Датчики измерения в дальней зоне

Назначение – определение расстояния от точки отсчета до объекта в рабочем диапазоне измерений. Датчики измерения в дальней зоне используются для навигации робота и обхода препятствий, когда требуется оценить расстояние до ближайших объектов или определить местоположение и форму объектов в рабочем пространстве робота.

Триангуляция

Одним из простейших методов измерения в дальней зоне является метод триангуляции (рис. 20.1). Объект освещают узким пучком света, направленным на его поверхность.

Движение пучка света в плоскости определяется линией от объекта до приемника света и линией от приемника до источника света. Если пятно света на поверхности объекта достаточно мало, расстояние D до освещенного участка поверхности может быть вычислено из геометрических соотношений, представленных на рис. 20.1. Этот метод реализует точечное измерение. Если система «источник-приемник» движется в фиксированной плоскости, то в этом случае можно получить группу точек, расстояния которых до приемника известны. Эти расстояния легко перенести в трехмерную систему координат путем сканирования.

Рисунок 20.1. Измерение расстояние триангуляционным методом

Метод подсветки

Данный метод состоит в проецировании светового потока на группу объектов и использовании изменения формы потока для вычисления расстояния (рис. 20.2).

Рисунок 20.2. Измерение расстояний методом подсветки

Световая полоса, пересекающая группу предметов, формируется в виде плоского пучка света с помощью цилиндрических линз. Пересечение светового потока с объектами в рабочем пространстве фиксируется телевизионной камерой, помещенной на расстоянии В от источника света. Такая ситуация легко анализируется компьютером при определении расстояния. Например, отклонение пучков света указывает на изменение поверхности, а разрыв соответствует промежутку между поверхностями.

Для получения базовых значений расстояний вначале проводят калибровку (рис. 20.3).

Рисунок 20.3. Калибровка системы измерения методом подсветки

В большинстве систем, основанных на методе подсветки, используют цифровые изображения, полученные телекамерой и преобразованных в цифровой массив размерностью N×M. Пусть является номером столбца этого массива. Калибровка состоит в измерении расстояния В между источником света и центром линз и последующим измерением углов и . Тогда расстояние d вычисляется по формуле:

, (20-1)

где - фокальная длина линз, а

. (20-2)

Для цифрового изображения, содержащего М столбцов, приращение растояния между столбцами определяется по формуле:

(20-3)

для . В изображении на мониторе соответствовало бы крайнему слева столбцу, а - центральному столбцу.

Угол , образованный проекцией произвольной полосы, легко получить, отметив, что:

, (20-4)

где , (20-5)

или, используя равенство (20-3),

, (20-6)

где .

Для оставшихся значений k (т.е. по другую сторону оптической оси) имеем:

, (20-7)

где

(20-8)

для .

Сравнивая уравнения (20-6) и (20-8), отметим, что . Таким образом, равенства (20-4) и (20-7) идентичны для всего диапазона . Тогда из рис. 20.3 следует, что расстояние по нормали между произвольной полосой света и плоскостью отсчета будет равно:

(20-9)

для , где вычисляется либо из уравнения (20-4), либо из уравнения (20-7).

Важно отметить, что если величины известны, номер столбца в цифровом изображении полностью определяет расстояние между плоскостью отсчета и всеми точками на полосе, отображенной на этом столбце.

Для определения плоскую вертикальную поверхность размещают так, чтобы ее пересечение со световой полосой находилось в центре плоскости изображения (т.е. у=М/2). Затем измеряют величину перпендикуляра между поверхностью и плоскостью отсчета. Из рис. 20.3 следует, что:

. (20-10)

Чтобы определить , перемещают поверхность ближе к плоскости отсчета, пока ее световая полоса не совместится с у=0 на плоскости изображения. Затем измеряют и из рис. 20.3 находят:

. (20-11)

Это завершает процесс калибровки.

Основное преимущество такой системы состоит в относительной простоте измерения расстояний. После завершения калибровки расстояние, соответствующее каждому столбцу в изображении, вычисляется с помощью уравнения (20-9), где , а результаты хранятся в памяти. Затем в процессе измерений расстояние до любой точки изображения получают путем простого определения номера ее столбца в изображении и обращения к соответствующей области памяти.