Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы организационно-технологического управления роботизированными комплексами. Учебное пособие
.pdf
81
Продолжение табл. 6
1 2 3
1-предмет;
б. Лазерный сканатор импульсного
сигнала
в. Лазерный дальномер 1-элктронный
3. Электромагнитные
а.
Индуктивные
2-сканирующая
головка;
3,4- волоконнооптические
световоды;
5-преобразователь типа "свет
электричество";
6-источник
света;
7- СУ робота
счетчик;
2-видеоусилитель;
3-фотоэлемент;
4-вращающийся
зеркальный
отражатель
(модулятор);
5-рубиновый
стержень;
6-зеркало;
7-фотоумножитель;
8-фильтр;
9-диафрагмы;
10-система линз
1-корпус
захватного
устройства;
2-магнит;
3-катушка
индуктивности;
4-предмет
В зависимости от числа
зарегистрированных электронным счетчиком импульсов в единицу
времени, можно рассчитать
расстояние до
предмета
Отраженный
от объекта луч
поступает к
фазометру с
запаздыванием, относительно неотраженного.
Возникший
фазовый сдвиг
фиксирует
фазометр
При приближении ферромагнитного
материала
изменяется
расположение
силовых линий магнита и
в катушке
индуцируется
ток
82
1 2 3
б. Вихретоковые 1-первичная
обмотка
трансформатора;
2-V-образный
сердечник;
3-вторичная
обмотка
трансформатора;
4-предмет
Продолжение табл. 6
Магнитный поток,
образуемый
первичной
обмоткой,
проходит через
сердечник и
предмет.
Вторичное
напряжение
зависит от
расстояния до
предмета
4. Электрические
(емкостные)
5. Магнитные
1-сенсорный
электрод;
2-предмет;
3-конденсатор;
4-катушка
индуктивности
1-постоянный
маг нит
2-датчик Холла
3-предмет
Магнитный поток,
образуемый первичной обмоткой,
проходит через
сердечник и
предмет. Вторичное напряжение
зависит от
расстояния до
предмета
При отсутствии
предмета датчик
Холла фиксирует
определенное
значение величины
магнитного поля
постоянного магнита. Появляется
предмет – магнитное поле ослабевает, вследствие
замыкания линий
поля на ферромагнитный предмет
83
Окончание табл. 6
1 2 3
6. Пневматические
а. Типа «сопло-заслонка»
1-сопло питания;
2-выходное сопло;
3-поверхность
предмета;
4-промежуточное
сопло;
5-промежуточная
камера;
6-промежуточное
кольцевое сопло;
PВ=f(h, P
ПИТ
)
Действие струйных датчиков
основано либо на
взаимодействии
потока воздуха,
вытекающего из
сопла, с предметом, либо на
прерывании струи
сжатого газа
предметом
б. Типа «сопло – сопло» 1-сопло питания;
2-сопло приемное;
3-прерыватель;
Р
– давление
пит
питания сжатого
газа;
Р
– давление
В
выходное сжатого
воздуха;
d
– диаметр
пит
сопла питающего;
dВ – диаметр сопла
выходного;
d0 – диаметр
отверстия в
прерывателе
Прерывание
струи предметом
фиксируется по
изменению
выходного
давления.
Использование
определенной
конфигурации
прерывателя
позволяет
фиксировать не
только факт
проскальзывания
предмета, но и ее
величину
Последний излучает в воздух ультразвуковые импульсы в
диапазоне от 40 до 100 кГц. Звуковой сигнал отразившись от
объекта попадает в приемный преобразователь (возможно
применение одного прибора в качестве излучателя и приемника,
работающего в совмещенном режиме), где преобразуется из
акустического в электрический. Далее происходит его усиление,
отфильтровывание от помех и формирование с последующей
передачей на преобразователь. На выходе преобразователя имеем
84
импульс, длительность которого пропорциональна расстоянию до
объекта отражающего сигнал.
Представленная структура является не единственной. Для
очувствления роботов используются датчики, где эхосигнал
подвергается предварительной аналоговой обработке и затем
преобразуется, как правило, в цифровой двоичный код.
