Обоснование, разработка и исследование лазерного дальномера для систем машинного зрения роботов

Содержание

• Актуальность темы
• Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• Научная новизна полученных результатов
• 1. Требования, методы и задачи для разработки лазерного дальномера
• 1.1. Постановка требований к лазерному дальномеру
• 1.2. Выбор метода измерений
• 1.3. Проблемы реализации и пути их преодоления
• 1.4. Выводы
• 2. Обоснование структуры дальномера
• 3. Расчет и моделирование электрических узлов прибора
• 3.1. Расчет и моделирование селективного усилителя
• 3.2. Моделирование смесителя частоты
• 4. Исследование фазового детектора
• Заключение
• Список источников

Введение

В общей части работы рассмотренны методы и средства для измерения расстояний, проанализированы требования к системам машинного зрения роботов, выбран метод измерений, проведено описание прототипа и сформулированы основные задачи работы.

В проектной части рассмотрена обобщенная структура лазерного дальномера.

Проблемными моментами, которые технически трудно реализовать на практике является обеспечение большого коэффициента усиления и трудности детектирования фазы для отраженного сигнала высокой частоты. Для преодоления этих проблем предлагается осуществить прямое преобразование частоты измерительного высокочастотного сигнала с понижением частоты до звуковой частоты. Также предлогается структурная схема и сформулированы требования к отдельным узлам, предложены методы определения фазового сдвига.

Разрабатываемый дальномер должен измерять дальность фазовым методом. Преимущество заключается в том, что фазовые лазерные дальномеры обладают более высокой точностью измерений, по сравнению с импульсными аппаратами, и к тому же стоимость их производства, а соответственно и цена, существенно ниже. В качестве основы для решения данной задачи используются научно - техническая документация и отчет по производственной практике.

Актуальность темы

В настоящее время актуальной является задача измерения расстояния в системах машинного зрения роботов. В простых системах машинного зрения роботов широко используются ультразвуковые и инфракрасные дальномеры. Однако, их большим недостатком является низкая пространственное разрешение вследствие широкой диаграммы направленности излучателей. Данного недостатка лишены лазерные дальномеры. В качестве излучателя они используют лазер, который обеспечивает предельно узкую диаграмму направленности и высокую точность определения дистанции до предмета.

Цель и задачи исследования

Целью исследования является обоснование, разработка и исследование лазерного дальномера для систем машинного зрения роботов, который реализован по фазовому методу. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи: обоснована структура дальномера, выполнены расчеты и моделирование электрических узлов дальномера, проведены исследования фазового детектора, выполнены исследования макетного образца.

Объект исследования: прибор для измерения расстояния в системах машинного зрения роботов.

Предмет исследования: лазерный дальномер для систем машинного зрения роботов.

Методы исследования: анализ и синтез, математическое и имитационное моделирование, научный експеримент.

Научная новизна полученных результатов

1. Предложено использовать метод прямого преобразования частоты отраженного сигнала лазерного излучения для понижения частоты измерительного сигнала с целью его дальнейшего усиления и детектирования фаз.

2. Предложено использование современных DDS- генераторов с прямым цифровым синтезом частоты, которые позволяют оперативно изменять рабочую частоту излучения, необходимо для преодоления недостатка фазового детектора, обусловленного неоднозначностью зависимости выходного сигнала от измеряемой разности фаз (от расстояния).

Практическое значение полученных результатов:

1. Обоснованно структурную и функциональную схемы лазерного дальномера для систем машинного зрения роботов.

2. Предложено определять фазовый сдвиг измерительного сигнала непосредственно с помощью микроконтроллера, позволяет упростить схему, исключить фильтр нижних частот и АЦП, повысить точность и обеспечить независимость результата измерений от частоты тактовых импульсов.

3. Выполнен расчет и моделирование электрических узлов лазерного дальномера. Результаты моделирования хорошо подтверждают теорию.

Основные разделы работы прошли апробацию на научном семинаре Поиск молодых Государственного высшего учебного заведения Донецкий национальный технический университет (г. Донецк, 2012–2013 гг.), а также на Втором регионального научно-практического семинара Теоретические и практические аспекты приборостроения на кафедре приборы Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля (г. Луганск, 2012–2013 гг.).

По результатам работы опубликовано 2 тезиса на научно-технических конференциях.

1. Требования, методы и задачи для разработки лазерного дальномера

1.1. Постановка требований к лазерному дальномеру

Лазерный дальномер должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Диапазон измеряемых расстояний от 0,3 м до 5 м.

2. Погрешность измерений не более 1 см.

3. Мощность лазерного излучения не более 5 мВт.

1.2. Выбор метода измерений

Принцип действия дальномера физического типа заключается в измерении времени, которое затрачивает посланный дальномером сигнал для прохождения расстояния до объекта и обратно. Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта [1-7].

