Аналитический обзор развития робототехники, оценка возможности применения для робототехнического зрения ПЗС-матриц

За последнее десятилетие в повседневной жизни человечества стали обыденными такие вещи как роботы пылесосы, автономные газонокосилки, различные Android(ы) способные к обучению (NOA). По статистическим подсчетам до 2025 года робототехника сделает громадный скачок и её объём вырастет более чем на сто процентов от нынешнего состояния робототехники в мире.

Россия в настоящие время стоит на этапе становления роботостроения и робототехники. Для привлечения общественности проводятся выставки и экспозиции роботов, которые достигнуты, как во всем мире, так и в России. Стоит отметить, что в последние годы для развития робототехники различные Российские фонды учредили множество грантов и стипендий для студентов и молодых ученых.

Проводятся соревнования по робототехнике, наиболее распространенными дисциплинами таких соревнований: робот следующий по линии, робот баскетболист, робот спасатель (МЧС), робот погрузчик, робофутбол и многое другое. Такие соревнования направлены на то, чтобы студенты и школьники заинтересовались такими вещами как роботостроение и робототехника. Развевали свои решения данной проблемы, старались, как то усовершенствовать и доработать уже имеющиеся решения.

Одной из проблем, которая встречается у робототехнических платформ, это позиционирование робота относительно каких-то линий, будь то границы игрового поля для робофутбола или специализированная разметка для определения места броска в робобаскетболе. Если для приведенных выше дисциплин актуальны довольно небольшие скорости, то для робота, следующего по линии скорость робота должна быть в разы больше порядка 1,5 м/с, а на соревнованиях международного уровня скорость достигает и 3 м/с.

Рассматриваются различные методы решения данной проблемы это:

-          Использование фотодатчиков (оптопары или набор из фототранзистора и светодиода одного спектрального диапазона).

-          Обработка видеосигнала.

-          Применение различных ПЗС матриц, таким может быть сенсор ADNS-2610 («используемый в оптических мышках» имеет небольшую встроенную ПЗС-матрицу, данные с которой позволят определять цвет поверхности под роботом).

Эти методы довольно эффективны и применяются для различных целей в робототехнике. Но для определения любого цвета поверхности отличного от черного необходимо использование четко настроенного на этот цвет фотодатчика с применение светофильтра. Если для этих целей использовать видеокамеру, то становится вопрос о громадных кодах по обработке видеосигнала и подборке контроллера, способного его обработать с высокой продуктивностью.

Небольшая ПЗС — матрица из оптической мыши со всей уверенностью способна справляться с данной задачей на высоком уровне, но тут возникают следующие проблемы:

-          Ухудшение качества изображения при увеличении расстояния от поверхности до матрицы (неровности поверхности).

-          Способность определения только черного цвета.

Альтернативное решение этой проблемы можно получить, используя принцип работы ПЗС технологии с высокой концентрацией пикселей на дюйм (линейка на принципе зарядовой связи). ПЗС — это технологии, которые начали развиваться вскоре после того, как был изобретен транзистор, а в 1970 г. был предложен и продемонстрирован экспериментально принцип зарядовой связи.

Впервые принцип ПЗС с идеей сохранять и затем считывать электронные заряды был разработан двумя инженерами корпорации BELL в конце 60-х годов в ходе поиска новых типов памяти для ЭВМ, способных заменить память на ферритовых кольцах. Эта идея оказалась бесперспективной, но была замечена способность кремния реагировать на видимый спектр излучения. Мысль использовать этот принцип для обработки изображений, получила своё развитие.

С 1970 г. ПЗС технологии широко шагнули вперёд и ныне приборы с числом элементов 4096×4096 и с квантовым выходом около 90 % уже не являются экзотикой. В настоящие время они используются во многих устройствах, которые мы используем в быту (цифровой фотоаппарат, видеокамера, оптическая мышь, различные сканеры).

К основным характеристикам ПЗС, стоит отнести их спектральные характеристики зависимость выходного сигнала от длины волны, или, что эквивалентно, на квантовом выходе — количество фотоэлектронов на один фотон падающего излучения.

