Параметры телекамеры системы технического зрения с приводом наведения по углу места и курса Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 629.7.018

Т.А. Акименко, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-66-95, tantan72@mail.ru, О.Ю. Горбунова, асп., (4872) 41-29-84, oygor@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

ПАРАМЕТРЫ ТЕЛЕКАМЕРЫ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ С ПРИВОДОМ НАВЕДЕНИЯ ПО УГЛУ МЕСТА И КУРСА

Рассматривается связь параметров системы технического зрения с параметрами движения относительно наблюдаемого объекта.

Ключевые слова: система технического зрения, привод наведения, видеокамера, фотоэлектронный преобразователь, подвижное основание.

Существует несколько принципиально различных схем систем технического зрения (СТЗ), расположенных на подвижном основании, что отражено в классификации, приведенной на рис. 1. [1, 2].

Обширный класс объектов подобного типа составляют системы, у которых фотоэлектронный преобразователь, объектив и другие оптические детали жестко закреплены на подвижном основании, вращаемом автоматизированным приводом.

Приводы, установленные на подвижном основании, должны обеспечивать высокую точность отработки угловых колебаний. Такие автоматизированные приводы относятся к классу следящих систем.

Привод наведения по углу места и курса предназначен для слежения за объектами, перемещающимися в пространстве, например в системах управления манипуляторами, в системах управления металлорежущими станками, в системах управления объектами вооружения и т.д.

К таким СТЗ относятся, например, информационно-измерительные системы контроля размеров, или видеокамеры технологических роботов, располагаемые непосредственно на манипуляторе. Жесткое закрепление телекамеры на исполнительном устройстве в этом случае позволяет более точно определять его местоположение в пространстве при выполнении технологических операций, таких, например, как сварка, сборка, установка деталей и т.п. В поле зрения телекамеры подобных систем, как правило, включаются контрастные предметы, позволяющие производить привязку линии визирования, неподвижной относительно манипулятора, к системе координат технологического пространства манипулятора [1,3-7]. Наличие в конструкции элементов, нарушающих жесткость сочленения манипулятора и телекамеры, приводит к повышению порядка системы дифференциальных уравнений, описывающих перемещение камеры в пространстве. В конечном итоге это приводит к усложнению алгоритма позиционирования рабочего органа робота.

Другой тип систем, жестко установленных на подвижном основании [1,3,5], представляют системы для обзора пространства, в частности, панорамные и купольные. Подвижное основание (турель) позволяет сущест-

венно расширить поле зрения телекамеры, обеспечивая при этом жесткую ориентацию положения главной оптической оси к неподвижной (чаще -земной) системе координат. В панорамных системах обеспечивается механический разворот телекамеры в одной из плоскостей, например, по углу азимута, на величину ±180°. В купольных системах осуществляется разворот по углу азимута на величину ±180°, а по углу места - на величину 0...90°, что позволяет производить обзор полусферы пространства [6,7].

Системы технического зрения с приводом

наведения по углу места и курса, расположенные на подвижном основании

Жестко установленные системы

Измерение положения основания в пространстве

Панорамные и купольные системы обзора

Системы с амортизацией

Пружины

Рессоры

Торсионы

Прокладки

Пневмо-гидро-цилиндры

Системы с демпфированием

Сухое трение

Вязкое трение

Жидкостное

Магнитоди-намическое

Гироскопическое

Системы со стабилизацией

Стабилизация оптического прибора

Стабилизация

линии визирования

Стабилизация изображения

Гирооптичес-кие приборы

Рис. 1. Классификация систем, расположенных на подвижном основании

Основными параметрами СТЗ, определяющими ее свойства, являются поле зрения объектива 2w0, фокусное расстояние объектива и количество элементов в матрице ФПЗС Иу х (рис. 2).

Считаем, что фоточувствительные элементы расположены в матрице без пропусков и шаг расположения элементов по координатам У и 2 одинаков и равен размерам элемента Д

Размеры фоточувствительной матрицы

УССБ х 2ссб =вИу хвИг. (1)

Поле зрения объектива определяется по диагонали матрицы:

2? •

2и>0 = 2агс^-

(2)

Рис. 2. Основные параметры системы технического зрения

Поля зрения некоторых объективов, фокусные расстояния и их относительные отверстия приведены в таблице.

