|
Системами технического зрения
(СТЗ) называют сенсорные устройства, обеспечивающие получение
изображений рабочих сцен и объектов, их преобразование, обработку и
интерпретацию с помощью ЭВМ, а также передачу результатов управляющему
устройству робота. Среди различных систем очувствления роботов СТЗ обладают
наибольшей информативной емкостью, обеспечивая по некоторым оценкам от 80 до
90% всей необходимой для успешного функционирования робота информации.
Техническое, или машинное, зрение реализует сложный
процесс выделения, идентификации и преобразования видеоинформации, который
содержит шесть основных этапов: 1) получение (восприятие) информации; 2)
предварительная обработка; 3) сегментация; 4) описание; 5) распознавание и 6)
интерпретация.
После восприятия информации в виде визуального изображения
производится ее предварительная обработка для снижения посторонних помех,
улучшения изображений отдельных элементов обьекта или сцены, а затем она
подвергается сегментации, заключающейся в подразделении сцены на составляющие
части или элементы для выделения на изображении интересующих объектов.
Последующее описание массива информации представляет собой определение
характерных параметров, необходимых для выделения требуемых объектов или
элементов сцены и дальнейшего их распознавания посредством идентификации в
соответствии с программным набором информации. И, наконец, посредством
интерпретации окончательно устанавливается принадлежность "рассматриваемого"
объекта к группе распознаваемых, установление его зрительного образа.
Визуальная информация в системах технического зрения
воспринимается и преобразуется в электрические сигналы с помощью опто-
электронных преобразователей, или видеодатчиков СТЗ, которые являются
первичными преобразователями излучения в электрические сигналы и состоят из
приемной оптической камеры, чувствительного элемента, устройств сканирования,
считывания и усиления.
Обработка информации в СТЗ производится иерархически, для
чего предварительно на первом уровне с целью снижения помех (фильтрации) и
улучшения изображений используются видеопроцессоры, которые строятся на
быстродействующих логических элементах или микропроцессорах. Как правило, в
качестве основной характеристики плоского изображения используется его
контур. Видеопроцессор по отфильтрованной информации от видеодатчика
определяет координаты точек контура и вводит эту информацию на второй
уровень, формирующий управляющую информацию для робота и реализуемый, как
правило, на базе ЭВМ, входящей в состав СТЗ.
Присоединение видеодатчиков к основной аппаратуре СТЗ
осуществляется с помощью специальных кабелей, позволяющих передавать
информацию с малыми потерями и большой частотой сигналов; в последние годы
для передачи информации стали применять также световолоконную оптику.
Чувствительные элементы видеодатчиков могут быть
точечными, одномерными и двумерными. В первом случае чувствительный элемент
воспринимает излучение от малой части объекта, а для получения полного
изображения требуется сканирование по плоскости изображения. При этом
изображение получается в виде растра. Более сложные одномерные чувствительные
элементы соответствуют линейке точечных элементов, для получения изображения
в этом случае необходимо одномерное сканирование, т.е. перемещение элемента
относительно объекта в направлении, перпендикулярном к его линейному размеру,
либо аналогичное перемещение объекта. Двумерные чувствительные элементы
заменяют матрицу точечных элементов, расположенных с определенной дискретностью,
и не требуют сканирования.
На чувствительный элемент изображение проецируется с
помощью оптической системы, которая определяет размеры охватываемого
видеодатчиком поля изображения рабочей зоны. Она представляет собой линзовый
объектив с возможностью диафрагмирования с уелью регулирования интенсивности
светового потока и фокусировки для обеспечения четкости изображения при
изменении расстояния до объекта.
В качестве видеодатчиков используются различные
оптикоэлект- ронные устройства. Преимущественное применение в СТЗ нашли
телевизионные камеры на основе вакуумной трубки типа видикон и различные
твердотельные преобразователи.
Телевизионная трубка - видикон - является
электронно-лучевым преобразователем с накоплением заряда и преобразованием
световой энергии в электрические сигналы с помощью внутреннего фотоэффекта.