Последний пройдя через блок обработки, записывается в
буферную память, из которой в нужный момент времени может
быть передан в управляющую ЭВМ, на исполнительное
устройство или привод ПР. Заметим, что в робототехнике
находит применения ОИ стереофонический принцип локации,
когда отраженный сигнал с одного излучателя воспринимают два
приемника с идентичными описанными выше, каналами
измерений, в результате чего несколько возрастает разрешающая
способность ультразвукового сенсора. С целью повышения
точности измерения расстояния до объекта и распознавания его
конфигурации в роботах используется соответственно линейная и
плоскостная матрицы приемников. Как правило, последние
встраиваются в кисть или захват руки манипулятора, и
функционируют аналогично тактильным матричным датчикам.
Ультразвуковые сенсоры обладают рядом недостатков : низкой
разрешающей способностью в обнаружении малых тел, и
невысокой точностью измерения, на которую оказывает влияние
состояние окружающей среды, конфигурация и материал
сигналоотражающего объекта.
Работа оптических локационных датчиков основана на
эффектах взаимодействия света с поверхностью объекта
(отражение, поглощение, рассеяние и т. п.). Оптические датчики
имеют более широкие функциональные возможности чем
акустические и предназначены: для обнаружения объекта в
рабочей зоне ПР, определение координат, геометрических
размеров, цвета, структуры поверхности, кроме того данного
типа сенсоры используются для автоматического слежения за
требуемой траекторией и для определения расстояния до объекта.
Оптический датчик работает следующим образом (табл. 6):
световой поток, создаваемый излучателем, проходя через
диафрагму, излучается в окружающую среду.
85
При появлении на пути излучения предмета происходит
2
отражение от него луча света, часть излучения которого попадает
на фотоприемник. Затем происходит усиление и передача
принятого сигнала на детектор и пороговое устройство.
Последнее выдает, как правило, электрический сигнал при
превышении принятым сигналом некоторого заданного уровня.
Для измерения расстояния до объекта используются в основном
три метода: триогуляция (тригонометрическая съемка), подсветки
и принцип, основанный на определении времени происхождения
сигнала между излучателем и приемником. Соответственно
первые два метода основаны на расчете расстояния из
геометрических соображений, а последний – по физическим
формулам. Например, зная скорость света и время прохождения
сигнала, можно рассчитать расстояние до объекта:
.
=CTD
(Для ультразвуковых датчиков C = 344 м/с – скорость
распространения ультразвука в воздухе, при температуре 20 ºС).
В оптических сенсорах в качестве излучателей используются
разнообразные лампы накаливания, рентгеновские трубки,
светодиоды и т. п., а в качестве приемников – термодетекторы
(ячейка Голея, детектора Шварца, болометры) и фотодетекторы –
фотодиоды, фототранзисторы. Так же, как и в ультразвуковых
датчиках в оптических сенсорах используются линейки и
матрицы приемных устройств, которые значительно повышают
разрешающую способность оптических анализаторов. Последние
обладают следующими усредненными характеристиками:
дальность действия 0,01 до 0,50 м с погрешностью 1 % при
времени срабатывания не превышающего 0,5 мс. К основным
недостаткам оптических сенсоров можно отнести: значительное
влияние на работоспособность датчиков состояния окружающей
среды (запыленность, задымленность, наличие паров и
оптических помех, например электросварки); малый срок
службы, низкая прочность, а также надежность источников света
и приемников.
86
Лазерные системы очувствления (табл. 6) превосходят
3602
æö
ç÷
èø
Θλ
Θ
λ
ультразвуковые и оптические сенсоры по дальности и точности
измерения расстояния до объекта.