Существует несколько методов измерения дальности:

1. Метод триангуляции.

2. Частотный.

3. Импульсный метод.

4. Фазовый метод.

Разрабатываемый лазерный дальномер предлагается выполнить но основе фазового метода. Фазовый метод измерения расстояний основан на определении разности фаз посылаемых и принимаемых модулированных сигналов.

Режим работы устройства зависит от его температуры, с изменением которой незначительно изменяется фаза сигнала. Вследствие этого точное начало отсчета фазы определить нельзя. С этой целью фазовые измерения повторяются на эталонном отрезке (калибровочной линии) внутри прибора. Главное преимущество фазового метода измерения – более высокая точность, которая может достигать единиц миллиметров [2].

1.3. Проблемы реализации и пути их преодоления

Трудности реализации выбранного метода измерений заключаются в том, что на высоких частотах (мегагерцы) технически сложно обеспечить большое усиление отраженного сигнала и дальнейшее детектирования фазы. Для их преодоления предложено приемное устройство отраженного оптического сигнала выполнить по схеме прямого преобразования с понижением частоты измерительного и опорного сигналов к звуковой в 1 кГц. При этом информация о разности фаз сигналов сохраняется [6].

1.4. Выводы

Таким образом, в данном разделе были поставлены требования к лазерному дальномеру, был выбран метод, который взят за основу для разработки лазерного дальномера, а также предложены пути преодоления проблем реализации.

2. Обоснование структуры дальномера

Рассмотрим обобщенную структурную схему лазерного дальномера, реализующего фазовый метод измерения расстояния (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Обобщенная структурная схема лазерного дальномера

где Laser – лазерный светодиод, Photodiode – фотодиод, Phase detector – фазовый детектор, Generator – высокочастотный генератор с прямым цифровым синтезом часитоты.

Суть метода заключается в том, что к объекту посылается модулированный лазерный луч, который затем отражается от его поверхности и возвращается обратно. Приемное устройство обрабатывает полученный сигнал и по разности фаз выходного и принятого сигнала определяет расстояние до объекта. Трудности реализации данного метода измерений заключаются в том, что на высокой частоте технически сложно обеспечить большое усиление отраженного сигнала и дальнейшее детектирования фазы. Для их преодоления предложено приемное устройство отображения сигнала выполнить по схеме прямого преобразования [6] с понижением частоты измерительного и опорного сигналов к звуковой в 1 кГц. При этом информация о разности фаз сигналов сохраняется. На рисунке 2.2 представлена функциональная схема разрабатываемого дальномера.

Рисунок 2.2 – Функциональная схема лазерного дальномера
(анимация: 9 кадров, 5 циклов повторения, 13 килобайт)
(DDS – высокочастотный генератор с прямым цифровым синтезом часитоты, МК – микроконтроллер, LPF – фильтр низких частот, IND – индикация, PD – фазовый детектор, ADC – аналого-цифровой преобразователь)

Для генерации сигналов используются два высокоточных генератора с прямым цифровым синтезом частоты (DDS) [3]. Основное усиление измерительного сигнала обеспечивает низкочастотный электронный усилитель с коэффициентом усиления по напряжению K_U = 10⁴.

3. Расчет и моделирование электрических узлов прибора

3.1. Расчет и моделирование селективного усилителя

В предложенной схеме дальномера основное усиление отраженного измерительного сигнала происходит на низких частотах после частотного смесителя. Для того, чтобы обеспечить коэффициент усиления по напряжению K_U = 10⁴ и уменьшить уровень шумов на частоте 1 кГц было решено воспользоваться схемой Т-образного моста [4]. На рисунке 3.1 приведена схема двухкаскадного селективного усилителя.

Рассчитаем параметры Т-образного моста. Так как необходимо получить коэффициент усиления по напряжению K_U = 10⁴, предлагается использовать схему, которая состоит из двух каскадов. Так как коэффициент усиления по напряжению всей схемы будет определяться произведением коэффициентов усиления по напряжению каскадов, входящих в схему, то установим коэффициент усиления каждого каскада K_U= 100.

Рисунок 3.1 – Схема селективного усилителя

Известно, что:

Можем найти:

Пусть С=C6=C7=100 нФ, тогда:

Для сопротивления и емкостей моста справедливы соотношения:

Принимаются номиналы резисторов R7=R8=1.6 кОм.

Для моделирования схемы усилителя (см. рис. 3.2) используется ППП Electronics Workbench. В процессе моделирования необходимо проверить правильность расчетов и в результате получать усилитель, который обеспечил бы коэффициент усиления по напряжению K_U = 10⁴.

