету
Термин «цвет» даже в научной литературе имеет несколько определений.
Одной из наиболее удачных, на наш взгляд, является формулировка Э. Шре-
дингера, определившего цвет как свойство спектрального состава излучения,
общего для излучений, визуально нс различимых человеком. Подобное пред-
ставление лежит в основе цветовых измерений (колориметрии) и теории
цветового зрения. Особенности
спектрального состава излучения
изучал в XVIII в. И. Ньютон, оп-
ределивший отдельные состав-
ляющие солнечного света.1 Прове-
денные в XIX в. исследования
Г. Гельмгольца и некоторых дру-
гих ученых показали, что чувстви-
тельность 5 зрительных клеток к
свету различных длин волн неоди
накова (рис. 6.5). Многочисленные
физиологические эксперименты
1 Основные положения теории цветового зрения были заложены М. Ломоносовым, экспе-
риментально установившим, что все цвела могут быть получены путем сложения трех основ-
ных (первичных) цветов.
254
6.2. Основы формирования и передачи изображения
привели к следующей эмпирической зависимости:
Y = 0,59 G + 0,3/? + 0,11 В,
где Y — яркость, характеризующая амплитуду черно-белого изображения,
G, /?, В — соответственно зеленая, красная и синяя составляющие спектра
излучения.
Представления о черном и белом весьма субъективны, поэтому возникла
необходимость установить понятие «белый цвет». Согласно принятому
международному определению, белым называется цвет свечения абсолютно
черного тела при температуре 6500 °C .
Формула, определяющая яркость как взвешенную сумму компонентов
цветности, лежит в основе наиболее известной модели аддитивного цвето-
вого синтеза, применяемой в светоизлучающих системах (в том числе в
цветном телевидении). Согласно аддитивной модели, известной как цвето-
вая модель RGB, любой цвет получается наложением красного, зеленого и
синего цветов спектра. Например, на экране монитора цвет и яркость каж-
дой точки задаются интенсивностями составляющих /?, G и В, использую-
щихся при управлении мощностью трехкомпонентной электронной пушки.
Для наглядного представления цветовой модели RGB используют цвето-
вой куб, где чистые цвета образуют его вершины, а опенки серого лежат на
главной диагонали (рис. 6.6, а). Однако при всей наглядности этой схемы
она имеет два существенных недостатка: в ней невозможно получить все
цвета путем сложения основных составляющих и цветопередача является
аппаратно-зависимой (например, от люминофора). В частности, эксперимен-
тально установлено, что предлагаемая модель недействительна в сине-
зеленой (450...550 нм) области спектра. Это связано с тем, что для имитации
спектрального цвета в данной области красная компонента должна быть
отрицательной. Действительно, согласно цветовому кубу справедливо ра-
венство
Голубой = Синий + Зеленый.
На самом деле эмпирически установлена справедливость другого выраже-
ния:
Синий + Зеленый = Голубой + Красный,
что и приводит к появлению отрицательной красной компоненты:
Г олубой = Синий + Зеленый - Красный.
Ясно, что в природе отрицательные составляющие цвета нс существуют,
а следовательно, в модели аддитивного цветового синтеза голубой цвет мо-
жет быть получен только искусственно.
Цветовую модель RGB используют для описания источников излучения.
Если же освещается объект, он является приемником света, отражающим
волны. Большинство предметов отражают либо солнечные лучи, либо лучи
других источников освещения. Так, если объект кажется красным, это озна-
255
6. Системы технического зрения
чает, что он отражает только длинные волны, поглощая все остальные. Для
описания приемников света применяют модель субтрактивного цветового
синтеза CMYK (cyan — голубой, magenta — пурпурный, yellow — желтый,
black — черный) (рис. 6 6, б). Модель СМУК позволяет получить на бумаге
большинство необходимых цветов и широко используется в полиграфии и
других системах печати. Важной особенностью такого подхода является
возможность корректировать цвета изображения. Так, если изображение
(фотография) получилось излишне синим, то необходимо увеличить желтую
составляющую, поскольку желтый цвет поглощает синюю компоненту.
Аналогично зеленый цвет корректируется увеличением пурпурной состав-
ляющей. На практике при технической реализации цветной печати изобра-
жение раскладывают на голубую, пурпурную и желтую составляющие, об-
разующие на бумаге точечный растр. Затем для увеличения контрастности в
растр добавляют чисто черную составляющую, которая оказывается гораздо
насыщеннее, чем компонента, образованная сложением голубого, пурпурно-
го и желтого цветов. Белый цвет соответствует нулевым значениям компо-
нент С, Л7, У, в отличие от модели RGB, где все компоненты соответствуют
максимуму.
Синий (0,0,1
Голубой (0,1,1)
Зеленый
Желтый К
------“Л Красный
Пурпурный (1,0,1)
Черный (0,0,0)Х
Красный (1,0,0)
А
Белый (1,1,1)
Зеленый (0,1,0)
Черный
Белый X
Пурпурный
Желтый (1,1,0)
М
1 олубой Синий
Рис. 6.6. Модели аддитивного (а) и субтрактивного (6) цветового синтеза
Модель CMYK, как и RGB, является аппаратно-зависимой. Болес того,
цветовое изображение, полученное в CMYK (например, при печати на
принтере), не совпадает с изображением в RGB, представленным на мони-
торе. Указанные недостатки не позволяют количественно оценивать цвето-
вую информацию, содержащуюся в изображении. Поэтому возникла необ-
ходимость разработки аппаратно-независимых моделей кодирования цвета.
К наиболее известным аппаратное 1езависимым моделям кодирования
цвета относятся модель HSV, ее варианты HST, HLS, а также телевизионная
система YUV, разработанная для стандарта цветного телевидения PAL
Особенностью всех этих моделей является раздельность кодирования сигна-
лов яркости и цветности. Применительно к телевидению такой подход по-
лучил название компонентного кодирования.
Кодирование цвета в модели HSV очень напоминает способ, используе-
мый художниками для получения нужных цветов — смешивание белой,
256
6.2. Основы формирования и передачи изображения
черной и серой красок с чистыми красками для получения различных тонов
и оттенков. При этом цвет задается не смесью трех основных компонент,
как, например, в модели RGB, а с помощью трех независимых показателей
— цветового тона Н (hue), насыщенности S (saturation) и интенсивности V
(value). В качестве геометрической интерпретации модели HSV используют
конус, полученный как сглаженная проекция цветового куба в модели RGB
вдоль его главной диагонали (рис. 6.7, а). В соответствии с моделью HSV
цветовой топ и насыщенность кодируются как угловая и радиальная харак-
теристики цветового круга — основания конуса. Тон Н описывается углом
поворота цветовой стрелки (например, красный соответствует 0°), насы-
щенность S — смещением вдоль радиуса круга, которое возрастает от 0 в
центре круга до 1 па его границе (соответственно насыщенность от 0 до
100%). Насыщенность характеризует, насколько тусклым или «сочным» яв-
ляется цвет. Чем больше данный цвет разбавлен белым (чем ближе к центру
круга), тем он менее насыщен. Естественные (реальные) цвета имеют низ-
кую насыщенность.
Интенсивность V указывает яркость света, она также меняется от 0 до 1,
но по оси OV и не связана с цветовым кругом. По этой оси располагаются
серые цвета. Для белого цвета 5 = 0, V = 1, следовательно, добавление бело-
го в любой цвет уменьшает 5, а добавление черного уменьшает V. В модели
HSV при 5 = 0 значение Н не имеет смысла (как видно на рис. 6.7, а, эта
точка соответствует вершине конуса).
Рис. 6.7. Геометрическая интерпретация цветовых моделей HSV (а) и HLS (б)
9 С.А. Воротников
257
6. Системы технического зрения
Цветовая модель HLS или HSB (буква Н также обозначает тон и насы-
щенность, a L и В — яркость) использует то же координатное пространство,
что и в модели HSV, но представленное в виде двух пирамид, соединенных
основаниями (рис. 6.7, б). Эта фигура в большей степени, чем представлен-
ная на рис. 6.7, а, соответствует диагональной проекции куба. В модели
HLS, как и в HSV, черный и белый цвета образуются при любых значениях
Н и разных L. Например, насыщенный черный при L = 0, белый — при
L = 1. Голубые цвета соответствуют Н = 180 . Так, грязно-голубому цвету
(смеси серого с голубым) отвечает комбинация L = 0,5, Н = 180° ,5 = 0, цве-
ту морской волны — L = 0,5, Н = 180°, 5 = 1, а небесно-голубому — Н =
= 180°, L = 5 = 1 Поскольку в основе геометрических построений в цвето-
вой модели HSV и ей подобных лежит модель RGB, то и пересчет цветов из
одной модели в другую достаточно прост.
Наличие большого количества разнообразных моделей, применяемых в
различных задачах обработки цветных изображений, потребовало создания
единого описания цвета. В качестве стандарта для определения цвета в на-
стоящее время утвержден цветовой график МКО, сочетающий абстрактный
характер цветовой модели HSV и практичность RGB и CMYK. Этот график,
предложенный еще в 1931 г., охватывает все цвета, которые способен ви-
деть человеческий глаз (рис. 6.8).
График МКО строят как функцию двух переменных х и у, представляю-
щих собой некоторые гипотетические (несуществующие в природе) основ-
ные цвета. Тогда на кривой, ограничивающей цветовое пространство МКО,
258
6.2. Основы формирования и передачи изображения
будут находиться все чистые цвета видимого света. Их можно получить пу-
тем смешения источников х и у. Например, чистый красный цвет с длиной
волны 700 нм есть результат сложения 75 % х и 30 % у. Все цвета, лежащие
внутри графика и па его границе, являются физически реализуемыми.
Цветовой охват устройства (телекамеры, монитора, сканера, принтера, фо-
топленки и т. д.) характеризует его способность к отображению цветовой гам-
мы всего цветового диапазона. Для любого устройства он находится внутри
пространства МКО. Самый большой цветовой охват имеет фотопленка.
При передаче цветных изображений в большинстве СТЗ применяются
устройства аддитивного цветового синтеза, основанные на модели RGB. К
ним относятся и телекамеры, и мониторы. Сигнал яркости Y передается не-
посредственно, а информация о цвете кодируется двухкомпонентным векто-
ром цветности. В этой модели, получившей название YUV, к уже известной
формуле расчета яркости Y добавляются еще две, определяющие проекции
U и V вектора цветности:
U = R-Y, V=B-Y.
Длина вектора цветности находится через амплитуды его проекций U и
V; она кодирует насыщенность цвета. Фазовый сдвиг между проекциями
описывает цветовой тон. В телевизионной технике эти векторы обычно
нормируют и круг превращается в эллипс:
U=(R-Y )/1,44; V= (В-Y )/2,03.
На основе YUV построены и другие известные модели. Примером может
служить система цифрового цветного телевидения YCbCr, в которой цвето-
разностные сигналы Сг и СЬ строятся из /? - У и В — Y соответственно.
Рассмотрим формирование сигнала цветности в телекамере. Обычно три
развертывающих луча формируют первичные сигналы Ер, Eq, Ер изображе-
ния, соответствующие красной, зеленой и синей составляющим цвета объ-
екта. Первичные сигналы широкополосные, однако ни одип из них не песет
яркостной информации об объекте. Поэтому в системе цветного телевиде-
ния из трех первичных сигналов формируется четвертый — сигнал яркости
для чего первичные сигналы сначала балансируются, а затем матрици-
руются. Сущность данной процедуры, учитывающей спектральную чувст-
вительность глаза, согласно уже известной зависимости описывается так:
Еу = 0,59 £<7 + 0,30 Ер + 0,11 Ер, где Ер = Ес = Ер. Сигнал яркости передается
непрерывно на каждой строке развертки во всей полосе частот видеосигна-
ла, равной 6 МГц, и позволяет воспроизводить черпо-бслос изображение на
экранах черно-белых и цветных приемников.
Наличие сигнала яркости Еу освобождает от необходимости передачи
всех трех первичных сигналов изображения. Обычно передаются два из них
— Ер и Ер, а третий восстанавливается согласно выражению
EG = (Еу - 0,30 Ер - 0,11 £в)/0,59.
Важной особенностью зрения человека является зависимость простран-
ственной разрешающей способности глаза от длины волны (она понижена в
9*
259
6 Системы технического зрения
области красных и синих цветов). Следствием этого является меньшая чув-
ствительность глаза к пространственным изменениям оттенков цвета, чем к
изменению яркости, что позволяет передавать цветовую информацию с
меньшим разрешением. Таким образом, трсхкомпонентная система цветово-
го зрения распространяется только на относительно крупные объекты. Цвет
объектов средних размеров является смесью двух цветов — оранжевого и
голубого, а мелкие и вовсе различаются только по яркости, т. е. кажутся
черно-белыми. Указанные обстоятельства позволяют сократить полосу час-
тот сигнала цветности до 1... 1,5 МГц.
Полная информация о яркости объекта содержится в сигнале £у, поэтому
из сигналов Ёр и £# ее можно исключить и передать эти компоненты в виде
цветоразностных сигналов t р -у и £ b-Y • При гаком подходе достигается
двойной выигрыш. Во-первых, обеспечивается достоверность воспроизве-
дения цветов, так как в реальных объектах значительную часть составляют
неокрашенные и слабоокрашенные участки Во-вторых, уменьшается ам-
плитуда передаваемых сигналов, что увеличивает энергетическую эффек-
тивность передачи. Исходные /?, G и В сигналы с телекамеры преобразуются
в сигнал яркости £у и два цветоразностных сигнала £{; = £/?-у и =
= &B-Y. Следовательно, цветное изображение представляет собой компози-
цию трех сигналов £у, £G, £у и служебных импульсов. Такой видеосигнал
получил название композитного. При приеме в цветном кинескопе осу-
ществляется образ ный процесс восстановления (декодирования) сигналов:
£/? = £у + £(у, или £д = £у + £/?-у;
~ &Y + или £д = £у + £ я _у;
£G = £y- 0,509£G—0,194£г, или
£G = £y - 0,509 £ к-у — 0,194 £ д-у .
В настоящее время в эксплуатации находятся три совместимые системы
цветного телевидения:
американская NTSC (National Television System Color) — первая система
цветного телевидения, созданная в 1953 г.;
германская PAL (Phase Alternation Line) — разработана фирмой
Telefiinken в 1963 г.;
французская SECAM (Sequential coulcur a memoire) — предложена
А. Франсом в 1954 г.
В каждой из этих сисзем используются сигнал яркости и два цветоразно-
стных сигнала. Сигнал яркости частотно уплотняется цветоразностными
сигналами, причем спектры цветности переносятся на несущую частоту
цветности в области высокочастотной части спектра. Несущую частоту
цветности в отличие от несущей яркости называют поднесущей. Методы
кодирования и передачи сигналов цветности в этих системах существенно
различаются.
Технические характеристики систем цветного телевидения приведены
ниже:
260
6 2 Основы формирования и передачи изображения
Тип системы NTSC PAL SECAM
Частота развертки поля, Гц 60 50 50
Частота строчной развертки, к! ц 15374 15625 15625
Число строк в кадре 525 625 625
Число видимых (активных) строк в кадре 480 576 576
Тип модуляции поднесущей частоты цветоразностных сигналов AM AM ЧМ
Полоса частот видеосигнала, MI ц 4,2 5; 5,5; 6 5, 5,5, 6
Поднесущая частота цветоразностных сигналов, Ml ц 3 60 4,43 4,41,4,25
Полная ширина спектра видеосигнала, МГц 6 7; 8 7,8
Система NTSC принята для вещания в США, Канаде, большинстве стран
Центральной и Южной Америки, Японии, Южной Корее и Тайване. Именно
при ее создании были выработаны основные принципы передачи цвета в те-
левидении. В NISC каждая телевизионная строка содержит сигнал яркости Еу
и два сигнала цветности £/ - 0,737£{/ - 0,268£г и Еп = 0,478£(/ + 0,413£jz.
Здесь переход от цветового кодирования £7, К к /, Q обусловлен необходимо-
стью сужения полос цветоразностных сигналов до ± 0,5 МГц (в NTSC ис-
пользуется самая узкая полоса частот видеосигнала). Цветоразностные сигна-
лы передаются путем AM поднесущих на одной и той же частоте, но с фазо-
вым сдвигом на 90 . Последнее обстоятельство является принципиально важ-
ным для разделения сигналов при приеме. Однако из-за неизбежных нели-
нейных искажений в канале передачи поднесущие частоты оказываются про-
модулированными сигналом яркости как по амплитуде, так и по фазе. В ре-
зультате в зависимости от яркости участков изображения изменяется их цве-
товой тон. Например, человеческие лица на изображении окрашиваются в
красноватый цвет в затемненных и в зеленоватый на освещенных участках.
Это и является основным недостатком системы NTSC.
В системе PAL используется аналогичная AM цветоразностных сигналов
£(уи Еус фазовым сдвигом па 90 , но через строку дополнительно меняется
знак амплитуды сигнала £^. В результате при восстановлении в декодере
цветовые составляющие надежно разделяются сложением (вычитанием)
chi налов цветности последовательных телевизионных строк. Усреднение
сигналов цветности двух строк обеспечивает также повышение отношения
сигпал/шум, но приводит к снижению вертикальной четкости в два раза.
Система PAL принята в большинстве стран Западной Европы, Африки и
Азии, включая Китай, Австралию и Новую Зеландию.
Система SECAM первоначально была предложена во Франции еще в
1954 г., но регулярное телевещание после длительных доработок было начато
только в 1967 г. одновременно во Франции и в СССР В настоящее время она
принята также в Восточной Европе, Монако, Люксембурге, Иране, Ираке и
некоторых других странах. Основная особенность системы — поочередная
(через строку), передача цветоразностных сигналов (£/?-/ = 1,9£{у, £ в-Y -
261
6. Системы технического зрения
= l,5£j/) с дальнейшим восстановлением в декодере. При этом в отличие от
PAL и NTSC используется ЧМ поднесущих частот. В результате цветовой тон
и насыщенность не зависят от освещенности, но на резких переходах яркости
возникают цветовые окантовки. Обычно после ярких участков изображения
окантовка имеет синий цвет, а после темных — желтый. Кроме того, как и в
системе PAL, цветовая четкость по вертикали снижена вдвое.
Во всех рассмотренных системах к цветному изображению добавляется
сигнал звукового сопровождения, образуя так называемый низкочастотный
телевизионный сигнал (рис. 6.9). Этот сигнал передается через эфир путем
модуляции несущей частоты одного из пяти допустимых частотных диапа-
зонов. При этом в рамках одной системы существуют различия, связанные с
конкретной шириной спектра видеосигнала и его разнесением со спектром
звукового сигнала, полярностью используемой в канале изображения AM и
типом применяемой в канале звукового сопровождения модуляции.
В России принят стандарт SECAM D/К (буква D обозначает диапазон
метровых волн, буква К — дециметровых), во Франции — SECAM E/L,
ермании — PAL В/G, Великобритании — PAL A/I, Китае — PAL D/К, в
США, Японии и Тайване — NTSC М/М. В системе SECAM D/К, принятой в
России, сигнал яркости занимает всю полосу частот (около 6 МГц) Инфор-
мация о цвете передается внутри этого спектра путем введения в него под-
несущих частот, частотно-модулированных цветоразностными сигналами
(см. рис. 6.9). Поднесущие частотыУо/? = 4,406 МГц иJo# = 4,25 МГц, на ко-
торых передаются цветоразностные сю налы t и £ в-г , расположены
внутри полосы сигнала яркости, т. е. внутри спектра черно-белого сигнала.
(Возможность такого уплотнения спектра обусловлена его дискретностью.)
Рис. 6.9. Спектр низкочастотного телевизионного сигнала к системе SECAM
1 — нижняя боковая полоса; 2 — верхняя боковая полоса; 3, 4 — спектры цветораз-
ностных синего и красною сигналов, 5 — спектр звукового сигнала (/ои — несущая
частота сигнала яркости, — несущая частота звукового сигнала)
262
6.3. Датчики изображения
Качество видеосигнала в современных СТЗ непрерывно совершенству-
ют. Разработки ведут в направлении расширения полосы передаваемых час-
тот, увеличения амплитуды видеосигнала, а также применения цифровых
методов коррекции.
6.3. Датчики изображения
6.3.1. Общие сведения
В настоящее время промышленно выпускают датчики изображения для
самых разных целей (производственных, медицинских, военных и др.). Не-
зависимо от назначения и принципа действия все они содержат оптоэлек-
тронный преобразователь, служащий для преобразования сфокусированного
оптического изображения в электрический видеосигнал. Это изображение
формируется в ЧЭ преобразователя, который изменяет свое состояние под
действием излучения объекта. Если излучение лежит в диапазоне длин воли
Х = 0,38. 0,78 мкм (видимый свет), датчик относится к классу видеокамер,
если в диапазоне 0,78... 1000 мкм — к классу телевизионных инфракрасных
камер. Большинство материалов непрозрачны в этих диапазонах спектра,
однако пропускают СВЧ излучение. Данную особенность используют при
разработке преобразователей, функционирующих в диапазоне длин волн
2 мкм ... 100 мм Так, для тепловизоров характерно применение излучения
среднего инфракрасного диапазона (X = 2... 10 мкм), для которого многие
материалы слабопрозрачны Это позволяет исследовать тепловое излучение
объектов как живой, так и неживой природы. Системы глубокого проника-
ния, работающие в диапазоне СВЧ (X = 1 ...100 мм), позволяют непосредст-
венно изучать тепловой режим органов тела. Изменением рабочего диапазо-
на длин волн можно регулировать глубину зондирования от 1 ..2 мм при
X = 1 мм до 200...300 мм при X = 100 мм. При дальнейшем увеличении
длины волны разрешающая способность системы надает.
Датчики изображения подразделяют по трем основным признакам*
1) по размерности — точечные (фотоэлементы), одномерные (линейки) и
двумерные (матрицы);
2) по способу преобразования светового сигнала — вакуумные (видико-
ны, диссекторы и др ) и твердотельные (датчики на основе приборов с заря-
довой связью и фотодиодов);
3) по рабочему диапазону длин волн — датчики, работающие в диапазо-
не видимых волн, инфракрасные (в том числе тепловые) и специальные.
Датчик изображения состоит из большого числа связанных между собой
оптических преобразователей, образующих чувствительную поверхность, на
которую проецируется изображение предмета. Каждый преобразователь,
называемый элементом разложения, или пикселем, формирует сигнал, про-
порциональный яркости спроецированной на него части предмета. Размер
пикселя зависит от принципа преобразования, материала чувствительной
поверхности и др Получение информации с каждого элемента разложения
осуществляется в соответствии с некоторым выбранным порядком, назы-
263
6. Системы технического зрения
ваемым разверткой изображения. Различают последовательную (анализи-
руются сигналы с пикселей, расположенных на одной строке), параллель-
ную (сигналы снимаются со всех с трок разложения) и специальную разверт-
ки. Совокупность всех строк разложения образует кадр.
В настоящее время ведутся поиски новых принципов развертки изображе-
ния. Так, в одной из лабораторий США создан датчик изображения нового
типа — виртуальный глазной дисплей VRD (Virtual Retinal Display). Это уст-
ройство, имеющее вид очков с угловым полем каждого 120 , содержит три
миниатюрных лазера, действующих в красной, зеленой и синей областях
спектра. Развертка изображения осуществляется прямо на сетчатку глаза.
Основными характеристиками датчиков изображения являются: разре-
шающая способность (апертурная характеристика), чувствительность и
спектральная характеристика.
Разрешающая способность (разрешение) характеризует свойство датчи-
ка изображения {телекамеры) к воспроизведению мелких деталей. Она по-
казывает, насколько четким получается изображение объекта, и зависит от
числа строк разложения и типа телекамеры. Различают два вида разреше-
ния: разрешение по вертикали и разрешение по горизонтали. Разрешение по
вертикали гв определяется числом горизонтальных полос — телевизионных
линий, которое можно зафиксировать телекамерой и воспроизвести па экра-
не монитора. Теоретически максимальное значение гвтах ограничивается
чис-лом строк разложения. Па самом деле значение гв несколько меньше
и на практике для его вычисления используют поправочный коэффициент
Келла, равный 0,7. Поэтому, например, в системе PAL гв не превышает
400 твл. Разрешение по горизонтали гг определяется числом вертикальных
полос, которое можно зафиксировать телекамерой и воспроизвести на экра-
не монитора. Учитывая, что в телевизионном стандарте формат кадра К -
= 4/3, обычно гг < 530 твл. Именно эго значение и указываю! в качестве
разрешающей способности г.
При аттестации цветных телекамер, а также телекамер высокого разре-
шения (г > 700) используют тестовые таблицы, составленные отдельно для
черно-белого и цветного изображения. Например, тестовая испытательная
таблица ИТМ-05-98 предназначена для визуальной оценки хроматического
разрешения по горизонтали и вертикали на соответствие международным
нормам и отечественным стандартам. Она позволяет анализировать анало-
говое изображение в системах PAL, SEC AM, NTSC, а также цифровые изо-
бражения. Разрешающая способность зависит от освещенности рабочей
сцены и понижается с уменьшением последней ниже определенного уровня
(рис. 6.10).
Как уже отмечалось, разрешающая способность глаза (острота зрения)
весьма высока и существенно зависит от длины волны излучения. Напри-
мер, в области максимальной чувствительности глаз различает более 600
оттенков серого при остроте зрения около 1Что касается хроматической
264
6.3. Датчики изображения
разрешающей способности, то она значительно ниже. Например, для полос
красно-зеленых тонов она в 2,5 раза, а для сине-зеленых — в 5 раз хуже, чем
для черно-белых.
г,твл
Рис. 6.10. Зависимость разрешающей способности телекамеры
от освещенности:
/ —твердотельная телекамера; 2 — видикон; 3 — диссектор
Для бытового телевизионного вещания удовлетворительное изображе-
ние получается при 120... 150 твл для крупных планов и 250...300 твл для
мелких. Для кинескопов последних моделей эти значения выше, причем они
существенно отличаются для черно-белого и цветного изображения. Так,
для кинескопа марки 54CTV6701-5 разрешение при передаче черно-белого
изображения составляет 420 твл, а при передаче цветного изображения —
всего 60 твл.
Чувствительность S телекамеры характеризуется минимальной освещен-
ностью рабочей сцены 3mjn, при которой обеспечивается заданная разре-
шающая способность. Допустимый диапазон изменения освещенности для
телекамеры высокого класса должен составлять 2—3 порядка. Ниже приве-
дены типовые значения освещенности рабочей сцены в зависимости от ус-
ловий съемки, лк:
Солнечный день, полдень.............. > 70 000
Рабочее помещение.................... 1000
Сумерки.............................. 4
Ясная ночь, полная луна.............. 0,2
Ночь, луна в облаках................. 0,007
Безлунная ночь....................... < 0,0005
Отечественным стандартом установлено, что ток видеосигнала не дол-
жен быть меньше 0,1 мкА при освещенности 1 лк (рис. 6.11). Телекамеры с
высокой чувствительностью, называемые ночными, работают при освещен-
ности рабочей сцены 0,00004...0,005 лк.
Для цветных телекамер характерна существенно меньшая (в 5... 10 раз)
чувствительность по сравнению с черно-белыми. В профессиональных
265
6. Системы технического зрения
цветных телекамерах иногда отдельно указывают цветовую чувствитель-
ность, определяемую как отношение изменения компоненты сигнала цвет-
ности к изменению длины волны излучения. У человека эта характеристика
весьма высока, например, в сине-зеленой части спектра глаз фиксирует
изменение длины волны до 1 нм.
Рис. 6.11. Графики чувствительности видикона марки N 7869 (Россия) (7) и
Hamamatsu (Япония) (2)
Спектральная характеристика телекамеры зависит от материала ЧЭ се оп-
тоэлектронного преобразователя (рис. 6.12). Промышленно выпускают теле-
камеры, работающие в диапазоне видимого света, ультрафиолетовом, инфра-
красном и рентгеновском диапазонах.
Рис. 6.12. Спектральная характери-
стика видикона с мишенью па осно-
ве РЬО (7) и с мишенью из крем-
ния (2)
Рассмотрение принципов построе-
ния телекамер начнем с передающих
вакуумных электронно-лучевых прибо-
ров (ЭЛП), отличительной особенно-
стью которых является использование
сфокусированного в электронный луч
потока электронов, взаимодействующе-
го с мишенью (фотокатодом) из свето-
чувствительного материала, на которую
проецируется изображение рабочей
сцены. Электронный луч формируется
электронным прожектором, а его дви-
жение регулируется с помощью фоку-
сирующс-отклоняющсй системы, реа-
лизующей развертку луча по поверхно-
сти мишени. В зависимости от способа
съема сигнала различают два основных
типа передающих ЭЛП: без накопления
заряда (диссекторы) и с накоплением
заряда (суперортиконы и видиконы).
266
6.3. Датчики изображения
Диссектор1 обладает наивысшими среди всех передающих ЭЛЛ чувстви-
тельностью и быстродействием. В так называемом режиме счета электронов
возможна регистрация оптических сигналов ог объектов, освещенность кото-
рых не превышает 10 7 лк (1 лк приблизительно соответствует освещенности
от свечи, находящейся на расстоянии 1 м от приемника излучения). Принцип
действия диссектора основан на внешнем фотоэффекте. Благодаря отсутствию
накопления электрического заряда на фотокатоде, а следовательно, смазыва-
ния изображения движущихся объектов, диссектор называют еще трубкой
мгновенного действия. Кроме того, его достоинством является возможность
формирования различных траекторий развертки. К недостаткам диссектора
можно отнести его сравнительно большие габаритные размеры.
Суперортикон2 представляет собой высокочувствительный передающий
ЭЛП с несколькими каскадами усиления, работающий по принципу накоп-
ления зарядов. Изображение переносится с фотокатода на двустороннюю
мишень, считывается с нее и усиливается фотоэлектронным умножителем.
Коэффициент усиления суперортикона достигает 10 , что обеспечивает от-
ношение сигнал/шум около 100 дБ при освещенности фотокатода 0,1 лк.
Суперортиконы, как и диссекторы, способны работать практически в пол-
ной темноте. Их основные недостатки связаны со значительными размера-
ми, малой контрастной чувствительностью и сравнительно невысоким диа-
пазоном изменения освещенности. В настоящее время суперортиконы ис-
пользуют во многих телевизионных системах.
Самый распространенный вакуумный датчик изображения — видикон3
представляет собой малогабаритный передающий ЭЛП с накоплением заря-
да, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте. Сейчас выпус-
кают видиконы нескольких типов, отличающиеся характеристиками мише-
ни, системой фокусировки и отклонения луча и др. Более подробно эти дат-
чики будут рассмотрены в 6.3.2.
В табл. 6.3 приведены типовые значения параметров вакуумных датчи-
ков изображения.
Другим направлением в разработке датчиков изображения является ис-
пользование матриц светочувствительных элементов. Разрешающая способ-
ность таких датчиков определяется размером светочувствительного элемен-
та и шагом w матрицы (расстоянием между отдельными элементами). Дат-
чики изображения этого типа, называемые твердотельными телекамерами,
разделяют на два основных класса: телекамеры с матрицами на основе при-
боров с зарядовой связью (ПЗС) и телекамеры с матрицами из фотоэлемен-
тов (фотодиодов, фототранзисторов или фоторсзисторов). Основные пара-
метры матриц приведены в табл. 6.4.
Конструкция диссектора разработана американским инженером Ф Фарнсуортом в 1931 г.
Схема суперортикона была предложена советским физиком Г. Браузе в 1938 г.
Проект видикона был разработан в 1925 г. советским инженером А. Чернышевым, а
первый промышленный прибор изготовлен в 1950 г.
267
6. Системы технического зрения
Таблица 6.3
Сравнительная характеристика вакуумных датчиков изображения
Тип датчика Принцип действия X, мкм г, твл Отноше- ние сиг- нал/шум, 3, лк d, мм w, кг
min max
Диссектор Без накоп- ления заряда 0,4...0,8 125.. 3500 18.. 50 5- 10"6 5 25 0,3
Супср- ортикон С накопле- нием заряда 0,25... 1,2 500... 1000 10...100 2-10 100 80 0,5
Видикон То же 0,1 2,5 400 2000 2 50 0,1 1000 13 0,02
Таблица 6.4
Сравнительная характеристика матриц светочувствительных элементов
Тип матрицы X, мкм Размер ЧЭ, мкм IV, мкм Размер матрицы элементов /раб» кГц
b h
ПЗС 0,4...1,3 0,1 А/Вт 3 6 2 795 х 596 1000
Фотодиодная 0,4...1,1 25 мА/Лм 4 32 8 128х 144 1000
Фототран- зисторная 0.4 ..1,1 1000 мА/Лм 8 32 10 128х 144 100
Фоторезис- ториая 0,4 ..30 1000 В/Вт 15 60 8 64x64 10
6.3.2. Видиконы
Видикон представляет собой вакуумную колбу 7, в которой находится
прожектор, светочувствительная мишень 9 и фокусирующс-отклоняющая
система развертки луча (рис. 6 13). Мишень нанесена на торцевую поверх-
ность колбы и содержит сигнальную пластину 10 — прозрачный электрод,
имеющий вывод наружу. Каждый элемент мишени, материалом которой
служат тонкие (около 5 мкм) слои полупроводника (аморфного селена,
трехсернистои сурьмы, оксида свинца, германия или кремния), изменяет
свое сопротивление при внутреннем фотоэффекте. От толщины и свойств
материала мишени зависят чувствительность, спектральная характеристика
и инерционные параметры прибора.
Работает видикон следующим образом. Развертывающий электронный
луч термокатода 2, ускоряясь анодами 5, проходит через сеточный анод 8 и
достигает поверхности мишени 9. В результате на внутренней поверхности
мишени в некоторой ее точке создастся потенциал, близкий к потенциалу
термокатода, а между ее противоположными поверхностями устанавливает-
ся разность потенциалов. После этого луч, толщина которого составляет
268
6.3. Датчики изображения
около 30 мкм, освещает следующую точку мишени и т. д. Если па мишень
снаружи проецируется изображение, то проводимости у неодинаково осве-
щенных участков слоя отличаются между собой, т. е. возникает рельеф про-
водимости, соответствующий рельефу яркости объекта. В течение некото-
рого промежугка времени, определяющего инерционность видикона, каждая
из элементарных емкостей (точек экрана) разряжается до определенного
значения, зависящего от се освещенности, образуя потенциальный рельеф.
Электронный луч при развертке доводит поверхность всех участков мишени
до одинакового потенциала. При этом, выравнивая потенциалы, он оставля-
ет на более освещенных участках большее количество электронов. Таким
образом, ток дозарядки элементарных емкостей несет в себе информацию о
распределении освещенности на мишени. Протекая через сопротивление
нагрузки /?н, он создает напряжение видеосигнала.