Изображение в видиконе проецируется на плоскую мишень из полупроводникового
материала. Отклоняющий контур обеспечивает сканирование электронного луча по
внутренней поверхности мишени для считывания изображений. Это самый дешевый и
наиболее широко применяемый в телевизионных камерах преобразователь света в
электрический сигнал.
Твердотельные чувствительные элементы как приборы с
зарядовой связью (ПЗС) представляют собой полупроводниковые преобразователи
света в электрический сигнал в виде кремниевой пластинки (размером около 8x8
мм), светочувствительную поверхность которой образует сетка-матрица
выращенных методами интегральной технологии сложных микроэлектронных
элементов, способных воспринимать проецируемое на них изображение. Такие
преобразователи обладают рядом преимуществ перед видиконами - высокой
линейностью, меньшими размерами и массой, высокой надежностью и
договечностью, малой энергоемкостью, однако их разрешающая способность пока еще
ниже, чем у телевизионных трубок.
Восприятие и предварительная обработка информации
видеодатчиками являются основой процессов технического зрения, однако, с
точки зрения своей сложности, не требующей элементов искусственного
интеллекта, представляют собой низший уровень СТЗ. Последующие анализ,
описание, распознавание объектов, требующие использования современных ЭВМ и
сложного программно-алгоритмического обеспечения, относятся к среднему
уровню. Высший уровень систем технического зрения требует для своей
реализации искусственного интеллекта. И если алгоритмы, используемые на
нижнем и среднем уровнях СТЗ, разработаны достаточно хорошо, теоретический
390 и прикладной потенциал для реализации процессов высшего уровня СТЗ пока
еще недостаточен. Это обсуловило практическое использование в промышленных
роботах систем технического зрения первого поколения, работающих с плоскими
изображениями и простейшими по форме объектами, и применяемых на операциях
распознавания и сортировки деталей, укладки их в тару, измерения координат
объектов, проверки соответствия размеров деталей чертежу и т. п.
система технического зрения на участке сортировки и
укладки изделий на технологическую палету. Рабочая зона с деталями 1,
освещенная с помощью ламп 2, находится под наблюдением подвижной телекамеры
3, передающей по кабелю 4 видеоинформацию в основной блок 5 СТЗ, откуда
переработанная информация поступает в управляющее устройство 6 промышленного
робота 7, обеспечивающего сортировку и упорядоченную укладку деталей на
технологическую палету 8 в соответствии с программным обеспечением и
информацией от СТЗ.
Для использования в адаптивных и интеллектуальных роботах
ведутся исследования по созданию СТЗ второго и третьего поколений, способных
работать с трехмерными полутоновыми изображениями и сложными объектами при
повышенных требованиях к точности измерений, вероятности распознавания
объектов и быстроте обработки информации. Научно-технический поиск
исследователей и конструкторов направлен на совершенствование технических
средств и программно-алгоритмического обеспечения, создание специализирог
ванных ЭВМ, а также разработку принципиально новых систем технического
зрения. И хотя современные СТЗ сложны и дорого стоят, их применение в
робототехнике постоянно расширяется.
В настоящее время у нас в стране и за рубежом ведется
интенсивный научный и конструкторский поиск по созданию различных
чувствительных устройств внешней информации роботов. В лабораторных условиях
созданы и проходят отработку сложные сенсорные устройства, позволяющие
воспринимать целые "образы" и "сцены", что даст
возможность осуществить целенаправленные автономные действия робота в
недетерминированном трехмерном пространстве рабочей среды.
Литература [2, 5, 14, 23, 30, 33, 34, 35, 40, 41, 46, 48,
49, 56, 62, 66, 68, 70, 73, 74, 75, 76, 78, 79, 80, 81, 84, 85, 86, 91, 93].
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Для чего предназначена и какова структура
информационно- управляющей системы робота?
2. Каковы общие принципы построения
информационно-управляющих систем ?
