Часть 2. Сенсорные устройства МиРС.

12. Понятие о локационных системах.

Общие сведения о ЛС. Модуляция и детектирование сигналов.

Электромагнитные ЛС.

Магнитные и вихретоковые ЭЛС.

ЭЛС специального назначения.

Акустические ЛС.

Датчики и системы АЛС.

Специальные АЛ системы.

Оптические ЛС.

Основы оптической локации.

Элементы и системы ОЛ.

Лазерные локаторы.

Основы технического зрения.

Датчики изображения.

Хранение изображений в СТЗ.

Кодирование и обработка изображений,

Тактильные датчики.

Принципы силомоментного очувствления роботов.

Датчики силомоментного очувствления роботов.

Тактильные датчики.

Перечень литературы.

1. Воротников С.А., Информационные устройства робототехнических систем: Учеб. Пособие.- М.: изд-во МГТУ им.Н.Э. Баумана, 2005.

2. Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства: Учебное пособие для ВУЗов.- М.: Энергоатомиздат,1985.

3. Лукинов А. П. Проектирование мехатронных и робототехнических уст­ройств: Учебное пособие. — СПб.: Издательство «Лань», 2012. — 608 с.: ил. (+ CD) — (Учебники для вузов. Специ­альная литература).

Лекция 1.

1. Основные понятия и определения

1. Мехатроника

Термин «мехатроника» появился он примерно в 80-х годах XX в. как развитие понятия «электромеханика». Мехатроника предполагает непосредственное внедрение микроэлектронных систем в систему управления, в некотором роде синтез электроники и механики.

В дальнейшем термин «мехатроника» был существенно обобщен, в результате 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 робототехническими, например: системы управления комплексами технологического оборудования, обрабатывающие центры, системы поддержания заданной температуры в помещении

Обобщенная функциональная схема мехатронного устройства.

Информация

Информация — это обозначение содержания, полученного от внешнего мира в процессе приспособления к нему (H. Винер).

Система поглощает информацию из внешней среды и использует ее для выбора правильного поведения. Информационные потоки начинают циркулировать по цепям управления. Прибором, передающим информацию в контур управления, является датчик, от характеристик которого в значительной степени зависит качество управления.

Адаптация

Пусть Si - некоторая активная система, взаимодействующую с внешней средой. Предположим, что эта система имеет априорную информацию I_а о среде и в процессе функционирования получает текущую информацию I_р как о внешней среде, так и о собственном состоянии. Ее целью является принятие решений, связанных с преобразованием или анализом внешней среды.

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 параметры системы, се структура и алгоритм функционирования.

Следовательно, адаптивная система - система, которая может приспосабливаться к изменению внутренних и внешних условий.

Простейшей адаптивная система - система с обратной связью (следящая система).

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 Iр о состоянии среды или свойствах объектов, причем эти данные используются для решения задач, связанных с формированием управления системой.

С другой стороны, когда системы управления используют адаптивные алгоритмы, способные изменяться под воздействием текущей Iр или обучающей Iа информации от сенсоров.

В обоих случаях наличие сенсорной (информационной) системы (далее – ИС) является признаком адаптивной структуры.

Пример активной адаптивной системы - система управления адаптивного робота.

В состав ИС здесь входят подсистема восприятия окружающей среды и подсистема связи. Подсистема восприятия окружающей среды содержит датчики включающие 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 математической модели, которая уточняется с помощью подсистемы связи. Полученная информация применяется для планирования движений на исполнительном, тактическом и стратегическом уровнях. Эти движения реализуются рабочим механизмом. Для робота это обычно манипулятор, снабженный соответствующим инструментом.

4. Основные термины, связанные с ИС

4.1. Датчик

Первичным преобразователем, или чувствительным элементом (ЧЭ), называется простейший элемент ИС, изменяющий свое состояние под действием внешнего возмущения. Пример: фотодиод или тензорезистор.

Датчик представляет собой устройство, которое под воздействием изме­ряемой физической величины выдает эквивалентный сигнал (обычно элек­трической природы — заряд, ток, напряжение или импеданс), являющийся однозначной функцией измеряемой величины. Простейший датчик состоит из одного или нескольких первичных преобразователей и измерительной цепи.