Рис» 6.13. Схема видикона:
/ — вакуумная колба; 2 — термокатод; 3 — модулятор; 4 — фокусирующая
катушка; 5 — ускоряющие аноды, 6 — корректирующая катушка; 7 — от-
клоняющая катушка; 8 — сеточный анод; 9 — светочувствительная мишень;
10 — сигнальный шсктрод
Формирование луча осуществляется прожектором, включающим в себя
термокатод 2, управляющий током модулятор 3 и аноды 5. Анод 9 представ-
ляет собой мелкоструктурную сетку, находящуюся под напряжением, кото-
рое в 1,5—1,7 раза превышает напряжение анодов прожектора. Это обеспе-
чивает перпендикулярное попадание луча в любую точку поверхности ми-
шени. Развертка луча осуществляется фокусирующе-отклоняющсй систе-
мой, состоящей из катушек 4, 6 и 7. В зависимости от способа фокусировки
и отклонения луча выпускают видиконы с магнитным и электростатическим
управлением (табл. 6.5).
Видиконы до настоящего времени широко используют для получения
высококачественных изображений. Их достоинства: высокая чувствитель-
ность и разрешающая способность, широкий температурный диапазон
(-80 ... +120 С), радиационная стойкость. К недостаткам видиконов необ-
ходимо отнести инерционность, значительные размеры и хрупкость.
269
6. Системы технического зрения
Таблица 6.5
Основные параметры промышленных видиконов
Модель Материал мишени S*. ЛК 4 4 ост X, мкм Тип системы d, мм
мкА фокуси- рующая откло- няющая
ЛИ-421 (Россия) Sb2S3 1 / io* 3 0,10 0,04 0,4...0,75 Магнит- ная Магнит- ная 26
ЛИ-426 (Россия) Sb2S3 1 / io4 0,10 0,045 0,4...0,75 Электро- статиче- ская » 26
ЛИ-439 (Россия) Si 1 / 1.2 0,30 0,024 0.4 ..1,1 Магнит- ная » 26
Л И-465 (Россия) CdSe 1/2 0,08 0,014 0,4...0,8 Электро- статиче- ская Электро- стати- ческая 13,6
ВКБ-102 (Япония) Si 0.7 / Н.д. 0,10 0,005 0,3...1,5 Н.д. Н.д. 12,7
Примечание Здесь /с ост — уровень остаточного сигнала по истечении 40 мс после
прекращения освещения мишени (показатель инерционности видикона)
В числителе — номинальная, а в знаменателе — максимальная
Улучшить характеристики видикона можно путем увеличения его коэф-
фициента усиления и использования мишеней с малой постоянной времени.
Появившийся в 60-х годах XX в. супервидикон представляет собой своего
рода гибрид видикона с супсрортиконом. Он также содержит секцию пере-
з
носа заряда, что позволяет обеспечить коэффициент усиления свыше 10\
уступая в этом только супсрортикону, но превосходя сю по массогабарит-
пым показателям. В малоинерционном видиконе — кремниконе (название
обусловлено материалом мишени) на мишени нс образуется потенциальный
рельеф и развертывающий луч считывает лишь сопротивление ее отдельных
участков В некоторых кремниконах разрешение достигает 10 000 твл. Ис-
пользуют их в системах цветного телевидения, а также в машиностроении,
биологии, криминалистике и т. д. В пировидиконе с мишенью из термочув-
ствительного материала разрешение достигает 400 твл, а в рентгеновидико-
не с мишенью из Se и РЬО — 1200 твл. Эти датчики применяют при нсраз-
рушающем контроле и в медицине.
6.3.3. Телекамеры на приборах с зарядовой связью
Первые попытки использовать ПЗС в качестве приемника изображения
были предприняты в 1977 г., и к концу XX в. была создана твердотельная те-
лекамера, почти по всем параметрам превосходившая вакуумные датчики
270
6.3. Датчики изображения
изображения. Основными достоинствами такой телекамеры являются жестко
заданный растр, исключающий проблему геометрических искажений, относи-
тельная температурная стабильность параметров и высокая надежность.
В основе работы ПЗС лежит принцип хранения локализованного заряда
в потенциальных ямах, образуемых в полупроводниковом кристалле под
действием внешнего поля, и передачи зарядовых пакетов из одной потенци-
альной ямы в другую при изменении управляющих воздействий1. Основным
элементом ПЗС, в котором происходит накопление и хранение заряда, явля-
ется структура металл—оксид—полупроводник (МОП-структура) или кон-
такт с барьером Шоттки. Эти элементы расположены максимально близко
один к другому, чтобы их потенциальные ямы сливались, образуя зарядо-
вую связь. В то же время между отдельными элементами не должно быть
самопроизвольного растекания зарядов, для чего они разделены стоп-
каналами. Группы из двух-трех элементов ПЗС (их количество зависит от
числа фаз управления) образуют ячейку ПЗС (рис. 6.14, а).
Перед началом работы в ПЗС индуцируется р—и-псрсход путем подачи
положительного напряжения на его поверхность. При определенных фазовых
напряжениях U।, U3 под электродами поочередно создаются потенциаль-
ные ямы для неосновных носителей, благодаря чему р—и-псреход начинает
работать в режиме накопления заряда. Если один из элементов ячейки ПЗС
выполнить прозрачным, то при облучении световым потоком в нем накапли-
вается заряд, пропорциональный освещенности элемента и времени экспози-
ции. Другие элементы ячейки ПЗС являются непрозрачными. Для переноса
заряда в закрытую от свеча зону управляющие сигналы U\, U2, U3 поочередно
образуют потенциальные ямы в других элемс нтах ячейки (рис. 6.14, б).
В датчиках изображения элементы ячеек ПЗС обычно объединяют в две
секции: накопления и хранения, каждая из которых выполнена в виде мат-
рицы ячеек. Секция накопления представляет собой светочувствительную
поверхность, секция хранения расположена в закрытой от света зоне. Для
перемещения зарядов и формирования строк развертки служит секция пере-
носа, представляющая собой набор сдвиговых регистров.
В зависимости от способа развертки различают магрицы со строчным
переносом, с кадровым и строчно-кадровым переносом заряда. Поскольку
время считывания всех ячеек матрицы должно быть согласовано с периодом
развертки кадра, считывание строки следует проводить во время прямого
хода луча, а экспозицию (освещение ячейки) — во время гасящего импульса
(около 12 мкс). Однако малое время экспозиции не позволяет обеспечить
требуемую чувствительность матрицы. Увеличения времени экспозиции
при сохранении периода развертки можно добиться путем уменьшения вре-
мени переноса заряда в секцию хранения. Например, в матрице со строчным
переносом заряда, разработанной фирмой Sony, секция хранения отсутству-
ет и заряды ячеек из секции накопления поступают в секцию переноса (в
виде строки сдвиговых регистров) и далее последовательно передаются в
выходной регистр матрицы.
1 Идея ПЗС была выдвинута в 1970 г. американцами У. Бойлом и Д. Смитом.
271
6. Системы технического зрения
Рис. 6.14. Структура (а) и временные диаграммы (б) трехфазного элемента ПЗС:
/ — прозрачный электрод; 2 — подложка, 3 — фазы управления; 4 — потенциальная яма
Созданная фирмой Philips матрица ПЗС с кадровым переносом заряда
использует секцию хранения. В ней хранятся заряды, соответствующие пре-
дыдущему кадру, а за время экспозиции текущего кадра они выводятся по-
строчно в выходной регистр. Недостатком схемы является двойное количе-
ство ячеек ПЗС.
В разработанной фирмой Sony матрице ПЗС со строчно-кадровым пере-
носом заряда реализован режим чересстрочной развертки кадра (рис. 6.15).
Рассмотрим процедуру вывода нечетного полукадра. Сигнал генератора
тактовых импульсов инициирует параллельный перенос зарядов, содержа-
щихся в ячейках нечетных строк секции накопления 2, в регистры верти-
кального сдвига 1. Заряды, соответствующие этому полукадру, сигналами
t/Bb 6^В2 и С7вз переносятся в секцию хранения и далее в регистр горизон-
тального сдвига 3. Перемещение зарядов вдоль него к выходному регистру
осуществляется сигналами L/r j и £7Г2- Затем весь процесс повторяется для
четного полукадра. Перенос зарядов из секции хранения в выходной регистр
выполняется за время гасящего импульса, а считывание их из секции накоп-
ления в течение последующей экспозиции.
Телекамера на ПЗС обычно содержит матрицу со строчно-кадровым пере-
носом заряда, устройство управления и выходной каскад, содержащий поле-
вой транзистор, видеоусилитель, генератор служебных сигналов и смеситель.
На выходе транзистора формируется последовательность видеоимпульсов,
которая после усиления поступает на смеситель, где к ней подмешиваются
гасящие и синхронизирующие импульсы, образуя композитный видеосигнал.
Частот сигналов в сдвиговых регистрах матрицы ПЗС связана с темпом вы-
272
6.3. Датчики изображения
вода видеосигнала и всею кадра. Она определяется необходимостью сопря-
жения со стандартным телевизионным оборудованием и зависит от количест-
ва ячеек матрицы и частотных свойств полупроводника. Тактовая частота вы-
ходного регистра матрицы варьируется от 10 кГц до 10 МГц.
Рис. 6.15. Схема матрицы ПЗС со строчно-кадровым переносом заряда:
/ — регистры вертикального сдвига; 2 — секция накопления; 3 — регистр гори-
зонтального сдвига
Недостаток современных телекамер на ПЗС — меньшие по сравнению с
ЭЛП чувствительность и разрешающая способность, последняя, как прави-
ло, не превышает 570 твл. Для повышения разрешающей способности фир-
мой Sony разработана специальная технология Hole Accumulated Diode
(HAD), позволяющая уменьшить размеры ячеек матрицы за счет переноса
заряда не вдоль поверхности, а в глубь кристалла.
Для обозначения размера матрицы на ПЗС используют параметр «фор-
мат», который соответствует диаметру видикона с такой же площадью све-
точувствительной поверхности. Чем больше формат матрицы, тем больше
ячеек ПЗС она содержит и тем выше ее разрешающая способность. Телека-
меры на ПЗС имеют матрицы форматом 1/4, 1/3, 1/2, 2/3 и 1 дюйм. Формат
матрицы влияет также и на угловое поле: при одинаковых объективах каме-
ра с матрицей форматом 1/2 дюйма имеет большее поле, чем с форматом 1/3
дюйма. Примеры выпускаемых телекамер на ПЗС представлены в табл. 6.6.
К достоинствам телекамер на ПЗС можно отнести высокое быстродейст-
вие (малая инерционность), возможность запоминания изображения, устой-
чивость к внешним возмущающим воздействиям, а также малые габаритные
размеры и вес; к недостаткам — относительно невысокая чувствительность
и разрешающая способность.
273
6. Системы технического зрения
Таблица б.б
Параметры промышленных телекамер на ПЗС
Модель Тип г, твл ^min» ЛК МГц Р, Вт б^ИП» в Размеры, мм
d 1 b h
ктл-з (Россия) 1D 6000 0,4 0,4 3,0 15 38 135 — —
КТН-15 (Россия) 2D 380 0,5 7,0 5,0 15 — НО 34 42
WM 202R (Корея) 2D 380 0,8 Н.д. 1,2 12 24 50 — —
SSC-M370 (Япония) 2D 570 0,08 10 2,3 12 — 155 64 57
WAT-205A (Япония) 2D (цветная) 320 8 Н.д. 1,5 6 — 29 45 47
6.3.4. Телекамеры с фотодиодной матрицей
Фотодиодные матрицы также относятся к приборам с переносом заряда.
Их основные достоинства — поэлементная адресация и параллельный вы-
вод данных. В основе работы фотодиодной матрицы лежит свойство обрат-
но смещенного р-п-псрехода накапливать заряд, пропорциональный па-
дающему на переход световому потоку. Датчики этого типа широко исполь-
зуют в оптических преобразователях, сканерах, принтерах и др.
Основным элементом фотодиодной матрицы является ячейка, содержа-
щая фотодиод VD\ и три полевых транзистора VTj, VT2 и VT3 (рис. 6.16, а).
Ячейка работает в двух режимах: запись заряда и вывод сигнала. В начале
режима записи на транзистор VTj поступает открывающий его импульс сти-
рания L/CT, в результате чего по цепи от +С/см до - С/ип протекает ток и внут-
ри фотодиода (который в этом режиме подобен конденсатору) начинает на-
капливаться заряд Режим вывода сигнала начинается с закрытия транзисто-
ра VT\ и открытия через некоторый промежуток времени гиак транзистора
VT2 адресным импульсом 6/а. При этом через сопротивление нагрузки /?н
начинает течь ток, величина которого зависит от степени открытия транзи-
стора VT3 потенциалом фотодиода.
Таким образом, сигнал t/c на выходе ячейки зависит от ее освещенности.
Ячейки объединяют в матрицу, и следовательно, совокупность сигналов с
выходов всех ячеек дает информацию о распределении освещенности на
светочувствительной поверхности (рис. 6.16, б).
Новый цикл записи начнется с подачи очередного импульса стирания от
внешнего формирователя одновременно на все ячейки матрицы. При этом
емкост и фотодиодов снова заряжаются, стирая сохранившиеся в них заряды
Время гнак определяет накопленную ячейкой энергию светового потока, а
следовательно, ее чувствительность. Адресный импульс подается на вы-
бранную строку матрицы, и все ячейки этой строки считываются парал-
лельно. Таким образом, в фотодиодной матрице организуется параллсльно-
274
6.3. Датчики изображения
последовательное считывание информации (параллельно элементов строки,
последовательно строк, причем в произвольном порядке).
Схема телекамеры с фотодиодной матрицей представлена на рис. 6.16, в.
Генератор тактовых импульсов устанавливает рабочую частоту, а устройство
управления определяет последовательность опроса ячеек матрицы. Формиро-
ватель адреса устанавливает амплитуду и длительность адресных импульсов
и распределяет их по адресным входам матрицы в соответствии с заданным
порядком считывания. Данные из ячеек поступают через усилители считыва-
ния и АЦП в буферное устройство, используемое для согласования последо-
вательности и скорости вывода датгых из камеры и их ввода в процессор об-
работки изображения. Частота вывода кадров определяется временем /нак и
варьируется в диапазоне 200...5000 Гц.
в
Рис. 6.16. Фотодиодная телекамера:
а — электрическая схема ячейки; б — схема фотодиодной матрицы;
в — схема телекамеры
275
6. Системы технического зрения
Телекамеры с фотодиодной матрицей используются в специальных зада-
чах робототехники. Их достоинства: возможность поэлементной адресации,
высокое быстродействие, малые масса и габаритные размеры, высокая ме-
ханическая прочность и надежность; недостатки — малая разрешающая
способность и шум сигнала (вследствие различия фотоэлектрических харак-
теристик отдельных ячеек).
В заключение этого параграфа приведем сравнительную характерис-
тику наиболее часто применяемых отечественных датчиков изображения
(табл. 6.7).
Таблица 6 7
Сравнительная характеристика датчиков изображения
Модель Тип 3, лк г, твл £, % X, мкм Размер кадра, элемен- тов Отно- шение сигнал/ шум, дБ т, г
ЛИ-427 Видикон I...200 50 2 0,4 ..0,8 500x500 80 50
ЛИ-214 Супер- ортикон Ю~5...1О 50 2 0,4...0,55 500x500 100 500
1200ЦМ7 Телекамера на ПЗС 0,1 ...80 30 2 0,4...1,1 360 х 576 100 5
ФМ-100 Телекамера с фотодиод- ной матри- цей 0,1 200 15 3 0,4...1,1 ЮОх 100 50 5
6.4. Устройства ввода и хранения изображения
6.4.1. Общие сведения
Рассмотренные выше вопросы преобразования информации в СТЗ были
посвящены получению изображения в датчике СТЗ. Этот этап, называемый
восприятием информации, выполняется без участия вычислительных
средств. Остальные же этапы (предварительная обработка, сегментация,
описание и т. д.) предполагают использование вычислительных ресурсов
СТЗ. В этой связи особое значение приобретает правильное построение уст-
ройств ввода изображений — фреймграббсров (от англ, framegrabber — за-
хват изображения), осуществляющих ввод и фильтрацию видеоинформации
и определяющих форму представления и способ обработки данных в про-
цессоре СТЗ.
Конструктивно устройство ввода обычно выполняют в виде печатной
платы, установленной на шине компьютера СТЗ, на входной разъем которой
поступает стандартный видеосигнал Выходная информация зависит от на-
значения и сложности устройства ввода. В ряде случаев это просто интер-
фейс между телекамерой и компьютером, в других — блок предварительной
обработки, выполняющий значительную долю функций СТЗ.
276
6 4. Устройства ввода и хранения изображения
Структура интерфейса, а также объем требуемой памяти для хранения изо-
бражений в значительной мере определяются видом представляемой инфор-
мации (строка, бинарный массив, полутоновое или цветное изображение), а
также типом телевизионного датчика. Хотя в большинстве случаев выходным
сигналом датчика является стандартный видеосигнал, параметры интерфейса
зависят от размера кадра изображения и от того, черно-белое или цветное изо-
бражение подлежит обработке. Например, передача одного кадра черно-белого
изображения сравнительно небольшого размера 512x512 в стандартном теле-
визионном режиме требует ввода в память около 13 106 элементов изображе-
ния в секунду, т. е. пропускной способности канала не менее 1,7 Мбайт/с, то-
гда как обработка цветного изображения того же формата требует уже
5 Мбайт/с. Для современных неспециализированных компьютеров такая зада-
ча в реальном масштабе времени трудно выполнима. Для ее упрощения до-
вольно часто используют буферизацию (например, для ввода по четверти кад-
ра) либо аппаратную выборку графического (контурного) изображения, при
которой из полного массива выбирается только самая необходимая информа-
ция. Следовательно, ввод видеоинформации, а также и другие этапы преобра-
зования (реализуемые программными средствами) можно рассматривать как
последовательное уменьшение размерности информационного массива, т. с.
сжатие информации.
Основными задачами фреймграббера являются: кодирование видеосиг-
нала (в том числе его квантование и дискретизация), частотная фильтрация,
буферизация и ввод массива данных.
Кодированием видеосигнала называется процедура представления чер-
но-белого или цветного изображения дискретным массивом двоичных
данных, однозначно соответствующим исходному массиву. Процедура ко-
дирования включает дискретизацию и квантование сигналов яркости и
цветности. Дискретизация — это представление непрерывного аналогового
сигнала последовательностью его значений (отсчетов), взятых через опреде-
ленный промежуток времени — период дискретизации Тд. Дискретизация
реализует преобразование развертки видеосигнала Uc(t)b решетчатую
функцию 1, где к — целое число (обычно 100 нс < 7Д < 1,5 мкс).
Функция преобразования при дискретизации имеет вид
Uc(t)^Uc[kTR]-+Uijt
где /, j — дискретные отсчеты абсциссы л и ординаты у отдельных точек
светочувствительной поверхности телекамеры (они однозначно опреде-
ляются через периоды строчной и кадровой разверток).
В случае цветного изображения имеют место преобразования:
<7у(0-»(1/у),у;
277
6. Системы технического зрения
Здесь индексы Y, U, V определяют соответствующую компоненту полного
видеосигнала.
Чем меньше период Гд и выше частота дискретизации /д = 1/Гд, тем
меньше различие между исходным сигналом и его дискретизированным
значением. Ступенчатый вид дискретизированного сигнала может быть
сглажен фильтром нижних частот, с помощью которого обычно аналоговый
сигнал восстанавливают из дискретизированного. Однако при этом необхо-
димо выполнение ограничения /д > 2/тах »гдс/тах — верхняя частота спек-
тра исходного аналогового сигнала (это условие определяется известной
теоремой Найквиста—Котельникова). Если ограничение не выполняется, то
дискретизация сопровождается необратимыми искажениями. Поэтому при
дискретизации телевизионного сигнала с граничной частотой 6 МГц необ-
ходимо, чтобы/д > 12... 14 МГц.
Квантование — амплитудное преобразование сигналов яркости и цвет-
ности — представляет собой замену текущего значения сигнала ближайшим
фиксированным значением из соответствующего уровня квантования.
Уровни квантования делят весь диапазон возможного изменения значения
сигнала на конечное число интервалов — шагов квантования. Чаще всего
при квантовании происходит представление абсолютного значения решет-
чатой функции Uу в двоичном виде. Функция преобразования при кванто-
вании описывается зависимостью
Ц,(и)->2"Д£/у,
где п — разрядность АЦП, ДС/у = {7cmin — разрешающая способность АЦП,
соответствующая минимальному уровню видеосигнала (уровню белого
сигнала).
Таким образом, в результате кодирования полный видеосигнал преобра-
зуется в трехмерную дискретную функцию изображения ((/yt/y),y вида
(^YUV^ij-U(n, i, j, Uy, U(j, Uy, t),
где (Uyyyjij — дискретная амплитуда пикселя, расположенного на пере-
сечении /-й строки и j-го столбца кадра.
Искажения сигнала, возникающие в процессе квантования, называют
шумом квантования. Обычно при оценке шума вычисляют разность между
исходным сигналом Uc и его квантованным значением Uc(n), а в качестве
показателей шума принимают среднее квадратичное значение этой разно-
сти. Особенностью шума квантования является его связь непосредственно с
сигналом, поэтому сю нельзя устранить последующей фильтрацией. Шум
квантования убывает с увеличением числа уровней квантования и. Нормой
считается п = 10, что при двоичном кодировании позволяет квантовать ви-
278
6.4. Устройства ввода и хранения изображения
деосигнал на 1024 уровня. (Для монохромного изображения эти уровни на-
зываются градациями яркости.) Таким образом, в результате проведенных
преобразований видеосигнал представляет собой последовательность кодо-
вых слов, каждое из которых передастся в течение одного интервала дис-
кретизации.
Способы квантования и дискретизации видеосигнала в СТЗ в значитель-
ной степени определяют ее эксплуатационные показатели — быстродейст-
вие и разрешающую способность.
Быстродействие СТЗ связано со временем ввода и временем обработки
данных процессором СТЗ. Как правило, оно задается числом обрабатывае-
мых изображений в секунду и зависит от размера и типа изображения, а
также числа градаций яркости. Как уже отмечалось, работа с изображением
трсбуез широкой полосы пропускания канала передачи данных. В режиме
реального времени длительность обработки одного поля изображения в
темпе кадровой развертки нс должно превышать 20 мс. Для улучшения ка-
чества изображения необходимо увеличить частоту развертки кадра до
85.. 120 Гц. С этой целью устройства ввода-вывода изображения оснащают
графическими процессорами. Например, при 24-битовом представлении из-
вестного изображения размером 1024x768 элементов с частотой развертки
кадра 85 I ц поток информации, определяющий скороеib передачи данных,
должен быть более 200 Мбайт/с. Обеспечить такую пропускную способ-
ность канала в СТЗ одношинной архитектуры затруднительно. Заметим, что
частота строчной развертки устройства вывода изображения (например, мо-
нитора) должна составлять не менее 768 • 85 = 66 кГц.
Основными путями решения проблемы реального времени при вводе-
выводе изображения являются: разработка новых типов локальных шин
(подобных тем, которые устанавливают на графических станциях) и созда-
ние специализированного быстродействующего программного обеспечения.
Так, локальная шина, построенная по схеме AGP (Accelerated Graphics Port),
обеспечивает пропускную способность канала 533 Мбайт/с (именно с такой
скоростью возможен обмен данными между процессором, видеоадаптером и
оперативной памятью).
Разрешающую способность устройства ввода оценивают по полю
(пространственное разрешение) и по амплитуде (уровню квантования ви-
деосигнала). Пространственное разрешение характеризует размер пикселя
изображения и определяется частотой дискретизации устройства ввода. Чем
тоньше деталь, тем выше соответствующая ей частота видеосигнала. Это
разрешение ограничивается эффектом муара, заметным у всех устройств
ввода-вывода (особенно у мониторов и сканеров). Эффект муара является
проявлением интерференции волн и возникает в том случае, когда размер
фрагмента изображения соответствует разрешающей способности усгройст-
ва ввода. Для телекамер на основе ПЗС и фотодиодных матриц пространст-
венное разрешение соответствует числу элементов матрицы (чем оно боль-
ше, тем выше разрешение СТЗ в целом). Фотодиодным матрицам свойст-
венно невысокое пространственное разрешение. Например, телекамеры
Insight 32 (Великобритания) или Hitachi Zosen (Япония) содержат всего
279
6. Системы технического зрения
100x100 элементов, у телекамер на ПЗС —2000 х 1 000 элементов и выше.
Для определения разрешающей способности устройства ввода используют
тестовые таблицы.
При выборе разрешения по амплитуде учитывают особенности зрения.
На основании физиологических исследований установлено, что глаз разли-
чает не более 64 опенков серого цвета, что позволяет для качественной
оцифровки полутонового изображения использовать 6-разрядный АЦП. Од-
нако при этом необходимо учитывать два момента. Во-первых, для любого
АЦП характерно наличие шума, уровень которого примерно соответствует
его младшему разряду. Во-вторых, чувствительность глаза обладает лога-
рифмической характеристикой, что позволяет ему различать в нижней части
диапазона яркостей больше опенков, чем в верхней. Технические устройст-
ва (сканеры и мониторы) имеют линейную характеристику, поэтому для
обеспечения необходимою разрешения малых яркостей при дискретизации
требуется не менее 8 бит В профессиональных системах применяют
10-разрядные и более АЦП.
Как уже отмечалось, спектральная чувствительность глаза во всем диа-
пазоне видимого света неодинакова. Поэтому каждую цветовую состав-
ляющую кодируют одним байтом, чю позволяет представить примерно
16,8 млн цветов (256-256'256). Это намного превышает возможности чело-
веческого глаза, так как большинство людей различает приблизительно 128
цветовых тонов при 30 значениях насыщенности и 50 уровнях яркости, т. е.
максимум 128-30-50 = 192 тыс. цветов. Режим представления цветовой со-
ставляющей одним байтом получил название True Color в отличие от упро-
щенного цветового режима High Color, где каждая компонента кодируется
пятью битами, что составляет 32 768 цветов.
6.4.2. Способы хранения изображения
Запись больших объемов видеоинформации осуществляют на носитель, в
качестве которою чаще всего используют магнитную ленту шириной 8, 12,7
или 25 мм. Магнитная запись основана на способности определенных мате-
риалов приобретать остаточную намагниченность в результате воздействия
магнитного поля1. Чаще всего это поле создается универсальной магнитной
головкой, непосредственно взаимодействующей с носителем и записывающей,
воспроизводящей или стирающей видеоинформацию. Магнитная головка
представляет собой сердечник из магнитомягкого материала с обмоткой. Ма-
териал сердечника (пермаллой, феррит и др.) характеризуется высокой маг-
нитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой. Сердечник содержит
зазор, ширина которого составляет 0,1...10 мкм. При записи ток сигнала на-
магничивает сердечник и возбуждает в области зазора магнитное ноле, кото-
рое, в свою очередь, намагничивает носитель. Принцип считывания информа-
ции мало отличается от ее записи. Напомним, что зависимость остаточной на-
1 Принцип магнитной записи был предложен и осуществлен датским инженером В Поуль-
сеном в 1898 г.
280
6.4. Устройства ввода и хранения изображения
магниченности носителя от напряженности магнитного поля нелинейна. Для
ее линеаризации в обмотку магнитной головки наряду с током сигнала подают
ток подмагничивания /п, частота и амплитуда которого соответственно в 4...6 и
6. .8 раз выше, чем тока сигнала. В этом случае зависимос ть становится прак-
тически линейной до /„ = (0,3...0,4) /нас, где /нас — ток, соответствующий маг-
нитному насыщению носителя.
Изображение записывают па дорожки магнитной ленты продольно, попе-
речно или перпендикулярно направлению ее движения (рис. 6.17). При про-
дольной записи лента перемещается относительно неподвижной магнитной
головки, причем разноименные магнитные полюсы участков расположены на
одной и гой же стороне рабочего слоя (см. рис. 6.17, а). Поперечная запись
реализуется путем формирования строчек остаточной намагниченности на
ленте подвижными магнитными головками, перемещающимися перпендику-
лярно ей с большой скоростью (см, рис. 6 17, б) При этом строчки записи уже
не оказываются строго поперечными, а имеют некоторый наклон в сторону
движения ленты. Разновидностью поперечной записи является наклонно-
строчная (диагональная) запись, koi да магнитные дорожки располагаются под
острым углом к направлению движения лепты. Этот вид записи, появившийся
в 60-х годах XX в., получил особое распространение при записи телевизион-
ных сигналов. Его существенной особенностью явилась возможность записи
на одной строке носителя целого телевизионного поля (при поперечной запи-
си на одной строке можно было записать всего 15...20 твл).
При перпендикулярной записи лента перемещается внутри магнитной
головки, при этом магнитные полюсы оказываются с двух сторон носителя
(см. рис. 6.17, в).
Рис. 6.17. Виды аналоговой магнитной записи изображения:
а — продольный, б — поперечный; в — перпендикулярный, / — головка записи,
2 — магнитная лента
Одной из основных проблем, возникающих при записи изображения, яв-
ляется необходимость передачи широкополосного видеоси!нала без иска-
жений. Как было показано выше, при стандарте 625 строк в кадре и переда-
че 25 кадров в секунду полоса частот сигнала составляет 50 Гц ... 6 МГц.
Для записи такого сигнала требуется обеспечить высокую скорость движе-
ния v0TH носителя относительно головки. Как правило, скорость движения
281
6. Системы технического зрения
ленты не превышает 0,4 м/с, поскольку при больших скоростях возникают
аэродинамические эффекты, существенно ухудшающие качество записи и
воспроизведения Минимальная длина волны, которую удается записать со-
временной промышленной аппаратурой магнитной записи, лежит в диапа-
зоне 0,3...2 мкм. Следовательно, для записи сигнала с частотой/тах - 6 МГц
при X = 2 мкм необходима скорость vOTH = X/max = 12 м/с. Достигается та-
кая скорость главным образом благодаря быстрому вращению магнитных
головок, а также увеличению их числа (до четырех)
Для улучшения качества записи используют ЧМ, при которой видеосиг-
нал модулирует некоторую несущую частоту /о = (М-- Ь5)/тах. Спектр за-
писываемых частот в этом случае перемещается в более высокочастотную
область, уменьшая тем самым максимальную длину волны записываемого
сигнала. Недостатком такого подхода является расширение полосы пропус-
кания, которая для видеосигнала становится равной 0,5... 11 МГц. В совре-
менных системах магнитной записи vOTH = 25 м/с. Следовательно, для широ-
кополосного видеосигнала (0,5...! 1 МГц) диапазон длин волн записываемо-
го сигнала должен составлять 2,3...50 мкм.
Видеосигнал на магнитную ленту записывают с помощью аналоговых и
цифровых видеокамер. В большинстве из них в качестве датчика изображе-
ния используют матрицы ПЗС разного размера. В последних моделях коли-
чество элементов матрицы превышает 5 млн.
Аналоговые видеокамеры получили название камкордеры (от англ.
camera + recorder — записывающая камера). В простых камкордерах класса
VHS (Video Home System) формируется композитный видеосигнал, в кам-
кордерах класса Betacam — компонентный.
Напомним, что изображение в видеокамере формируется телевизионным
растром и состоит из 625 строк разложения (из них 575 — активные). Теоре-
тическое разрешение могло бы составить 575 твл по вертикали и 767 твл
(575 4/3) по горизонтали. На практике разрешение зависит от ширины спек-
гра видеосигнала и соответствующей ей полосы пропускания канала записи.
Например, ширина спектра сигнала яркости для телевизионной системы
PAL равна 5 МГц, поэтому разрешение по горизонтали составляет всего
320 твл. Такое качество изображения, соответствующее известному режиму
VGA, достигается при использовании компонентного видеосигнала. Для
композитного видеосигнала реальная ширина спектра сигнала яркости нс
превышает 4 МГц, а сигнала цветности — 1,5 МГц, что соответствует раз-
решению по горизонтали 256 и 96 твл соответственно. Например, для кам-
кордеров классов VHS и Video-8 разрешение по горизонтали ограничено
240 твл. Более высокое качество изображения получают в камкордерах
классов SVHS и Hi-8, где вместо единого композитного сигнала используют
два композитных сигнала Y и С, первый из которых содержит сигнал ярко-
сти и синхроимпульсы, а второй — модулированные сигналы цветности.
Этот комбинированный сигнал получил название S-Video. Разрешение в
этом случае достигает 400 твл. В профессиональных камкордерах класса
282
6.4. Устройства ввода и хранения изображения
Betacam, использующих композитный сигнал в системе YUV, обеспечивает-
ся разрешение до 500 твл.
Для профессиональных целей применяют так называемые RGB-камеры,
содержащие три матрицы ПЗС, отдельно на каждую цветовую составляю-
щую. На выходе такой видеокамеры присутствуют как композитный видео-
сигнал, так и три цветовые составляющие. Следствием этого является воз-
можность прямого подключения цветовых каналов, что улучшает качество
воспроизведения.
Недостаток систем аналоговой записи изображения — ограничение на
многократное копирование (уровень шума возрастает на 1,5..3,0 дБ с каж-
дой новой копией). Например, копирование изображения в системах класса
VHS с допустимыми для телевидения потерями качества вообще невозмож-
но, в системах класса SVHS допускается не более двух, а в системах класса
Betacam — более четырех копий. Этого недостатка лишены появившиеся в
конце XX в. цифровые видеокамеры.
Первая промышленная система цифровой записи изображения была соз-
дана на фирме Sony. Основная проблема при разработке таких систем заклю-
чалась в необходимости значительного расширения пропускной способности
канала записи вследствие резкого увеличения потока информации. Так, для
цифрового композитного видеосигнала (стандарз D2) при частоте его дискре-
тизации 17,72 МГц (четвертая гармоника поднесущей частоты сигнала цвет-
ности) поток информации составит 17,72-8 = 142 Мбит/с. В случае цифровой
записи изображения в стандарте D1 с раздельным кодированием сигналов
яркости и цветности при частоте дискретизации 13,5 МГц для сигнала ярко-
сти и 6,75 МГц для сигналов цветности R-YmB-Y, а также 8-битовом кван-
товании амплитуды получаем (13,5 + 2-6,75)-8 = 216 Мбит/с. Достижение
такой пропускной способности позволило, во-первых, существенно улучшить
качество изображения и, во-вторых, значительно увеличить (до нескольких
десятков копий) число допустимых перезаписей информации на носитель
практически без потери качества. В то же время это предъявляет жесткие тре-
бования к средствам передачи данных, поэтому во многих случаях непосред-
ственная передача и запись такого потока информации в реальном масштабе
времени практически невозможна. Техническое решение этой проблемы
предполагает кодирование видеосигнала.
6.4.3. Кодирование видеосигнала
Композитный видеосигнал в телевизионных системах PAL и NTSC дис-
кретизируют с частотой, равной четвертой гармонике цветовой поднесущей
частоты. Пропускная способность канала передачи изображения составляет
177 Мбит/с в системе PAL и 143 Мбит/с в системе NTSC. Для представления
компонентного видеосигнала в цифровом виде установлены правила раздель-
ной дискретизации, квантования и кодирования сигнала яркости Y и двух цве-
торазностных сигналов R-Y (Сг) и В - Y (СЬ). Кодирование видеосигнала, как
283
6. Системы технического зрения
и звукового сигнала (см. гл. 5), предполагает использование линейной им-
пульсно-кодовой модуляции. Полоса частот, необходимая для обеспечения
требуемой пропускной способности, зависит от характеристик канала.