Параметры некоторых типов объективов, используемых в С

Объектив Таир-3 Ю-б Ю-11 И-24М Ю-9 Гелиос-44 И-63 И-58

2м>0, град 8 14 19 23 29 40 50 60

А мм 300 180 135 105 85 58 45 75

Отн.отв. 1:4,5 1:2,8 1:4 1:3,5 1:2 1:2 1:2,8 1:3,5

Если главная оптическая ось проходит через центр матрицы, отстоящий от краев на х /?Л^)/2 м, координатами фоточувствительного элемента считается точка, связанная с его геометрическим центром, и отстоящая от его крана расстояние /3/2 х /3/2, то угловое расстояние поля, из которого наблюдается тп-й фоточувствительный элемент, до главной оптической оси равно

N2-1

р

< лу-р2 ' ,л2

у/т X Зт = агс1§-

т

Р

п

хап^-

V

(3)

Г Г

Угловые размеры поля, которое наблюдается через объектив из тп-го фоточувствительного элемента,

VcCDm х $CCDn =

в

arctg-

Ny m--— +1

v

в

У

f'

- arctg-

m -

N

y

f'

х

х

в

n -

NZ л —^ +1

в

n -

NZ

arctg

f'

arctg

f'

(4)

Согласно (4) угловые размеры полей уменьшаются от центра к периферии, что порождает аберрации СТЗ. При малых углах Тж0 изменение угловых размеров полей можно считать незначительным. При оценке параметров СТЗ целесообразно считать, что угловые размеры полей для центральных и периферийных фоточувствительных ячеек одинаковы и равны

WcCDm х &CCDn = J XJ = const •

(5)

Условия наблюдения точки при линейных вертикальных колебаниях Пусть наблюдается точка Z, находящаяся на расстоянии x^ м от входного зрачка объектива. Если платформа с СТЗ совершает вертикальные колебания с амплитудой zO max, то проекция точки на плоскость YO Z совершает колебания с амплитудой

zO max f

A

Zz

x

(6)

Количество ячеек, которые при этом проходит изображение точки определяется зависимостью

2 zO max f

nZz =

Jxc

(7)

Если колебания являются гармоническими с круговой частотой i2z, то максимальная скорость перемещения изображения точки по плоскости фоточувствительных ячеек равна

zO max f ^ z

AZz =

x

(8)

а максимальная величина динамической апертуры при времени накопле ния заряда т равна

2 zO max f zT

в&

Zz

x.

(9)

Очевидно, размеры динамической апертуры зависят от дальности до наблюдаемой точки. При увеличении дальности размеры динамической

апертуры уменьшаются. На рис. 3 показаны графики зависимости размеров динамической апертуры от расстояния до наблюдаемой точки.

Пусть платформа с установленной СТЗ совершает вертикальные гармонические линейные колебания с амплитудой 0,02 м и частотой 1 Гц.

о

Пусть фокусное расстояние объектива равно 58-10' м, фоточувствительный элемент ФПЗС имеет размеры 13-10'6 м, а время накопления заряда равно 0,02 с. Точка ^наблюдается на расстоянии 50 м. Тогда при колебаниях платформы проекция точки С, будет проходить за один период колебаний около 4 ячеек, а размеры динамической апертуры ФПЗС будут равняться 6,8 • 10"6 м, что сопоставимо с размерами фоточувствительной ячейки. Следовательно, параметры такого движения необходимо учитывать при конструировании СТЗ.

Рис. 3. Зависимость размеров динамической апертуры от расстояния до наблюдаемой точки при линейных колебаниях платформы

Условия наблюдения точки при угловых продольных колебаниях Если платформа с установленной СТЗ совершает продольные утло-

г

вые колебания с амплитудой то проекция точки на плоскость УО! совершает колебания с амплитудой

= «Япах/' • (Ю)

Количество ячеек, которые при этом проходит изображение точки, определяется зависимостью

23 Г

— _ -^шах./ /1 1\ ---• (И)

Если колебания являются гармоническими с круговой частотой Д9, то максимальная скорость перемещения изображения точки по плоскости фоточувствительных ячеек

А29 = ^тахАЪ > О2)

а максимальная величина динамической апертуры

ßZ3 = 2^max f (13)

Пусть платформа с установленной СТЗ совершает продольные угловые гармонические линейные колебания с амплитудой 0,02 рад и частотой 1 Гц. При тех же параметрах СТЗ проекция точки ^за период колебаний будет проходить около 178 ячеек, а размеры динамической апертуры будут равняться 291 мкм, что на два порядка больше размеров фоточувствительной ячейки. Следовательно, подобные колебания при конструировании СТЗ необходимо подавлять в 102 раз.

Условия наблюдения точки при угловых поперечных колебаниях

В наихудшем для угловых поперечных колебаний случае точка Z должна проецироваться на левый (правый) край плоскости элементов, а ФПЗС должен быть сориентирован таким образом, что его большая сторона должна располагаться вдоль оси Y.

