6-2-воротников
.pdf
9. Дальномеры
Вробототехнике применяют следующие типы дальномеров:
ультразвуковые (рис. 88);
оптические (инфракрасные);
лазерные.
а |
б |
|
Рис. 88. Ультразвуковой автомобильный дальномер MB8450 с USB выходом (а), он же в защищенном исполнении и токовым выходом 4-20 мА (б)
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Оптический дальномер Sharp
Самый распространенный оптический дальномер в робототехнике построен на базе ИК-датчиков расстояний семейства Sharp (например, GP2Y0A, рис. 82, а, GP2Y0A41, рис. 82, в).
В этих датчиках, расстояние до объекта определяется методом триангуляции (рис. 82, б).
а
в
б
г
Рис. 82. ИК-датчик Sharp (а) и его функция преобразования (б), принцип измерения расстояния (в) и схема (г)
Оптическая схема датчика включает ИК-линзу и ПЗС-линейку, ширина засветки которой обратно
пропорциональна дальности. Основные характеристики датчика:
•диапазон измерения расстояния - от 100 до 550 см;
•габариты - 58×18×23 мм;
•ток - 30 мА;
•напряжение питания - (4,5…5,5) В;
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Немного о лазере
Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), оптический квантовый генератор — устройство, преобразующее энергию накачки в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения (рис. 87).
Лазер обладает очень узкой диаграммой направленности.
kY , d0
где kY = 1,22 – коэффициент, характеризующий распределение
интенсивности излучения по сечению пучка, d0 – апертура (диаметр) пучка.
Основные типы лазеров
а
твердотельные |
жидкостные |
газовые |
В робототехнике применяют лазеры с длиной волны
излучения от 10-4 до 0,8 мм, мощностью от |
10-6 до 106 Вт |
||||
и |
энергией в импульсе от 0,1 до 106 Дж. |
|
|
||
Принцип модуляции лазерных дальномеров |
|||||
б |
|
|
|
|
|
Рис. 87. Рубиновый лазер: а – автор, б – схема |
непрерывный |
|
импульсный |
||
излучателя: 1 — корпус; 2 — активная среда; 3 |
|
|
амплитудный |
|
|
— оптический генератор; 4 — зеркальные слои |
|
|
|
|
|
(один полупрозрачный); 5 — источник энергии |
|
|
фазовый |
|
|
|
|
|
|
||
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Принцип действия лазера
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Вехи лазерной дальномерии
Создание лазерных импульсных дальномеров явилось одним из первых применений лазеров в военной технике. Измерение дальности до цели – типовая задача артиллерийской стрельбы, которая и ранее решалась оптическими средствами, но с недостаточной точностью.
Одним из лучших биноклей-дальномеров 60-х годов XX-века был прибор ЛДИ-3-1М (рис. 99, а) со следующими характеристиками:
диапазон измерения дальности. 60 … 15000 м;
среднее квадратическое отклонение определения дальности, не более 3,5 м.
б
а
в |
г |
|
Рис. 89. а – лазерный дальномер ЛДИ-3-1М (СССР), б – многофункциональный дальномер RapTar-Lite ES компании Wilcox, в – промышленные дальномеры LDM41A/LDM42A компании ASTECH, г – лазерный пучок, направленный на Луну (телескоп станции Apache Point) .
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Лазерный дальномер
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Сканирующий лазерный дальномер
Лидар (Light Identification, Detection and Ranging) — прибор для получения и обработки
информации об удалённых предметах на основе активных оптических систем, использующих
явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах (рис. 88, а).
Сканирующие лидары формируют двумерную или трёхмерную картину окружающего пространства. Принцип действия прибора (рис. 88, б, в) основан на измерении временного
интервала между приемным и опорным импульсами:
=2x0 /c
Здесь x0 – дальность, с – скорость света.
Первый военный лазерный дальномер XM-23 использовал лазер выходной мощностью 2,5 Вт и длительностью импульса
30 нс.
а
!
б
в
Рис. 88. Лидары: а – военный лидар XM-25, б – принцип действия, в – схема импульсного сканирующего дальномера фирмы Leico
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Самодельный лазер
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Лазерные дальномеры для роботов
В робототехнике чаще всего используют лазерные сканирующие дальномеры (лидары) фирм
Hokuyo, Япония (рис. 90, а) и Sick, Германия (рис. 90, б).
а
б
Рис. 90. Лазерные 2D дальномеры и их области сканирования: а – Hokuyo URG-04LX, б – LMS200
Принцип действия этих датчиков основан на измерении времени
полета луча, проходящего через вращающееся зеркало и
отраженного от удаленного объекта (рис. 91).
Параметры дальномеров: |
Hokuyo URG-04LX |
Sick LMS200 |
|
• |
дальность |
6 м |
70 м |
• |
угловое разрешение |
0.36° (360°/1024 шагов) 1 ... 0.25° |
|
• |
период сканирования |
100 мс/скан |
13 ... 53 мс/скан |
• |
погрешность |
30 мм |
10 мм |
• |
масса |
0.16 кг |
2,5 кг |
• |
интерфейс |
USB |
RS-232 |
|
Рис. 91. Принцип работы Sick LMS200 |
|
|
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |
Принцип работы сканирующего дальномера
Локационные системы роботов |
Оптические локационные системы |