Рассмотрим кодирование видеосигнала в режиме линейной импульсно-
кодовой модуляции в цифровом стандарте D1. Здесь сигнал яркости и
оба цветоразностных сигнала имеют одинаковые полосы частот, равные
3,375 МГц каждая. Частота дискретизации сигнала яркости составляет
4-3,375 = 13,5 МГц, а каждого цветоразностного сигнала — 2-3,375 =
= 6,75 МГц. Частоты дискретизации связаны с частотой строчной развертки,
что обеспечивает неподвижную ортогоналыгую структуру телевизионного
изображения. Существенно, что значениям 13,5 и 6,75 МГц кратна частота
строчной развертки как телевизионного стандарта разложения 625 строк/50
кадров, так и стандарта 525 строк/60 кадров. (Выбор в качестве базовой час-
тоты 3,375 МГц во многом связан именно с соображением кратности.) Ука-
занные обстоятельства позволили ввести единый мировой стандарт цифро-
вого кодирования компонентного видеосигнала, при котором в активной
части строки содержится 720 элементов сигнала яркости и по 360 элементов
каждого цветоразностного сигнала Таким образом, соотношение между
частотами дискретизации всех компонент видеосигнала (в данном случае
13,5; 6,75 и 6,75 МГц) и верхней частотой сигнала 3,375 МГц составляет
4:2:2. Поэтому рассматриваемый формат получил название компоненгного
формата 4:2:2. Записываемый поток видеоинформации в формате 4:2:2 при
8-битовом квантовании составляет (13,5 + 2-6,75)-8 - 216 Мбит/с. При
10-битовом квантовании этот поток расширяется до 270 Мбит/с.
Существуют и другие форматы представления компонентного сигнала в
цифровом виде. Кодирование в формате 4:4:4 предполагает использование
частоты 13,5 МГц для всех трех компонент: R, 6, В или У, Сг, СЬ Это озна-
чает, что все компоненты передаются в полной полосе и для каждой из них
в активной части кадра оцифровывается 576 строк по 720 элементов каждая.
Поток информации при кодировании в формате 4:4 4 и 10-битовом кванто-
вании достигает405 Мбит/с.
До недавнего времени магнитная лента являлась единственным средст-
вом хранения больших массивов видеоинформации. Сейчас ее успешно
заменяют оптические носители, в первую очередь опгические диски высо-
кой плотност и DVD. Информация хранится на дорожках дисков в виде по-
следовательности бинарных элементов с разной отражательной способно-
стью — питов. Емкость оптических носителей DVD достигает 40 Гбайт при
пропускной способности канала более 20 Мбит/с. Однако это значение
существенно ниже требуемого, которое, например, для формата D1 равно
216 Мбит/с, а значит, носители DVD не позволяют воспроизводить видео-
информацию в реальном времени. Поэтому кроме кодирования необходимо
сжатие изображения. Степень сжатия изображения равна отношению разме-
ра исходного изображения к размеру изображения после сжатия. Обычно
она составляет 50—90 (табл. 6 8).
284
6.5. Форматы хранения изображения в СТЗ
Таблица 6.8
Сравнительная характеристика систем магнитной записи изображений
Класс системы Вид видеосигнала Ширина ленты, мм V0TH. м/с Отношение с и гн ал/ш ум, дБ Степень сжатия, %
Аналоговые системы
VHS Композитный 12,65 23,39 43 —
SVHS Y/C 12,65 23,39 45 —
Н18 Y/C 8.00 20,50 44 —
Betacam YUV 12,65 101,50 49 —
Цифровые системы
Betacam SX YUV (4 2:2) 12,65 59,57 51 90
Digital Bclacam YUV (4:2:2) 12,65 96,70 55 50
DV YUV (4:2:0) 6,35 18,83 54 80
DV Cam YUV (4-2 0) 6,35 28,20 54 80
DVC Pro50 YUV (4:2:2) 6,35 67,63 62 70
6.5. Форматы хранения изображения в СТЗ
6.5.1. Общие сведения
Цифровое июбражение представляет собой последовательность кадров
(или отдельнын кадр) в виде дискретного массива точек (пикселей), распо-
ложенных в памяти либо устройства ввода, либо непосредственно СТЗ. В
большинстве случаев объем этой памяти нс слишком велик, что позволяет
записать нс более чем несколько тысяч кадров изображения. В СТЗ разли-
чают четыре типа изображении: монохромные, полутоновые, в естествен-
ных цветах и палитровыс.
Монохромные, или двух градационные, изображения встречаются в про-
стых промышленных СТЗ, например в системах контроля, где требуется опре-
делить наличие объекта в поле зрения. Монохромное изображение является
самым компактным, яркость каждого пикселя в нем кодируется одним битом.
Однако хранить и обрабатывать изображение в таком виде неудобно, поэтому
битовое представление яркости пикселя преобразуют в байтовое. Наибольшее
распространение на практике получили полутоновые изображения, где яркость
пикселя кодируется одним 6airroM, г. е принимает значения от 0 до 255. В по-
следнее время все чаще приходится иметь дело с цветными изображениями,
особенно в таких областях, как металлургия, медицина, криминалистика. При
сохранении цветного изображения в естественных цветах цвет каждого пиксе-
ля представляют в виде гак называемой RGB-тройки. В этом случае для запо-
минания одного элемента изображения требуется 3 байта, что позволяет пред-
ставить в изображении около 16,8 млн различных цветов и оттенков (режим
True Color). Этот режим используют в системах обработки фотографий, ре-
продукций и т. д. Его недостатком является значительный размер массива изо-
бражения. Наконец, для более компактного хранения цветного изображения
разработано палитровое представление. В этом случае изображению априорно
285
6. Системы технического зрения
придается цветовая палитра, состоящая из 16 или 256 RGB-троек, с помощью
которых косвенно определяются его цвета. Цвет пикселя кодируется 4 или 8
битами, причем числовое значение не прямо определяет цвет элемента, а даст
ссылку на цветовую палитру. Подобное упрощение приводи! к значительному
уменьшению размера массива, однако при этом иногда возникают цвета, кото-
рых не было в исходном изображении. Поэтому палитровыс изображения так-
же часто приходится преобразовывать в полутоновые или естественные. Па-
литровое представление широко используют в компьютерной графике. Что
касается промышленных СТЗ, то в большинстве из них отраничиваются полу-
тоновым изображением.
Во всех случаях изображения должны быть представлены в максимально
компактной и стандартной форме — в виде графического файла. До недав-
него времени многие компьютерные фирмы занимались разработкой собст-
венных пакетов обработки изображений, а следовательно, собственных гра-
фических форматов файлов. Сейчас в различных областях компьютерной
графики применяют более сотни таких форматов, однако по способу пред-
ставления изображения все они могут быть отнесены либо к векторным, ли-
бо к растровым (точечным).
В 70-х годах XX в., когда компьютерная графика делала первые шаги,
обработка изображений базировалась преимущественно на векторных дан-
ных. Векторные экраны и перьевые плоттеры были единственными легко-
доступными устройствами вывода. Сегодня изображения чаще всего хра-
нятся и отображаются в растровом виде. Это стало возможным вследствие
использования высокоскоростных процессоров, недорогой оперативной и
внешней памяти, а также устройств ввода-вывода с высокой разрешающей
способностью. Кроме того, изображения, формируемые стандартными ви-
деокамерами, имеют растровую форму.
Векторное изображение представляет собой совокупность независимых
математических объектов — контуров, каждый из которых можно переме-
щать и масштабировать. С векторными данными всегда связаны информа-
ция об атрибутах (цвете и толщине линии) и набор соглашений, позволяю-
щий программе начертить требуемые объекты. Эти соглашения могут быть
заданы как в явном, так и в неявном виде, однако они программно-
зависимы, несмотря на то что используются для одних и тех же целей. Век-
торная графика является объекгно-ориентированной. Ее достоинством явля-
ется компактность (сохраняется не все изображение, а некоторые основные
данные). Кроме того, информация о цвете практически не увеличивает раз-
мера файла. Однако векторному представлению изображения свойственны и
недостатки. Важнейший из них связан с тем, что изображение объекта не-
реалистично, так как представляет собой некоторую его графическую ин-
терпретацию. Кроме того, различные векторные форматы отличаются меж-
ду собой. Наиболее известными являются векторные форматы DXF фирмы
Autodesk, SGO фирмы Silicon Graphics и POV фирмы POV-Team.
Растровое изображение представляет собой совокупность отдельных
пикселей, записанную в ячейки памяти в виде таблицы (или битовой карты).
286
6.5. Форматы хранения изображения в СТЗ
Физический размер пикселя связан с разрешением по полю устройства вво-
да изображения. В компьютерной технике разрешение по полю определяют
числом пикселей на дюйм. Эта единица измерения, получившая название
dpi (dot per inch), является альтернативой числу телевизионных линий, при-
чем 1 dpi = 0,5 твл/дюйм. При представлении изображения на экране мони-
тора разрешение обычно составляет около 100 dpi, для принтера около
600 dpi, а для фотонаборного аппарата более 3500 dpi. Главное достоинство
растрового представления изображения — простота, поэтому практически
все устройства ввода изображения поддерживают точечную графику (скане-
ры, видеокамеры, цифровые фотоаппараты). Существенно, что растровые
графические форматы позволяют получать реалистичные изображения (ту-
ман, дымку и т. д.), но в то же время требуют значительных объемов памяти
для хранения изображений. Поэтому во многих растровых форматах преду-
смотрено сжатие изображения, эффективность которого зависит от его
сложности. Так, изображение в естественных цветах с большим разрешени-
ем сжимается плохо (некоторые алгоритмы сжатия изображения будут рас-
смотрены в 6.5.2). Кроме того, растровые изображения невозможно транс-
формировать (поворачивать, масштабировать и т. д.).
Наиболее распространенными в СТЗ растровыми форматами являются
PCX фирмы Zsoft Inc., BMP фирмы Microsoft, TIFF фирмы Aldus Corp., GIF
фирмы CompuServe Inc. и TGA фирмы Treuvision Inc.
Форматы, содержащие векторные и растровые данные одновременно,
получили название метафайлов. Самыми известными из них являются WMF
фирмы Microsoft и CGM, разработанный ISO.
Рассмотренные выше форматы предназначены для хранения отдельных
кадров изображения. Последовательности кадров, записанные в памяти СТЗ,
получили название фреймов. Каждый фрейм может быть как растровым, так и
векторным. В самых примитивных из них сохраняются все изображения цели-
ком, в более сложных — только одно изображение и несколько цветовых таб-
лиц. После загрузки новой цветовой таблицы цвет изображения меняется и
создастся иллюзия движения объектов. В еще более сложных форматах сохра-
няются только различия между двумя фреймами. Иллюзия плавного движения
достигается отображением 20 и более фреймов в секунду. Примерами форма-
тов анимации могут служить форматы TDDD и TTDDD.
В формате файла трехмерных видеоданных сохраняются описания фор-
мы и цвета объемных моделей объектов, сконструированных на основе век-
торного представления из многоугольников и гладких поверхностей, совме-
стно с описаниями соответствующих элементов цвета, текстуры, отражений
и т. д. Программы, которые используют для трехмерных видеоданных —
это, как правило, программы моделирования и анимации (например,
Lightwave фирмы NewNek и 3D Studio фирмы Autodesk).
Наконец, для хранения мультимодальной информации применяют муль-
тимедиа-форматы, позволяющие объединить в одном файле звуковую и ви-
деоинформацию (например, RIFF фирмы Microsoft, QuickTime фирмы
Apple, MPEG и FLI фирмы Autodesk).
287
6. Системы технического зрения
6.5.2. Структура графического файла
Графический файл состоит из заголовка и собственно данных. Располо-
женные в начале заголовка несколько числовых значений указывают специ-
фикацию файла (TIFF, BMP и т. д.) и называются магическим числом. За ма-
гическим числом следует основное содержание заголовка, содержащее общие
сведения о файле: формат изображения и его тип (например, цветное палигро-
вое или монохромное полутоновое), позиция видеоданных, использовалось ли
сжатие и т. д. Если файл содержит палитровое изображение, то после заголов-
ка в большинстве случаев находится таблица цветов, в соответствии с козорой
элементам изображения присваиваются значения RGB-троек.
Далее следуют видеоданные, которые подразделяются на три категории:
поля, теги и потоки.
Полем называется структура, имеющая фиксированный размер и фикси-
рованную позицию в файле Тег представляет собой струкзуру, размер и
позиция которой изменяются от файла к файлу. Поля и теги спроектированы
таким образом, чтобы помочь программе обработки изображения получить
быстрый доступ к нужным данным. Если позиция в файле известна, то про-
грамма получает доступ к ней непосредственно, без предварительного чте-
ния промежуточных данных. Файл, в котором данные организованы в виде
потока, нс дает таких возможностей и читается последовательно. Поток по-
зволяет поддерживать блоки данных переменной длины. Теоретически мо-
гут существовать файлы фиксированных полей (содержащие только фикси-
рованные поля), теговые и потоковые файлы, однако это большая редкость.
Чаще применяются комбинации двух и более категорий. Так, в форматах
TIFF и TGA используются теги и фиксированные поля, а в формате GIF —
фиксированные поля и потоки.
Простейшим способом организации пиксельных данных в растровом
файле является использование строк развертки. В этом случае они представ-
ляют собой последовательности наборов значений, где каждый набор соот-
ветствует строке изображения. Несколько строк образуют наборы данных,
записанных в файле от начала до конца. Этот метод является общим при
сохранении данных, организованных в строки.
Несмотря на го что векторные файлы значительно отличаются между
собой, большинство из них также имеет стандартную базовую структуру.
Непосредственно векторные данные записываются очень компактно. Так,
зри элемента изображения (окружность синего цвета, черная прямая и крас-
ный прямоугольник) могут быть записаны следующим образом:
«CIRCLE, 40, 100, 100, BLUE»;
«50, 136, 227, BLACK»;
«RECT, 80, 65, 25, 78, RED».
Здесь цифрами обозначены координаты характерных точек (например,
центра тяжести) и размеры характерных линий (например, радиуса). Замк-
нутые линии векторных изображений могут быть заполнены цветом, кото-
рый в общем случае не зависит от цвета контура элемента. Таким образом,
288
6.5. Форматы хранения изображения в СТЗ
каждый элемент изображения связан с двумя или более цветами, один из
них задан для контура элемента, а остальные — для заполнения. Упрощенно
можно считать, что размер векторного файла прямо пропорционален коли-
честву содержащихся в нем объектов. Это специфическая особенность век-
торных файлов, поскольку размер растрового файла не зависит от сложно-
сти описанного в нем изображения.
Рассмотрим основные графические форматы, использующиеся в СТЗ.
Наиболее простым является формат PCX Его основное достоинство — на-
глядность представления видеоданных в структуре файла — привело к по-
явлению многочисленных программ обработки изображений именно из
формата PCX. Самым распространенным является формат TIFF, называе-
мый также теговым. В этом формате можно хранить все типы изображений,
однако в связи с его сложностью возможны проблемы со сжатием изобра-
жении и совместимостью файлов. Формат BMP, разработанный для системы
Windows, несмотря на ряд недостатков, широко используется в самых раз-
ных графических системах. Формат TGA обеспечивает очень надежное ко-
дирование видеоданных и практически исключает несовместимость между
программами. Его недостаток связан с тем, что в файле не запоминается
разрешение изображения. Наибольшее число библиотек изображений соз-
дано в формате GIF, разработанном фирмой CompuServe. Формат обеспечи-
вает максимальное сжатие данных при записи в память; эффективен при со-
хранении палитровых изображений, содержащих нс более 256 цветов, в
максимально компактной форме.
Для уменьшения размера графического файла в большинстве форматов
используют алгоритмы сжатия, например RLE или LZW.
Видеофайлы имеют еще больший объем, поэтому их подвергают сжатию
либо автоматически, либо путем выбора соответствующей функции. Однако
эти методы нс очень эффективны, особенно если речь идет о записи изо-
бражении в естественных цветах. Удачным решением является использова-
ние процедуры дискретного косинусного преобразования (ДКП), которая в
форматах JPEG и MPEG позволяет существенно уменьшить размер файла
без видимого ухудшения качества изображения.
Примеры некоторых графических форматов, используемых в СТЗ, пред-
ставлены в табл. 6.9.
Таблица 6.9
Сравнительная характеристика основных графических форматов
Название Тип Назначение Алгоритм сжатия Примечание
PCX Растровый Сохранение отдельных кадров Без сжатия или RLE Простой аппаратно зависимый формат
BMP » То же То же Универсальный формат
TIFF » » RLE, LZW Формат хранения высококачественных изображений с ис- пользованием тегов
10 С.А Воротников
289
6 Системы технического зрения
Окончание табл. 6.9
11 аз ванне Тип Назначение Алгоритм сжатия I ]римечание
JPEG Растровый Сохранение отдельных кадров Субдискрстизация, ДК11 и алгоритм Хаффмана Основной формат хранения изображений
DXF Векторный Т о же Без сжатия Универсальный фор- мат хранения вектор- ных изображений
GIF Растровый Сохранение нескольких кад- ров в одном файле LZW Формат хранения высококачественных изображений с использованием потоков
MPEG » Сохранение пос- ледовательности кадров ДКП и покадровое сжатие Формат хранения зву- ковой и видеоинфор- мации
6.5.3. Сжатие изображении
Как уже отмечалось выше, при хранении изображения очень часто прихо-
дится уменьшать физический размер массива данных, описывающих ei о. Сжа-
тие (кодирование) изображения осуществляется аппаратно-программ-
ными устройствами — кодеками. Алгоритмы сжатия, используемые в кодеках,
позволяют уменьшить объем данных в десятки и сотни раз. При этом важно,
чтобы при сжатии не терялась реалистичность изображения. Кроме того, для
СТЗ особое значение имеют скорости сжатия и последующего восстановления
изображения, особенно при работе с динамическим изображением. Сжатие ста-
тического изображения позволяет организовывать достаточно компактные ба-
зы данных, доступ к которым осуществляется в реальном масштабе времени.
Сжатие статического изображения
Рассмотрим сначала способы сжатия статического изображения Проце-
дуры сжатия могут входить в спецификацию графического формата или вы-
полняться отдельно. Существует два основных подхода к сжатию изобра-
жения: без потери информации (алгоритмы Хаффмана, Лемпела—Зива—
Вслча (LZW), группового кодирования (RLE)) и с потерей информации (ал-
горитмы CCITT, ДКП, JPEG и фрактального сжатия). Заметим, что сжатие
растровых, векторных и метафайловых данных осуществляется по-разному.
В растровых файлах сжимаются только данные изображения, в то время как
заголовок (таблица цветов, концовка) и все остальные данные остаются не-
сжатыми. При этом несжатые данные занимают очень незначительную
часть растрового файла. Векторные файлы обычно не имеют определенной
формы сжатия данных, так как в них хранятся математические описания
290
6.5. Форматы хранения изображения в СТЗ
изображения, а нс сами данные изображения. Учитывая, что представление
данных в компактной форме заложено в основу любого векторного формата,
их сжатие дает очень незначительный эффект.
Методы сжатия изображений подразделяют на симметричные и асиммет-
ричные. В симметричных методах при сжатии (кодировании) и восстановле-
нии (декодировании) изображения используются практически одни и те же
алгоритмы, поэтому длительность процедур сжатия и восстановления одина-
кова
В асимметричных методах, как правило, на сжатие данных затрачивается
намного больше времени и системных ресурсов, чем на их восстановление.
Асимметричное сжатие эффективно, например, при создании базы изобра-
жений. В этом случае изображения сжимаются для хранения всего однажды,
зато восстанавливаться могут неоднократно.
Алгоритмы сжатия изображения базируются на модификациях стан-
дартных программ-кодировщиков. Как правило, такие программы создают
специально для обработки данных определенных типов. Их особенностью
является использование специализированных словарей, содержащих как
собственно кодируемые данные, так и правила их подстановки в процессе
сжатия и восстановления изображения. Примером такого неадаптивного
кодирования является алгоритм ССПТ, содержащий статический (априор-
ный) словарь элементов, о которых известно, что они появляются в коди-
руемых данных достаточно часто. Алгоритмы адаптивного кодирования,
например LZW, не содержат априорных правил для сжимаемых данных и не
зависят от их типа, поскольку словарь у них формируется в процессе коди-
рования. Наконец, в алгоритмах полуадаптивного кодирования применяют-
ся оба принципа: кодировщик сначала просматривает все данные и создает
свой словарь, а затем выполняет кодирование. Это позволяет построить сло-
варь прежде, чем приступить к кодированию.
Рассмотрим подробнее некоторые алгоритмы сжатия изображения без
потери информации. В этих алгоритмах либо оптимизируется кодирование
минимального элемента информации — байта (алгоритм Хаффмана), либо
удаляется избыточная информация (алгоритмы LZW и RLE).
В алгоритме Хаффмана сжатие проводится в два этапа. Сначала считыва-
ются данные и определяется частота встречаемости отдельных байтов данных,
затем байты кодируются, причем наиболее часто встречающиеся значения ко-
дируются меньшим количеством символов. Рассмотрим, например, кодирова-
ние полутонового изображения, содержащего 256 градаций яркости. Пусть
наиболее часто встречающееся значение яркости объекта соответствует значе-
нию 183. Тогда, если закодировать это число одним битом, получим восьми-
кратную экономию памяти по сравнению с использованием стандартной
кодовой таблицы. По мере снижения частоты появления значений яркости
используются все более длинные слова для их кодирования. После этого в
сжатый файл записывается поток битов и информация о том, как этот поток
интерпретировать. Алгоритм Хаффмана применяют, например, при факси-
мильной передаче изображений. Однако кодирование по Хаффману неэффек-
тивно, если значения яркостей распределены статистически равномерно.
ю*
291
6 Системы технического зрения
Групповое кодирование реализуется алгоритмом сжатия RLE1, который
поддерживается большинством растровых файловых форматов, включая TIFF,
BMP и PCX Алгоритм RLE позволяет сжимать данные любых типов, невзирая
на содержащуюся в них информацию, так как физически уменьшает размер
повторяющихся строк символов. Такие повторяющиеся строки, называемые
группами, обычно кодируются в двух байтах. Первый определяет количество
символов в группе и называется счетчиком группы. На практике закодирован-
ная группа может содержать от 1 до 256 символов. Во втором указывается зна-
чение символа в группе, которое находится в диапазоне от 0 до 255. Например,
несжатая символьная группа из 15 пикселей с яркостью 133 занимает 15 бай-
тов: 133 133 133 133 133 133 ... 133, а после кодирования лишь два байта: 15
(133). Алгоритм RLE реализуется достаточно быстро и просто, однако эффек-
тивность сжатия зависит от типа данных изображения, подлежащего кодирова-
нию. Черно-белые изображения, содержащие значительно больше белого цвета
(например, страница книги), кодируются очень хорошо, поскольку включают
большие объемы непрерывных данных постоянного цвета. Сложные же изо-
бражения с большим количеством цветов (цветные фотографии) кодируются
значительно хуже.
Алгоритм LZW является одним из наиболее распространенных в компь-
ютерной графике. Он применяется в различных форматах файлов изображе-
ний, в частности в GIF и TIFF, а также включен в стандарт сжатия для мо-
демов V.42bis. Основой алгоритма явилась созданная в 1977 г. А. Лемпелом
и Д. Зивом первая программа сжатия файлов из широко известного семейст-
ва архиваторов LZ. В соответствии с алгоритмом первая часть файла пере-
дастся без сжатия, и кодируется лишь та часть изображения, в которой
содержатся уже переданные данные (например, где значения яркости повто-
ряются). Алгоритм сжатия СТГП широко использовался для текстовых фай-
лов и стал основой таких архивирующих программ, как ZOO, LIIA, PKZIP и
ARJ. Алгоритм сжатия LZ78 и его модификации до сих пор применяют для
сжатия двоичных данных, например бинарных изображений. Заметим, чго
алгоритм сжатия LZW использует словари.
Таким образом, чем больше деталей в изображении, тем хуже оно сжи-
мается. Это характерно как для полутоновых, так и для изображений в ис-
тинных цветах (хотя и в меньшей степени). Например, степень сжатия полу-
тонового изображения алгоритмами RLE и LZW обычно не превышает 6 %,
а изображения в истинных цветах — 5 % и 30 % соответственно. Папитро-
вые изображения сжимаются более эффективно, особенно при использова-
нии комбинации алгоритмов LZW и RLE. Степень сжатия налитрового
изображения при этом достигает 45 %. Однако заметим, что применение
этих алгоритмов сжатия иногда приводит к увеличению размера графиче-
ского файла.
В алгоритмах сжатия изображения с потерей информации используется
принципиально другой подход. Он основан на частотном представлении
1 В СТЗ этот алгоритм имеет также название НДС — кодирование методом длин серий
292
6.5. Форматы хранения изображения в СТЗ
изображения. Видеосигнал часто удобно анализировать нс по его измене-
нию во времени, а с помощью его частотных составляющих При этом изо-
бражение представляют в виде ряда Фурье — определенной последователь-
ностью гармонических сигналов со своей амплитудой и частотой. Напом-
ним, что мелкие детали изображения имеют большую частоту видеосигнала,
чем крупные. Следовательно, удаляя из видеосигнала высокочастотную со-
ставляющую, можно существенно уменьшить требуемую емкость памяти.
Однако при этом некоторая часть изображения теряется безвозвратно. Наи-
более известным способом сжатия изображения с потерей информации яв-
ляется ДКП, при котором сигнал сначала преобразуют в частотную форму, а
затем из него удаляют часть частотных составляющих.
Для примера рассмотрим процедуру сжатия полутонового изображения,
состоящего из матрицы пикселей. На первом этапе яркости каждого пикселя
преобразуют в частотные составляющие. Для этого изображение разбивают
на фрагменты размером 8x8 элементов (субматрицы), в которых определя-
ют частотные составляющие. Затем число этих составляющих сокращают,
сохраняя только самые существенные, и, наконец, записывают их возможно
более компактным способом. При этом процедуру ДКП применяют не ко
всему изображению, а только к его фрагментам.
Алгоритм ДКП реализуется в иде
yd =dydt,
где Y — матрица исходного изображения размером 8x8 пикселей; Yp —
матрица изображения после ДКП; D — матрица косинусного преоб-
разования
Например, для полутонового изображения матрица Y представляет со-
бой 64 значения яркостей соответствующих пикселей. Матрица ДКП имеет
следующий вид:
0,353 0,353 0,353 0,353 0,353 0,353 0,353 0,353
0,490 0,415 0,277 0,097 -0,097 -0,277 -0,415 -0,490
0,461 0,191 -0,191 -0,461 -0,461 -0,191 0,191 0,461
0,415 -0,097 -0,490 -0,277 0,277 0,490 0,097 -0,415
0,353 -0,353 -0,353 0,353 0,353 -0,353 -0,353 0,353
0.277 -0,490 0.097 0,415 -0,415 -0,097 0,490 -0,277
0.191 -0,461 0,461 -0,191 -0,191 0.461 -0.461 0.191
0,097 -0,277 0,415 -0,490 0,490 -0.415 0,277 -0,097
(Здесь для упрощения записи в каждом коэффициенте учтены только три
цифры после запятой.) Процедура ДКП реализуется с помощью после-
довательности матричных перемножений, т. е. поблочно (размер блока 8x8
пикселей). Сначала матрица изображений Y умножается на транспони-
293
6 Системы технического зрения
рованную ДКП матрицу DT, а затем полученный результат — на собственно
матрицу ДКП. Существенно, что в результате этих преобразований
образуется новая матрица, численные значения элементов которой быстро
уменьшаются от левого верхнего угла к правому нижнему:
94 4 -5 -6 3 0 0 1
-41 -56 9 15 -3 3 5 2
-82 57 0 -21 5 4 -3 3
-56 -42 -14 16 -11 5 -4 0
Yd = -88 -45 41 -8 18 -7 -3 5
-65 69 -12 -2 4 -7 2 0
-15 17 -32 16 -10 3 2 -1
-51 31 -8 -6 19 0 1 1
Полученная матрица характеризует распределение частот в видеосигна-
ле: так, в ее левом верхнем углу размещаются наиболее важные (низкочас-
тотные) элементы изображения. Сжатие выполняется путем устранения
менее важных (высокочастотных) составляющих, для чего проводится кван-
тование частотных данных. Суть его заключается в том, что в матрице
остаются только тс элементы, значения которых превышают некоторое за-
ранее установленное пороговое значение, зависящее от обрабатываемого
изображения (монохромное или цветное). Остальным элементам присваи-
вается нулевое значение. Выбор порогового значения является непростой
задачей. Например, если оно будет слишком высоким, то потеряется
большая часть данных, хотя само сжатие будет значительным, а восстанов-
ленное изображение будет сильно отличаться от исходного. На практике
можно обеспечить степень сжатия изображения до 80 % без видимой потери
качества.
Квантование осуществляется умножением полученной частотной матри-
цы Yp на некоторую априорную матрицу делителей, элементы которой
определяют качество изображения. Для оценки качества изображения ис-
пользуют специальный параметр, называемый ^-фактор (от англ quality).
Значения Q находятся в диапазоне от 1 до 100, причем каждому из них со-
ответствует своя матрица делителей1. Например, при Q - 90 сжатие мало,
т. с. файл изображения имеет значительный размер, но и изображение будет
высокого качества. При Q = 20 потеря качества практически малозаметна,
однако при этом в матрице Yp сохраняется только несколько ненулевых
элементов, расположенных в левых столбцах матрицы:
В программе Adobe Photoshop 7.0 качество характеризует коэффициент Q, значения ко-
торого изменяются от 1 до 12
294
6.5. Форматы хранения изображения в СТЗ
34 0 0 0 0 0 0 0
-8 -9 2 0 0 0 0
-12 7 0 1 0 0 0 0
-6 -5 2 0 0 0 0 0
Yd = -5 3 0 1 0 0 0 0
-4 4 0 0 0 0 0 0
-1 0 1 16 0 0 0 0
-4 2 0 0 0 0 0 0
Оптимальное значение ^-фактора зависит от конкретного изображения и
подбирается индивидуально. Дальнейшее сжатие достигается кодированием
длинной непрерывной последовательности нулей, например с помощью ал-
горитма Хаффмана.
Восстановление сжатого изображения проводится обратным ДКП. При
этом все шаги выполняются в обратном порядке. Коэффициенты восстанов-
ленной матрицы несколько отличаются от соответствующих коэффициентов
исходной матрицы изображения Y, но, как правило, не более чем на 10 %.
ДКП является очень эффективным способом сжатия. Однако напомним, что
для обработки было выбрано полутоновое изображение, а следовательно,
при использовании ДКП в изображении необходимо выделить компоненты
яркости и цветности. Эго означает, что если исходное изображение пред-
ставлено в цветовых моделях RGB или CMYK, его следует преобразовать в
одну из аппаратно-независимых моделей — HSV или YUV. Яркостная ин-
формация сжимается непосредственно с помощью ДКП, а для сжатия цве-
товой информации предварительно используется специальная процедура
субдискретизации изображения. Суть этого подхода, заключающегося в
уменьшении количества пикселей для компоненты цветности, основана на
меньшей чувствительности глаза к цветовой информации. Например, при
сохранении цветного изображения размером 1000x1 000 пикселей можно
использовать все пиксели яркости, но только 500x500 пикселей для каждой
компоненты цветности. При таком представлении каждый пиксель цветно-
ст бу дез охватывать ту же область, что и блок 2x2 пикселя яркости. Сле-
довательно, для кодирования этого блока требуется всего шесть числовых
значений (четыре для компоненты яркости Y и по одному значению для
каждой компоненты цветности U и V) В несжатом виде такой блок требует
12 значений (4 + 4 + 4). Существенно, что уменьшение объема данных на
50 % практически нс отражается на качестве большинства изображений.
Таким образом, при сжатии изображения в цветовой модели YUV значе-
ния компоненты яркости Y (как и у полутоновых изображений) сжимаются
непосредственно, а значения компонент цветности U и V в соседних элемен-
тах изображения складываются. Так, при субдискретизации 4:2:2 проводит-
ся суммирование значений U и V для четырех соседних элементов, а запо-
минается только среднее значение. Тогда даже несжатый по яркости, но
субдискрстизированный но цвету массив из четырех элементов изображения
295
6 Системы технического зрения
будет представлен шестью числами (байтами), что соответствует 12 битам
на пиксель. Уже при этом степень сжатия информации составляет 50 %. Еще
более высокая степень сжатия достигается при субдискрстизации 4:1:1,
когда объединяются значения восьми соседних пикселей. Благодаря этому
объем данных на элемент изображения сокращается с 24 до 10 бит па пик-
сель, а степень сжатия равна 58 %, хотя уже становятся заметными некото-
рые цветовые искажения. Еще большее сжатие используется только для ди-
намических изображений. Заметим, что и ДКП, и субдискретизация приме-
нимы для изображений в естественных цветах.
Для палитровых изображений, в которых цвет пикселей представлен не
непосредственно, а через индексы в таблице цветов, необходимо преобразо-
вание изображения в модель HSV или YUV.
Рассмотрим теперь некоторые особенности формата JPEG, широко ис-
пользуемого при сжатии как статических (т. е. отдельных кадров), так и ди-
намических изображений . Кодирование в JPEG необходимо рассматривать
как набор алгоритмов, специально разработанных для сжатия цветных и по-
лутоновых растровых изображений. На практике JPEG следует применять
только к изображениям, имеющим глубину нс менее 4 ..5 битов на каждый
цветовой канал. Поэтому для черно-белых растровых, а также векторных
изображений JPEG, как правило, не используют.
Алгоритмы JPEG преобразуют компоненты яркости и цветности изо-
бражения отдельно, что обеспечивает их полную независимость от цветовой
модели. Наибольшая степень сжатия достигается для цветовых моделей
YUV и YCbCr. Формат JPEG позволяет сохранять одно и то же изображение
с разными размерами (например, 250 x 250, 1000x1000 и 2000x 2000 пиксе-
лей), т. с. поддерживать его на экранах мониторов, лазерных принтерах и на
высококачественных устройствах печати.
Отметим, что спецификация JPEG не всегда обеспечивает лучшее сжа-
тие изображения но сравнению с другими алгоритмами. Например, изобра-
жения, содержащие большие области одного цвета, в JPEG сжимаются мало.
При этом в них появляются артефакты (фрагменты, которых не было на ис-
ходном изображении), особенно заметные на сплошном фоне. Кроме того, в
JPEG сжатие выполняется медленнее других процедур, поэтому в целях ус-
корения его реализуют также аппаратными средствами.
Компоненты цветности в JPEG кодируются методом субдискрстизации.