Классификация датчиков

По типу замещаемой сенсорной функции:

o Кинестетические

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.

Пример: датчики положения, скорости, измерители сил и моментов в сочленениях многозвенного механизма.

o Локационные

Локационные датчики предназначены для определения и измерения фи­зических параметров среды путем излучения и приема отраженных от объ­ектов сигналов.

Пример: электромагнитные, в том числе оптические; акустические устройства.

o Ви­зуальные

Визуальные датчики обеспечивают получение информации о геометри­ческих и физических характеристиках внешней средына основе анализа ее освещенности в оптическом диапазоне, включая ИК, СВЧ и рентгеновское излучения.

Примером являются различные телевизионные системы.

o Тактильные

Тактильные датчики позволяют определить характер контакта с объек­тами внешней среды в целях их распознавания.

Пример: тактильные матрицы и силомоментные датчики.

Тактильные датчики относятся к дат­чикам контактного типа.

По радиусу действия:

o Кон­тактные датчики,

Контактными являются также кинестетические датчики. Сенсорные устройства ближнего действия получают информацию о среде вблизи объекта работы, дальнего — во всей рабочей зоне.

Примерами являются визуальные и акустические преобразователи.

o Датчики ближнего действия

o Датчики дальнего действия

По способу преобразования:

o Генераторные (активные)

Генераторные датчики являются источником непосредственно выдаваемого электрического сигнала. Это — термоэлектрические преобразователи; устройства, в основе функционирования которых лежат пиро- и пьезоэлектрические эффекты, явление электромагнитной индукции, фотоэффект, эффект Холла и др.

o Параметрические (пассивные)

В параметрических датчиках под воздействием измеряемой величины меняются некоторые параметры выходного импеданса. Импеданс датчика обусловлен его геометрией и размером элементов, а также электромагнитными свойствами материала: удельным электросопротивлением , относительной магнитной проницаемостью , относительной диэлектрической проницаемостью . В преобразователях этого типа сигнал формируется измерительной цепью (потенциометрической или мостовой схемой, колебательным контуром, операционным усилителем). Параметрическими преобразователями являются большинство датчиков силы, давления, перемещения.

Несмотря на разнообразие датчиков, используемых в робототехнических и мехатронных системах, они должны быть унифицированы.

Унифицированным преобразователем (трансмиттером) является датчик, имеющий нормированный диапазон сигнала на выходе.

Согласно международному стандарту нормированные сигналы должны находиться в диапазонах:

· сила тока 0...± 5 мА или 0...± 20 мА;

· напряжение 0...± 1 В или 0...± 10 В.

Кроме того, к датчикам систем предъявляют следующие требования:

· высокая надежность и помехоустойчивость в условиях электромагнитных помех, колебаний напряжения и частоты;

· малогабаритность, простота конструкции, «размещаемость» на захватном 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.

4.2. Информационная (информационно-сенсорная) система

Один или несколько датчиков в совокупности с усиливающими и преобразующими устройствами образуют информационную систему (рис. В2).

Информационная (информационно-сенсорная) система предназначена для интегральной оценки наблюдаемого процесса или явления в целях опредeления его состояния и формирования соответствующего сообщения.

В робототехнике информационные системы используются на трех уровнях управления: исполнительном, тактическом и стратегическом.

Примеры использования информационных систем в роботах

Уровень управления	Основные задачи, решаемые с помощью ИС	Информационные средства
Исполнительный	Обеспечение монотонности движения захвата. Устранение взаимовлияния звеньев манипулятора. Обеспечение стабильности динамических характеристик приводов	Датчики положения, скоростей, ускорений;одно-компонентные датчики измерения момента на валу
Тактический	Обеспечение необходимой силы захвата. Самонаведение и торможение вблизи неизвестных препятствий	Тактильные матрицы и датчики проскальзывания; оптические, индуктивные и емкостные датчики; видеокамеры; ультразвуковые дальномеры
Стратегический	Нахождение маршрута движения в недетерминированной обстановке. Развитие необходимых усилий при работе со связанными объек­тами. Поиск и распознавание заданных объектов, опреде­ление их взаимного положе­ния	Разнообразные дальномеры, системы технического зрения и силомоментного очувствления

Пример информационной системы исполнительного уровня.(Система стабилизации)