В теории спектральную характеристику (СХ) ПЗС можно определить, по двум факторам:

1.         Прохождение света через электродную структуру

2.         Фотогенерация, вызванная поглощением света непосредственно в полупроводнике (внутренний квантовый выход).

Фотогенерацию вызывают только фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны — около 1,2 эВ (что соответствует длине волны чуть больше 1,05 мкм — это ближний ИК диапазон). Фотоны с большей длиной волны просто не поглощаются и соответственно не дают вклада в выходной сигнал, а длина ~1,05 мкм оказывается красной границей фотоэффекта в кремнии. При уменьшении длины волны коэффициент поглощения постепенно растёт; так, при l = 1 мкм свет затухает в е раз на 100 мкм, при l = 0,7 мкм (красный цвет) — на 5 мкм, а при l = 0,5 мкм (зелено-голубой) — на 1 мкм.

Пропускание света электродной структурой предполагает, что свет, попадает в полупроводник, проходя через несколько слоёв, которые имеют различные оптические характеристики. Так что неизбежна интерференция падающего света, однако толщина этих слоёв соизмерима с длиной волны. Далее поликристаллический кремний, из которого сделаны электроды, совершенно не прозрачен в области длин волн до 430–450 нм (синий и фиолетовый цвета).

Существует две основные технологии светочувствительных элементов основанных на принципе зарядовой связи это:

-          CCD — представляет собой полоску светочувствительных элементов

-          CIS «Contact Image Sensor»

Работа по CCD принципу.

Каретка движется по специальным желобам и в процессе её движения, свет от лампы отражается от сканируемого носителя и проходя через сложную систему зеркал и линз, поступает на светочувствительные элементы, которые формируют элемент изображения в данном положении. После того как каретка проходит под всем носителем сканер составляет общую картину из последовательно «сложенных» элементов — изображение носителя. Преимущества и недостатки характеристик CCD технологии над CIS технологией приведены в табл. 1.

CIS — технология осуществляется следующим образом.

Каретка небольших габаритов (Рис1), установленная на желоба в которой содержится линейка одинаковых фотодатчиков, которые расположены по всей ширине рабочего поля сканирования, непосредственно воспринимающих световой поток от оригинала.

Рис. 1. Чертёж сканера основанного на CIS принципах

Принципиальное преимущества этого принципа отсутствие зеркал, преломляющих призм и объективов.

Таблица 1

Charge — Coupled Device и Charge — Coupled Device таблица сравнений.

Исходя, из вышесказанного подведем итоги:

1.         Изучение спектральной характеристики ПЗС-матрицы или ПЗС-линейки, позволит четко и с высокой скоростью выделять одну определенную спектральную линию, не используя дополнительных светофильтров.

2.         Компактность и отсутствие дополнительного питания, системы зеркал и объективов у CIS сканеров позволит использовать их для движения, с высокими скоростями сохраняя малые габариты робототехнической платформы.

3.         Высокая концентрация фоточувствительных элементов расположенных в ряд позволяет наиболее точно определять сход с линии, даже на малейшее расстояние.

4.         Наличие встроенной подсветки предполагает отсутствие внешних надстроек в виде светофильтров.

В дальнейшем планируется глубокое изучение СХ ПЗС линеек, разработка оптимальной схемы подключения к микроконтроллеру с целью обработки получаемой информации. Написание программы и библиотек для оптимизации кода в различных средах разработки (arduino, CooCox и др).

Литература:

1.         http://shop.robotslab.com/products/nao-h25

2.         Основные характеристики ФПЗС: http://studopedia.net/2_38790_osnovnie-harakteristiki-fpzs.html

3.         Сканеры: виды, устройство, принципы работы: http://xreferat.ru/33/3979–2-skanery-vidy-ustroiystvo-principy-raboty.html

4.         Разрешающая способность планшетного сканера: http://texttotext.ru/laboratornaya-rabota/laboratornaya-rabota-4/page-3.html

5.         http://www.videoton.ru/Articles/HDTV/1080i.html