Эта спецификация предлагает несколько различных значений коэффициен-
тов дискретизации Компонента яркости всегда остается с полным разреше-
нием (дискретизация 1:1). Для обеих компонент цветности обычно проводят
субдискретизацию 2:1 в горизонтальном направлении и 1:1 или 2:1 — в вер-
тикальном. При этом подразумевают, что пиксель каждой компоненты
цветности будет охватывать ту же область, что и блок 2x1 или 2x2 пиксе-
Аббревиатура JPEG происходит от названия комитета но стандартам Joint Photographic
Experts Group, входящего в состав Международной организации по стандартизации (ISO)
296
6.5. Форматы хранения изображения в СТЗ
лей компоненты яркости. В JPEG эти процедуры называются 2hlv- и 2h2v-
дискретизацией соответственно. Заметим, что рассмотренные выше алго-
ритмы сжатия изображения несимметричны — кодирование длится гораздо
дольше, чем декодирование.
В последние годы в СТЗ широко используют фрактальное кодирование
изображения. Это математическая процедура, применяемая для перевода
растрового изображения в совокупность математических данных, которые
описывают фрактальные свойства этого изображения. Фрактальное кодиро-
вание (наиболее известен формат FIF) основано на том факте, что все есте-
ственные и большинство искусственных объектов содержат избыточную
информацию в виде одинаковых, повторяющихся рисунков, называемых
фракталами. Фрактальное представление, подобно векторной графике, опе-
рирует математическими описаниями объектов, а нс их реальными изобра-
жениями. Существенное различие между ними состоит в том, что фракталь-
ные описания получают из реальных изображений объектов, тогда как век-
торные — это чисто искусственные структуры. Фрактальное представление
существенно асимметрично: кодирование изображения требует значительно
большего объема вычислений, чем декодирование, однако оно имеет два
важных достоинства: во-первых, изображение можно масштабировать без
введения артефактов и потери деталей, что характерно для растровых изо-
бражений, и во-вторых, количество данных в файле значительно меньше
(более чем в 100 раз) количества исходных растровых данных.
Сравнительный анализ храпения тестового цветного изображения объе-
мом 1000x670x3 байтов в разных графических форматах показал, что раз-
мер файла, в котором изображение сохранено, варьируется от 2 Мбайт в
форматах BMP, TGA и TIFF до 37 Кбайт в JPEG и 24 Кбайт в FIF, т. е. отли-
чается более чем в 80 раз. Использование алгоритма сжатия без потерь LZW
уменьшает размер файла втрое. Сжатие с потерей информации эффективно
как для цветных, так и полутоновых изображений, но поскольку цветовая
информация сжимается сильнее, то и степень сжатия в первом случае будет
выше, чем во втором.
Сжатие динамического изображения
Композитный видеосигнал перед оцифровкой (дискретизацией и квантова-
нием) чаще всего разделяют на базовые компоненты с помощью аппаратно-
независимых цветовых моделей YUV, YCbCr и YIQ, позволяющих существен-
но уменьшить объем данных без ущерба для качества изображения. При
обработке динамического изображения приходится иметь дело с огромными
массивами информации, объединенными в кадры, или фреймы. Один фрейм
видеоданных размером 512x482 будет содержать 246784 пикселя. Если каж-
дый пиксель кодируется 3 байтами, то для хранения этого фрейма потребуется
740 352 байта памяти. Следовательно, объем памяти, необходимый для хране-
ния десятисекундного динамического изображения, при скорости воспроизве-
дения 30 фреймов в секунду составит более 220 Мбайт.
297
6. Системы технического зрения
Для обеспечения эффективной работы с такими массивами изображений
в реальном масштабе времени были разработаны программные кодеки
Radius Cinepak, Intel Indeo и другие, а также формат MPEG (Motion JPEG),
объединяющий группу алгоритмов с общими принципами кодирования. Ос-
новные идеи, применяемые при сжатии изображения, направлены на устра-
нение временной и пространственной избыточности и использование более
низкого разрешения при представлении цветовой составляющей видеосиг-
нала. Так, при устранении временной избыточности учитывается тот факт,
что в пределах коротких интервалов времени большинство фрагментов сце-
ны незначительно смещаются по полю. Устранение пространственной избы-
точности основано на подавлении мелких деталей сцены, несущественных
для восприятия. Асимметричный кодек Cinepak удобен благодаря мини-
мальному использованию ресурсов процессора. Однако процедура кодиро-
вания занимает существенно больше времени, чем декодирования, что за-
трудняет использование этой программы в системах реального времени. Для
устранения этого недостатка фирма Intel разработала семейство симмезрич-
ных кодеков Indeo; у них продолжительности циклов кодирования и деко-
дирования приблизительно равны.
В настоящее время формат MPEG включает четыре стандарта: MPEG-1,
MPEG-2, MPEG-3 и MPEG-4
Первый международный стандарт сжатия MPEG-1 был создан в 1992 г. для за-
писи динамических изображений с разрешением 352x240 пикселей и звукового
сопровождения на CD-ROM с учетом максимальной скорости передачи данных
1,5 Мбит/с Качественные параметры MPEG-1 во многом аналогичны стандарту
VHS. Стандарт MPEG-2, появившийся в 1995 г., предназначен для обработки дина-
мических изображении телевизионного качества 720x486 пикселей при пропуск-
ной способности канала передачи данных до 50 Мбит/с. Технологию MPEG-2, по-
зволяющую кодировать чересстрочный сигнал, применяют в телевещании, спутни-
ковом и кабельном телевидении. Развитием MPEG-2 явился стандарт MPEG-3, раз-
работанный для телевизионных систем высокой четкости, однако позже он стал
частью стандарта MPEG-2 и отдельно теперь не применяется. Наконец, стандарт
MPEG-4, получивший официальный статус в 1999 г., задает общие правила работы
с цифровыми видео- и аудиоданными для интерактивного мультимедиа, графиче-
ских приложений и цифрового телевидения. В отличие от MPEG-2 он использует
процедуры фрактального кодирования и содержит соответствующие средства для
описания взаимного положения объектов сцены в пространстве и времени. Сущест-
венным достоинством MPEG-4 является возможность представления одного и того
же видеофрагмента с разным качеством с учетом пропускной способности канала
передачи данных.
Во всех существующих кодеках используют сжатие изображений мето-
дами субдискретизации и ДКП. Например, использование процедуры суб-
дискретизации 4:1:1 для кадра размером 512x482пикселей позволяет суще-
ственно уменьшить поток информации: 512-482-30-10/8 = 9,25 Мбайт/с.
Данное кодирование называется внутрифреймовым и является традицион-
ным. Степень сжатия зависит от содержимого кадра и достигает 95 %. При
этом в формате MPEG предусмотрено сжатие не отдельных кадров-
298
6.5. Форматы хранения изображения в СТЗ
фреймов, а их последовательности, что позволяет достичь еще более высо-
кой степени сжатия. Действительно, обычно различия между ближайшими
фреймами весьма незначительны. Если же кодировать только те пиксели,
которые отличают один фрейм от другого, то объем данных, необходимых
для хранения каждого фрейма, значительно уменьшится. Этот тип сжатия
получил название межфреймового, или дельта-сжатия. Степень сжатия при
межфреймовом кодировании достигает 99,5 % и выше.
Рассмотрим процесс межфреймового сжатия, используемый в стандарте
MPEG-2. В нем выделяют три типа кадров, объединенных в так называемую
последовательность GOP (Groupe of Pictures):
1-кадр (Intra frame) — начальный (опорный) кадр группы, содержащий
полную информацию обо всех деталях изображения. Этот кадр кодируется
только с применением внутрифреймового сжатия по алгоритмам, аналогич-
ным JPEG;
Р-кадр (Predictive frame) — вычисленный (предсказуемый) кадр, содер-
жащий только информацию об изменениях по сравнению с предыдущими
кадрами. Обработка таких кадров проводится с использованием предсказа-
ния вперед: кадр разбивается на макроблоки 16x16 пикселей, каждому мак-
роблоку ставится в соответствие наиболее похожий участок изображения из
опорного кадра. Это наиболее скомпенсированный кадр, степень сжатия ко-
торого превышает возможную для 1-кадров степень в 3 раза;
В-кадр (Bi-directional frame) — интерполируемый кадр, использующий
для своего восстановления при воспроизведении информацию как преды-
дущего, так и последующего кадров. Строится он либо как продолжение
предыдущего I- или Р-кадра, либо как предшественник следующего за ним
1- или Р-кадра, либо как интерполяция обоих.
Если Р-кадр сильно отличается от предыдущего, а В-кадр — от преды-
дущего и последующего, то они кодируются как 1-кадр.
Качество сжатия зависит от количества кадров, образующих группу. Так,
для группы из 12 кадров при частоте развертки кадра 25 Гц новый 1-кадр
появляется через 12 1/25= 0,48 с. В этот момент восстанавливается иден-
тичность исходного и сжатого изображений. Часто видеоинформация коди-
руется последовательностью из 15 кадров; тогда она имеет следующий вид:
IBBPBBPBBPBBPBBI. Здесь 1-кадр, начинающий каждую новую
группу, является ключевым и содержит полную информацию об изображе-
нии, а В- и Р-кадры получаются в предположении, что различия между кад-
рами нс слишком велики. Исходным для межфреймового сжатия является
компонентный видеосигнал, к которому применяется процедура субдискре-
тизации 4:1:1, ДКП, а также сжатие по алгоритму Хаффмана. Представление
изображений группами из 15 кадров эффективно в большинстве случаев, за
исключением динамичных сцен и сцен, насыщенных отдельными фрагмен-
тами, которые необходимо кодировать более короткими группами. Приме-
рами являются мелкие детали, вспышки света и т. п. Использование при ко-
дировании групп разной длины эквивалентно применению разных коэф-
фициентов сжатия и, следовательно, переменной скорости кодирования
299
6. Системы технического зрения
(табл. 6 10). Этот подход является основным при записи динамических изо-
бражений длительностью более 120 мин. Недостатком сжатия с переменной
скоростью является существенное влияние человеческого фактора. В табл.
6.10 приведен пример сжатия тестового изображения (без мелких деталей) с
частотой кадровой развертки 30 Гц и размером кадра 320x240 пикселей с
помощью различных алгоритмов сжатия.
Таблица 6.10
Сравнение некоторых алгоритмов сжатия динамических изображений
Алгоритм (кодек) Скважность 1-кадра Степень сжатия, % Размер файла, Мбайт Q-фактор Пропускная способность, Мбайт/с
Исходное изображение — 0 66,19 — 53
Radius Cinepak 15 89,6 6,9 100 5,5
Intel Indeo R3.2 4 94,0 3,9 65 3,1
Intel Indeo 5.1 15 98,5 0,97 50 0,78
Intel Indeo 5.1 30 98,8 0,81 85 0,65
MPEG-4 3600 99,1 0,62 — 0,5
6.6. Базовые алгоритмы обработки изображения
6.6.1. Общие сведения
В настоящее время существуют десятки коммерческих пакетов обработ-
ки статических и динамических изображений (фотографий, видеофильмов,
текстов и др.). Существующие системы контроля доступа используют про-
граммы распознавания лиц, отпечатков пальцев и радужной оболочки глаза.
Известны также программы распознавания номеров транспортных средств,
штрих-кодов и пр. Многие из этих программ входят в состав СТЗ, функцио-
нирующих в реальном масштабе времени. При этом все необходимые про-
цедуры выполняются в темпе поступления данных, что часто требует реали-
зации ряда алгоритмических функций аппаратными средствами.
Активные исследования процедур обработки изображения начались в
начале XX в. Одной из первых была работа Л. Вертхеймера, обнаруживше-
го, что при восприятии движущегося изображения оно представляется нс
как совокупность отдельных точек, а как целостная структура. Аналогией
здесь является стая птиц, воспринимаемая как единое целое, в котором от-
дельные птицы не различаются. В конце 50-х годов XX в. появились первые
алгоритмы обработки изображений и распознавания образов. Эти алгорит-
мы, созданные в нейрофизиологических лабораториях, и сейчас весьма по-
пулярны, хотя их компьютерные реализации либо узкоспециализированы,
либо недостаточно надежны.
300
6.6. Базовые алгоритмы обработки изображения
В настоящее время доказано, что при обработке визуальной информации
зрительный аппарат животных и людей широко использует операторные
принципы, в соответствии с которыми над массивом элементов, образующих
изображение, выполняются некоторые типовые процедуры (фильтрация,
дифференцирование и др.). Кроме того, сам этот массив представляет собой
совокупность нс точек, а фрагментов, включающих отрезки границ, текстуры
и т. д. Попытки описать эти процедуры привели к появлению оригинальных
моделей — операторов Хюксля и Робертса, алгоритма Уолша (изображение
интерпретируют данями, ребрами и затененными областями) и др.
Наиболее удачные алгоритмы обработки изображения обязаны своим
появлением работам в области физиологии зрения. Существенный вклад
внесли американские физиологи X. Уилсон и Д. Берген, которые в 70-х
годах XX в. обнаружили в зрительном анализаторе человека несколько
визуальных каналов, обладающих избирательностью по ориентации и раз-
решающей способности. На основании этих результатов была предложена
модель, в которой каждая точка поля зрения анализируется четырьмя ин-
формационными каналами, содержащими фильтры-маски. Размер маски
линейно растет с увеличением углового расстояния от центральной ямки
глаза до соответствующего канала. В порядке увеличения размера маски
каналы получили названия N, S, Т и (7, причем канал N обладает наибольшей
чувствительностью, а канал U — наименьшей. Угловое поле составляет 3,1'
— для канала N (примерно 9 колбочек центральной ямки); 6,2' — для канала
5; 11,7' — для канала Т и 21' — для канала U.
Алгоритмическую основу преобразования информации в каналах обна-
ружили Д. Марр и Е. Хилдрет. Предложенная ими функция преобразования
наилучшим образом описывается дифференциальным операторным фильт-
ром V2F(x, у), т. е.
?2Г = Э2Г/Эх2+Э2Г/Эу2,
где V2 —оператор Лапласа, V2 = Э2/Эх2 + Э2/Эу2.
Двухмерная плотность вероятности Ру(х, у) характеризует распределе-
ния яркости точек поля зрения с координатами (л, у) и средним квадратич-
ным отклонением о:
Ру(х,у) =—т=ехр
Ол/2л
Следовательно, яркость точек поля зрения внутри маски имеет нормаль-
ное распределение. Указанный фильтр позволяет зрительному анализатору
эффективно определять границы изменения яркости по полю зрения. Эта
возможность обусловлена двумя существенными свойствами фильтра: во-
первых, он вычисляет первую и вторую пространственную производную
301
б. Системы технического зрения
распределения яркости и, во-вторых, работает с масками всех четырех ин-
формационных каналов, благодаря чему используются общие принципы для
обработки различных по размеру фрагментов изображения. Это позволяет
определять границы изображения на размытых участках больших фрагмен-
тов и обнаруживать малые элементы изображения на его хорошо сфокуси-
рованных участках.
Подобные операторные фильтры широко используют в современных
СТЗ для нахождения границ областей изображения, элементов его фактуры,
при сегментации изображения и т. д. Алгоритмическое обеспечение СТЗ
построено по иерархическому принципу. Сложность алгоритмов определя-
ется целью, которую необходимо достичь с помощью СТЗ. Так, практически
все СТЗ содержат алгоритмы обработки, позволяющие получить изображе-
ния конкретных объектов с заданным качеством. Целью таких СТЗ является
обнаружение объекта, вычисление его геометрических параметров (линей-
ных и угловых размеров, площади и пр.). В более сложных СТЗ требуется
определение параметров нескольких объектов, нахождение их относитель-
ных скоростей и т. д. Наконец, в ряде случаев СТЗ приходится решать зада-
чи обнаружения неупорядоченно расположенных объектов при их сопри-
косновении и перекрытии, вычисления их признаков, классификации и т. п.
Этот класс задач решается с помощью алгоритмов анализа визуальных об-
разов. Если СТЗ не содержит таких алгоритмов, то ее можно отнести к сис-
темам низкого и среднего уровня (см. табл 6.2).
Сущность обработки изображения заключается в приведении исходного
изображения сцены к виду, позволяющему решить задачу распознавания ее
объектов. Это многочисленные процедуры предварительной обработки,
заключающиеся в улучшении изображения, его бинаризации, получении
контурного представления изображения, выделении на изображении объек-
тов сцены и определении их признаков. Конечной целью обработки изобра-
жения в СТЗ является подготовка объектов сцены к распознаванию, т. с. от-
несению их изображений к некоторым заранее заданным классам. Несмотря
на многообразие представленных процедур преобразования информации, в
СТЗ обычно выделяют три основных этапа обработки:
1) предварительная обработка изображения;
2) сегментация;
3) описание.
Предварительная обработка, в свою очередь, имеет две базовые стадии:
формирование изображения и его кодирование (сжатие). Последователь-
ность этапов не является жесткой и зависит от конкретной задачи. Напри-
мер, кодирование в зависимости от вида сцены может проводиться как до,
так и после сегментации. В частности, для сцен, содержащих несколько
объектов, сегментация предшествует кодированию. Бинаризация также воз-
можна как до, так и после процедуры выделения контуров. В первом случае
улучшение, сглаживание и бинаризация реализуются группой алгоритмов,
основанных на анализе гистограмм распределения яркости изображения.
302
6 6 Базовые алгоритмы обработки изображения
6.6.2. Предварительная обработка изображения
Все методы предварительной обработки изображения в СТЗ подразде-
ляют на пространственные и частотные. Пространственные методы являют-
ся процедурами, оперирующими непосредственно с пикселями изображе-
ния. В качестве характеристики изображения используется яркость У(х, у).
Частотные методы связаны с переводом изображения в комплексную плос-
кость с помощью преобразования Фурье. Примером частотного кодирова-
ния является рассмотренная ранее процедура ДКП.
При рассмотрении процедур предварительной обработки ограничимся
только пространственными методами, а исходное изображение будем счи-
тать полутоновым.
На первом этапе предварительной обработки происходит формирование
изображения. Формированием изображения называется процедура непо-
средственного получения изображения в виде расположенного в памяти ви-
деопроцессора массива дискретных элементов — пикселей, образующих
матрицу или контур. Пример изображения тестового объекта представлен на
рис. 6.18, а.
а б
Рис. 6.18. Исходное (а) и бинаризованное (б) изображения тестового объекта
В СТЗ на этапе формирования изображения выбирают порог яркости пу-
тем регулирования освещения и проводят фильтрацию изображения. При
фильтрации компенсируются помехи на изображении, а также выделяются
его контуры — края и линии. Как уже отмечалось, до 90 % всей информа-
ции об изображении содержится в его контуре. При необходимости на этом
же этапе выполняют бинаризацию, т. с. преобразуют полутоновое изобра-
жение в бинарное (рис. 6.18, б). Заметим, что после выделения контуров
значительно уменьшается объем визуальной информации, так как обычно
запоминаются только координаты и яркости элементов в точках перепада.
303
6. Системы технического зрения
Перепад яркости рассматривают относительно некоторого ее порогового
значения.
Выбор порога яркости является важнейшей процедурой первого этапа
предварительной обработки изображения в СТЗ, поскольку его качество
сильно зависит от освещенности рабочей сцены. Если освещенность зани-
жена, то увеличивается количество помех на изображении вплоть до потери
объекта; при очень сильной освещенности происходит засвечивание изо-
бражения, т. е. объект снова пропадает. Поэтому рассмотрим некоторые
особенности выбора порога яркости Наиболее эффективный способ связан
с его регулированием непосредственно при вводе изображения через
фреймграббер. Подобные средства автоматической адаптации при измене-
нии освещенности, получившие название систем автоматической регули-
ровки освещения, широко используют в современных СТЗ. Наличие этих
средств позволяет компенсировать некоторые помехи, в частности блики и
тени.
Обычно при улучшении изображения применяют покадровую регули-
ровку яркости и контрастности вводимого изображения. Для каждого кадра
строят гистограмму распределения яркости изображения и вычисляют ее
параметры: математическое ожидание и дисперсию. Каждая точка гисто-
граммы определяет, какое количество пикселей изображения имеет данное
значение яркости. При этом математическое ожидание определяет общую
яркость изображения, а дисперсия — его контрастность.
Уровень освещенности обычно настраивается по гистограмме распреде-
ления яркости изображения перед началом работы СТЗ с помощью рекур-
рентной процедуры. Вычисленные параметры гистограммы распределения
яркости текущего кадра сравниваются с оптимальными (определенными
заранее экспериментальным путем); после чего соответствующим образом
изменяются значения регистров фреймграббера, регулирующих коэффици-
ент усиления видеосшнала. Затем считывается следующий кадр, для кото-
рого сгроится гистограмма и вычисляются ее параметры. Так продолжается
до тех пор, пока отклонения текущих значений математического ожидания и
дисперсии от оптимальных не станут меньше некоторого заранее заданного
значения (обычно 10 % от требуемой яркости). После этого настройка за-
канчивается и управление передается основной части программы.
Коррекция гистограммы даст общее улучшение качества на всем поле
изображения. Для улучшения качества отдельных его элементов указанный
подход применяют к некоторой окрестности изображения. Тогда для малой
окрестности каждого пикселя строят гистограмму распределения яркости
точек данной окрестности, которую используют для отображения яркости
центрального пикселя группы. Далее центр перемещают на соседний пик-
сель и всю процедуру повторяют снова.
Бинаризацию можно выполнять по аналогичному алгоритму. В этом
случае се проводят непосредственно после улучшения изображения с по-
мощью гистограммы полутонов. Так, если изображение контрастно, напри-
мер в нем представлены светлые объекты на темном фоне, гистограмма бу-
дет двухмодальной, т. с. яркости пикселей объектов и фона образуют две
304
6.6. Базовые алгоритмы обработки изображения
области. Тогда для отделения объектов от фона необходимо выбрать то по-
роговое значение яркости Упор, которое разделяет эти области. Любая точка
изображения с яркостью У(х, у) > Упор принадлежит объекту, в противном
случае — фону. Выходное бинаризованное изображение У^(х, у) содержит
лишь две градации яркости: 0 или 1, причем
Г1приГ(х, у)>Г ;
Уа (х, у) = 4
6 7 [О при Г(х, у)<Упор.
Таким образом, на изображении пиксели со значением яркости
Уб(х, у) = 1 принадлежат объектам, а со значением 0 — фону. Бинаризован-
ное изображение тестового объекта приведено на рис. 6.18, б.
Фильтрация изображения является наиболее длительной и сложной ста-
дией предварительной обработки. Существует большое количество различ-
ных методов фильтрации со своими достоинствами и недостатками. Приме-
нение того или иного метода определяется задачей, решаемой с помощью
СТЗ. Так, существуют алгоритмы, выполняющие одновременно две функ-
ции: фильтрацию и выделение контура (так называемые оконтуривающие
фильтры). В общем случае фильтрация решает следующие основные задачи:
сглаживание (подавление высокочастотной помехи типа «снег»);
повышение контрастности;
выделение контура.
Напомним, что на начальных этапах преобразования на изображение
действуют аппаратурные помехи, вносимые оптической системой, датчиком
и фреймграббером, которые искажают функцию У(х, у). Эти искажения обу-
словлены аберрацией объектива, дискретизацией по полю ячеек светочувст-
вительной поверхности и неоднородностью их фотоэлектрических характе-
ристик и т. д. В ряде случаев сглаживание и повышение контрастности
позволяют существенно уменьшить влияние этих факторов. Процедура
сглаживания реализуется сразу после выбора порога яркости. Ее смысл
заключается в усреднении по определенному правилу значений функции
яркости У(х, у) внутри анализируемого фрагмента изображения. Как прави-
ло, этот фрагмент представляет собой некоторое программное окно, по-
строчно сканирующее все изображение рабочей сцены.
Возможность фильтрации обусловлена тем, что спектр визуальных по-
мех обычно содержит более высокие пространственные частоты, чем спектр
изображения, т. е. размер помехи существенно меньше размера фрагмента
объекта (рис. 6.19, а). Для устранения высокочастотной помехи типа «снег»
служит фильтр нижних частот. Недостатком низкочастотной фильтрации
является ухудшение контрастности изображения (рис. 6.19, б). Если же ис-
ходное изображение недостаточно резкое, что бывает, например, при слабой
освещенности рабочей сцены, применяют высокочастотные фильтры, уве-
личивающие контрастность изображения. Фильтр верхних частот оставляет
без изменения высокие частоты и сглаживает области, содержащие мало
деталей, например блики. Недостатком высокочастотной фильтрации яв-
305
6 Системы технического зрения
ляется появление артефактов изображения, особенно заметных на фоне
(см. рис. 6.19, а) в виде мелкодисперсных элементов, которые получили на-
звание «снег».
а
Рис. 6.19. Изображения тестового объекта после высоко- (а) и низкочастотной (б)
фильтрации
б
В большинстве случаев процессы, происходящие в сглаживающих
фильтрах, аппроксимируются выражениями вида
1 г|ри
° ПРИ ^i+k.j+p е А,
где Ytj— яркость пикселя с координатами ij\ k,p= 1, 2,..., N. Данная запись
означает, что пикселю с координатами /,/ присваивается значение «1», если
соседние пиксели принадлежат изображению объекта А. Количество
соседних пикселей, т. е. окрестность сглаживания, зависит от размерности
фильтра. Процедура фильтрации реализуется как программно, так и
аппаратно; однако во всех случаях изображение сканируется некоторым
окном, или апертурой, как правило, квадратной или прямоугольной формы.
Иногда применяют специальные апертуры, например, крестообразную или
треугольную, однако квадратная апертура является наиболее предпочти-
тельной из-за простоты формы. В этом случае размер сканирующего окна
составляет 3x3, 5x5 или 7x7 пикселей. Если в функции фильтра значение
центрального пикселя сканирующего окна не учитывается, то такая
аперзура называется выколотой.
Обычно фильтрация изображения осуществляется путем последователь-
ного (построчного) сканирования кадра, представляющего собой массив
пикселей, апертурой заданной формы. При достижении конца строки центр
306
6.6. Базовые алгоритмы обработки изображения
апертуры перемещается на начало новой строки и все повторяется до тех
пор, пока не будет достигнут конец массива. Степень сглаживания изобра-
жения целиком определяется апертурой фильтра. Чем больше размерность
апертуры, тем выше степень сглаживания изображения. Однако с увеличе-
нием размерности растет и время обработки. Так, для квадратной апертуры
размером Л?хЛ' пикселей оно прямо пропорционально 7V2. Различают ли-
нейную и нелинейную фильтрации изображений. Среди линейных методов
наибольшее распространение получили методы порогового сглаживания,
анизотропной и рекуррентной фильтрации.
Метод порогового сглаживания является одним из простейших. Он ос-
нован на сканировании цифрового изображения программным окном разме-
ром NxN (где N равно 3, 5 или 7) и вычислении на каждом шаге средней
яркости УСр группы элементов:
2
^2 j+p'
N-\
р- —
Далее значение Уср сравнивается со значением Yy яркости центрального
пикселя сканирующею окна. Если Yt > Уср +еу, где еу—заданное порого-
вое значение, то анализируемому элементу вместо Yy приписывается значе-
ние Уср. Так, при сканировании массива изображения квадратной апертурой
размером 3x3 пикселя яркость центрального пикселя с координатами i = 2,
j = 2 можно определить по формуле
(*22)ср = (*! I + *1г + *1з + *21 + *22 + *23 + *31 + *32 + *33
При пороговом сглаживании часто используют выколотую квадратную
апертуру размером 3x3 пикселя. Это позволяет увеличить скорость
фильтрации, так как деление на 8 можно осуществить путем сдвига
двоичного числа на три позиции, что гораздо быстрее, чем деление на 9:
(*2г)ср ~ (*11 + У\2 + *1з + *21 + *23 + *31 + *32 + *33 ) 8-
В методе порогового сглаживания обрабатываются только значения при-
сутствующих в исходном изображении пикселей. Следовательно, при этом
невозможно учитывать характер изображения и, следовательно, регулиро-
вать эффективность фильтрации Этот недостаток устраняет метод анизо-
тропной фильтрации у сущность которого заключается в свертке исходного
дискретного массива изображения Y и сглаживающего массива (фильтра) W
размером N х М Как и при пороговом сглаживании, N равно 3, 5 или 7. Ре-
зультатом является новый (сглаженный) массив ¥*, элементы которого
вычисляются согласно выражению
307
6, Системы технического зрения
N-\ /V-1
j+p wkp-
При анизотропной фильтрации значение яркости каждого пикселя ум-
ножают на его вес, задаваемый априори. Так, если наибольший вес должны
иметь пиксели, занимающие левое верхнее положение в апертуре фильтра,
то приведенная выше формула будет иметь вид
(^22)ср =(8Кц + 8У|2 +4У13 + 8У2| +J22 + ^23 + ^^31 + ^32 + ^Зз)/36.
Для обработки краевых элементов кадра программно добавляют нулевые
строки и столбцы. Сглаживающий массив нормируют так, чтобы при
фильтрации не изменялась средняя яркость изображения.
Существует много различных сглаживающих массивов, однако наи-
большее распространение получили следующие три:
nopoi овому
сглаживанию, второй и третий
учи-
Первый соответствует
тывают наибольший вес центрального пикселя и его соседей по горизонтали
и вертикали кадра.
В основу метода рекуррентной фильтрации положен тот же принцип
свертки, что и при анизотропной фильтрации, однако здесь используются не
только элементы исходного массива Y, но и элементы уже сглаженного мас-
сива Y . Следовательно, поэлементные операции проводятся согласно вы-
ражению
N-I /V -I
2 2
** V—1 *
\ /i-1 ^Wkp-
Достоинством рекуррентной фильтрации является экономия памяти СТЗ,
так как нет необходимости в сохранении исходного массива. Новые значе-
ния яркости записываются поверх старых, вычисленных на предыдущем
этапе, и содержатся в одном массиве. В то же время метод анизотропной
фильтрации, использующий два массива, является более точным, так как
при этом не накапливаются ошибки вычислений, сделанные на предыдущих
этапах. Сглаживающий массив W выбирают из тех же соображений, что и
при обычной анизотропной фильтрации.
Существенным недостатком линейной фильтрации является размывание
кромок и дру! их характерных деталей объекта.
308
6.6. Базовые алгоритмы обработки изображения
Наиболее известными методами нелинейной фильтрации являются ме-
дианная фильтрация и типа сжатие-расширение.
Медианная фильтрация очень эффективна при подавлении шумов, осо-
бенно импульсного характера; при этом на изображении сохраняются рез-
кие перепады яркости (кромки не размыты). Медианой последовательности
Уь У2> —» Ут где п — нечетное число, называется средний по значению член
ряда, получающегося при упорядочивании последовательности по возраста-
нию числовых значений (например, mediana (0, 2, 5, 0, 8) = 2). Для четного п
медианой является среднее арифметическое двух средних членов после упо-
рядочивания последовательности (например, mediana (0, 2, 5, 4, 0, 8) = 3).
Медианная фильтрация для некоторой окрестности пикселя с координатами
z, j описывается выражением
Ум(/, j) = mediana /(/ + £, j + р), k, р = 1, 2,.... TV,
где Ум(/, /) — яркость текущего пикселя после фильтрации; У(/ + k,j + р) —
яркость изображения в некоторой окрестности этого пикселя.
Например, для квадратной апертуры размером 3x3 данная формула бу-
дет выглядеть следующим образом:
(У22)м = mediana (^ ь У12, У13, У2Ь У22, У23, У31, У32, Г33),
причем яркость пикселя с координатами i = 2, j = 2 будет определяться яр-
костью пятого (по возрастанию) пикселя в этой последовательности. Как и
для линейной фильтрации изображения, качество медианной фильтрации
растет прямо пропорционально размерности апертуры фильтра.
Медианную фильтрацию изображения, как и линейную, обычно выпол-
няют с помощью рекуррентной процедуры. Недостатком медианной фильт-
рации является низкая скорость обработки изображения, поэтому ее приме-
няют, как правило, при малых апертурах (3x3, 5x1). Заметим, что чем
больше апертура фильтра, тем лучше удаляются помехи, имеющие большой
размер. Для улучшения качества фильтрации можно использовать несколько
итерации одной и той же апертурой; при этом последовательно уничтожа-
ются те помехи, которые остались после первых итераций.
Фильтрация типа сжатие расширение применяется только при обработ-
ке бинарных изображений, когда используются две градации яркости пиксе-
лей: яркость объекта и яркость фона. Процедура сжатия заключается в по-
степенном уменьшении внешних размеров объекта и последовательном уст-
ранении на изображении отдельных точек, представляющих собой помехи.
В процессе расширения, наоборот, объект пропорционально увеличивается
в размерах, причем уничтоженные помехи уже не восстанавливаются. Обе
процедуры достаточно быстрые, поэтому их часто выполняют циклично,
добиваясь уничтожения помех различного пространственного размера. В
зависимости от формы апертуры различают четырехсвязнос, восьмисвязное
и диагональное сжатие-расширение. Во всех случаях используют апертуры
размером 3x3 пикселя, однако при четырехсвязном сжатии-расширении она
309
6 Системы технического зрения
крестообразная (направления сканирования вверх-вниз и влево-вправо), при
восьмисвязном — квадратная (учитываются все пиксели вокруг центрально-
го), а при диагональном — Х-образная Во всех процедурах обрабатываются
только пиксели, принадлежащие объекту.
После сглаживания проводится выделение контуров — границ перепада
яркости, и для дальнейшей обработки используются только элементы, при-
надлежащие этим границам. При таком представлении изображения, назы-
ваемом контурным, достигается значительное сжатие визуальной информа-
ции и повышение скорости ее окончательной обработки. Задача нахождения
контура изображения объекта состоит из двух частей. Во-первых, необхо-
димо выделить контур, т. е определить границу перепада яркости, а во-
вторых, доказать его замкнутость.
Для выделения контура наиболее распространены методы, основанные
на использовании операторов пространственного дифференцирования., ко-
торые находят в каждом фрагменте изображения элементы, расположенные
на границе различных по яркости областей.
Алгоритм определения контура основан на предположении, что соответ-
ствующие ему точки изображения вызывают экстремумы функции яркости
У и их можно определить по максимумам нормы градиента яркости.
Градиент яркости Гу в некоторой точке х изображения с координатами
i,j определяется как двухмерный вектор:
Гу =Г[У(/, у)] = [Г„Г,]т =[dY/dXl, dY/dXj]T.
На рис. 6.20 представлены фрагменты границы перепада яркости для
двух типов изображения: светлого объекта на темном фоне и темного объ-
екта на светлом фоне. Если порог яркости на этапе формирования изобра-
жения был выбран правильно, то на изображении будет наблюдаться значи-
тельное изменение яркости вдоль границы объекта. Заметим, что выделение
контура непосредственно по градиенту эффективно в том случае, если его
толщина не превышает один пиксель. Если контурная линия имеет толщину
более одного пикселя, можно использовать градиент более высокого поряд-
V z ™ . 8Y 82Y
ка. Как видно на рис. 6.20, графики - и —— имеют явно выраженную
Sv, дх~
d2Y
форму. Это позволяет, например, с помощью функции —— выделять кон-
дх2
тур даже в том случае, если его толщина превышает один пиксель.