При этом излучение в пространство сигнала, не имеющего
в природе аналога, позволяет в значительной степени избавиться
от помех, и способствует более точному обнаружению объекта и
поддержанию заданного курса, например, для робокара. В
робототехнике применяются лазерные дальномеры двух типов:
работающие в режиме импульсного светового сигнала и
использующие луч лазера. Лазерные сенсоры с импульсной
модуляцией в большинстве своем измеряют расстояние от 0,3 до
5 м с погрешностью, не превышающей 0,6 % и работают
следующим образом: лазерный луч через передающую
оптическую систему моделируется в направлении объекта с
определенной частотой во времени. Часть отраженного от
объекта светового сигнала с помощью системы линз и диафрагмы
поступает на узкополосный оптический фильтр. Далее
отфильтровальный сигнал проходит через фотоумножитель и
поступает на видеоусилитель. Затем усиленный сигнал
фиксируется электронным счетчиком. По числу импульсов
зарегистрированных последним, за определенный промежуток
времени, можно рассчитывать расстояние до объекта, способом,
аналогичным описанному выше. Сенсоры, использующие
непрерывный луч лазера (табл. 6), как правило, применяются для
измерения расстояний, путем сравнения фаз моделирующих
колебаний луча отсчета с отраженным сигналом.
Работа представленного датчика заключается в следующем:
луч лазера направляется к объекту и фазометру. Отраженный от
объекта луч проходит большее расстояние, чем направленный к
фазометру, следовательно, возникает фазовый сдвиг, который и
фиксирует прибор. При этом расстояние до объекта можно
определить из выражения:
=
где
D
- величина фазового сдвига, фиксируется фазометром;
,
- амплитуда колебания сигнала. Важным преимуществом
87
сенсора с непрерывным лучом, по сравнению с импульсным
является возможность получать информацию об измерении
расстояния по интенсивности излучения (чем ближе объект, тем
ярче). Однако датчики с непрерывным лучом затрагивают
значительно большую мощность; чем анализаторы с импульсным
сигналом. Отметим, что также как для акустических и
оптических датчиков, с целью увеличения разрешающей
способности лазерных сенсоров, используются линейки и
матрицы приемных элементов.
В радиационных датчиках используются ионизирующие
излучения, характеристики которого измеряют детекторами
частиц. Радиационные сенсоры в основном используются для
измерения расстояний и скоростей в диапазоне соответственно от
0,1 до 100 м и 10–5 – 0,3 м/с со средней погрешностью 2 %. К
недостаткам данных видов рецепторов можно отнести:
значительные размеры, масса, необходимость в математической
обработки результатов измерений, нелинейность некоторых
измерительных характеристик, невоспроизводимость
результатов. Заметим, ряд авторов выделяют из дальномеров
группу сенсоров сверхдальнего действия, применяемых главным
образом в мобильных ПР. К ним относятся различные
навигационные приборы, а также радиоволновые, радиационные,
некоторые, как акустические, так и тепловые с оптическими
датчиками. Авторы ограничились рассмотрением только
стационарных ПР, поэтому представленные сенсоры в
монографии не описываются.
Локационные датчики ближнего действия в зависимости от
принципа действия можно подразделить на электрические,
электромагнитные, пневматические и магнитные.
Индуктивные сенсоры одни из наиболее широко
используемых в промышленности электромагнитных датчиков,
принцип работы которых основан на измерении индуктивности
рецептора при взаимодействии с металлическим объектом.
Основными элементами данных датчиков являются (табл. 6):
катушка возбуждения и неподвижный магнитопровод (магнит),
88
при этом конфигурация последнего и расположение катушек
2
ω
может быть разнообразной. Работа сенсора происходит
следующим образом: в результате его приближения к предмету
изменяется расположение силовых линий магнита и
индуцируется импульс тока, амплитуда и форма которого
пропорциональны уровню изменения магнитного поля. Поэтому
изменение напряжения на выходе катушки обеспечивает
достаточно эффективное очувствление. Одним из существенных
недостатков представленного типа датчиков является
возможность обнаружения предметов выполненных из
ферромагнитных материалов. Чувствительность индуктивных
сенсоров можно определить из выражения:
2=uS πFfμ
,
где S - чувствительность датчика;ω- число витков катушки;
F - сечение магнитопровода; f - частота сети;μ- магнитная
проницаемость среды; u - напряжение питания.
Принцип действия вихретоковых датчиков основан на
анализе взаимодействия переменного электрического поля с
металлическим объектом. В зависимости от формы объекта и
решаемых задач еще используются вихревые датчики накладного
и проходного типов. Сенсоры накладного типа представляют
собой катушки различной формы, питаемые переменным током,
и располагаемых перед металлическим объектом. У
преобразователей проходного типа катушка выполнена в форме,
позволяющей охватывать объект (табл. 6).