3. Каково структурно-функциональное построение
иерархического
адаптивного управляющего устройства ?
4. Какова роль языков программирования, и какие их
уровни используются в управлении роботами ?
5. В чем сущность роботоориентированного и проблемно
ориентированного подходов при программировании.
6. Какова целесообразность использования логики
предикатов в языках роботов ?
7. Каков отоварь символов, используемый в
исчислении предикатов ?
8. Каково определение ППФ - правильно построенной
формулы?
9. Каковы правила соединения символов при
исчислении предикатов ?
10. Что представляет собой и для чего предназначена
таблица истинности ?
11. В чем смысл интерпретаций при решении логических
задач?
12. Что означает концепция выводимости при
исчислении предикатов ?
13. В чем заключается метод резолюций, как один из
наиболее эффективных способов поиска логического вывода ?
14. Какие три правила, или резольвенции, лежат в
основе метода резолюций ?
15. Приведите пример решения логической задачи в
терминах исчисления предикатов для простого действия промышленного робота.
16. Каковы роль и назначение системы управления
робота ?
17. Как классифицируются системы управления ?
18. Какие типы систем управления применяются в
роботах, и каковы их существенные признаки ?
19. Каковы разновидности способов программирования
роботов и их особенности ?
20. Какие этапы включает в себе процесс управления
роботом, и какова характеристика каждого этапа?
21. Какие основные устройства должна содержать
система управления робота?
22. Какая элементная база используется для
построения систем УПРГ!РГ'°НИЯ ?
23. Каковы принципы функционирования, характеристика
и устройство пневматических логических элементов ?
24. Каковы характеристика и разновидности
электрических логических элементов ?
25. Каковы преимущества построения систем управления
роботов на базе микропроцессоров и микроЭВМ ?
26. Какова обобщенная схема системы управления
промышленным роботом ?
27. Каковы основы выбора типа системы управления ПР
?
28. Каковы характеристика, структурно-функциональная
схема и конструктивные особенности цикловой системы программного управлёния ?
29. Каковы характеристика, структурно-функциональная
схема и конструктивные особенности позиционной системы программного
управления ?
30. Каковы характеристика, структурно-функциональная
схема и конструктивные особенности контурной системы программного управления
?
31. Каковы роль и назначение
информационно-измерительной системы робота ?
32. Каковы назначение, характеристика и
разновидности чувствительных устройств информационно-измерительной системы ?
33. Каковы назначение и характеристика
чувствительных устройств внутренней информации роботов ?
34. Как классифицируются датчики внутренней
информации?
35. Какие устройства применяются в качестве датчиков
положения и какова их характеристика ?
36. Какие устройства применяют в качестве датчиков
скорости и ускорения, и какова их характеристика?
37. Каковы назначение и принцип построения датчиков
усилий?
38. Каковы назначение и характеристика
чувствительных устройств внешней информации ?
39. Какова классификация чувствительных устройств
внешней информации ?
40. Каковы назначение, характеристика и
разновидности тактильных сенсорных устройств ?
41. Каковы характеристика и особенности устройства
дискретных и аналоговых тактильных датчиков ?
42. Каковы назначение, характеристика и
конструктивные разновидности датчиков касания и контактного давления ?
43. Каковы назначение, характеристика и
конструктивные разновидности датчиков проскальзывания ?
44. Каковы назначение, характеристика и принципы
построения силомоментных сенсорных устройств ?
45. Каковы назначение, характеристика и
разновидности локационных сенсорных устройств ?
46. Каковы принцип действия и конструктивное
построение ультразвукового сенсорного устройства робота ?
47. Каковы назначение и общая характеристика систем
технического зрения роботов ?
48. Каково общее конструктивное построение систем
технического зрения роботов ?
49. Какие разновидности чувствительных устройств
видеоинформации применяются в системах технического зрения, и какова их
характеристика ?
50. Каковы перспективы развития систем технического зрения
роботов ?
|