Фрагменты, в которых работают дифференциальные операторы, задаются
на каждом шаге сканирования изображения программным окном. (В про-
граммах обработки изображений такое сканирование организуется с помо-
щью циклических процедур.) Простейшие операторы имеют окно размером
не более 2x2 пикселя, например только два элемента кроме анализируемого.
310
6.6. Базовые алгоритмы обработки изображения
Рис. 6.20.1 радиент яркости изображения и его производные:
а — светлый объект на темном фоне; б — темный объект на светлом
фоне; I — объект; 2 — фон
Норма градиента определяется выражением
ГуI=J(^-UP2+(^-Vi)2> j = •>2-
Чтобы избежать операций возведения в степень и извлечения корня и
ускорить счет, норму градиеша вычисляют по приближенной формуле
и
Самыми популярными дифференциальными операторами являются опе-
раторы Робертса и Собел я.
Оператор Робертса позволяет точнее вычислить норму градиента по
сравнению с простым дифференциальным оператором, поскольку использу-
ет все элементы программно! о окна В этом случае
Следовательно, значение
определяемся с помощью вычислительной
процедуры, которая реализует умножение яркости текущего пикселя на
маски вида
311
6 Системы технического зрения
На рис. 6.21, а показано изображение тестового объекта после выполне-
ния указанной процедуры (Светлый пиксель имеет координату xj j.)
а
Рис. 6.21. Изображения тестового объекта после применения операторов
Робертса (а) и Собеля (б)
Более точное нахождение контура достигается при использовании опера-
тора Собеля, работающего в программном окне размером 3x3 пикселя и
позволяющего выделить наружный и внутренний контуры объекта (рис.
6.21, б). Оператор Собеля определяет норму градиента следующим образом:
причем нормы градиента вдоль горизонтальной и вертикальной осей кадра
соответственно:
+ 2У^ +
Направление контуров и линий оценивается по соотношению значений
и
ГВ1у |. Вычислительная процедура для определения нормы
градиента
реализуется умножением яркости текущего пикселя на
маски вида
312
6.6. Базовые алгоритмы обработки изображения
После применения оператора Собеля образуется массив, каждый эле-
мент которого соответствует градиенту яркости в некоторой точке изобра-
жения. Перемещая маски по изображению, получают градиенты во всех
точках изображения и дальнейшую работу ведут уже с этим массивом. На
рис. 6.21 для наглядности представлены негативные изображения объекта.
Недостатком обоих операторов является сложность их применения для
контуров значительной толщины, так как рабочая область, определяемая
размером окна, не превышает 3x3 пикселя. В связи с этим разработан ряд
алгоритмов утончения контура. Один из наиболее распространенных алго-
ритмов основан на раздельном сканировании внешнего и внутреннего кон-
туров и последующем определении нового контура как среднего между точ-
ками обоих контуров. В ряде случаев можно также использовать операторы
более высоких порядков, например оператор Лапласа, являющийся опера-
тором производных второго порядка. При этом знак второй производной
яркости позволяет определить точное положение пикселя контура. Напри-
мер, для светлого объекта на темном фоне (см. рис. 6.20, а) вторая произ-
водная положительна для пикселей, находящихся снаружи границы объекта
и отрицательна для пикселей, расположенных внутри этой границы.
В точке Ху оператор Лапласа
Га2/
Эх2
Э2У
Эх2
В расчетах обычно используют следующее выражение:
Для вычисления оператора Лапласа используют маску вида
’0 1 О’
1 -4 1
0 1 0
6.6.3. Сегментация
В результате предварительной обработки изображение содержит одно
или несколько контурных представлений объектов. Процедура разделения
313
6. Системы технического зрения
этих контуров и соотнесения их с определенными объектами называется
сегментацией. Если априорно известно, что изображение содержит не-
сколько объектов, процедура сегментации проводится после выделения кон-
туров перед этапом кодирования изображения. Несмотря на многообразие
алгоритмов сегментации, все они направлены на поиск однородных облас-
тей изображения, которые можно было бы присвоить одному объекту. Част-
ным случаем такой области является контур, разделяющий объект и фон.
Поэтому алгоритмы сегментации, как правило, основываются на поиске
разрывности в контуре и подобии областей. В первом случае находится кон-
тур и осуществляется его программный обход по установленному правилу.
Если контур оказывается замкнутым, считается, что он принадлежит объек-
ту. Во втором случае определяются области изображения, обладающие об-
щими свойствами (например, одинаковой яркостью пикселей). При нахож-
дении таких областей проводится их отнесение либо к фону, либо к объекту.
Заметим, что существующие алгоритмы сегментации очень чувствительны к
освещенности сцены. Алгоритмы сегментации путем обхода контура полу-
чили большее развитие. Некоторые из них используются в программах ком-
пьютерного распознавания текста.
Обход контура начинается после того, как в результате фильтрации изо-
бражения выделяются точки, которые могут принадлежать контуру. При
этом анализируются яркости пикселей в некоторой окрестности (3x3или
5x5) каждой точки образа, которая предположительно принадлежит конту-
ру. Процедура сегментации, называемая анализом связности, реализуется в
каждой точке контура путем поиска ближайших точек с теми же свойства-
ми. В простейших алгоритмах расстояние между этими точками не должно
превышать одного пикселя. (Следовательно, сегментация может использо-
вать алгоритмы работы с программными окнами, подобные рассмотренным
выше.) Различают четырех- и восьмисвязныс области. В первом случае счи-
тают, что каждый пиксель связан только с четырьмя соседними элементами
(сверху, снизу, слева и справа), во втором — с восемью. В четырехсвязных
областях возможна неоднозначность интерпретации — и один объект, и че-
тыре объекта, касающиеся друг друга углами, интерпретируются одинаково.
Поэтому во избежание неоднозначности чаще используют восьмисвязные
области, которые реализуются программным окном размером 3x3 пикселя.
Заметим, что при восьмисвязном представлении удается локализовать раз-
рывы в контуре и тем самым обозначить на изображении отдельные сегмен-
ты. Если эти сегменты принадлежат замкнутому контуру, то считается, что
обнаруженный контур является контуром объекта. Наиболее простой алго-
ритм обхода контура предполагает перемещение сканирующего окна разме-
ром 3x3 пикселя от точки к точке с последующей нумерацией точек конту-
ра. Если контур оказывается замкнутым, то в результате описанной проце-
дуры все его точки получают привязку к абсолютной системе координат.
Недостатком такого алгоритма является значительный объем памяти, зани-
маемый сегментируемым изображением, так как каждая точка характеризу-
ется двумя координатами. В этом случае размерность выходного массива
оказывается равной размерности массива исходного изображения. Для более
314
6.6. Базовые алгоритмы обработки изображения
компактного представления данных в СТЗ сразу после обхода контура или
одновременно с ним проводится кодирование контура.
6.6.4. Кодирование изображения
Под кодированием изображения понимается обратимое преобразование
информации, позволяющее получить компактный (сжатый) массив чисел,
однозначно описывающий это изображение в удобной для данной вычисли-
тельной структуры форме.
В СТЗ робототехнических комплексов, как правило, применяются алго-
ритмы сжатия без потерь. Для систем, обрабатывающих полутоновые изо-
бражения пространственными методами, различают два основных метода
кодирования:
кодирование собственно изображения методом кодов длин серий;
кодирование контура изображения цепным кодом Фримана.
В обоих случаях при кодировании происходит значительное уменьшение
объема данных, характеризующих изображение. Эффективность кодирова-
ния определяется степенью сжатия изображения.
Сущность кодирования методом кодов длин серий, реализуемого с по-
мощью алгоритма RLE, заключается в представлении изображения одно-
родными отрезками сгроки развертки, где яркости и цвета пикселей одина-
ковы. При этом каждая серия характеризуется соответствующим значением
и длиной серии (числом пикселей). Например, для полутонового изображе-
ния кодируется номер пикселя, его яркость и длина серии, начинающаяся с
этого пикселя. Исследования, проведенные для бинарных изображений, по-
казали, что использование метода кодов длин серий обеспечивает сжатие
информации в 4—7 раз. Приведем пример записи бинарного изображения,
представленного на рис. 6 22, а, с помощью этого метода:
3, 8, 6; 2,7, 1;8,7, 1;2, 6, 1;9, 6, 1;2,5, 2; 10, 5, 1;3,4, 1;9,4, 1; 4, 3, 6.
Этот метод наиболее эффективен для кодирования изображения с глад-
ким контуром (без резких изломов).
Для кодирования непосредственно контура изображения чаще всего
применяют цепной код Фримана (рис. 6.22, б). В этом случае контур объек-
та начиная с некоторой точки задается последовательностью векторов, при-
. .-О
нимающих дискретные значения, с углом наклона модуля, кратным 45 .
Значение модуля равно V5, если угол наклона вектора составляет 45°, и 1
при вертикальном или горизонтальном его положении. Изменение направ-
ления вектора при переходе от одной точки кривой к другой отражает ха-
рактер изменения моделируемой кривой. Цепной код для бинарного изо-
бражения, приведенного на рис. 6.22, б, имеет вид
2, 2, 2, 2, 2, 4, 3, 3, 5, 4. 6, 6, 6, 6, 6, 7, 0, 6, 0, 0, 1.
315
6. Системы технического зрения
Достоинством представления контура объекта с помощью кода Фрима-
на является инвариантность полученного описания к выбору точки начала
обхода. Кроме того, запись в цепном коде эффективна для изображения с
ломаным контуром.
Рис. 6.22. Кодирование изображения методами кодов длин серий (а) и Фримана (б)
Точка начала обхода
б
В общем случае выбор способа кодирования зависит от признаков объ-
екта, которые будут использоваться на стадии описания изображения. Так,
при выборе геометрических признаков (периметра, площади, момента инер-
ции) целесообразнее применение кодов длин серий, а при использовании
локальных признаков (углов, отверстий) — цепного кода Фримана.
6.6.5. Описание изображения
Под описанием понимается определение характерных параметров объек-
та — признаков (дискрипторов), необходимых для его выделения из числа
всех, образующих сцену. Выбор описания является очень ответственной за-
дачей, так как если оно выбрано удачно, то распознавание (идентификация)
может быть проведена достаточно легко, и наоборот. Чаще всего формиро-
вание признаков проводит сам разработчик СТЗ или эксперт, хорошо знаю-
щий конкретную задачу. Поэтому универсальных подходов к выбору при-
знаков нс существует, и при распознавании объектов велика роль субъек-
тивного фактора. В то же время некоторые общие принципы существуют
Так, в большинстве случаев к признакам, входящим в описание, предъявля-
ется требование инвариантности к повороту, трансляции (переносу) и гомо-
тетии (изменению масштаба). Инвариантность к гомотетии особенно суще-
ственна, когда объекты располагаются не на плоскости, а в пространстве. К
таким инвариантным признакам относятся, например, яркость объектов
сцены, их текстура и цвет.
По своей физической сущности признаки разделяются на глобальные и
локальные. Глобальный признак изображения — это признак, который мож-
но вычислить для любого изображения объекта. Идентификация объектов
316
6 6 Базовые алгоритмы обработки изображения
на основании этих признаков проводится по соотношению их численных
значений. Примерами таких признаков могут служить площадь изображения
объекта, большая и малая оси, периметр контура, минимальный и макси-
мальный радиус-векторы, соединяющие геометрический центр изображения
с его границей. Также используются моменты инерции (полярные и декар-
товы), площади вписанных и описанных окружностей и т. п. Заметим, что с
помощью глобальных признаков можно описывать как контур объекта (дис-
крипторами границы), так и сам объект (дискрииторами области). Локаль-
ные признаки используют реже; они характеризуют не все изображение, а
только часть его. К ним относятся угол между двумя контурными линиями,
число и параметры отверстий на изображении объекта и т. п.
Рассмотренные выше глобальные и локальные признаки достаточно про-
сты для вычисления и относятся к классу геометрических. Наряду с ними
применяют и эмпирические признаки, выбор которых определяется интуи-
цией разработчика. Это, например, параметры кривизны контура, распреде-
ление яркости в заранее заданных областях изображения и т. д. Если сцена
состоит из объектов простой геометрической формы, то для их описания
можно использовать лингвистические методы. Их суть заключается в так
называемом грамматическом разборе сцены, при котором составляется граф
отношений признаков объектов. Такими признаками могут быть различные
графические элементы, возникающие при пересечении контурных линий
(углы, Т-, L- и Х-образныс изломы контура, стрелки и т. д.).
В робототехнике описание объектов чаще всего проводят после выделе-
ния их контуров с помощью простых геометрических признаков. Целью
описания при этом является формирование некоторой совокупности приз-
наков — так называемого вектора признаков. Практически всегда исполь-
зуют инвариантные к повороту и трансляции признаки — площадь s и
периметр Р изображения объекта, а также инвариантный к гомотетии коэф-
фициент формы Агф, или псраунд: k^ =s/Р2. Например, в бинарном изо-
бражении объекта вычисление его площади сводится к определению суммы
пикселей, яркость которых равна единице.
К геометрическим признакам также относятся моменты инерции, инва-
риантные к трансляции, повороту и гомотетии. Пусть в изображении объек-
ту принадлежат /V| хМ2 пикселей, a Ytj — яркость пикселя изображения в
точке Л'у. Тогда момент инерции порядка p + q (где p,q —целые положи-
тельные числа) для некоторой области изображения можно определить по
формуле
JV, /V2
М22Yij•
«=1
В большинстве случаев при описании объекта используют центральные
моменты инерции. Центральный момент инерции порядка p + q равен
317
6 Системы технического зрения
* Щ ^2
Wp9=Z Е<Х>-Гщ)/'<Л7_Лир9)у-
1=1 7=1
Здесь хш- ихцу —координаты геометрического центра изображения объекта:
л'ш’ = Л^10/М00, Хцу = М01 /М^;
Л^оо» Л/01 и ^10 — моменты инерции нулевого и первого порядка.
Проще всего обрабатывать бинарное изображение. В этом случае мо-
менты инерции первого и второго порядка можно определить по формулам
м n2
^10 “ 22 • ^01 ~ 22 AJ ’
<=1 j=\
N2 N
M1I=Z ZAV М20=ЕЛГ; М02 = ЕХ?
1=1 У=1 z=l J=1
Обозначим начальный и конечный пиксель некоторого линейного
фрагмента изображения пн и лк соответственно. Тогда для моментов
инерции Л/10 и М2Q справедливы следующие простые зависимости:
м _<"к-«н+1Хин+пк).
Л7|0-------------------,
м20-------------------7---------------•
6
Центральный момент инерции бинарного изображения равен
1 Л
/v z=i j=\
где =U, max-A/ min)/2; x^j =(A;max -xynun)/2’ a индексы max и min
обозначают соответственно максимальное и минимальное значения абсцис-
сы (ординаты) точки изображения объекта.
Недостатком описания объекта с помощью моментов инерции является
длительность вычислений, которая возрастасг с увеличением порядка мо-
мента инерции (составляет около одной секунды для момента второго по-
рядка). Поэтому в СТЗ либо используют специальные микросхемы, где этот
алгоритм реализован аппаратно, либо ограничиваются моментными инвари-
антами не выше второго порядка.
Заметим, что описание объектов с помощью рассмотренных геометри-
ческих признаков нс всегда позволяет их надежно идентифицировать. Раз-
318
6.7. Распознавание изображения
ные объекты могут иметь одинаковые площади, периметры и моменты
инерции не только первого, но и более высоких порядков. В качестве при-
мера можно привести объекты с регулярной, но неодинаковой структурой
— решетки со смещенными одна относительно другой ячейками. Поэтому
при составлении вектора признаков, с одной стороны, необходимо учиты-
вать особенности конкретных объектов, а с другой — не ограничиваться
несколькими компонентами.
6.7. Распознавание изображения
6.7.1. Основные методы
Распознаванием называется процесс, при котором на основании набора
признаков некоторого изображения объекта определяется его принадлеж-
ность к определенному классу. Следовательно, распознавание реализует
функцию анализа визуального образа. В большинстве промышленных СТЗ
предполагается, что этот образ формируется сегментированными объектами,
т. е. разделенными между собой или представляющими собой набор
отдельных элементов объектами. В противном случае, когда на сцене
присутствует несколько неразделенных объектов, задача многократно услож-
няется, за исключением тех случаев, когда априорно речь идет о перекры-
вающихся объектах. Задачи такого уровня сложности зребуюг активного
применения методов искусственного интеллекта и экспертных систем. Кроме
тою, распознавание должно проводиться в тех же условиях, что и формиро-
вание признаков объекта. Во всяком случае, различия в значениях признаков
объекта, полученных на этапе обучения СТЗ и при распознавании, не должны
быть слишком велики. Замет им, что такие же ограничения имеют место и при
распознавании объектов человеком: если при распознавании обычные при-
знаки имею! непривычные численные значения, то объект может быть не
опознан. Характерным примером является детский рисунок.
Теория распознавания образов представляет собой самостоятельную
научную дисциплину, подробное рассмотрение которой выходит за рамки
настоящей книги. Отметим лишь, что пока нс создано единого подхода к
распознаванию изображений и существует большое количество частных ме-
тодов. В робототехнике обычно рассматривается частный случай, когда все
возможные типы объектов и их классы заранее известны. 1огда процедура
распознавания сводится к классификации объектов, т. с. отнесению априор-
но известных объектов к априорно известным классам.
Условно все методы распознавания можно разделить на две группы:
теоретические и структурные. Наиболее распространенные теоретические
методы распознавания используют принципы теории принятия решений.
Рассмотрим группу, состоящую из М классов объектов w2,тм. На
этапе описания формируется и-мерное пространство признаков, такое, что
каждому объекту соответствует свой вектор признаков V = (vj, v ,.... vZI)‘.
Компонентами этого вектора обычно служат рассмотренные ранее геомег-
319
6. Системы технического зрения
рические признаки объекта. Тогда распознавание представляет собой про-
цедуру отнесения данного объекта к одному из М классов на основании ана-
лиза его вектора признаков. Согласно теории принятия решений, нужно
найтиМдискриминирующих функций /j(V), /2(У), •••> ЛД^)’1аких» чтобы
для произвольного вектора V', принадлежащего некоторому классу, выпол-
нялось неравенство вида
Z(V')>/7(V') при всех/, у = 1,2,..., Л/; /*у.
Таким образом, неизвестный объект, обладающий вектором призна-
ков Vo, распознается (т. е. относится к Z-му классу), если при подстановке
Vo во все дискриминирующие функции функция /(Vo) будет иметь наи-
большее значение. При построении дискриминирующих функций обычно
используется эталонный вектор Уэ, с которым сравниваются векторы при-
знаков объектов. В качестве эталонного может быть выбран вектор, все
компоненты которого являются средними арифметическими значениями
соответствующих компонент всех объектов заданного класса. Например,
2
для трех объектов одного класса с площадями поверхности 50, 60 и 64 см'
2
значение соответствующей компоненты вектора Уэ будет равно 58 см . В
некоторых случаях распознавания весьма эффективна достаточно простая
процедура поточечного сравнения текущего изображения объекта YtJ с его
эталонным изображением УЭ1/. При этом решение о принадлежности объек-
та к классу принимается на основании минимума некоторой заранее задан-
ной меры £, его различия с эталоном:
~ X S ^ij' ~ ^ij Ь
/=1 у=1
гдеЛ^ и NB— число точек изображения по горизонтали и вертикали соот-
ветственно.
Строго говоря, определить реальное значение признаков объекта невоз-
можно, так как значения различаются при каждом измерении. Поэтому за-
дача распознавания ставится так: определить вероятность того, что объект
принадлежит к заданному классу. Поскольку распознавание является веро-
ятностной процедурой, возможны варианты, когда объект идентифицирует-
ся как принадлежащий другому классу или как не принадлежащий никакому
классу вообще.
Структурные методы распознавания возникли из теории формальных
языков, основанной на математических моделях грамматик. Наиболее из-
вестной здесь является модель Хомского. Ее идея состоит в поезроении
описания сложного объекта в виде иерархической структуры подобразов
(образ описывается более простыми подобразами, каждый подобраз — еще
более простыми подобразами и т. д.).
320
6.7. Распознавание изображения
Одно из наиболее интересных направлений распознавания образов в СТЗ
связано с разработкой алгоритмов распознавания лиц. Эти алгоритмы получи-
ли широкое применение в системах контроля доступа, предназначенных для
ограничения круга пользователей, имеющих доступ как к физическим, так и
виртуальным объектам, включая, например, узлы компьютерных систем.
В качестве примера рассмотрим один из таких алгоритмов. В нем модель
лица представлена в виде набора некоторых элементов прямоугольной фор-
мы — масок. Каждая маска характеризуется двумя геометрическими при-
знаками — площадью и расстоянием от геометрического центра маски до
выбранного центра изображения. Анализируются семь масок: правый глаз,
левый глаз, нос, рот, правая и левая носогубные складки и подбородок.
Центром изображения является геометрический центр лица (эта точка при-
близительно соответствует середине переносицы, рис. 6.23).
Рис. 6.23. Модель исходного изображения:
1 — контур лица; 2 —г геометрический центр изображения; 3 — 7 — маски глаз,
носогубных складок, рта, подбородка и носа соответственно
Элементы распознаваемого лица хранятся в виде вектора признаков, со-
держащего все маски с их признаками. Следовательно, лицо характеризует-
ся 14-компонентным вектором признаков. Размеры масок различны и изме-
няются в диапазоне от 15x11 пикселей для носогубных складок до 31x13
пикселей для рта. Изображение лица полутоновое и квантуется на 256 гра-
даций яркости.
Как и большинство алгоритмов распознавания, программы такого рода
состоят из двух частей: предварительного обучения и распознавания. Пред-
варительное обучение, или регистрация нового пользователя, служит для
формирования описания лица и занесения его вектора признаков в базу дан-
ных. Распознавание представляет собой выбор наиболее похожего изобра-
жения из базы данных.
Предварительное обучение выполняется за несколько шагов. Сначала
проводится традиционная предварительная обработка изображения в целях
удаления шумов и выделения контура. Для этого применяется градиентный
фильтр Собеля размером 3x3 пикселя. В результате на изображении выде-
11. С.А. Воротников
321
6. Системы технического зрения
ляется овал, определяющий форму лица. На следующем этапе осуществля-
ется масштабирование изображения до заданного формата (составляющего
64 пикселя по горизонтали) и находится приблизительный геометрический
центр лица. Далее на изображении ведется поиск правого глаза. С этой це-
лью в выделенной области осуществляется сканирование изображения
локальным фильтром, содержащим стандартную маску правого глаза. Вы-
t*
числяется значение параметра , равного сумме разностей приведенных
яркостей Упр пикселей изображения и соответствующих им яркостей Уф
пикселей фильтра:
/=1 j=\ J
где Nr^ и ?/вф — число пикселей по горизонтали и вертикали фильтра,
соответствующее ширине и высоте маски. Приведенное значение яркости
пикселя с координатами z,j вычисляется по формуле
(Vi,
где (Г0)у — исходное значение яркости пикселя; Уф — суммарная яркость
пикселей фильтра; Уи — суммарная яркость пикселей исходного
изображения в текущей фильтруемой области.
Минимум соответствует левому верхнему углу области изображения
размером ф х А^ф, содержащему искомый элемент— правый глаз.
Далее в секторе изображения с центром в правом глазу и углом 25°
ищется левый глаз, после чего осуществляется поворот изображения так,
чтобы глаза оказались на одном уровне по горизонтали. При изменении
ориентации уточняется первоначальное положение центра лица и координа-
ты масок определяются окончательно относительно нового центра.
На следующих этапах выделяются области остальных масок и осущест-
вляется их поиск по минимуму £*. Таким образом, в процессе регистрации
формируется полная модель лица, которая сохраняется в базе данных.
Алгоритм распознавания (верификации) близок к алгоритму регистра-
ции. Выделенные из текущего изображения признаки объединяются в век-
тор признаков, компоненты которого сравниваются с соответствующими
компонентами всех векторов, содержащихся в базе данных.
Для распознаваемого лица с вектором признаков Ул вычисляются эвк-
лидовы расстояния гт в 14-мерном пространстве признаков (л = 14) от точ-
ки, заданной вектором Ул , до соответствующих точек каждого образа Vm:
322
6.7. Распознавание изображения
I п
^=. Х(гл*-^)2.
и=1
где т - 1, 2, ...,М, М— число образов в базе данных
а
Рис. 6.24. Иллюстрация принципа распознавания:
а — маски верифицируемо! о лица, б — результат сравнения
После этого определяются наиболее похожие образы, т. е. образы, для
которых гт равно минимальному значению из всех возможных (рис. 6.24). В
результате верификации принимается решение об идентичности сравнивае-
мых лиц. Лица считаются идентичными при условии, что rwmin < £, где £ —
заранее заданная величина (порог сравнения). На рисунке отмечены разли-
чия при распознавании представленного лица (см. рис. 6.24, а) и некоторого
образа из базы данных (см. рис. 6.24, б).
6.7.2. Особенности получения трехмерного изображения
Анализу трехмерных сцен в настоящее время уделяется значительное
внимание. Созданные алгоритмы распознавания в большинстве случаев от-
носятся к различным частным задачам, тогда как универсальных описаний
пока не получено. СТЗ, как правило, ограничиваются анализом плоских
изображений. Для надежного распознавания типовых объектов промышлен-
ного назначения этого достаточно, однако возникает необходимость надле-
жащей ориентации объектов в ноле зрения телекамеры. Типичным решени-
ем является обеспечение ортогональности оптической оси телекамеры и
рабочей сцены Кроме того, в поле зрения должна оказаться именно та по-
верхность объекта, которая использовалась на этапе описания при формиро-
вании признаков объекта. Все эти ограничения выполнимы в случае детер-
минированной рабочей сцены, когда существует возможность ее некоторого
упорядочивания. В более сложных задачах все же приходится учитывать
трехмерность рабочей сцепы.
В СТЗ под трехмерным понимают изображение, содержащее информа-
цию о трех геометрических измерениях объекта. Трехмерное изображение
и*
323
6. Системы технического зрения
может быть получено с помощью двух телекамер или с помощью специаль-
ных приемов. При использовании двух телекамер каждая из них обрабаты-
вает свой плоский 2D-o6pa3. Если известна ориентация каждой телекамеры
и расстояние 1Х между ними (рис. 6.25), всегда можно восстановить третью
координату объекта (ось у направлена перпендикулярно плоскости рисунка).
Метод 3D был предложен Д. Дженнери в конце 70-х годов XX в. для
дистанционного управления мобильным роботом. Действительно, зная по-
ложения изображений точек объекта в телекамерах 1 и 2 (см. рис. 6.25), а
также расстояние 1Х между ними, можно определить расстояние lz от любой
точки объекта до плоскости изображений телекамер, а следовательно, коор-
динаты г, всех точек поверхности объекта и его рельеф.
Рассмотрим это подробнее. Пусть имеются две одинаковые телекамеры с
фокусным расстоянием f, а координаты некоторой точки О объекта равны
x€h Уо> Zq- Определим координату zo в функции координат изображения
этой точки. Проекции точки О на плоскость изображений каждой телекаме-
ры будут соответственно D|(xj, у0 и О2(х2» Уг) (см- Рис- 6.25). Третья
координата изображения объекта для обеих телекамер одинакова (zi = zi)-
Тогда, например, для телекамеры 1 будем иметь
X] / f = -х10 l(z0 - f); /f = -ую Kz0 - f).
Рис. 6.25. Определение третьей координаты объекта с помощью двух телекамер:
7,2 — телекамеры; 3 — объект
Следовательно, используя обе телекамеры, координату zo этой точки
можно определить в системе координат каждой из телекамер. Так,
в системе координат первой телекамеры д'|^ = xj(f - Zo)/f, второй —
Х2О = х2^ ~Учитывая, что расстояние между системами координат
телекамер по оси х составляет 1Х, получаем ~х\о+ х2О~1х- Решив эти
уравнения относительно Zq, находим
324
6.7. Распознавание изображения
z0=f[l-ZJC/(x0-x1)|.
Таким образом, в СТЗ с двумя телекамерами, находящимися на извест-
ном расстоянии между собой, координату zq объекта можно вычислить по
известным координатам объекта и изображения.
Несмотря на кажущуюся простоту, этот метод недостаточно точен. Ос-
новная трудность заключается в идентификации каждой точки объекта по
его двум плоским образам, особенно в случае нечетких изображений. Вос-
становление рельефа возможно только для достаточно контрастных изобра-
жений и при условии, что расстояние между телекамерами 1Х lz.Метод
3D более эффективен в системах телеуправления, когда информация с двух
телекамер подается на монитор оператора в режиме чересстрочной разверт-
ки. Оператор воспринимает изображения через стерсоочки, которые форми-
руют бинокулярный эффект; при этом каждый канал связан со своим полем
развертки видеосигнала, например нечетный полукадр развертки образует
видеосигнал с левой телекамеры, а четный — с правой. Такие очки
используются в системе управления мобильным роботом, разработанной в
МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Еще один распространенный способ получения «псевдотрехмерных»
изображений требует только одного телевизионного датчика и связан с при-
менением структурированной подсветки (рис. 6.26). В частности, его ис-
пользуют в лазерных ЗЭ-сканерах. Объект освещается от проектора через
матрицу-трапспарант с периодической системой полос, а изображение вос-
принимается камерой, расположенной под некоторым параллаксным углом
к оси проектора. Зная шаг полос транспаранта, а также взаимное положение
камеры и проектора, можно восстановить форму объекта. Полученное изо-
бражение объекта в виде бинарных искривленных линий можно интерпре-
тировать как результат фазовой пространственной модуляции оптического
сигнала. Действительно, если периодическую сетку, спроецированную на
плоский экран, считать несущим сигналом, то любая неплоская поверхность
вносит фазовую модуляцию в этот сигнал, причем закон модуляции линей-
но связан с профилем поверхности в направлении оптической оси камеры.
Данный способ позволяет также восстановить третью координату объ-
екта (см. рис. 6.26, а). Пусть ZVT— шаг полос транспаранта вдоль оси хт, а
Р — паралаксный угол. Тогда период полос, воспринимаемых телекамерой,
при плоском изображении: lXK =lvl /cosp. Эти полосы образуют равномер-
ную картину распределения яркости Еп в телекамере. Если же изображение
объемное, шаг этих полос будет уменьшаться в зонах наибольшего искрив-
ления рельефа (см. рис. 6.26, б). Этому изображению соответствует иное
распределение яркости Уоб в телекамере. Следовательно, на изображении
для любой точки с координатами хр, ур, принадлежащей Z-й линии транспа-
ранта, можно восстановить третью координату zp:
325
6 Системы технического зрения
Zp Чхк ) Р / (*кр ^хк ; Ч *’
где Хкр — координата х для р-й точки i-й полосы транспаранта, отображен-
ной на телекамере.
Рис. 6.26. Определение третьей координаты по плоскому изображению:
а — получение псевдотрехмерного изображения б — трехмерная модель; / — телекамера;
2 — проектор; 3 — транспарант; 4,5 — распределение яркости при плоской сцене и при
наличии объекта; 6 — объект
В заключение отметим, что в описанных подходах к анализу трехмер-
ных сцен собственно обработка информации проводится на двухмерных об-
разах. Третья координата используется, как правило, для вычисления даль-
ности до объекта или при определении взаимного положения нескольких
объектов сцены.
Контрольные вопросы
1. Когда поверхность воспринимается разноцветной?
2. В чем разница между кадром и полем?
3. Что такое цветоразностные сигналы?
4. Как получить черный цвет в модели RGB?
5. Что такое чувствительность телекамеры, телекамеры какого типа об-
ладают наивысшей чувствительностью?
6. Как соотносятся пропускные способности каналов цифровой и анало-
говой записи изображения?
7. Зависит ли разрешающая способность видикона и камеры на ПЗС от
полосы частот сигнала изображения?
8. В чем разница между дискретизацией и квантованием видеосигнала?
9. Применяется ли субдискретизация к полутоновым изображениям?
10. В чем сущность медианной фильтрации?
7. СИСТЕМЫ ТАКТИЛЬНОГО ТИПА
Во введении было отмечено, что тактильная чувствительность организма
связана с проприорсцепторами, которые вырабатывают сигналы в тот мо-
мент, когда происходят изменения статических и динамических силовых
факторов в опорно-двигательном аппарате. Поэтому тактильная система че-
ловека тесно связана с его кинестетической системой. В робототехнике эти
два вида рецепции принято разделять. При этом отдельно рассматривают
тактильные датчики, служащие для определения вариаций давления на ра-
бочих поверхностях исполнительного механизма, и силомоментную инфор-
мационную систему, предназначенную для измерения динамических напря-
жений в сочленениях и захватном устройстве манипулятора. Учитывая
общность функций рассмотренных информационных средств, отнесем их к
классу систем тактильного типа.
Системы тактильного типа наиболее часто используют в задачах меха-
нической обработки и сборки, абразивной зачистки, шлифовки поверхно-
стей, упаковке, разборе деталей из навала и т. д. Представляют интерес
процессы контроля сил при обработке резанием и сборке деталей, при регу-
лировании давления в гидравлических системах станочного и специального
оборудования и во всех других случаях, когда необходимо обеспечить за-
данные силовые показатели.
7.1. Общие сведения
Тактильная рецепция роботов в отличие от других сенсорных функций
реализуется не локализованной в пространстве системой анализаторов, а
большим количеством разнотипных датчиков, распределенных по всей по-
верхности исполнительного механизма. Обычно для силового (тактильного)
очувствления манипулятора используют определенные зоны, расположен-
ные либо на исполнительном механизме, т. е. на манипуляторе робота или
его захватном устройстве (схвате), либо непосредственно на объекте работы
(например, на опорах стола, на котором установлена деталь). В соответст-
вии с этим будем рассматривать две структуры информационной системы:
открытую (объект) и связанную (захватное устройство и манипулятор ро-
бота, рис. 7.1). На рисунке выделены шесть зон очувствления, а также обо-
значены следующие силовые факторы: Fo6 и — сила и момент, возни-
кающие на объекте манипулирования и в i-m шарнире манипулятора соот-
327
7. Системы тактильного типа
ветственно; ег, е3— деформация губок захватного устройства и запястья
соответственно; Еп, Еос— деформация плечевого сустава и основания
манипулятора соответственно.
Рис. 7.1. Зоны тактильного очувствления робота:
/ — рабочий стол; 2,4 — запястье и шарнир манипулятора, 3 — плечевой сустав, 5 —
губки захватного устройства; 6 — основание манипулятора
Силомоментныс информационные системы используют для определения
возникающих в зоне контакта силовых факторов в целях ее распознавания.