Для обеспечения необходимого коэффициента усиления по напряжению, схема усилителя состоит из двух каскадов. Сначала выполним моделирование одного каскада. Схема смоделированного каскада приведена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Схема первого каскада смоделированного в ППП Electronics Workbench

Данный каскад должен обеспечить коэффициент усиления по напряжению K_U = 100. Построим частотные характеристики каскада усилителя, и оценим его работу. На рисунке 3.3 приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада усилителя, полученная в результате моделирования.

Рисунок 3.3 – Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) первого каскада усилителя

Из рисунка 3.3 видно, что на частоте 1кГц данный каскад обеспечивает коэффициент усиления по напряжению Ku = 108. Как мы видим погрешность данной модели не превышает 10 % и соответствует требованиям.

Выполним моделирование схемы второго каскада и оценим его работу. На рисунке 3.4 приведена схема второго каскада усилителя, которую смоделировано с помощью ППП Electronics Workbench.

Рисунок 3.4 – Схема второго каскада смоделированного в ППП Electronics Workbench

Данная схема на частоте 1 кГц должна обеспечить коэффициент усиления по напряжению K_U = 100. Построим частотные характеристики каскада, и оценим его работу. На рисунке 3.5 приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада усилителя, полученной в результате моделирования.

Рисунок 3.5 – Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) второго каскада усилителя

Из рисунка 3.5 видно, что на частоте 1 кГц данный каскад обеспечивает коэффициент усиления по напряжению K_U= 104. Как мы видим погрешность данной модели не превышает 10 % и соответствует требованиям.

Выполним моделирование полной схемы и оценим работу усилителя. На рисунке 3.6 приведена полная схема усилителя, которую смоделирован с помощью ППП Electronics Workbench.

Рисунок 3.6 – Полная схема усилителя

Данная схема должна обеспечить коэффициент усиления по напряжению K_U = 10⁴. Построим частотные характеристики усилителя, и оценим его работу. На рисунке 3.7 приведены амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя, полученной в результате моделирования.

Рисунок 3.7 – Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) полной схемы усилителя

Из рисунка 3.7 видно, что на частоте 1 кГц данный каскад обеспечивает коэффициент усиления по напряжению Ku = 1.2 * 10⁴. Как мы видим погрешность данной модели не превышает 10 % и соответствует требованиям [5].

3.2. Моделирование смесителя частоты

Поскольку измерение разности фаз непосредственно на большой частоте модуляции технически неудобно, используется предыдущее снижение частоты сигналов в область звуковых частот. При этом информация о разности фаз сигналов сохраняется. Используемая схема понижения частоты приведена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Схема понижения частоты

где Mixer – смеситель, Heterodyne – гетеродин, Low-pass filter – фильтр низких частот.

Пусть, например, входной сигнал и сигнал с гетеродина имеют вид:

Тогда на выходе смесителя получится сигнал, пропорциональный выражения:

Таким образом, сигнал на выходе смесителя представляет собой сумму гармонических сигналов с частотами, равными разности частот f-f0 и сумме частот f+f0. При этом информация о разности фаз сохраняется и в выходном сигнале. С помощью низкочастотного фильтра, подключенного к выходу смесителя, выделяется составляющая с разностной частотой f-f0, а другие составляющие выходного сигнала смесителя подавляются. Разностную частоту принято также называть промежуточной частотой. В экспериментальной установке частота гетеродина выбрана такой, чтобы разностная частота лежала в диапазоне звуковых частот (порядка сотен герц – единиц килогерц). Операция понижения частоты осуществляется как с сигналом, идущим от фотоприемника, так и с опорным сигналом.

Выполним моделирование схемы смесителя, приведенной на рисунке 3.9, оценим его работу, а также убедимся, что при понижении частоты информация о разнице фаз сохраняется.

Рисунок 3.9 – Принципиальная схема для исследования работы смесителя

На рисунке 3.10 приведены осциллограммы сигналов при частоте 1 МГц.

Рисунок 3.10 – Осциллограмма при частоте 1 МГц

Снизим частоту до 1 кГц и получим осциллограмму сигналов, приведенной на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11 – Осциллограмма при частоте 1 кГц

Рисунки 3.10 и 3.11 подтверждают, что при снижении частоты измерительного и опорного сигналов до звуковой частоты в 1 кГц информация о разнице фаз сохраняется.

Определим как зависит уровень выходного сигнала смесителя от уровня сигнала гетеродина для схемы, приведенной на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 – Схема для определения зависимости уровня выходного сигнала смесителя от уровня сигнала гетеродинна

Построим графическую зависимость, приведенная на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 – Зависимость уровня выходного сигнала смесителя от уровня сигнала гетеродина

Исследование показало, что уровень выходного сигнала смесителя увеличивается при уменьшении уровня сигнала на гетеродине.

Определим как зависит уровень выходного сигнала смесителя от уровня сигнала гетеродина для схемы, приведенной на рисунке 3.14.