Если платформа с установленной СТЗ совершает поперечные угловые колебания с амплитудой ^max, то проекция точки на плоскость YO Z совершает

Azy = Ymax YCCD2 ~ß . (14)

Количество ячеек, которые при этом проходит изображение точки, определяется зависимостью

nZr = rmax(YcßD -ß) . (15)

Если колебания являются гармоническими с круговой частотой QY„ то максимальная скорость перемещения изображения точки по плоскости фоточувствительных ячеек

Az&Y = Ymax , (16)

а максимальная величина динамической апертуры

ßZу = Ymax^(YccD -ß). (17)

Если платформа с установленной СТЗ совершает поперечные угловые гармонические линейные колебания с амплитудой 0,05 рад и частотой 1 Гц, а размеры матрицы составляют 640 х 480 элементов, то проекция точки ^за период колебаний будет проходить около 32 ячеек, а размеры динамической апертуры будут равняться 52 мкм, что в четыре раза больше размеров фоточувствительной ячейки. Следовательно, подобные колебания при конструировании СТЗ необходимо подавлять в 4 раза.

Таким образом, наиболее критичными параметрами движения платформы МКР с точки зрения влияния на качество изображения, являются ее угловые продольные и поперечные колебания. При этом следует отметить,

что как средства амортизации, так и средства демпфирования предназначаются для погашения линейных вертикальных колебаний. Поэтому продольные и поперечные угловые колебания при проектировании СТЗ необходимо компенсировать дополнительно.

Условия наблюдения точки при маневрах по углу курса

Если МКР совершает маневры, при которых угол курса меняется со скоростью ц, то размеры динамической апертуры определяются зависимостью

Руц = ¥/ Т. (18)

Скорость изменения угла курса ц пропорциональна продольной скорости МКР и углу поворота направляющих колес относительно корпуса МКР. Движение по данной координате является управляемым, если во время движения производится съемка местности, то можно рекомендовать уменьшение скорости или угла поворота направляющих колес. Поэтому возможность компенсации «смаза» по горизонтали в настоящей работе не рассматривается.

Условия наблюдения точки при продольном движении МКР

Пусть точка £ наблюдается под углами места и курса ц и при этом МКР движется относительно точки ^со скоростью х^. Тогда составляющие и скорости проекции точки на плоскость расположения фотоэлементов ФПЗС определяются по зависимости

гс = -/¿с = -/'%- зс. (19)

Xх^

Отметим, что скорость перемещения проекции точки по экрану тем выше, чем дальше проекция от центра. Кроме того, при приближении самой точки ко входному зрачку объектива скорость перемещения ее проекции по экрану также возрастает. Наибольшая скорость достигается на краях поля зрения СТЗ (ряды нулевой и А2-й, столбцы нулевой Ау-й) для близко расположенных по координате х^ точек. С учетом (19) динамическая апертура

в'у = ; ра = ^^. (20)

2 х^ 2 х^

Движение по данной координате также является управляемым.

Таким образом, определена связь параметров СТЗ со следующими параметрами движения камеры относительно наблюдаемой сцены:

- размерами амплитуды и частоты колебаний по линейной координате г

- размерами амплитуды и частоты колебаний по угловой координате 3;

- размерами амплитуды и частоты колебаний по угловой координате J;

- скорости маневра по углу у;

скорости наезда на сцену по координате х.

Список литературы

1. Оптоэлектронные и электронно-оптические информационные устройства и системы / В.И. Осадчий [и др.]; под ред. В.И. Осадчего и А.А. Яшина. Тула: ТулГУ, 1999. 291 с.

2. Родионов В.И. Системы гироскопической стабилизации оптического изображения: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 154 с.

3. Катыс Г.П. Обработка визуальной информации - М.: Машиностроение, 1990. 320 с.

4. Акименко Т.А., Лучанский О.А. Модели механического воздействия на транспортируемую аппаратуру // Системы управления электротехническими объектами: сб. трудов 41-й Всероссийской научно-технической конференции СУЭТО-4. Тула: ТулГУ, 2007. С. 27 - 30.

5. Бабаев А.А. Амортизация, демпфирование и стабилизация бортовых оптических приборов. М.: Машиностроение, 1984. 232 с.

6. Бурдаков С.Ф., Стельмаков Р.Э., Мирошкин И.В. Системы управления движением колесных роботов. СПб.: Наука, 2001. 227 с.

7. Ривкин С.С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании. М.: Наука, 1978. 320 с.

O. Gorbunova, T. Akimenko

Parametr video camera of technical vision system with drive of aiming on corner of place and course

Communication of parameters of system of technical sight with parameters of movement concerning observable object is considered.

Keywords: technical vision system, aiming drive, a video camera, the photo electronic converter, the mobile basis.

Получено 06.07.10