Принципы построения таких систем предполагают «локализацию» сенсорной
функции, т. е. оснащение датчиками сравнительно небольшого объема мани-
пулятора или объекта манипулирования (внешней среды). При этом механи-
ческую жесткость системы «манипулятор — объект» полагают достаточно
высокой, чтобы ее упругость «сосредоточивалась» непосредственно в датчи-
ках, т. е. в местах разрыва кинематической цепи. Датчики сил и моментов,
или многокомпонентные силомоментные датчики (СМД), используют для
нахождения силовых параметров в зоне контактного взаимодействия в век-
торном пространстве силовых факторов. В отличие от них тактильные дат-
чики служат для определения характеристик контактного пятна в целях полу-
чения тактильного образа. Их структура инвариантна к жесткости системы
«манипулятор — объект» и построена по принципу информационных по-
верхностей. Тактильные датчики применяют для геометрического распозна-
вания внешней среды в двух- и трехмерном геометрическом пространстве.
7.2. Контакт и его особенности
В общем случае процесс обработки тактильной информации в робото-
технике состоит из четырех этапов: обнаружение контакта, его локализация
в пространстве, измерение контактных усилий и распознавание тактильного
328
7.2. Контакт и его особенности
образа (или контактной ситуации). Контактное взаимодействие объектов в
общем случае характеризуется шестикомпонентным вектором F =
= (F0, М0)т, действующим в некоторой системе координат, как правило, не
связанной с роботом. Здесь Fo = (Fx, Fy, Fz)\ Mo = (Mx, Му, MZ)T — вектор
сил и вектор моментов соответственно. Вектор F получил название главного
вектора контактных сил и моментов. Применительно к операциям, напри-
мер сборочною типа, он образуется системой сил, возникающих в точках
контакта объектов сопряжения. Для упрощения модели сборки обычно ог-
раничиваются рассмотрением цилиндрических объектов, контакт которых
полагают точечным. При этом допущении в зависимости от ширины зазора
Ad = (dB - d0TB ), где , dol в — диаметр вала и отверстия соответственно, и
несоосности 0 (угла между осями вала и отверстия), число точек контакта в
процессе сопряжения изменяется от одной (в момент касания) до двух. Будем
считать, что оси вала и отверстия лежат в одной плоскости (не скрещивают-
ся). Тогда каждую силу в точке контакта можно разложить на две составляю-
щие: нормальную к поверхности детали силу FH и касательную к этой по-
верхности силу трения Егр. Эти силы связаны между собой соотношением
где к^р — коэффициент трения.
Заметим, что значения контактных сил при сопряжении варьируются в
широких пределах, и при некоторых их значениях может возникнуть закли-
нивание. В этом случае контактные силы уже неоднозначно зависят от при-
ложенных сил и моментов; в системе возникают внутренние напряжения,
приводящие к деформации сопрягаемых объектов. Поэтому при сборке с по-
мощью силомоментной системы ситуацию заклинивания будем считать не-
допустимой. Это возможно, если
® - ®тах
Ad
^тр^в
В операциях типа абразивная обработка контакт всегда подразумевается
одноточечным. В точке контакза абразивного круга с деталью возникает
сила, являющаяся равнодействующей двух составляющих: силы резания Fp,
направленной по касательной к контуру детали, и силы прижатия Fn, дейст-
вующей по нормали к ней. Для плоской поверхности имеем
F =к F
1 р П’
где кг? = 0,3...1,0 и зависит от материалов детали и абразивного круга, а
также скорости его вращения. При абразивной обработке обычно стремятся
добиться равномерного удаления материала. Это, в свою очередь, требует
поддержания в заданных пределах как силы резания Fp, так и скорости
подачи абразивного круга.
329
7. Системы тактильного типа
Для автоматизации указанных операций, как правило, приходится пере-
водить силовые факторы из одной системы координат в другую. В роботе
такой системой координат является система Oxyz, связанная со стойкой ма-
нипулятора. Выполним приведение некоторого вектора сил F из системы
координат Oixiyizi в систему координат Oxyz, где — точка контакта
объектов Пусть компоненты вектора F измеряются трехкомпонентным дат-
чиком силы, связанным с системой координат Заметим, что для
приведения вектора сил в систему координат Oxyz необходим также трех-
компонентный датчик положения, определяющий координаты точки кон-
такта относительно системы Oxyz. В системе координат Oxyz возникают
следующие силовые факторы:
F0 = F; M0 = R/F,
или
(Л)х» Л)у» = ^у»
^Оу» ^Oz^ — (FzFfy ~ FyRfz* FxRfz ~ FzRfx' FyRfx " FxRfy^
где Mq — вектор моментов сил F; Ry = (Rfx, Rjy, Rf^ — радиус-вектор,
проведенный из центра системы координат Oxyz в центр системы координат
Таким образом, компоненты вектора момента вычисляются через ком-
поненты вектора силы F и проекции точки его приложения в системе коор-
динат Oxyz. Нетрудно видеть, что F0 tM0jc 4-ГОуМОу 4-=0. Тогда,
установив шестикомпонентный СМД в основание робота, т. е. связав его с
системой координат Oxyz, можно вычислить точку контакта объектов по
измеренным значениям Fq. (В частном случае использование трехкомпо-
нентного датчика силы позволяет найти центр тяжести плоской детали.)
7.3. Принципы силомоментного очувствления роботов
Системой силомоментного очувствления (ССО) робота называется
информационная система, которая включена в его контур управления
и предназначена для измерения компонент главного вектора сил и момен-
тов, действующих на схват или инструмент манипулятора, и формирования
логического или непрерывного управляющего воздействия на исполнитель-
ный механизм в проекциях на связанную со схватом систему координат.
Типовая структура ССО приведена на рис. 7.2. В отличие от СТЗ вычисли-
тельные средства ССО обычно размещены в конструкции манипулятора и
построены на базе контроллеров и однокристальных ЭВМ
330
7.3. Принципы силомоментного очувствления роботов
Рис. 7.2. Т иповая структура ССО робота:
/, 2 — запястье и шарнир манипулятора; 3 — захватное устройство
Современные ССО подразделяют по трем основным признакам:
1) по принципу измерения компонент главного вектора сил и момен-
тов — системы прямого измерения (включают СМД, устанавливаемый в
разрыве кинематической цепи) и системы косвенного измерения (использу-
ют вариации моментов нагрузки в приводах);
2) по способу очувствления — «очувствленный» манипулятор и «очув-
ствленная» среда;
3) по способу включения в систему управления — управляется непо-
средственно манипулятор робота и управляется автономный модуль.
С учетом этого деления различают пять типовых вариантов построения
ССО (табл. 7.1). Так, например, первый вариант построения ССО предпола-
гает управление манипулятором с помощью установленного на нем СМД.
Рассмотрим эти варианты подробнее.
Таблица 7.1
Варианты построения ССО роботов
Номер варианта Принцип измерения Место установки СМД Управляемый механизм
1 Прямой На манипуляторе Манипулятор
2 » То же Автономный модуль
3 » Вне манипулятора Манипулятор
4 » То же Автономный модуль
5 Косвенный — Манипулятор
В общем случае определение реакции между предметом в захватном
устройстве робота и некоторой поверхностью (при абразивной обработке)
или двумя предметами (при сборке) возможно несколькими способами. Ча-
ще всего применяют способ прямого измерения с «очувствлением» рабочей
среды (в этом случае объект устанавливают на оснащенную датчиками
платформу) или «очувствлением» захватного устройства робота (губок или
331
7. Системы тактильного типа
запястья), а также способ косвенного измерения, когда информацию об уси-
лиях, действующих на приводы робота, получают через следящую систему.
Способ «очувствления» рабочей среды был разработан в Стенфордском
исследовательском институте (США) П. Уотсоном и С. Дрейком для сборки
цилиндрических объектов. Объекты устанавливали на динамометрическую
платформу, представляющую собой три одинаковые квадратные пластины
размером 400x400 мм и толщиной 25 мм. Пластины соединяли между со-
бой упругими опорами с тензорсзисторами, причем деформация каждого
тензорезистора происходила под действием двух или трех компонент глав-
ного вектора сил и моментов (рис. 7.3). Тензорезисторы включали в потен-
циометрические схемы с функций преобразования вида Ц =5^, где Ц —
выходное напряжение с г-й схемы; S{ — ее чувствительность, i = 1, 2, ..., 8;
k = 1,2,..., 6. Тогда, обозначив длину платформы через /, получим
FX=U^/S^ + (/6/S6; Fy = U5/S5
Fz =Ц/5| +t/2/S2 + U3/S3+U4/S4;
Mx = [(Ц /Sx + U4IS4) - ((72IS2 + u3 /S3)]/ / 2;
My = [(C/| /S} + U2IS2) - (L73/S3 + U4/S4)]l 12;
Mz = [(C76/S6 + U7/S7) - (U5/S5 +l/g /St)]/ /2.
Рис. 7.3. Динамометрическая платформа (Ц — —сигналы с датчиков)
При сопряжении установленных на платформе объектов возникает неко-
торая сила, координаты точки приложения Р которой можно определить по
формулам
zP = 0; хР = -Му/Fz; уР =MX!FZ.
Указанные зависимости можно использовать при формировании закона
управления роботом при сборке цилиндрической пары. Действительно, в
332
7 3 Принципы силомоментного очувствления роботов
процессе сопряжения объектов положение центра тяжести пары меняется,
вызывая изменение показаний тензорезисторов:
Fx =Fy =0; Fz =U}/S' + U2/S2 + U3/S3+U4/S4;
Mx =[(Ц/5| + U4/S4)-(U2/S2+U3/S3)]l/2;
Mу = [(Ц /S, + U2!S2)-(U3/S3 + U4IS4)\ll2; Mz = 0.
Для упрощения расчетов будем считать, что чувствительности St всех изме-
рительных схем одинаковы. Тогда координаты проекции центра тяжести в
плоскости хОу будут соответственно:
Недостатком рассмотренного способа «очувствления» рабочей среды
является появление значительных динамических ошибок из-за инерционно-
сти динамометрических платформ. (Масса рассмотренной платформы со-
ставляет около 25 кг.) Кроме того, такой подход усложняет организацию
рабочего пространства робота.
Способ «очувствленного» захватного устройства предполагает исполь-
зование многокомпонентных СМД, расположенных максимально близко к
зоне, в которой возникают контактные силы. Первые эксперименты по ис-
пользованию СМД в робототехнике были проведены в 80-х годах XX в.
К. Розеном, Р. Грумом и А. Бейтси в США и Т. Гото в Японии. В качестве
тестовой операции рассматривалась сборка цилиндрической пары тина
«вал — втулка». Исследование этой операции привело к появлению трех
основных конструктивных схем: активной силомоментной адаптации, пас-
сивной аккомодации и адаптивного запястья.
Наиболее распространенной является схема активной силомоментной
адаптации, в соответствии с которой СМД представляет собой совокуп-
ность упругих и чувствительных элементов, измеряющих силовые факторы
по трем осям связанной с ним системы координат. Впервые подобный дат-
чик, разработанный в 1951 г. В. Шейнманом (США), использовали для из-
мерения сил резания в металлообработке. Позднее СМД стали применять
для управления приводами исполнительного механизма. Так, использование
схем активной силомоментной ада!нации позволило избежать заклинивания
деталей при сборке цилиндрической пары, и в 1976 г. П. Уотсон (США)
осуществил установку цилиндра диаметром 40 мм в отверстие с допуском
15 мкм за 0,2 с.
Схема пассивной аккомодации предназначена для сборочных операций и
основана на построении СМД в виде пассивного центрирующего устройст-
ва. В этом случае измерения силовых факторов не проводятся, а сопряже-
ние объектов осуществляется благодаря специальной конструкции центри-
рующего усгройства. Наиболее известная конструкция, названная устрой-
ством с вынесенным центром податливости, или RCC (от англ. Remote
Center Compliance), была разработана в 1972 г. Ч. Дрейпером (США).
333
7. Системы тактильного типа
Устройство, закрепленное в запястье манипулятора, состоит из двух
функциональных модулей: силового, представляющего собой упругий парал-
лелограмм, и моментного в виде упругого треугольника (рис. 7.4, я). Упругие
элементы, в качестве которых используют штыри на упругих шарнирах, ис-
пытывают деформации изгиба под действием четырех компонент главного
вектора сил и моментов: Fx, Fy, Мхи Му. В ненагруженном состоянии фо-
кус 4, являющийся точкой приложения силовых факторов и совпадающий с
точкой контакта объектов, находится на оси захватного устройства. При дей-
ствии компонент Fx и Fy деформируются упругие элементы силового моду-
ля, смещая фокус в направлении действующей силы (рис. 7.4, б). При возник-
новении моментов М Y и М v происходит деформирование упругих элементов
моментного модуля и ось устройства поворачивается относительно оси сим-
метрии на некоторый угол (рис. 7.4, в). В результате действия указанных
силовых факторов фокус всякий раз перемещается в направлении действую-
щей компоненты. В настоящее время существует много модификаций схемы
RCC. В большинстве из них вместо штыревых упругих элементов применяют
эластомерные конструкции (рис. 7.4, г). Достоинством средств пассивной ак-
комодации типа RCC является возможность «слепой» сборки цилиндриче-
ских объектов при начальных рассогласованиях до 1...3 мм и 2...5° и простота
конструкции. В то же время этот подход не позволяет проводить операции,
требующие обеспечения заданных значений сил и моментов; кроме того, он
применим преимущественно для осевой сборки.
Схема адаптивного запястья, учитывающая достоинства обоих подходов,
связана с использованием систем активно-пассивной адаптации. Она была
разработана сотрудником фирмы Hitachi (Япония) Т. Гото в 1982 г. Как и в
схеме пассивной аккомодации, упругие элементы здесь выполнены в виде
эластомеров, однако их деформация измеряется с помощью ЧЭ. Датчики,
построенные по схеме адаптивного запястья, используют в сборке деталей
типа «вал — втулка» с допусками менее 2 мкм, при абразивной обработке и
других операциях с замкнутой кинематической цепью.
Наконец, способ косвенного измерения вообще не требует никакого
дополнительного оснащения манипулятора. Заметим, что если робот содер-
жит приводы с обратимыми редукторами, то любая сила, действующая ниже
некоторого /-го сочленения исполнительного механизма (т. с. в сочленениях
/ - 1, /’—2, ..., 0), оказывает влияние на все движущие моменты, управляю-
щие сочленениями выше данного (/ = / + 1, i + 2./V). Тогда внешнее воз-
действие можно определить, измеряя разность между моментами в приводах
при его наличии и отсутствии. Поскольку в большинстве приводов роботов
используют двигатели постоянного тока, то эти моменты можно измерить
косвенно через токи цепи якоря.
Для состояния равновесия справедливо выражение
Мв + МПВ =0.
о До
334
7.3. Принципы силомоментного очувствления роботов
Рис. 7.4. Устройство с вынесенным центром податливости:
а — схема; б — деформация устройства под действием силы; в — то же под действием мо-
мента; г — конструкция устройства; 1,2 — упругие элементы силового и моментного моду-
лей; 3 — ось захватного устройства; 4 — фокус
Здесь Мв — вектор моментов в сочленениях, возникающих под действием
веса звеньев робота; Мдв — вектор моментов в сочленениях, развиваемых
двигателями.
Сила реакции F внешней среды создает момент реакции М, и уравнение
равновесия принимает вид
Мв + МдВ + М = 0.
Оба уравнения соответствуют одной и той же конфигурации манипуля-
тора qg, когда следящая система робота поддерживает заданные значения
углов q = qg. Используя принцип виртуальных работ, запишем
FTAx = MBAq + М JBAq.
335
7. Системы тактильного типа
Здесь Ах = JT(q)Aq; J(q)— матрица Якоби, связывающая пространство
задачи с пространством обобщенных координат. Тогда
FT =MgJ-1(q) + MjBJ-lq.
Следовательно, внешняя сила F может быть вычислена косвенно через
моменты в приводах Мдв при известной кинематической схеме манипулято-
ра J(q). Заметим, что когда манипулятор принимает вырожденную конфи-
гурацию, при которой det J(q) = 0, проводить измерения нельзя.
Этот подход, предложенный Р. Полом для сборки узлов водяного насоса
в 70-х годах XX в. в проекте «Stanford Arm», вызвал большой интерес и был
развит впоследствии X. Иноки, П. Борелем и другими. Однако очевидное
достоинство способа, связанное с его практичностью и дешевизной реше-
ния, нс компенсируется недостатками, важнейший из которых — изменение
статических моментов в сочленениях манипулятора в зависимости от его
конфигурации, наличия груза, упругости в шарнирах и др. Все это требует
очень точного моделирования динамики манипулятора.
7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов
В настоящее время более 80 крупных фирм выпускают СМД для робо-
тов. Как правило, во всех датчиках осуществляется разложение многоком-
понентного вектора F по компонентам вектора электрических сигналов U.
Дальнейшее преобразование информации, в том числе и формирование
управляющих воздействий в систему управления роботом, реализуется либо
непосредственно в датчике («интеллектуальный» СМД), либо в управляю-
щем процессоре системы управления роботом.
7.4.1. Конструктивные схемы датчиков
Структурно СМД представляет собой многоканальную измерительную
систему в виде совокупности упругих и чувствительных элементов, специ-
альным образом ориентированных в пространстве. Процедура преобразова-
ния информации в СМД заключается в получении вектора электрических
сигналов С, компоненты которого прямо пропорциональны компонентам
главного вектора F сил и моментов. Следовательно, функцию преобразова-
ния СМД можно описать выражением U = S F, где S — матрица чувстви-
тельности. Данное преобразование реализуется тремя функциональными
блоками — механическим преобразователем, блоком ЧЭ и измерительной
цепью. Первый блок осуществляет преобразование вида
F = G R,
где G — матрица жесткости датчика (6x6); R — вектор перемещения
центра измерений (6x1) (центром измерений обычно считают центр
тяжести или центр симметрии датчика).
336
7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов
Далее деформация упругих элементов СМД вызывает изменение импе-
данса связанных с ними ЧЭ, которое с помощью измерительной схемы
преобразуется в выходное напряжение:
LJ=SGR.
Размерность матрицы S определяется количеством ЧЭ датчика.
Включение такой многоканальной системы в контур управления робота
существенно влияет на его динамические характеристики и точность. Осо-
бенно большое влияние оказывает конструкция СМД, представляющая со-
бой многомерную пружину, через которую осуществляется замыкание ки-
нематической цепи манипулятора. Поэтому к датчикам ССО предъявляют
как традиционные, так и частные требования. К первым относят погреш-
ность нелинейности не выше 0,5%, быстродействие (время преобразова-
ния) не более 0,01 с, а также малую массу и вес. Среди вторых необходимо
отметить избирательность и жесткость.
Требование избирательности регламентирует значение коэффициента
влияния (так называемый уровень перекрестных связей между каналами
измерения). Для уменьшения Az; конструкцию выполняют механически
избирательной, т. е. датчик должен быть более податлив к действию изме-
ряемой компоненты главного вектора сил и моментов. Значение Л'; не
должно превышать 5 %. Требование жесткости конструкции ограничивает
собственную частоту колебаний СМД. Датчик с прикрепленным захватным
устройством образует колебательную систему с шестью степенями свободы.
Низшая собственная частота колебаний fc должна быть достаточно велика
по сравнению с частотами, отрабатываемыми манипулятором. Собственную
частоту измерительного канала определяют по формуле
где т - Fig — характерная масса нагрузки. Значение fc должно быть не
менее 50 Гц.
В СМД при расчете характерной массы можно использовать не только
силовые, но и моментные компоненты главного вектора нагрузки. Связь
между ними описывается выражением М = Flxlip, где /хар — характерное
плечо нагрузки, как правило, равное расстоянию от центра измерений дат-
чика до точки приложения силы и приблизительно соответствующее длине
захватного устройства. Параметр Zxap также является одной из характери-
стик СМД, определяющих целесообразность включения конкретного датчи-
ка в кинематическую цепь манипулятора. Так, если грузоподъемность ма-
нипулятора равна Fmax, а длина захватного устройства Zxap, то максимальный
337
7. Системы тактильного типа
измеряемый момент должен составлять Л/тах = Fmax/xap. У СМД выделяют
две характерные ДЛИНЫ /хар| =Мх1Пах/fymax и Zxap2 = Mymax /Fxmax-
причем каждая из них обычно меньше /хар. При построении ССО робота это
обстоятельство необходимо учитывать и стремиться выбрать такой СМД, у
КОТОрОГО /хар| = ^хар2 ~^хар"
Как уже отмечалось выше, функция преобразования СМД имеет вид
U = S F и, следовательно, F = S’ *и, где S1 — матрица, обратная матрице
чувствительности S. Вид матрицы S 1 в общем случае зависит от конструк-
ции СМД. Если число компонент вектора F нс равно числу компонент век-
тора U, т. е. матрица S не квадратная, а прямоугольная с размерностью
(и х 6), где п — число компонент вектора электрических сигналов, то расче-
ты проводят на основании псевдообратной матрицы S*1 = (STS)“*ST.
Коэффициенты StJ (i = 1,и, j = 1,..., 6) матрицы чувствительности оп-
ределяют при тарировке СМД. С этой целью к нему поочередно вдоль каж-
дой координатной оси прикладывают силы и моменты заданной величины и
определяют уровни выходных сигналов Ц с каждого из тснзорезисторов. В
области упругости коэффициенты полагают постоянными и их значения
указывают в паспорте на датчик.
Определение текущих значении компонент вектора F требует проведения
достаточно большого объема вычислений, связанных с решением уравнения
F = SMe1U. В общем случае необходимо выполнить 6п операций умножения.
Поэтому при построении ССО возможны два пути: во-первых, запоминание
матрицы S”1 в блоке предварительной обработки СМД и последующее ре-
шение уравнения F = S71U и, во-вторых, построение таких конструкций
СМД, в которых число компонент матрицы чувствительности минимально. В
соответствии с первым используют простые механические преобразователи,
требующие выполнения всех 6п операций умножения для определения ком-
понент, в соответствии со вторым разрабатывают пространственно сложные
конструкции, не требующие значительных вычислений.
Механический преобразователь СМД представляет собой пространст-
венную пружину, допускающую упругое перемещение центра измерений
относительно трех осей координат. Это перемещение в пределах зоны упру-
гости описывается выражением F = G R, где коэффициенты матрицы жест-
кости G характеризуют номинальные деформации упругих элементов дат-
чика. Вид матрицы жесткости определяет перекрестные связи в механиче-
ском преобразователе и указывает, в каких направлениях будет перемещать-
ся центр измерении СМД под действием некоторой компоненты вектора F.
Поэтому матрица жесткости, как и матрица чувствительности, является
важнейшей характеристикой СМД, описывающей как параметрические, так
338
7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов
и структурные свойства конструкции. Первые характеризуют собственно
жесткость каналов измерения, вторые — перекрестные связи между ними.
Эти признаки обычно применяют при классификации датчиков. СМД при-
нято разделять по двум основным признакам:
1) по жесткости конструкции — СМД высокой жесткости (в них исполь-
зуют измерители деформаций) и СМД низкой жесткости (в этом случае ис-
пользуют измерители перемещений);
2) по типу матрицы жесткости — СМД с матрицей жесткости общего
вида и СМД с «разреженной» матрицей жесткости.
В зависимости от типа матрицы жесткости G преобразование главного
вектора сил и моментов F в вектор электрических сигналов U происходит
либо в блоке предварительной обработки СМД (для датчиков простой фор-
мы), либо непосредственно в СМД (для датчиков с преимущественно меха-
ническим разделением компонент).
Наиболее распространенными измерителями деформаций являются тен-
зорезисторы, а также пьезо- и магнитост-
рикционные преобразователи, измерите-
лями перемещений — онтронные пары
или электромагнитные (реже электроста-
тические) ЧЭ.
Рассмотрим коротко основные конст-
руктивные схемы СМД.
СМД высокой жесткости строят на ба-
зе упругих элементов типа балок равного
сечения с наклеенными на них тензорези-
сторами. В системах управления сбороч-
ными манипуляторами широко использу-
ют запястные СМД с матрицей жестко-
сти общего вида. Базовые схемы таких
датчиков были разработаны в середине
70-х годов XX в. в Лаборатории Дрейпера
(США) и Католическом университете
(Бельгия). Пример одной из них показана
на рис 7.5.
Рис. 7.5. Силомоментный датчик с
матрицей жесткости общего вида:
/, 2 — верхний и нижний фланцы;
3 — упругий элемент; 4 — тензорези-
стор
Конструктивно датчик представляет собой два фланца, связанных между
собой упругими элементами. Один фланец крепится к манипулятору, другой
— к захватному устройству. 11ри деформации фланцы упруго перемещаются
один огносительно другого. На внутренней и внешней сторонах четырех (в
других моделях грех) упругих элементов наклеены фольговые тензорезисто-
ры, измеряющие деформации растяжения-сжатия и сдвига соответственно.
Поскольку в каждом упругом элементе возникают деформации от всех шести
компонент вектора F, функция преобразования датчика описывается матрич-
ным уравнением общего вида: U = S F, т. е. каждая компонента вектора U яв-
ляется линейной комбинацией компонент вектора F.
Датчики с матрицей жесткости общего вида при значительных габарит-
ных размерах измеряют достаточно высокие значения компонент вектора
339
7. Системы тактильного типа
моментов. Так, для датчика, представленного на рис. 7.5, с диаметром
120 мм, высотой 20 мм и размерами упругих элементов 6x1,5 мм макси-
мальные допустимые значения сил и моментов составляют 1000 Н —для Fx,
Fy, 3300 Н — для Fz, 170 Н м — для Мх, Му и 70 Н • м — для Mz. Следова-
тельно, характерное плечо нагрузки /хар для этого датчика составляет 0,17 м.
Порог чувствительности по всем компонентам достигает -0,05 % макси-
мального значения соответствующей компоненты, максимальный уровень
выходного си! нала — около 10 мВ.
Очевидным достоинством СМД с мат рицей жесткости общего вида явля-
ется простота конструкции, чго делает их весьма привлекательными для
использования в робототехнике. Однако датчики этой группы обладают и
существенными недостатками Так, поскольку каждый из упругих элементов
должен быть рассчитан на действие всех компонент главного вектора сил
и моментов, это приводит к низкому значению коэффициента использования
диапазона линейных деформаций. Кроме тою, таким датчикам свойственна
разная чувствительность каналов измерения (так как используются тензорези-
сторы на разные типы деформаций) и низкое быстродействие. Так, в рассмот-
ренной конструкции время вычисления компонент составляет 20 мс.
Указанные обстоятельства привели к тому, что в современных ССО все
чаще применяют СМД с преимущественно механическим разделением ком-
понент. В этих датчиках ЧЭ размещают в захватном устройстве, рабочей
среде или в запястье робота. Примером такого шестикомпонентного СМД,
очувствляющего «пальцы» захватного устройства манипулятора, является
конструктивная схема, разработанная фирмой IBM (США). Датчик состоит
из шести одинаковых упругих элементов — балок равного сечения
(рис. 7.6). Упругие элементы с наклеенными на них тензорезисторными ЧЭ
деформируются под действием соответствующего изгибающего момента
(М\ — Мь) (см. рис. 7.6) 1 аким образом, каждый палец захватного устрой-
ства (а всего в конструкции СМД два пальца) представляет собой шесть мо-
дулей, плоскости которых ориенлированы в трех взаимно перпендикуляр-
ных плоскостях. Центр измерений СМД совпадает с кончиком пальца (точ-
ка О). Любую силу (момент), действующую на захватное устройство, можно
представить в виде проекций на оси подвижной системы координат Oxyz.
Если сигналы с каждого ЧЭ обозначиль Ut(i = 1,..., 6), то, зная размеры уп-
ругого элемента и полагая, что он испытывает преимущественно деформа-
ции изгиба, можно определить искомые проекции вектора сил и момен-
тов F. Уравнения преобразования имеют вид
Ц =5l[FJt(20a -2|) + A/J; и2 =52[Гх(20д-г2) + Му];
«з =^з[_^(гол -гз) + ЛгО'0д = S4[-Fx(y0a -у4) + Мг];
= $5Ну(г0л - 2з) + МхК = 5бНу(г0л ~2б) + Wxl-
где Sj — — коэффициенты чувствительности; ?од, уод — координаты
точки О приложения силы относительно неподвижной системы координат,
340
7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов
связанной с основанием пальца; z\ — Z6, У1 — Уб — координаты соответст-
вующих упругих элементов.
Матрица чувствительности датчика содержит 13 ненулевых элементов:
511 0 0 0 515 0
S21 0 0 0 S52 0
s = 0 532 533 534 0 0
0 0 0 0 546
0 552 0 554 0 0
_ 0 S62 0 564 0 0
Рис. 7.6. Силомоментный датчик фирмы IBM (США):
/ — основание; 2 — упругий элемент; 3 — узел крепления упругих элементов; 4 — тензоре-
зистор; 5 — фаланга пальца
Решая указанную систему уравнений относительно действующих сило-
вых факторов, получаем
_kt(Ul-U2\ fc2(t/6-t/5). k^ + F^zo-z^-M^
А ’ ” (z6-z5) ’ 2 Оо-Уз)
341
7 Системы тактильного типа
М
_ kA[-U5(zQ ~ z6) + Ub(z0 — и5)]
_ ^[Ц(20 ~z2)~^2(z0 ~Z1)].
Mz = А6[^4 + Fx (Ув ~ У4 )Ъ
где к] — к§ — размерные коэффициенты.
Коэффициент влияния датчика не превышает 1 %. В роботизированном
комплексе сборки узлов пишущих машинок использовали СМД подобного
типа. Диапазон измерения сил составлял 0.. 10 Н, а максимальный выходной
сигнал при использовании полупроводниковых тензорезисторов был равен
1В. Достоинством конструкции, приведенной на рис 7 6, является ее уни-
фикация (использование однотипных упругих элементов изгибного типа), а
недостатками — необходимость принятия специальных мер по защите от
механических повреждений, а также учет сил, возникающих при зажатии
объекта в захватном устройстве.
СМД со схемой типа «мальтийский крест» также имеет только изгибные
упругие элементы (это обеспечивает примерно равную чувствительность
каналов) и частичное разделение компонент при сравнительно простой кон-
струкции механического преобразователя (рис. 7.7). Датчик диаметром
53 мм и толщиной 15 мм содержит четыре упру»их элемента балочного ти-
па, связанных через внутренний фланец с захватным устройством робота (на
рисунке не показано), а через четыре упругие мембраны — с внешним
фланцем. Внешний фланец СМД соединен с манипулятором. Деформации
упругого элемента измеряют четыре полупроводниковых тензорезистора,
установленных вдоль осевой линии каждой грани. Тензорсзисторы, распо-
ложенные на противоположных гранях упругого элемента, объединены
попарно так, что образуют восемь измерительных схем. Функция преобра-
зования датчика имеет вид U = S F, где матрица чувствительности СМД
"0 *$12 0 0 0 ‘$16
0 0 •$23 0 *$25 0
•$31 0 0 0 0 *$36
s = 0 0 *$43 *$44 0 0
0 •$52 0 0 0 *$56
0 0 *$63 0 65 0
•$71 0 0 0 0 *$76
0 0 *$83 •$84 0 0
Заметим, что в данной конструкции матрица жесткости G, связывающая
компоненты вектора F и вектора перемещений центра измерений R, диаго-
342
7.4 Датчики систем силомоментного очувствления роботов
нальна: F = GR, G = diagG, {i,j = 1, 2, ..., 6). Эю существенно упрощает
обработку сигналов. Запястные датчики липа «мальтийский крест» позво-
ляют строить прецизионные ССО высокого быстродействия. Максимальные
допустимые значения сил и моментов составляют 100 11 — для Fx, Fy,
160 Н — для 1,6 Н • м — для Мх, Му и 3 И - м для Mz. Коэффициент влия-
ния y!j не превышает 1 %. Недостатком конструкции является малое
значение /хар, равное 0,01 м
Рис. 7.7. Силомоментный датчик чипа «мальтийский крест»
фирмы Barry Wright (США):
/ — упругая мембрана, 2 — тензорезистор
Во всех рассмотренных примерах СМД в качестве ЧЭ были использованы
измерители деформаций. Если же датчик должен иметь малую жесткость, то
ЧЭ целесообразно строить на базе измори гелей перемещений. Наиболее из-
вестными ЧЭ этого типа являются электромагнитные и электростатические
преобразователи. Как правило, СМД с измерителями перемещений не обла-
дают высокими метрологическими характеристиками, и поэтому измерение в
них выполняет лишь вспомогательную (контрольную) функцию. Заметим, что
схемы на базе электромагнитных ЧЭ обладают большой мощностью выход-
ного сигнала и не требуют использования усилительных схем, однако их
функция преобразования нелинейна. Диапазон измерения сил составляет
10 ...10 Н. Что касается СМД на базе электростатических преобразователей,
то для них характерны сравнительно малые размеры и широкий диапазон из-
меряемых сил, однако они гребуют применения высоких несущих частот (для
снижения утечек) и имеют повышенную чувствительность к загрязнению. В
то же время линейность таких датчиков высока, и они стабильны до очень
343
7. Системы тактильного типа
высоких температур. Использование высоких несущих частот обеспечивает
хорошую помехозащищенность к Mai нитным полям. Диапазон измерения сил
—3 7
лежит в пределах 10 ...10' Н.
На рис. 7.8, а приведена конструкция чстырехкомпонентного СМД ма-
лой жесткости, выполненного по схеме устройства с вынесенным центром
податливости. Упругие элементы датчика созданы на базе эластомерных
структур, обладающих преимущественно одноосным напряженным состоя-
нием. Обычно эластомер представляет собой набор из чередующихся рези-
новых и металлических дисков малой толщины, склеенных между собой.
Такая конструкция обладает достаточно высокой жесткостью на сжатие и
легко деформируется на сдвиг, являясь таким образом упругим элементом
сдвигового типа. Перемещения фокуса СМД измеряют оптронными парами
светодиод—фотодиод, расположенными в ортогональных плоскостях
(рис. 7.8, б). Учитывая, что при действии сил Fx, Fy нижний фланец переме-
щается параллельно верхнему, а при действии моментов МХУ Му— повора-
чивается в направлении соответствующего момента, можно определить
каждый силовой фактор. При малых перемещениях фокуса получаем сле-
дующие уравнения преобразования-
U}=S4My(l{-l2y, U2=S3Mx(ll-l2);
U3 =S4Myl}- U4=S3Mxlh
где U\—U4 — выходные сигналы фотодиодов; 5|—S4 — чувствительности
каналов измерения Fx, Fv, Мх и Му соответст венно; 1\ и I2 — базовые
размеры онтронного блока.
Матрица чувствительности
S] । 0 0 0 *5] 5 о
s_ 0 S22 0 S24 0 0
'31 000 *^35 0
0 Лдэ 0 0 0
содержит восемь ненулевых элементов. Однако, так как третий и шестой ее
столбцы содержат только нули, датчик этой конструкции не измеряет соот-
ветствующие силовые факторы (силу Fz и момент Mz).