Рисунок 3.14 – Схема для определения зависимости уровня выходного сигнала смесителя от уровня сигнала гетеродинного

Построим графическую зависимость (см. рис. 3.15.)

Рисунок 3.15 – Зависимость уровня выходного сигнала смесителя от уровня сигнала гетеродина

Исследование показало, что уровень сигнала на выходе смесителя практически не изменяется при изменении уровня сигнала гетеродина, в отличие от схемы, приведенной на рисунке 3.12.

4. Исследование фазового детектора

Рассмотрим схему фазового детектора, приведенную на рисунке 4.1. Фазовый детектор собран на логическом элементе DD1 (исключающее или) и RC-фильтре нижних частот первого порядка.

Рисунок 4.1 – Функциональная схема фазового детектора

На вход фазового детектора поступает измерительный и опорный сигналы. На выходе DD1 формируются импульсы, длительность которых пропорциональна фазовому сдвигу входных сигналов (см. рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Осциллограммы сигналов в контрольных точках

RC-фильтр подавляет переменные составляющие и выделяет полезный сигнал в виде постоянного уровня [10]. На рисунке 4.3 приведена зависимость уровня сигнала на выходе фазового детектора от измеряемого расстояния (фазового сдвига) при частоте модуляции сигнала F=15 МГц.

Рисунок 4.3 – Зависимость уровня сигнала на входе фазового детектора от измеренного расстояния

Из рисунка видно, что данная зависимость носит периодический характер. При этом, возникает сложность расшифровки показаний из-за неоднозначности. Например, согласно рисунка 4.3, выходной сигнал с уровнем U = Umax/2 будет соответствовать расстояниям в 2.5 м, 7.5 м, 12.5 м и так далее [8].

Наиболее эффективным способом преодоления данного недостатка является выполнение дополнительного измерения при меньшей частоте модуляции. Если при этом уровень сигнала на выходе фазового детектора уменьшится пропорционально частоте, то это означает, что расстояние до объекта не превышает предельных 5 метров, иначе результат находится за пределами диапазона измерений и будет исключен.

Рассмотрим способ измерения разности фаз непосредственно микроконтроллером без использования АЦП и ФНЧ. Способ основан на измерении с помощью микроконтроллера длительности импульсов на входе DD1, периода T с последующим расчетом разности фаз по формуле:

Для измерений t и T используется интегрированный в микроконтроллер таймер. Так как здесь используется отношение (t/ T), то любые изменения частоты тактовых импульсов не будут влиять на точность измерений.

Рассмотрим блок-схему алгоритма определения разности фаз предложенным выше способом (см. рис. 4.4).

Рисунок 4.4 – Блок-схема алгоритма определения фазы с помощью микрокнтролера

На систему определения фазы подается два сигнала. В момент прохождения одного сигнала через ноль включается таймер. В этот интервал времени таймер начинает считать такты генератора импульсов. Когда второй сигнал достигнет нулевого значения – в таймере будет храниться число, соответствующее разности фаз эталонного и измеряемого сигналов, и произойдет сброс таймера. Это число используется для расчета разности фаз. При использовании AVR МК с тактовой частотой 16 МГц разрешение при измерении временных интервалов составляет 62,5 нс, что позволяет в 16 раз увеличить точность измерений относительно первого способа с АЦП [9].

Заключение

Основные научные выводы и результаты работе заключаются в следующем:

1. Выполнен анализ методов измерения расстояния. Рассмотрены преимущества и недостатки каждого из методов. Анализ показал, что наиболее подходящим методом для разработки лазерного дальномера является фазовый метод.

2. Сформулированы основные технические требования к лазерного дальномера.

3. В процессе выполнения проектной части были рассмотрены обобщенную структурную схему лазерного дальномера, а также были выделены проблемы, которые технически трудно реализовать – это обеспечение большого коэффициента усиления и трудности детектирования фазы для отраженного сигнала высокой частоты. Для преодоления этих проблем был использован метод прямого преобразования частоты измерительного высокочастотного сигнала с понижением к звуковой частоты. Информация о разность фаз при этом сохранилась. Также была разработана уточненная структурная схема и сформулированы требования к отдельным структурных узлов. Генераторов с прямым цифровым синтезом частоты позволяет оперативно изменять частоту модулирующего излучения, необходимо для преодоления недостатка фазового детектора, обусловленного неоднозначностью зависимости выходного сигнала от измеряемой разности фаз.

4. Выполнен расчет и моделирование селективного усилителя лазерного дальномера. Результаты моделирования хорошо подтверждают теорию.

5. Определение фазового сдвига между опорным и измерительным отраженным сигналами предлагается выполнять направления микроконтроллером, что позволяет исключить фильтр нижних частот и АЦП, повысить точность и обеспечить независимость результата измерений от частоты тактовых импульсов.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 года.