Отсутствие контакта с объектом и высокое быстродействие
вихретоковых преобразователей позволяет использовать их для
измерения зазоров, амплитуды и частоты вибрации.
Вихретоковые сенсоры могут работать при повышенных
температурах и наличии агрессивных сред. Преобразователи
обеспечивают измерение амплитуды вибраций 1-20∙103 мкм,
частоты вибраций 20-20∙10
-3
Гц с погрешностью соответственно
10 % и 2 %. Кроме всего, перечисленные вихретоковые
89
анализаторы могут быть использованы для обнаружения
поверхностных дефектов на глубине проникновения вихревых
потоков.
В отличие от индуктивных датчиков, емкостные обладают
способностью, "чувствовать" все твердые и жидкие материалы
(табл. 6). Емкостной сенсор является характерным
представителем электрических датчиков ближней локации.
Функционирование сенсоров основано на изменении его
емкости, зависящей от расстояния между предметом и
чувствительным элементом. Для данных рецепторов последний
представляет собой конденсатор, состоящий из чувствительного
базового электродов, которые могут быть выполнены в виде
пластин, дисков, колец и т.д. За чувствительным элементом
обычно помещают воздушн ую полость, являющуюся изолятором.
Для некоторых типов датчиков чувствительный элемент и
предмет в совокупности образуют пластинчатый конденсатор с
емкостью, зависящей от расстояния между ними. Кроме того,
существует еще ряд методов обнаружения объектов, основанных
на изменении емкости. В одном – сенсор по существу
представляет собой элемент колебательного контура, колебания в
котором возникают только в том случае, если емкость датчика
превышает заданное пороговое значение. Далее возникшие
колебания преобразуются в выходное напряжение, которое и
указывает на присутствие объ екта. В другом – в контуре
используется емкостной элемент, по которому проходит
частотный синусоидальный сигнал. Изменение емкости сенсора
вызывает фазовый сдвиг между сигналами эталонным и от
элемента, который фиксируется и соответственно может быть
использован для обнаружения предметов.
Наряду свыше перечисленными датчиками в робототехнике
нашли распространение магнитные сенсоры ближней локации.
Принцип действия магнитных датчиков основан на изменении
напряженности магнитного поля вблизи металлических
предметов. Для его измерения используются индукционные
катушки, магнито-модуляционные преобразователи
(феррозонды), датчики Холла, магнитодиоды, магнитотриоды.
90
В (табл. 6) представлена принципиальная схема работы
22и2п
dhd
и
4
магнитного сенсора на базе датчика Холла.
При отсутствии предмета вблизи магнитного сенсора,
датчик Холла фиксирует определенное значение величины
магнитного поля постоянного магнита. Появление предмета
рядом с постоянным магнитом приводит к замыканию линий
магнитного поля на ферромагнитный предмет. В результате чего
датчик холла фиксирует ослабевание магнитного поля магнита.
Широкое распространение в робототехнике нашли
разнообразные пневматические датчики очувствления ближней
локации. Наряду с анализом внутренней информации ПР
струйные системы очувствления используются и для оценки
состояния внешней технологической среды. Наибольшее
распространение в робототехнике для обнаружения объекта
нашли датчики типа сопло-заслонка и сопло-сопло.
Соответственно первые имеют ряд сопел (питания,
промежуточное и выходное), а также промежуточную камеру.
Принцип работы их основан на изменении давления в
промежуточной камере при сокращении или увеличении
расстояния до объекта. Для определения выходного давления
можно воспользоваться выражением:
P
P
b
пит
,
1 16=+
где Р
- давление питания; h - зазор между торцом сопла и
пит
предметом; dи , dп - соответственно диаметры сопла питающего
и промежуточного. Представленное выражение справедливо при
условии
£dh ,
а также если можно пренебречь коэффициентом расхода сопел и
сжимаемостью воздуха. Датчики типа сопло-сопло состоят из
питающего и приемного сопел, а также прерывателя, который в
частном случае представляет собой объекта.
Работа сенсоров происходит следующим образом (табл. 6):
к питающему соплу подводится сжатый воздух с давлением Р
пит
,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]