Решая полученную систему уравнений относительно искомых силовых
факторов, находим
344
7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов
Рис. 7.8. Конструкция и схема четырехкомпонентного силомоментного датчика с
вынесенным центром податливости:
1 — верхний фланец, 2 — светодиод, 3 — фотодиод; 4 — эластомер; 5 — нижний фланец
Данный СМД при диаметре 125 мм и длине 65 мм обладает невысокой
4 2
жесткостью (около 10 Н/м и 10 Н- м/рад) и в принципе может работать как
датчик перемещении. Приведем его основные характеристики:
Диапазон измерения:
перемещений................................... 0 ± 2 мм
сил........................................ 0...30Н
моментов................................... 0... 1,5 Н м
Погрешность £................................. 5 %
Коэффициент влияния Л ........................ 10 %
Разрешающая способность при измерении
перемещений................................... 2,5 мкм
Один из вариантов «очувствления» рабочей среды, при котором управ-
ляемым механизмом является не манипулятор, а автономный модуль (вари-
ант 4 в табл. 7.1), рассмотрен на рис. 7.9. Автономный модуль, получивший
название адаптивный сборочный столик, оснащен приводами точного пози-
ционирования и шести компонентным СМД, установленным в основании
345
7. Системы тактильного типа
столика. Схема, разработанная М. Касаи в Токийском университете, была
затем реализована фирмой Hitachi (Япония). Нижняя часть датчика, выпол-
ненная в виде плоского креста, используется для определения компонент
Му, Fz, верхняя — для компонент Fx, Fy, Mz. Тензорезисторы на нижней
крестовине измеряют деформации изгиба, на верхней — сдви] а. Матрица
чувствительности содержит 16 ненулевых элементов:
^11 0 0 0 0 ^16
0 s22 0 0 0 ^26
0 0 0 0 536
s = 0 •$42 0 0 0 *^46
0 0 ^53 0 S55 0
0 0 *$63 ^64 0 0
0 0 ^73 0 S75 0
0 0 *$83 ^84 0 0
Обозначим чувствительности измерительных схем с упругими элементами
изгибного типа 5ИЗГ, а сдвигового — 5СДВ. Тогда основные соотношения для
определения компонент главного вектора сил и моментов примут вид
_(Ц+1/з). г _(^2 + {^4). ₽ _(C/5+t/6+t/7+C/8).
Л С ' у ~ v ’ г------------------------ё ’
°сдв °сдв эизг
Рис. 7.9. Конструкция (а) и схема (б) системы силомоментного «очувствления»
типа «адаптивный сборочный столик»:
1 — платформа, 2 — упругие элементы; 3 — тензорезисторы, 4, 5 — приводы гори-
зонтального и вертикального перемещений соответственно
346
7 4 Датчики систем силомоментного очувствления роботов
Разрешающая способность адаптивного сборочного столика составляет
0,1 % максимального значения соответствующей компоненты при диапазонах
измерения сил 0...20 Н и моментов 0...0,1 Н м. Адаптивный сборочный сто-
лик использовали в задачах прецизионной сборки. Достоинством схемы явля-
ется высокое быстродействие, достигаемое благодаря тому, что управляющие
сигналы поступают непосредственно на приводы исполнительного механиз-
ма. В то же время конструкция датчика не лишена недостатков: его каналы
обладают разной чувствительностью (для каналов с изгибными деформация-
ми она на порядок выше, чем со сдвиговыми), а наличие инерционных со-
ставляющих вызывает динамические погрешности.
7.4.2. Упругие элементы и измерительные цепи
силомоментных датчиков
Несмотря на все многообразие конструкций СМД, все они построены на
базе однотипных упругих элементов. Как известно, напряженное состояние,
возникающее в материале упругого элемента, в значительной степени опре-
деляется его формой. При расчете конструкций обычно выделяют четыре
типа напряженных состояний: растяжение-сжатие, изгиб, сдвиг и кручение.
Поэтому и в конструктивных схемах СМД стараются использовать упругие
элементы, деформации которых можно отнести к одному из указанных ти-
пов. В однокомпонентных датчиках упругие элементы испытывают дефор-
мацию определенного типа. В многокомпонентных СМД этого добиться
труднее. В частности, в рассмотренных ранее конструкциях возникали на-
пряженные состояния разных типов. Тем не менее для обеспечения равной
чувствительности каналов измерения стремятся уменьшить число типов на-
пряженных состояний в теле упругого элемента. Различают три типа упру-
гих элементов СМД: продольные (испытывают деформацию растяжения-
сжатия), изгибныс и сдвиговые (рис. 7.10).
г д
Рис. 7.10. Типы упругих элементов СМД:
а — продольный, б — изгибный; в — сдвиговый, г — дифференциальный изгибный; д —
дифференциальный изгибный с упругой опорой, / — упругий элемент, 2 — тензорезистор
Выбор того или иного типа упругого элемента зависит от измеряемых
сил, причем датчики одного назначения могут иметь разные упругие эле-
347
7. Системы тактильного типа
менты. Характерным примером являются весы. В однокомпонентных весах
moi ут быть использованы продольные упругие элементы, например при из-
мерении веса железнодорожных вагонов, и изгибные — в ювелирном деле.
Обычно при расчете СМД полагают, что его конструкция представляет со-
бой набор простых упругих элементов, в которых возникают либо однотип-
ные напряженные состояния, либо их комбинации. Под простым упругим
элементом в большинстве случаев понимают балку равного сечения, испы-
тывающую напряженное состояние растяжения-сжатия, изгиба или сдвига
(см. рис. 7.10, а—в). Заметим, что при кручении также возникает сдвиговое
напряженное состояние.
Для измерения деформации упругого элемента на его поверхности мон-
тируют соответствующие ЧЭ. Устанавливая их попарно с разных сторон
балки, можно не только определить значение действующего силового фак-
тора, но и его знак. Однако даже при использовании однотипных упругих
элементов нельзя не учитывать паразитные составляющие нагрузки, обу-
словленные разными причинами (на рис. 7.10, а—в измеряемая компонента
обозначена F, а паразитная — Fj_). Например, в однокомпонентных конст-
рукциях с продольными упругими элементами невозможно полностью уст-
ранить поперечную составляющую Fj, вызванную, например, нспарал-
лельностью линии действия силы и оси датчика. Особенно остро эта про-
блема стоит в многокомпонентных СМД, где поперечную компоненту не-
возможно устранить в принципе. Для ее частичной компенсации строят спе-
циальные симметричные механические преобразователи с дифференциаль-
ными упругими элементами (см. рис. 7.10, г). Именно поперечная состав-
ляющая нагрузки является основной причиной возникновения перекрестных
связей между каналами измерения, которая описывается коэффициентом
влияния Aj. В табл. 7.2 приведены формулы для определения деформаций
простых упругих элементов под действием разных силовых факторов.
Таблица 7.2
Формулы для вычисления деформаций упругих элементов разных типов
Тип упругого элемента Деформация Коэффициент влияния, =е/1/е/П
измеряемая паразитная
Продольный Е/|(= FI(Ebh) Е/± = vFjJ(Ebh) V
Изгибный e(l\= bFIKEbh2) Еа = EJ{Ebh) h/(6l)
Сдвиговый Е/Н = 3FU+v)/(2Ebh) Ea =(1 - v)F±/(2Efc/j) (1 — v)/[3(l+v)J
Примечание. Е/ц— измеряемая деформация; £/j — деформация упругого
элемента в поперечном направлении; Е — модуль упругости 1-го рода; v — коэф-
фициент Пуассона (v = 0,3); /, b, h — соответственно длина, ширина и толщина
сечения упругого элемента.
348
Л9
Рис. 7.11. Тензорезисторная из-
мерительная цепь однокомпо-
нентного датчика силы
7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов
В конструктивных схемах современных СМД чаще всего используют
упругие элементы изгибного типа, что обусловлено их большой чувстви-
тельностью 5уэ = Е/ц/F. Тем нс менее при расчете упругих элементов прихо-
дится учитывать реальные соотношения между напряжениями изгиба, сдви-
га и растяжения-сжатия в материале. Их абсолютные значения, как и фор-
мулы для вычисления, определяются размерами упругого элемента. Так, для
упругого элемента балочного типа (Ь»Л) чувствительности равны соот-
ветственно Зуэнзг = 6//(ЕМ2), Яуэсдв = 3(l + v)/(2£M) и ^уэр-е-О. Следо-
вательно, один и тот же тензорезистор будет деформироваться под действи-
ем как компоненты F, так и F±. Поэтому коэффициент влияния поперечной
(сдвиговой) компоненты на измеряемую (изгибную) будет равен h(\ + v)/4Z.
Чувствительность 5уэизг СМД с упругими элементами изгибного типа
зависит не только от толщины и ширины балки, как у продольного и сдви-
гового элементов, но и от се длины. Поэтому в этих схемах больше возмож-
ностей выбора диапазона измеряемых нагру
Максимальное разделение деформаций
достигается применением в СМД диффе-
ренциальных упругих элементов. В такой
схеме точка приложения силового фактора
совпадает с центром измерения датчика,
причем ei'o перемещение осуществляется
строго в направлении действующей ком-
поненты. Примером такого упругого эле-
мента является изгибная балка на двух
симметричных опорах (рис. 7.10, г, д).
Большим достоинством таких СМД явля-
ется возможность приведения матрицы
жесткости к диагональному виду, а значит,
компенсирования перекрестных связей в
механическом преобразователе. В этом
случае перекрестные связи в датчике будут
обусловлены уже не конструктивными
факторами, а только технологическими
причинами (качеством наклейки тензоре-
зисторов, их соосностью и т. д.) и составят
не 15...20 %, а лишь 1 ...3 %. В табл. 7.3 приведены формулы для расчета уп-
ругих элементов СМД.
В качестве ЧЭ многокомпонентных СМД чаще всего используют тензо-
резисторы, малые габаритные размеры и удобство установки которых на
поверхности упругого элемента позволяют строить точные и компактные
349
7. Системы тактильного типа
СМД. Каждый тензорезистор измеряет деформацию непосредственно в мес-
те закрепления, поэтому их совокупность образует так называемую схему с
действительным интегрированием, эффективность которого определяется
количеством измерителен деформации. Интегрирование осуществляется
суммирующей (измерительной) цепью в виде потенциометрической или
мостовой схемы (рис. 7.11). В схему кроме рабочих тензорезисторов
R\ — /?4 включены компенсационные тензорезисторы /?5 — Ещ (в прецизи-
онных датчиках их используют для компенсации температурного дрейфа
нуля и чувствительности). Все рабочие тензорезисторы расположены в мес-
тах наибольших деформаций упругого элемента. Как было показано в 2.2.1,
выходное напряжение t/BbIX мостовой схемы с четырьмя рабочими плечами
при = R2 = R$ = = Rq определяется выражением
ТJ _ ^ИП - А7?д
вых 4 R$
Следовательно, при = STE/f (где 5Т — коэффициент тензочувстви-
тсльности; / = 1, 2, 3, 4) функция преобразования измерительной цепи име-
ет вид
^вых — *$т^ип(£/2 — ^/1 + £/3 — = ^т^ип^/ср»
а максимальное значение £7ВЫХ достигается при =~е/з = е/4-
Таблица 7.3
Соотношения для вычисления деформации и прогиба
изгибных упругих элементов
Тип балки Деформация Прогиб
линейный угловой
Консольная F/2 Ml 8-Г'3 8-М? Fl2 Ml
2EI EI о — , о — ЗЕ/ 2Е/ ф , ф 2Е/ EI
Дифференциальная: Fi Ml р, — р, — F/3 5 = ——, 5 = 0 48Е7 Fl2 Ml
шарнир 1 \6Е1 1 24Е1 <Р — - ф- 16Е/ 12Е/
заделка — F/3 8 = — ,5 = 0 192Е/ —
Примечание. 5, (р — прогиб и поворот центра измерения СМД под дейст-
вием силового фактора; / — момент инерции сечения (для прямоугольного сечения
/ =ЬЛ3/12).
350
7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов
Заметим, что мостовая схема с четырьмя рабочими плечами и одинако-
выми тензорезисторами гарантирует сохранение симметрии при синфазном
влияющем воздействии. Недостатком тензорезисторных схем является низ-
кий уровень выходного сигнала, требующий применения измерительных
усилителей с высоким коэффициентом усиления (обычно не менее 1000).
7.4.3. Датчики с совмещенными чувствительными элементами
Наряду с тензорезисторами в СМД используются ЧЭ, принцип действия
которых основан на пьезо- или магнитоупругом эффекте (совмещенные ЧЭ).
Наиболее распространенные схемы основаны на применении дисковых пье-
зодатчиков и параметрических магнитоупругих преобразователей (см. 4.2.1,
4.2.2). Их важнейшей особенностью является обеспечение высокой жестко-
сти конструкции, что особенно важно для измерителей больших нагрузок.
Пример шестикомпонентного СМД высокой жесткости представлен на
рис. 7.12, а. Совмещенный ЧЭ состоит из трех блоков, каждый из которых
содержит шесть пьезоэлементов с определенным направлением поляриза-
ции (на рис. 7.12, б и в эти направления показаны стрелками). Таким обра-
зом, блоки, приведенные на этом рисунке, предназначены для измерения
компонент Fy и Fz главного вектора сил и моментов F соответственно. Сле-
довательно, ориентируя блоки надлежащим образом, можно вычислить все
шесть его компонент:
— ЛкЗ + Лк4’ ~ ?у\ + Fy2 + Fy3 + ^*у4»
+ ^z2 + ЛеЗ + ^*z4»
(Fzi+Fz2 Fz3 Fz^)a/2', Му —(J*z\ + Fz4 FZ2 Fz^}a!2\
M z — (Fxi + FX4 — Fxi — FX2)a/2+(Fy2 + Fy^ — Fyj — Fy^)cil2t
где a — характерный размер СМД (расстояние между блоками).
При размере 56x56x10 мм рассмотренный датчик обладает следующими
характеристиками: диапазон измерения сил и моментов 0...5000 Н и
0...200 Нм соответственно, разрешающая способность 0,001 % максималь-
ного значения соответствующей компоненты, механическая жесткость
10 Н/м. Коэффициент влияния Л; составляет в среднем 3%. Исполь-
зование в качестве ЧЭ пьезодатчиков позволяет строить системы
наивысшей жесткости.
СМД на базе магнитоупругих ЧЭ обладают большим выходным сигна-
лом при той же жесткости, но меньшей линейностью по сравнению с пьезо-
датчиками. Диапазон измерения сил составляет 1О2...1О6 Н.
В табл. 7.4 приведена сравнительная характеристика некоторых
промышленно выпускаемых СМД.
351
7 Системы тактильного типа
Рис. 7.12. Шестикомпонентный СМД высокой жесткости фирмы Mitsubishi (Япония).
а — схема; б, в — блоки с пьезоэлементами; /— 4 — совмещенные ЧЭ, 5 — измеритель-
ный блок; 6 — пьезоэлемент
Таблица 7.4
Основные параметры промышленных СМД
Модель Тип ЧЭ Ком- понен- ты Диапазон измере- ний Жест- кость /о, кГц с, % Размеры, мм т, кг
d b h Z
ОН 90-А (Россия) Тензоре - зисгор мг 0 ЗНм 2 103 Н • м/рад 1 0,1 12 — — 8 0,03
F-70025 (США) » Fxyz 0 ..2 104Н 1• !08 Н/м Н.д. 0,1 — 9,5 9,5 7 0,02
К-925! (Германия) Пьезо- элемент F* Fz 0...2,510‘ 11 0 5 I03 Н Н.д. 8 0,01 •й 24 24 10 0,06
F-9065 (Германия) » Fz\ ^4jcyz 0 2 104 Н 0 200 Нм 9 109Н/м 5- 105 Н м/рад Н.Д. 40 0,02 0,002 52 — 15 0,2
Примечание. Для всех моделей коэффициент влияния = 2...4 %.
352
7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов
Таким образом, включение СМД в кинематическую цепь манипулятора,
а аппаратно-программны,х средств ССО в контур управления робота приво-
дит к существенному влиянию последних на качество процессов управле-
ния. Поэтому технические средства ССО следует выбирать исходя не только
из особенностей конкретных операций, но и параметров робота и его систе-
мы управления. Обычно считают, что характеристики ССО должны обеспе-
чивать заданные показатели качества переходных процессов в приводах ро-
бота. На показатели качества влияет запаздывание, вызываемое конечным
временем обрабо1ки данных в ССО, жесткость СМД, уровень перекрестных
связей между каналами. Для обеспечения управления манипулятором в ре-
жиме реального времени необходимо, чтобы время преобразования инфор-
мации в ССО ?ссо не превышало частоту квантования /к приводов робота.
Обычно принимают /ссо < 1/2/к. Это условие, в свою очередь, накладывает
определенные ограничения на СМД: его конструкцию (вид и коэффициенты
матриц жесткости и чувствительности), материал и т. д. Наибольшая точ-
ность достшается в датчиках с диагональной матрицей жесткости, быстро-
действие — в датчиках с преимущественно механическим разделением
компонент, а равная чувствительность каналов — при использовании одно-
типных упругих элементов.
Показателем качества упругого элемента является отношение модуля
упругости Е к плотности р материала. Эта величина определяет частоту
собственных механических колебаний СМД /о, которая должна быть суще-
ственно выше собственных частот колебаний манипулятора и сю системы
управления. Лучшими материалами для механического преобразователя
датчика являются алюминиевые и титановые сплавы (Д16Т, ВТ6), пружин-
ные стали (ШХ15, 36 НХТЮ). Достоинством алюминиевых сплавов являет-
ся высокий предел текучести, позволяющий обеспечить достаточный уро-
вень выходного сигнала, а также меньшая по сравнению со сталью плот-
ность и, следовательно, меньшая масса алюминиевого датчика.
Промышленный выпуск ССО в мире постоянно растет. Анализ сущест-
вующих моделей позволяет условно разделить их на четыре типа (табл. 7.5).
В наиболее распространенных схемах I типа ССО представляет собой три
отдельных блока: механический преобразователь, блок аналоговых усили-
телей и устройство цифровой обработки сигналов. В схемах П типа вовсе не
используют цифровую обработку данных, а схемы III типа состоят из двух
блоков: механического преобразователя с интегрированным каскадом уси-
лителей и устройства цифровой обработки сигналов. Наконец, в схемах IV
типа все блоки совмещены и находятся внутри механического преобразова-
теля. Эта схема, получившая название «интеллектуального» СМД, приве-
дена на рис. 7.13.
12 С.А. Воротников
353
7. Системы тактильного типа
Рис. 7.13. Структурная схема «интеллектуального» СМД
Таблица 7.5
Примеры промышленных ССО
Модель Тип Диапазон измерений д’ А, с *ссо> Размеры, мм
сил, Н момен- тов, II • м % мкс d /
FS6-I00 (США) IV 0...200 0 .4 0,05 4 0,1 50 120 55
SCT-02B (Венгрия) II 0.. 200 0 . 10 0,07 5 0,1 Н.д. 80 30
ITC SAS (Словакия) I 0...300 0...50 0,1 5 0,1 10 140 58
С-ТЗ (Бельгия) III 0...200 0...20 0,5 3 0,8 300 170 60
DS6-200 (Россия) IV 0...200 (М 0,02 4 0,1 10 100 50
*
Разрешающая способность СМД.
Использование «интеллектуального» СМД позволяет вынести задачу при-
нятия решения об изменении алгоритма движения манипулятора на уровень
ССО, разгрузив тем самым верхний уровень управления роботом. Датчик
представляет собой совокупность аппаратно-программных модулей, связан-
ных с устройством управления робота посредством стандартного интерфейса
(последовательного или параллельного канала связи, канала связи с техноло-
354
7.5. Методы распознавания контактных ситуаций
гическим оборудованием, локальной сети и т. д.). Структура системы управ-
ления в этом случае является двухуровневой и строится по схеме главная
машина — сателлит, где функцию сателлита выполняет СМД. Он же решает
задачу верхнего уровня управления, т. е. формирует стратегию движения ма-
нипулятора. С этой целью в состав СМД входит сенсорный контроллер, по-
строенный на базе однокристальной ЭВМ, а в памяти программ и данных
может храниться база знаний. Нижний уровень — уровень управления приво-
дами — реализуется традиционным образом с помощью штатного устройства
управления (например, «Сфера 36» для робота РМ-01).
Обмен данными между уровнями осуществляется протоколами связи. В
частности, верхний уровень управления может корректировать траекторию
движения концевого эффектора процедурами прерывания, модифицируя
закон управления.
7.5. Методы распознавания контактных ситуаций
В задачах распознавания контактных ситуаций, возникающих в робото-
технике, используются те же подходы, что и в СТЗ. При этом контактная
ситуация описывается в терминах тактильного образа, который определяет-
ся совокупностью отдельных признаков. Существо распознавания заключа-
ется в отнесении некоторой контактной ситуации к соответствующему клас-
су. Наиболее простые задачи связаны с выбором заданного объекта из
нескольких по весовым показателям при сортировке или разборе навала. В
более сложных задачах распознавание в значительной степени является эв-
ристическим, так как зачастую признаки образа сформировать заранее не-
возможно Эти операции предполагают функционирование робота в частич-
но недетерминированной обстановке. Обычно она проявляется в том, что
параметры внешней среды, полученные с помощью информационных
средств, недостаточны для реализации поставленной цели. Общепринятым
подходом является составление упрощенной модели среды и конкретизация
ее в процессе выполнения отдельных целенаправленных действий. Если ин-
формация, полученная на каждом следующем шаге, увеличивает неопреде-
ленность ситуации (например, возрастает порядок описывающего ее урав-
нения), то данная стратегия признается неверной и модифицируется. В этом
смысле эффективность метода распознавания в значительной мере опреде-
ляется правильным выбором параметров, описывающих конкретную ситуа-
цию. Часто такие параметры не могут быть определены с помощью ин-
формационных средств одной модальности. Например, в задачах, связанных
с замыканием и размыканием кинематической цепи манипулятора, недоста-
точно зрительной информации. Анализ подобных ситуаций требует исполь-
зования также данных о текущем положении манипулятора и о силах, воз-
никающих при контакте манипулятора с внешней средой. Напомним, что
системы очувствления, одновременно использующие датчики различной
модальности, называются мультимодальными. Практическое решение задач
12*
355
7. Системы тактильного типа
распознавания контактных ситуаций в значительной степени определяется
возможностями конкретного робота и его системы управления. Так, для
отечественного робота РМ-01 с устройством управления «Сфсра-36» воз-
можности учета мультимодальной информации весьма ограничены: система
управления является позиционной и замкнутой, что не позволяет непосред-
ственно включать данные о контактных силах в закон управления роботом.
Одним из решений этой проблемы является применение методов ситуа-
ционного управления. В этом случае информация о контактных силах ис-
пользуется не непрерывно, а лишь в стуациях, описанных заранее. Такие
ситуации определяются ССО путем постоянного анализа распределения си-
ловых факторов, действующих на захватное устройство манипулятора (или
его рабочий инструмент), в том числе при замыкании кинематической цепи.
В случае возникновения одной из подобных ситуаций происходит прерыва-
ние текущей программы управления со стороны ССО. Программа управле-
ния при этом либо модифицируется, либо заменяется другой, соответст-
вующей изменившейся стратегии движения. При этом в качестве признаков
той или иной ситуации используются не численные значения каких-либо
параметров сил, моментов, давлений и др., а соотношения между ними .
Примером указанного подхода является стратегия управления роботом в
такой задаче, как сопряжение цилиндрических объектов. Данную задачу
трудно решить с применением обычных алгоритмов позиционного управле-
ния, поскольку невозможно составить точную геометрическую модель кон-
тактных поверхностей и их взаимного положения, да и сама траектория
движения концевого эффектора не известна заранее, а формируется непо-
средственно в процессе движения. В то же время при сопряжении цилинд-
рических объектов наблюдаются некоторые закономерности в распределе-
нии силовых факторов, которые могут быть использованы для определения
конкретных ситуаций. Так, экспериментальным путем установлено, что в
пространстве координат «сила—перемещение» возникают характерные рас-
пределения силовых факторов, не зависящие о г размеров объектов.
Это соображение иллюстрирует рис. 7.14, на котором показаны графики
изменения силовых факторов Fx, Fz и Му в запястном СМД при осевой
сборке типа «вал—втулка» в вертикальной плоскости по мере углубления
вала в отверстие вдоль оси Z. Подобная картина характерна и для других
компонент векторов сил и моментов, измеряемых СМД. Численные значе-
ния переменных могут быть неизвестны, однако между ними существуют
достаточно определенные соотношения, анализ которых позволяет выде-
лить ряд опорных точек. Эти точки, назовем их точками фазового перехода,
условно разделяют процесс сопряжения на этапы, или классы, для каждого
из которых характерна определенная контактная ситуация из числа возмож-
ен последнее время для решения задач распознавания ситуаций активно используют ме-
тоды нечеткой логики, а для обучения системы распознаванию конкретных ситуаций — ме-
тоды нейронных сетей.
356
7.5. Методы распознавания контактных ситуаций
ных: свободный ход (0), движение по
фаске (I), одноточечный контакт (II),
двухточечный контакт (III), заклинива-
ние, или завершение цикла (IV). Пред-
ставление о фазовых переходах позво-
ляет использовать логические принци-
пы управления. В этом случае создастся
система решающих правил, образующая
базу знаний и содержащая описание
конкретных ситуаций.
Распознавание ситуации осуществ-
ляется на основании решающих правил,
относящих ситуацию к тому или иному
классу (табл. 7.6). Если в процессе со-
пряжения возникает распределение си-
ловых факторов, соответствующее
одному из перечисленных состояний, то
оно идентифицируется в соответствии с
имеющимся описанием в базе знаний.
Стратегия управления роботом пред-
полагает альтернативный выбор алго-
ритма движения из нескольких типовых
алгоритмов, определенных заранее для
каждой из возможных ситуации. Напри-
мер, если в результате распознавания
ситуация идентифицируется как двухто-
чечный контакт, то движение манипуля-
тора должно обеспечивать поворот за-
хваченного объекта относительно отвер-
стия в сторону уменьшения возникшего
момента. Неопределенность в описании
ситуаций может быть уточнена с исполь-
зованием аппарата нечетких множеств и
операций нечеткой логики. При этом
можно ввести следующие термы: сило-
вой фактор не изменяется, возрастает1 и
«возрастает быстро» (см. компоненту
в фазах I—III).
Представленный подход позволяет
«интеллектуализировать» сенсорную
функцию СМД, т. е. вынести задачу рас-
познавания непосредственно на уровень
датчика с помощью встроенного в его
конструкцию микропроцессора.
Рис. 7.14. Изменение силовых фак-
торов в процессе сборки цилинд-
рических деталей:
0 — свободный ход; 1 — движение по
фаске; Л — одноточечный контакт;
III — двухточечный контакт; IV — за-
вершение цикла
357
7. Системы тактильного типа
Таблица 7.6
Изменение знака и абсолютного значения силовых факторов
на основных фазах сборки
Фаза Му
Знак Абсолютное значение Знак Абсолютное значение Знак Абсолютное значение
I + Возрастает быстро + Возрастает — Возрастает
II + Возрастает + Нс изменяется — Возрастает медленно
III + Возрастает медленно + Возрастает быстро —, + Уменьшается быстро
Недостатком данного подхода является необходимость априорного опи-
сания всех возможных ситуаций и соответствующих им правил, опреде-
ляющих данный алгоритм управления. Если число возможных ситуаций ве-
лико, заранее составить такое описание весьма сложно. Особенно большие
затруднения характерны для случаев, когда при выполнении задачи возни-
кают ситуации, которые заранее не были описаны вовсе. В связи с этим в
рамках ситуационного управления разрабатывают способы обучения, по-
зволяющие роботу самостоятельно формировать как признаки ситуаций, в
том числе и не заданных заранее экспериментатором, так и способы поведе-
ния в новых условиях.
Решение поставленной проблемы может быть найдено при использова-
нии для реализации ССО нейронных структур — нейросетей. К их достоин-
ствам можно отнести возможность обучения робота на основе признаков
различной сенсорной модальности и высокая надежность распознавания,
особенно для случаев со значительным разбросом значений определяемых
параметров. В рассмотренном на рис. 7.14 примере осевой сборки при по-
строении вектора признаков (т. с. некоторых дискрипторов, необходимых
для описания классов) можно использовать вариации значений силовых
факторов. Тогда функционирование ССО должно заключаться в соотнесе-
нии полученного вектора признаков тому или иному классу, характери-
зующему контактную ситуацию. Эта процедура основана на использовании
сведений о знаке и изменении абсолютных значений силовых факторов
Fz и Му.
Обучение нейросети обычно предполагает использование учителя, кото-
рый сначала формирует априорный вектор признаков и соответствующий
ему априорный алфавит классов, способных в процессе обучения модифи-
цироваться. В качестве такого алфавита используют типы контактных си-
туаций. На этапе обучения системе предъявляется некоторый набор призна-
ков, а также класс контактных ситуаций. На основе этой информации ССО
составляет описание классов на языке признаков. При традиционном подхо-
де эти описания хранятся в базе знаний, в случае же нейросети они пред-
358
7.5. Методы распознавания контактных ситуаций
ставляют собой некоторую матрицу весовых коэффициентов. Процедура
предъявления набора признаков повторяется многократно, в результате чего
происходит обучение системы. Если характеристики работы системы после
обучения оказываются неудовлетворительными (например, время распозна-
вания ситуаций получается недопустимо высоким), то учителю необходимо
выделить более существенные признаки и классы.
Не вдаваясь в подробности построения нейросетей, рассмотрим некото-
рые ключевые понятия. Основу нейросети составляют относительно простые,
однотипные элементы (искусственные нейроны или ячейки), имитирующие
некоторые принципы работы нейронов головного мозга (рис. 7.15, а). По ана-
логии с нервными клетками каждый нейрон характеризуется своим текущим
состоянием и может быть возбужденным или заторможенным. Он обладает
группой однонаправленных входных связей — синапсов, соединенных с вы-
ходами других нейронов, а также имеет аксон, связывающий его с синапсами
следующих нейронов. Каждый синапс характеризуется весом w,, который по
физическому смыслу эквивалентен электрической проводимости. Синапсы с
положительными весами называют возбуждающими, с отрицательными ве-
сами — тормозящими.
В соответствии с предложенной в 1943 г. У. Мак Каллоком и У. Питтсом
моделью нейрона, его текущее состояние 5 определяют как взвешенную
сумму входных сигналов xt:
п
s = ^ixlwl + b,
4=1
где п — число входов нейрона; b — смещение.
Выходной сигнал у нейрона является функцией его состояния: у = F(s).
Эта функция, называемая активационной, может иметь различный вид
(рис. 7.15, б—Э). Чаще всего используют нелинейную функцию с насы-
щением, называемую сигмоидом, важным свойством которого является
способность усиливать слабые сигналы в большей степени, чем сильные,
что предотвращает насыщение нейрона (см. рис. 7.15, г, <Э):
При уменьшении параметра а сигмоид становится более пологим и в
пределе при а = 0 вырождается в горизонтальную линию на уровне у = 0,5.
При увеличении а сигмоид приближается по внешнему виду к функции
единичного скачка с порогом vq = 0. Из выражения для сигмоида следует,
что выходной сигнал нейрона изменяется в диапазоне от 0 до 1.
Простейшей нейросетью является персептрон — сеть, нейроны которой
имеют активационную функцию в виде единичного скачка (см. рис. 7.15, б).
Количество нейронов в персептроне неограниченно. Более того, его струк-
тура может бьпь многослойной. При этом выходные сигналы предыдущего
слоя являются входными сигналами следующего. Например, у однослойно-
359
7. Системы тактильного типа
го трехнейронного переел грона на п входов поступают сигналы, которые
передаются по его синапсам на три нейрона, образующие единственный
слой нейросети. Следовательно, функцию преобразования каждого из трех
нейронов можно представить в виде
Рис. 7.15. Нейронный алгоритм распознавания тактильного образца:
а — структура искусственного нейрона, б—д — примеры активационных функций,
е — схема блока распознавания, / — нейрон, 2 — синапс, 3 — аксон
Все весовые коэффициенты синапсов одного слоя нейронов можно све-
сти в матрицу W, в которой каждый элемент wtJ задает вес /-го синапса у-го
нейрона. Таким образом, происходящий в нейросети процесс может быть
записан матричным уравнением вида
Y = F(XW),
где X и Y — соответственно входной и выходной сигнальные векторы;
F(V) — активационная функция, применяемая поэлементно к компонентам
вектора V = XW.
360
7.6 Организация управления роботом
Представим реализацию алгоритма распознавания контактной ситуации
на базе нейросети. Рассмотрим тог же пример сопряжения цилиндрических
объектов и 'также ограничимся тремя компонентами Fx, Fz и Му. Тогда
структура блока распознавания будет иметь вид многослойной нейросети,
представленной на рис. 7.15, е. (Заметим, что этот случай содержит все
характерные признаки общей постановки задачи.) Здесь используются
гри признака распознаваемых классов (приращения компонент AFX,
и ДМ у) и пять классов контактных ситуаций («свободный ход», «дви-
жение по фаске», «одноточечный контакт», «двухточечный контакт», «за-
вершение цикла», или «заклинивание»). Таким образом, нейросеть содержит
три слоя: входной, состоящий из трех нейронов; выходной, содержащий
пять нейронов, и промежуточный. Количество нейронов промежуточного
слоя определяет скорость и надежность распознавания и может быть раз-
личным. После обучения нейросеть может распознать контактную ситуа-
цию, т. е определить класс, к которому принадлежи! тактильный образ.
7.6. Организация управления роботом
с силомоментным очувствлением
Как уже отмечалось, характеристики ССО роботов нужно выбирать ис-
ходя из параметров конкретного робота и особенностей технологической
операции. Так, для большинства контактных задач свойственно временное
замыкание и размыкание кинематической цепи. В этом случае, как мы уже
упоминали, использование только позиционного или только силового
управления недостаточно. Традиционным подходом является построение
нескольких контуров регулирования. Если система управления является по-
зиционной (т. е. содержит контур с датчиками положения), то сигналами
от СМД проводится модификация номинальной траектории или скорости.
Схема позиционно-силовой системы управления роботом приведена па
рис. 7.16.
Рис. 7.16. Структурная схема системы позиционно-силового управления
361
7. Системы тактильного типа
При проектировании систем позиционно-силового управления антропо-
морфными манипуляторами необходимо рассмотреть влияние жесткости G
СМД на динамику системы. Управление приводами в режиме замыкания
кинематической цепи (например, при сборочных операциях) происходит по
сигналам СМД, причем па каждом шаге движения решается прямая кинема-
тическая задача — по обобщенным координатам q определяется положение
концевой точки манипулятора R. Если ССО построена в соответствии с
концепцией «очувствленного» запястья, то возникает необходимость прове-
дения вычислений в двух координатных системах: системе координат СМД
(здесь находится «центр измерений») и абсолютной системе координат ро-
бота Oxyz, а также в обобщенных координатах q. Запишем
AR = J(q0)Aq,
где AR, Aq — векторы, компоненты которых представляют собой
отклонения центра измерений СМД при его деформации, и соответст-
вующие им изменения обобщенных координат. Матрица Якоби J(qo)
размером (/гхб) определена для конфигурации qo манипулятора, где п —
число его степеней подвижности. Приведем вектор сил F из центра
измерений датчика к обобщенным координатам. Допустим, что точка
приложения вектора F приблизительно совпадает с центром измерений.
Тогда в проекциях на оси степеней подвижности этот вектор будет
определяться выражением
F(q0) = JT(q0H<
Принимая для простоты расчета, что жесткость собственно манипулятора
GM » G, т. с. уподобляя датчик эквивалентному упругому шестикомпо-
нентному элементу, получаем
г (Чо) = с«(Чо)дЧ.
где G^(qo) — матрица обобщенной жесткости СМД.
Поскольку для эквивалентного упругого элемента справедливо равенст-
во F = GAR,то и обобщенную жесткость СМД в точке qo можно предста-
вить в виде
G/q0) = JT(q0)GJ(q0).
Следовательно, обобщенная жесткость G^(qo) определяется нс только
жесткостью G СМД, по и конфигурацией исполнительного механизма
JT(q0)H изменяется в процессе его движения. Для обеспечения заданного
качества управления необходимо учитывать, что система, устойчивая при
одной конфигурации манипулятора, может потерять устойчивость при ее
изменении. В частности, это характерно при работе манипулятора в боль-
шой зоне обслуживания, например для технологических операций, подоб-
ных абразивной зачистке.
362
7.7. Тактильные датчики
7.7. TaKi ильные датчики
7.7.1. Общие сведения
Тактильную чувствительность человека обычно рассматривают с трех
позиций: как чувствительность к силовому воздействию, к деформации ко-
жи при вибрационном возмущении и разрешающую способность. При этом
чувствительность разных участков кожи может различаться весьма сущест-
венно (табл. 7,7)
Таблица 7 7
Средние значения порога тактильной чувствительности и разрешающей
способности некоторых участков тела
Участок тела 1 lopor чувствительности Разрешающая способность по полю, мм
к силовому воздейст- вию, мН к деформации, мкм
Нос 0,05 4,7 4
Язык — — 1
Палец 0,36 0,07 2
Ладонь 0,77 0,07 10
Нога (икра) М2 5,6 40
Подошва (стона) 1.64 0,65 40
Примечания 1 Порш чувствительности к деформации определяют возбуж-
дением участка площадью 1 см2 частотой 200 Гц. 2 Для определения разрешающей
способности используют двухточечное возбуждение
Тактильные датчики в робототехнике реализуют бионическую функцию
осязания и предназначены для распознавания объектов внешней среды при
контактном взаимодействии Обычно их не включают в состав ССО робота,
а рассматривают как самостоятельную группу информационных средств.
Спектр возможного применения тактильных датчиков весьма широк — от
задач обеспечения безопасности при работе со связанными объектами до
распознавания деталей сложной формы. Применительно к промышленному
производству эти устройства используют, например, в операциях слежения
за траекторией при дуговой сварке, для извлечения деталей из контейнера и
при адаптивном захвате хрупких объектов, при сборке электронных прибо-
ров (включая вакуумные лампы), для обнаружения заеданий в резьбовых
соединениях и др
В робототехнике тактильные датчики были первыми средствами очувст-
вления. Еще в 1961 г. X. Эрнст оснастил ими «механическую руку» МН-1.
В 70-е годы XX в. сотрудники фирмы IBM П. Вилл и Д. Гроссман создали
манипулятор для сборки пишущих машинок, также использующий тактиль-
ное очувствление С тех пор тактильные датчики являются важным средст-
вом адаптации роботов, особенно при работе в недетерминированных сре-
дах. Как правило, ими оснащают манипулятор и его захватное устройство, а
сигналы с датчиков корректируют алгоритм движения исполнительного ме-
363
7. Системы тактильного типа
ханизма. Необходимость включения тактильных датчиков в контур управ-
ления робота предъявляет к ним повышенные требования по надежности,
быстродействию и точности. Именно невысокая надежность и достаточно
большое время обработки информации являются основными препятствиями
к более широкому промышленному использованию этих устройств. Поэто-
му в настоящее время тактильные датчики имеют в основном специальное
применение — в задачах дистанционного управления манипуляторами, в
мобильных робототехнических средствах, в устройствах для переноски и
складирования и т. д.
Системы тактильного очувствления робота решают следующие основ-
ные задачи: обнаружение контакта инструмента с объектом, определение
координат и площади контактного пятна, измерение силы сжатия схвата,
определение ориентации объекта в схвате, обнаружение проскальзывания
объекта относительно схвата и измерение смещения, распознавание объек-
тов по их тактильному образу. Как следует из перечисленных задач, так-
тильные устройства в отличие от ССО реализуют либо простейшие функции
(касание), либо более сложные (анализ массивов данных). Это же относится
и к устройству тактильных датчиков: в первом случае их строят с использо-
ванием простейших первичных преобразователей, во втором — на базе
сложных информационных устройств, использующих алгоритмы распозна-
вания тактильных образов.
Сгруктурно тактильная система, как и ССО, представляет собой сово-
купность аппаратно-программных модулей, однако в отличие от последней
ее датчики нс локализованы в некоторой области, а распределены по всей
поверхности манипулятора. Особенно густой сетью ЧЭ оснащается захват-
ное устройство робота. Здесь уместна бионическая аналогия: на кончиках
2
пальцев человека на 1 см сосредоточено до 135 механорецепторов, причем
порог чувствительности к силовому воздействию в некоторых местах (на-
пример, на указательном пальце) достигает ~ 0,3 мН. Плотность расположе-
ния рецепторов в других частях руки на порядок ниже1.
Проведенный в 1982 г. по заказу Национального бюро стандартов
(США) обзор основных технологических операций в области роботизиро-
ванного производства позволил сформулировать главные требования к так-
тильным датчикам роботов, которые актуальны и по сей день:
размерность матричных ЧЭ не менее 8x8;
время реакции ЧЭ не более 10 мс;
рабочий диапазон усилий 0,01 ...10 Н;
малый гистерезис (но не обязательно высокая линейность);
стойкость к воздействию агрессивных сред.
Указанные параметры в первом приближении соответствуют характери-
стикам пальцев человека.
Продолжая бионическую аналогию, заметим, что с развитием микромеханики появи-
лись устройства, называемые «искусственная кожа», в которых плотность размещения так-
тильных ЧЭ соизмерима с соответствующей плотностью в биологической системе.
364
7.7 Тактильные датчики
Рис. 7.17. Схема матричного датчика давления (а), датчиков касания (б) и
проскальзывания (в):
1 — корпус, 2,3 — ЧЭ; 4 — магнит, 5 — геркон, 6 — сапфировая игла; 7 — пьезо-
элемент; 8 — демпферы
Тактильные датчики принято подразделять по следующим признакам:
1) по характеру измеряемых параметров — датчики контактного давле-
ния (рис. 7.17, а), датчики касания (рис. 7.17, б) и датчики проскальзывания
(рис. 7.17, в);
2) по размерности — одиночные и матричные;
3) по форме входного сигнала — дискретные (релейные) и аналоговые.
7.7.2. Тактильные датчики касании и контактного давления
Тактильные датчики касания и давления обычно размещают на внешних
поверхностях захватного устройства. Матричные датчики устанавливают
преимущественно на внутренних поверхностях (на «ладони»). Поскольку
контакт ЧЭ этих датчиков с объектом работы происходит' сразу во многих
точках, возникает возможность определения формы объекта, его ориента-
ции, а также направления возможною проскальзывания. Самой существен-
ной особенностью тактильных датчиков захватного устройства, отличаю-
щей их от других информационных устройств робота, является наличие
непосредственного контакта с объектом работы. Ударные нагрузки, возни-
кающие при замыкании кинематической цепи манипулятора, агрессивное
воздействие внешней среды и дру1ие факторы определили особое значение
365
7. Системы тактильного типа
не метрологических, а эксплуатационных требований. Поэтому наряду с
традиционными ЧЭ, используемыми при построении силоизмерительных
устройств, в тактильных системах широко применяют микропереключатели,
а также материалы на базе электропроводных полимеров и углеродных во-
локон; разрабатывают новые технологии, позволяющие получать износо- и
термостойкие тензочувствительные материалы.
Наибольшее распространение в промышленности нашли дискретные
тактильные датчики. Они обладают релейной функцией преобразования и
служат для фиксации факта контакта исполнительного механизма с объек-
том или препятствием. Дискретные датчики явились первыми тактильными
средствами, которые устанавливали на внутренних сторонах пальцев за-
хватного устройства. В качестве ЧЭ таких датчиков применяли микропере-
ключатели (в отечественных моделях МП 5, МП 12) или герконы (КЭМ 1,
КЭМ 2).
Другую схему дискретного датчика использовали в системе очувствле-
ния подводного манипулятора «Curv». Здесь перемещение любого «уса» на
расстояние более 0,01 мм деформирует упругую полусферу, вызывает сме-
щение магнита и замыкание геркона (см. рис. 7.17, б). Дискретные так-
тильные датчики характеризуются малыми усилиями срабатывания (до
0,15...0,20 Н).
В последнее время широко используют матричные тактильные датчики.
ЧЭ одной из таких матриц размерностью 8x8 элементов представляют со-
бой 64 полусферические стальные мембраны с межцентровым расстоянием
2,5 мм. Мембрана имеет два устойчивых положения — выпуклое и вогну-
тое, причем выпуклое положение удерживается избыточным давлением воз-
духа, поступающего из пневмоссти робота. Координаты касания вычисля-
ются с помощью контроллера и коммутатора, поочередно опрашивающего
все элементы матрицы. Порог срабатывания составляет 0,2...0,5 Н.
Все дискретные тяктильные датчики обладают тремя существенными
недостатками: ограниченным ресурсом работы, невозможностью определе-
ния значения контактно! о усилия и неточностью локализации места контак-
та. Модель мягкой, усеянной рецепторами кожи вдохновляла многих экспе-
риментаторов на создание се заменителя — «искусственной кожи», в
качестве которой в настоящее время применяют эластомеры (баристоры),
пленки поливинилфторида (ПВФ) и композитные материалы с волокном из
графита.
Первой схемой матричного аналогового тактильного датчика явилась раз-
работка француза Ж. Кло, предложившего в качестве ЧЭ использовать элек-
тропроводящий силиконовый каучук. На рис. 7.18 представлены конструкция
датчика из этого материала, его функция преобразования и эквивалентная
схема. Преобразователь состоит из двух проволочных пластин-электродов с
взаимно перпендикулярным расположением проводников (см. рис. 7.18, а).
Пластины разделены слоем силиконового каучука толщиной ~ 200 мкм.
Контактные точки в местах пересечения проводников образуют аналоговые
ЧЭ (см. рис. 7.18, 6). Ток через ЧЭ определяется локальной проводимостью
366
7.7. Тактильные датчики
эластомера, пропорциональной приложенному усилию. При отсутствии дав-
ления на датчик площадь контактного пятна мала, его сопротивление велико
и ток через ЧЭ практически отсутствует. При сжатии сопротивление пятна
уменьшается и ток возрастает. Недостатком эластомерных конструкций явля-
ется нелинейная функция преобразования и существенный гистерезис (см.
рис. 7.18, а). Для улучшения метрологических характеристик применяют
предварительное двухстороннее поджатие эластомера пластинами-электро-
дами. Этот принцип использовали в «искусственной коже» (К. Ьсйтси), а так-
же в промышленных тактильных матрицах Первой успешной промышленной
разработкой явилась матрица LTS-200 фирмы Lord Corp. (США) размер-
ностью (12x8), с межцентровым расстоянием 2,5 мм и диапазоном измене-
ния сопротивления 100.. 5000 Ом. В качестве несущей конструкции матрицы
чаще всего применяют металлические э 1ементы
Рис. 7.18. Тактильный датчик на базе силиконового каучука:
а — конструкция и функция преобразования; б— жвивалентная схема, / — верхний
электрод, 2 — каучуковый слой; 3 — нижний электрод
Дальнейших» развитием идеи эластомерных тактильных датчиков яви-
лось создание интегральной схемы »акгильнои матрицы, выполненной по
полупроводниковой технологии. Подложка содержит двумерный массив
ячеек, на который уложен слой электропроводящей пластмассы толщиной
0,5 мм. В конструкции реализована концепция «интеллектуализации» сен-
сорной функции. Датчик включает однокристальный процессор, выпол-
няющий опрос ячеек, формирование двоичного кода тактильного образа и
выделение тактильного контура на основе алгоритма фильтрации. Размер-
2
пост ь матрицы составляет (25x25), площадь поверхности 6,3 см .
367
7. Системы тактильного типа
Рис. 7.19. Конструкция и функция
преобразования углеродной так-
тильной матрицы:
1 — элемент матрицы; 2 — электро-
ды; 3 — чувствительный слой
Несмотря на все более широкое внедрение эластомерных тактильных
матриц в робототехнику им присущ ряд недостатков. Во-первых, они обла-
дают невысокими метрологическими параметрами вследствие гистерезиса и
нелинейной функции преобразования, во-вторых, эластомер нс является
достаточно надежным и долговечным материалом, так как его ресурс огра-
ничен (2...3) • 10 циклами нагружения
Пожалуй, на сегодняшний день наилучшим материалом ЧЭ тактильных
датчиков является ткань из тонких углеродных нитей диаметром 7...30 мкм.
Наряду с высокой прочностью и упругостью, характерной для углеродных
соединений, а следовательно, малым гистерезисом, углеволоконная ткань об-
ладает высокой износостойкостью, а малая толщина нитей позволяет исполь-
зовать этот материал для покрытия сложных криволинейных поверхностей
манипулятора. Сопротивление деформированных участков датчика изменяет-
ся плавно (данный эффект определяется суммарными свойствами отдельных
волокон, составляющих нить), а уровень шума выходного сигнала, обуслов-
ленный случайно возникающими контактами, весьма низок.
Углеволоконную ткань формируют из
пучков графитовых и стеклянных нитей
или в виде «войлочной» структуры. В по-
следнем случае (рис. 7.19) углеродные
пряди разделяют на куски длиной 2,5 мм,
укладывают в форму и уплотняют до тол-
щины 1...2 мм. В среднем сопротивление
такого элемента площадью I см составля-
ет 200 Ом. Ненагруженнос пересечение
двух пучков сечением 0,5 мм имеет со-
противление 2 кОм при уровне помех око-
ло 5 %. При приложении силы в 0,01 Н
сопротивление понижается до 1 кОм, а
уровень помех — до 0,5 %.
Функция преобразования тактильного
датчика, представленная па рис. 7.19, раз-
бита на четыре участка: I — шумов, II —
уплотнения волокон, III — искривления во-
локон и IV — деформации волокон.
Углеволоконшэтс датчики используют
до контактных давлений 0,2 МПа, причем гистерезис не превышает I %.
1.13, Тактильные датчики проскальзывания
Отдельную группу тактильных средств очувствления составляют ин-
формационные устройства, регистрирующие факт проскальзывания предме-
та относительно рабочей поверхности. В робототехнике тактильные дат-
368
7.7. Тактильные датчики
чики проскальзывания устанавливают в захватное устройство и используют
для обеспечения заданного усилия сжатия, особенно при манипулировании
хрупкими предметами. Перемещение объекта относительно пальцев схвата
определяю! одним из следующих способов:
измерением вибраций, возникающих при проскальзывании объектов
(с помощью ДДВ или методом вихревых токов);
преобразованием линейного перемещения предмета во вращательное
движение датчика угла поворота;
определением градиента изменения давления между губками схвата.
Наибольшее распространение получили тактильные датчики первого ти-
па. В качестве ЧЭ датчика служит сапфировая игла, вибрации которой пере-
даются пьезоэлсмснту (см. рис. 7 17, в). Датчик вмонтирован в палец схвата
так, чтобы острие иглы касалось захваченного объекта. Тогда в случае про-
скальзывания объекта вибрация иглы вызовет соответствующий электриче-
ский сигнал. Основным достоинством тактильных датчиков проскальзыва-
ния является высокое быстродействие (время срабатывания не превышает
0,1 мкс). Характеристики некоторых моделей тактильных датчиков приве-
дены в табл. 7.8.
Таблица 7.8
Основные параметры промышленных тактильных датчиков
Модель Тип Шаг, мм Диапазон измерений Размеры, мм т, г
датчика ЧЭ b h 1
Опега-3 (Франция) Контактно- го давления одиночный Тензорези- сторный — 0,01 .100 Н 4 7 2 10
LTS-200 (США) То же мат- ричный (16x16) Эластомер- ный 2,0 0.2...112Н 44 28 16 100
BRS/UCV (Велико- британия) Касания матричный (256x256) Пленка ПВФ 0,07 Г- 58 44 18 200
ДВТ-5 (Россия) Проскаль- зывания одиночный Подвиж- ный магнит — ±5 мм 40 30 25 50
В заключение подведем некоторые итоги. Принципы обработки так-
тильной информации для одиночных и матричных датчиков различны. В
первом случае речь идет об одномерном силовом датчике, во втором — о
тактильных матрицах, которые по своему характеру приближаются к опти-
ческим матрицам с малой разрешающей способностью. Во всех устройствах
обработка данных проводится в два этапа: предварительная обработка, вы-
полняемая непосредственно датчиком, и распознавание тактильного образа,
которое осуществляется программными средствами. Задачи, решаемые мат-
ричными тактильными датчиками, во многом подобны задачам распознава-
369
7. Системы тактильного типа
ния образов в СТЗ. Сложность обработки данных возрастает при наличии
шумовых факторов. Поэтому большинство успешных экспериментов в этой
области проводили с предметами простой геометрической формы — шара-
ми, кубами, цилиндрами и т. д. Некоторые обнадеживающие результаты
достигнуты в ортопедии французами М. Врио и М. Рено при разработке
протезов конечностей, а также в задачах определения трехмерной формы
отпечатков стопы и ладони.
Контрольные вопросы
1. Какой тип упругих элементов обладает наибольшей чувствительно-
стью?
2. Зависит ли точность СМД от его матрицы жесткости?
3. Компенсирует ли устройство с вынесенным центром податливости
действие крутящих моментов?
4. От каких параметров СМД зависит уровень перекрестных связей?
5. Каково минимальное число тснзорезисторов в шестикомпонентном
СМД?
6 Зависит ли вид матрицы чувствительности от типа первичных преоб-
разователей?
7. В чем сущность ситуационного управления?
8. Зависит ли устойчивость системы управления робота от параметров
СМД?
9. В чем разница между одноточечным и двухточечным контактом при
сборке?
10. Зависит ли линейность функции преобразования тактильной матрицы
от приложенной силы?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В предлагаемом издании автор стремился показать, что преобразование
информации в сенсорных системах роботов и в живых организмах имеет
общие корни. Применение бионического подхода к проектированию ин-
формационных систем в робототехнике оказывается эффективным как на
аппаратном, так и на программном уровне
Преобразование информации в робототехнике выполняется на несколь-
ких иерархических уровнях: в чувствительном элементе, датчике, информа-
ционной системе и информационной сети. При этом, не дискутируя о тер-
минах, предлагается использовать понятие «полезная информация», связав
его с назначением информационного устройства — измерением параметров
внутренней и внешней среды робота. Такой подход, в свою очередь, позво-
ляет, используя функции преобразования, с помощью единого математиче-
ского аппарата описывать информационные процессы в системах разной
модальности. Для этого систему аппроксимируют цепью информационных
элементов, для каждого из которых определяют собственную функцию пре-
образования. В книге приведены примеры анализа систем, состоящих из по-
следовательной цели информационных преобразователей.
В последние годы на рынке стали появляться информационные устрой-
ства нового поколения, получившие название «интеллектуальные датчики»,
в которых объединены функции измерения, обработки информации и при-
нятия решения Несмотря на перспективность таких разработок они пока
еще достаточно дороги и имеют весьма ограниченную область применения,
как правило, не связанную с робототехникой. Поэтому в книге приводятся
только некоторые общие сведения о принципах построения таких датчиков.
Тем не менее автор отдает себе отчет о том, что в книге рассмотрены далеко
не все датчики и алгоритмы обработки информации, применяемые в робото-
технике и мехатронике, а лишь наиболее распространенные типы информа-
ционных систем и соответствующие им схемотехнические решения. Неко-
торые известные решения сведены в таблицы, где дана их сравнительная
характеристика Такое представление поможет читателю выбрать конкрет-
ное устройство для своей задачи и послужит отправной точкой для создания
более совершенных информационных устройств и систем.
Автор надеется, что, изучив книгу, читатель сможет самостоятельно
проектировать датчики с требуемыми характеристиками или обоснованно
выбирать необходимые технические решения из числа известных моделей, а
также разрабатывать алгоритмическое обеспечение информационных сис-
тем для конкретного применения.
371
ПРИЛОЖЕНИЕ
Элементы информационных систем роботов
Датчики робототехнических и мехатронных систем имеют различные модифи-
кации, однако их конструктивное исполнение однотипно. В приложении приведены
наиболее известные кинестетические (рис. П1 - ПЗ), локационные (рис. П4 - П6),
визуальные (рис П7) и силомоментные (рис. П8) датчики, а также показано их
включение в кинематическую цепь манипулятора (рис. П9 - П11).
а б
в г
Рис. П1. Электромагнитные (а) и оптические импульсные (б) датчики положения,
датчики скорости (в), кодовый оптический датчик положения (г)
Рис. П2. Поворотные (7) и линейные (2) индуктосины
372
Приложение
Рис. ПЗ. Магнитоупругий (а) и пьезоэлектрические (б) датчики
динамических величин
б
Рис. П4. Индуктивные датчики для измерения малых расстояний:
а - б - с регулируемым диапазоном переключений; в - с дискретным выходом;
г - специального исполнения
373
Приложение
Рис. П5. Оптронные датчики для измерения расстояния:
а - с диффузным отражением, дальность действия до 400 мм; б - бесконтактный переключатся
дальность действия до 2 м; в - г - то же, повышенной (до 16 м) дальности
а б в
Рис. П6. Элементы локационной системы:
а - вихретоковый датчик; б - лазерный излучатель; в - акустический дальномер
374
Приложение
Рис. П7. Датчики и элементы СТЗ:
1 - фотодиодная матрица; 2 -беспроводная телекамера; 3 - матрица на ПЗС; 4 - вакуумная
трубка видикона 5 - фотодиод; 6 - телекамера на ПЗС
Рис. П8. Устройства и датчики системы силомоментного очувствления
I - устройство с вынесенным центром податливости; 2 — «интеллектуальный» силомоментный датчик;
3 - сборочный столик, 4 - датчик силы
375
Приложение
Рис. П9. Манипулятор УЭМ-5 и его кинестетическая система:
1 - датчики положения; 2 — датчики скорости
Рис. П10. Адаптивный сборочный робот РМ-01 с силомоментным очувствлением:
1 - «интеллектуальный» силомоментный датчик; 2 - устанавливаемая деталь;
3 - сборочный узел
376
Приложение
Рис. ПИ. Адаптивный сборочный комплекс с роботами РМ-01:
1 — телевизионные камеры, 2 - устройство с вынесенным центром податливое!и; 3 — детали;
4 - силомомапный датчик типа «сборочный столик»; 5 - «интеллектуальный» силомо.ментный датчик,
6 - СВС1 ИЛЬИНКИ
Список рекомендуемой литературы
Аш Ж, Андре П, Бофрон Ж Датчики измерительных систем. В 2 т.: Пер. с фр.
М.: Мир, 1992
Бауман Э Измерение сил электрическими методами. Пер. с нем. М.: Мир, 1978.
Блиндер Е М., Фурман С Л Телевидение. М : Радио и связь, 1984.
Бриндли К. Измерительные преобразователи: Справ, пособие: Пер. с англ. М.:
Энергоатомиздат, 1991.
Брускин Д Е, Зорохович А Е, Хвостов ВС Элекзрические машины. В 2 т. М.:
Высш, шк., 1987
Винер Н Кибернетика или управление и связь в животном и машине: Пер с
англ. М.: Наука, 1983
Высокоточные преобразователи угловых перемещений / Под ред. А.А. Ахмет-
жанова. М.: Энергоатомиздат, 1986.
Вульвет Дж Датчики в цифровых системах: Пер. с англ М.: Энергоиздат, 1991
Гориневский Д.М., Формалъский AM, Шнейдер А Ю. Управление мани-
пуляционными системами на основе информации об усилиях. М.: Изд фирма
«Физико-математическая литература», 1994
Дудель И., Рюэгг И, Шмидт Р Физиология человека: В 3 г. Т. 1 / Пер. с англ.;
Под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса М.: Мир, 1996.
Исии Т, Симояма И, Иноуэ X. Мехазроника / Пер с яп.; Под ред. В.В. Василь-
кова. М.: Мир, 1988.
Куафе Ф Взаимодействие робота с внешней средой Пер с фр. М.: Мир, 1985.
Марр Д Зрение: информационный подход к изучению представления и
обработки зрительных образов / Пер. с англ.; Под ред. И.Б. Гуревича. М.: Радио и
связь, 1987.
Неразрушающий контроль и диагностика систем / Под ред. В.В. Клюева. М.:
Машиностроение, 1995.
Повицкии П В., Зограф ИА Оценка погрешностей результатов измерений. Л.
Энергоатомиздат, 1985
Письменный Г.В, Михайлов Б.Б., Корнеев А Ю. Системы технического зрения в
робототехнике. М.: Машиностроение, 1991.
Письменный ГВ, Солнцев ВИ., Воротников С.А Системы силомоментного
очувствления роботов. М Машиностроение, 1990.
Системы очувствления промышленных роботов и гибких производственных
систем / Под ред. И.М Макарова, Е.П. Попова. М.: Наука, 1989
Тиль Р Элекгрические измерения неэлсктрических величин: Пер. с нем.
М.: Энергоатомиздат, 1987.
Техническое зрение роботов / Под общ ред. Ю.Г Якушенкова. М.: Машино-
строение, 1990.
Физический энциклопедический словарь В 5 т. / Под ред. А.М. Прохорова. М.:
Сов. энцикл , 1991.
Фу К, Гонсалес Р, Ли К Робототехника / Пер. с англ.; Под ред. В.Г. Гра-
децкого. М.: Мир, 1989.
378
Список литературы
Чернавскии Д С Синергетика и информация (динамическая теория
информации) М.: Едиториал УРСС, 2004
Шеннон К. Математическая теория связи Пер. с англ. М.: Иностранная
литература, 1963.
Шлихт Г.Ю. Цифровая обработка цветных изображений: Пер. с нем. М.:
ЭКОМ, 1997.
Электроника. Энциклопедический словарь / Под ред В Г. Колесникова. М.:
Сов. энцикл ,1991
Энциклопедия кибернетики. В 2 т. / Под ред В М Глушкова., Киев: Гл. ред укр.
сов. энцикл , 1974.
Ющенко АС, Подураев Ю.В Адаптивные робототехнологические комплексы
для механической обработки и сборки М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 1999.
Предметный указатель
Апертура 306
оптической системы 228, 232
- фильтра 306, 309
Быстродействие 38, 41, 244, 279, 337
Видикон 263,266, 268
Георадар 193
Главный вектор сил и моментов 329
Глубина резкости объектива 232, 239
Дальномер 18
- акустический 38, 167, 205, 215
-лазерный 238
Датчик 16
- визуальный 16
- второго порядка 36, 149
-генераторный 17
-динамических величин 145, 369
----магнитоупругий 153, 208
----пьезоэлектрический 146, 152,212
----электромагнитный 162, 165
----электростатический 157, 208
- изображения 263, 267, 276
— кинестетический 16, 89
- локационный 16
- параметрический 17
- оптический 18
- первого порядка 36
— положения и перемещения 89
----импульсный 126
----кодовый 129
----оптический 120
----растровый 113, 121
----резистивный 90
----электромагнитный 97
— силомоментпый 16, 34, 328
с матрицей жесткости общего
вида 339
- - с механическим разделением
компонент 340
- скорости 16, 137
-тактильный 16, 328, 363
— касания 365
давления 365
— проскальзывания 368
Демодуляция сигналов 180
Диафрагма 228
Динамический диапазон 218
Диод полупроводниковый 180
— лазерный 63
светоизлучающий 63, 344
- фогопринимающий 16, 64, 126, 344
Избирательность 34, 337
Излучатель когерентный 221
Измерительная схема 71
— генераторная 79
— мостовая 46, 75, 350
— параметрическая 72
потенциометрическая 72
- цепь 17,336
Изображение 26, 243
алгоритмы бинаризации 304
— кодирования 290, 315
- предварительной обработки 302
— сегментации 302, 314
— описания 302, 316
— пространственного
дифференцирования 310
---Лапласа 313
---Робертса 311
---Собеля 312
распознавания 319, 321, 361
фильтрации 305
380
Предметный указатель
----анизотропной 307
----высокочастотной 305
----медианной 309
----методом порогового
сглаживания 307
----сжатия-расширения 309
----низкочасто гной 305
----рекуррентной 308
- векторное 286
- монохромное 285
- палитровое 285
- растровое 286
- трехмерное 323
- формирование 303
Импеданс 71, 97, 198
Индуктосин 100, 117, 120
Информационная система 17, 19, 330
Информация 13, 14, 173, 221,260, 355
- преобразование 30, 315, 336
Камера
- видео 263
- телевизионная 263
--на ПЗС 272
— с фотодиодной матрицей 275
Код Г рея 131,
-длин серий 315
-унитарный 126
- Фримана 315
Кодирование адаптивное 291
- без потерь информации 291, 315
- групповое 292
- компонентное 256, 284
- межфреймовое 299
- методом субдискретизации 295, 298
- неадаптивное 291
- по Хаффману 291
- с потерей информации 292
- фрактальное 297
Конденсор 233
Коэффициент видности 223
- влияния 34, 337, 345, 351
-затухания 36, 168
-концентрации 172
- нагрузки 92
- ослабления 201
— синфазного сигнала 82
- преобразования 33,43, 140, 158
- пьезосонротивления 53
- температурный 53
трансформации 102
- усиления 82
Локационные системы 167
— акустические 195
вихретоковые 186
магнитные 183
— оптические 220
стройные 229, 235
— лазерные 229, 236
Магнитная запись изображений 280
Матрица жесткости 336, 339, 342
-ПЗС 271,279
- фотодиодная 279
- чувствительности 336, 341, 344, 346
- Якоби 336, 362
Металлоискатель 191
Микрофон 209, 212
конденсаторный 209
пьезоэлектрический 209
эл е кт роди нам и ч ес к и й 209
Модуляция сигналов 173
амплитудная 175,254,261
импульсная 179,205
кодовая 219
- частотная 177, 205, 262
— фазовая 178, 205, 215
Направленность излучения 63, 170
— диа1рамма 63, 171,203,210
ширина главного максимума 172
Объектив 230
телевизионный 230
широкоугольный 230
Оптическая сила 225
IloipeiunocTb 242
- абсолютная 43
- аддитивная 43
- дополнительная 45
закон распределения 48
мультипликативная 44
нелинейности 93, 106, 142, 163,337
381
11редметный указатель
- основная 45
- относительная 43
- приведенная 43
- прогрессирующая 45
- систематическая 44
- случайная 45
Полоса пропускания 38, 157, 205, 254
Постоянная времени 39, 70, 148
Поток магнитный 56, 103, 114, 137
— поперечный 103, 105, 140
— продольный 101, 139
- световой 64,112, 122
Преобразование дискретно-косинусное
289, 293, 298
- информации 30, 41,210, 336
Преобразователь
- измерительный 33
-обратимый 158,212
-первичный 16
-электроакустический 208
- Холла 59
Признаки 244, 302, 316
- геометрические 317
- глобальные 316
- локальные 317
Пропускная способность 20, 32, 219, 283
Пьезоэффект обратный 66, 146, 208
- - поперечный 68
- продольный 67, 147
- прямой 66, 146, 208
Разрешающая способность датчика
44,93
— объектива 228
— телекамеры 264
Разрешение 264
- по амплитуде 280
- пространственное 279
Распознавание образов 244, 250, 316
Растр магнитный 113
-оптический 121
- телевизионного кадра 251
Резольвер 100, 106, 110
-линейный 106
-многополюсный 101
-симметрирование 104
- синусно-косинусный 102
Редуктосин 100, 115
Светосила оптической системы 227, 231
Сигнал изображения 251
композитный 260, 283
цветности 251, 259
- цветоразностный 260
— яркости 251, 259
Скорость колебательная 198
линейная 52, 93
- угловая 23, 52, 109, 137
Спектр сигнала 81, 175, 177, 205, 253
Схема дроссельная 56
трансформаторная 56, 98
-эквивалентная 149, 159, 164
Тахогенератор 137
асинхронный 138
постоянного тока 142
Гензорезистор 16, 52, 332, 349
полупроводниковый 54, 342
- проволочный 54
- фольговый 54
Усилитель дифференциальный 82
- измерительный 81
- операционный 81
прецизионный 87
с буферными каскадами 86
Устройство с вынесенным центром
податливости 333
Фазовращатель 107
Фрейм граббер 246, 276
Фокус 222
Функция преобразования 31,33, 74, 92,
103,154,301,336
Характеристика датчика
градуировочная 35, 38
- спектральная 21,63, 65, 266
— частотная 35
Цветовая модель аддитивного
синтеза 255
— аппаратно-независимая 256
— субтрактивного синтеза 256
Частота дискретизации 179,218,
278, 284
382
Предметны й указатель
сигнала верхняя 197, 253
— круговая 35, 102, 160
модулирующая 173, 178
— несущая 80, 108, 173, 254,343
— нижняя 197, 253
— поднесущая 80, 260
- системы резонансная 25, 79, 148, 208
— собственная 36, 337
- среза 84, 93, 109
Чувствительное! ь датчика 35
- порот 44
- спектральная 64, 222, 259
Чувствительный элемент 16, 29, 97, 364
- оптический 62, 66
- пьезоэлектрический 67
- резистивный 51
- совмещенный 351
- электромагнитный 56
Шкала грубого отсчета 109, 133
точного отсчета 109, 133
ЭДС вращения 140
- индукции 56, 97, 100, 184
-самоиндукции 100
Яркость 223, 231, 250
гистограмма распределения 304
- градиент 310
порог 304
Учебное издание
Сергей Анатольевич Воротников
Информационные устройства
робототехнических систем
Редактор Е.Н. Ставицкая
Корректор О.Ю. Соколова
Художник Н.Г. Столярова
Компьютерная верстка О.В. Беляевой
Компьютерная графика М.А. Белявской
Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГГУ им. П.Э. Баумана
Санитарно-эпидемиологическое заключение
№ 77.99.02.953.Д.005683.09 от 13.09.2004 г.
Подписано в печать 14.04.2005. Формат 70x100/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Гарнитура «Таймс». Печ. л. 24. Уч.-изд. л. 30,5. Усл. неч. л. 31,2.
Тираж 2000 экз. Заказ № 798
Издательство МГТУ им. П. Э. Баумана
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5
Отпечатано с готового оригинал-макета в ГУП ППП «Типография «Наука»
121099, Москва, Шубинский пер., 6