-------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  Александр Павлович Барсуков
|
|  Кто есть кто в робототехнике. Выпуск I. Компоненты и решения для создания роботов и робототехнических систем
 -------

   Александр Павлович Барсуков
   Кто есть кто в робототехнике
   Выпуск I
   Компоненты и решения для создания роботов и робототехнических систем


   Введение

   Этот идиллический пейзаж (рис. 1) из каталога фирмы FLIR Systems отразил тенденции развития робототехники. Хотя, строго говоря, робот здесь всего один – беспилотный самолёт. Но всё остальное насыщено элементами робототехники и вбирает такие её свойства, как мобильность, скоординированность действий, многосенсорность (на рис. 2 – шкала электромагнитных колебаний, на всё большем протяжении участков которой работают сенсоры роботов), умение ориентироваться в пространстве.
   Рис. 1

   Рис. 2

   Одно из характерных направлений исследовательской деятельности сегодня – единая среда навигации Universal Location Framework, в разработке которой ключевую роль играет исследовательское подразделение корпорации Intel. Оснащение вычислительных платформ, таких как карманные устройства и ноутбуки средствами определения местоположения позволяет создать среду для разработки множества новых моделей использования вычислительного оборудования. Каждая из этих новых моделей открывает возможность увеличения размеров всемирной беспроводной экосистемы. В корпорации Intel платформы, способные получать и использовать информацию о местоположении, называют «вычислительными системами для обработки информации о местоположении» (Location-Aware Computing, LAC).
   После того как Федеральное управление связи США постановило, что каждый сетевой оператор обязан внедрить технологию Enhanced 911 (Е-911) для повышения надежности и эффективности работы скорой помощи, внимание отрасли к услугам на основе информации о местонахождении (Location-Based Services, LBS) значительно выросло. Даже модели, позволяющие получить не совсем точные данные о местонахождении – с погрешностью 15–30 метров – представляются весьма ценными и для разработчиков и для пользователей.
   Текущая ситуация в области услуг на базе информации о местоположении характеризуется наличием множества технологий определения местоположения. В настоящее время среди технологий определения местоположения можно выделить хорошо известные: такие как системы глобального позиционирования (GPS) и триангуляции (клеточного разбиения) в сотовых сетях с использованием технологии Enhanced Observed Time of Difference (E-OTD) и новые технологии, например, на основе сигналов цифрового телевидения (DTV), ультраширокополосной связи (UWB) беспроводных локальных сетей (Wi-Fi) и так далее. Все эти технологии можно условно отнести к двум группам: на основе сетей и на основе устройств. Их также можно разделить с точки зрения среды применения, например, в помещениях или на открытом пространстве.
   Различные среды требуют различных способов определения местоположения. Почему существует так много различных технологий определения местоположения? В частности потому, что существуют различные среды, в которых этим платформам приходится определять местоположение. Поскольку каждая из систем предназначена для использования в определенной среде, единая платформа, способная работать во всех средах, должна поддерживать целый набор технологий. К примеру, если нужно найти местоположение пользователя внутри здания, платформа может воспользоваться технологией, показывающей наилучшие результаты в помещениях, например, средствами беспроводной сети. С другой стороны, когда тот же пользователь выходит на улицу и желает узнать, в каком направлении находится интересующий его пункт, платформа может использовать систему GPS. Более того, иногда даже важно знать, что двое людей находятся не в разных комнатах, а в одной.
   Существуют следующие ограничения для технологий определения местоположения:
   • GPS (радиочастотная технология). Данные о местоположении – абсолютные. Точность 1–5 м, 95 %. Недостатки – низкие результаты внутри зданий.
   • E-OTD (радиочастотная технология). Данные о местоположении – абсолютные. Точность 150–300 м, 95 %. Недостатки – необходимость находиться в зоне покрытия сети сотовой связи.
   • Средства беспроводной сети (радиочастотная технология). Данные о местоположении – относительные. Точность 100 м. Недостатки – в основном подходит для использования в помещениях.
   • RFID (пассивная технология). Данные о местоположении – относительные. Недостатки – приблизительность.
   Разнообразие этих показателей и различные модели использования заставляют сделать вывод, что не существует единой наилучшей технологии позиционирования, обеспечивающей конечному пользователю оптимальный результат во всех возможных средах и ситуациях. Однако во многих случаях «единая наилучшая технология» и не требуется. В качестве альтернативного решения можно объединить или агрегировать информацию о местоположении, собранную с помощью всех этих технологий, и дать единую, наилучшую оценку местоположения на базе данных, полученных от всех технологий позиционирования, существующих на данный момент. Именно для этого и предназначена среда Universal Location Framework.
   Различные системы определения местоположения представляют выходные данные в разных форматах с различными уровнями разрешения и точности. Тем не менее, можно выделить несколько основных принципов измерений.
   • Существуют фундаментальные методы измерения.
   • Существуют стандартные способы комбинирования результатов измерений.
   • Существуют стандартные взаимосвязи между объектами.
   • Приложения связаны с деятельностью пользователей.
   • Важно учитывать степень неточности результатов.
   Исследователи воспользовались методами, применяемыми в статистике и в системах компьютерного зрения, чтобы объединить результаты измерений, учитывая при этом степень их неточности (модель произвольного распределения вероятностей) при помощи метода, известного как «фильтрация частиц».
   Объединение технологий важно не только для того, чтобы клиент мог пользоваться несколькими технологиями определения местоположения, но и чтобы он мог легко переключаться от одной технологии к другой при переходе из одной среды в другую. Таким образом, одновременная поддержка нескольких технологий позиционирования необходима для того, чтобы платформа могла надежно, точно и осмысленно передавать приложениям информацию о местоположении. К примеру, представьте себе пользователя, входящего в здание. Находясь снаружи, он получает информацию о местонахождении при помощи GPS-приемника. Внутри здания этот приемник уже не может получать информацию с GPS-спутников. Но платформа оснащена интерфейсом доступа к беспроводной сети, который позволяет получать информацию на основе данных о силе сигнала, поступающего на несколько базовых станций беспроводной сети. Единственное изменение, которое «ощутит» приложение, – это изменение степени точности получаемой информации о местоположении. Но благодаря гладкому переходу к беспроводной сети никаких перерывов в поступлении информации о местоположении не происходит.
   С помощью этой информации пользователь может получить услуги – найти, где находится ближайший принтер, свободный конференц-зал, доступная рабочая станция, точка общественного питания или ресторан, заправка и т. п. Например: платформа выдает карту здания и маршрут движения в конференц-зал на 32-м этаже в северо-восточном крыле здания, где назначена встреча. А поскольку сегодня создаются мобильные роботы для путешествия внутри зданий, мы в нашем справочнике рассмотрим различные принципы работы их навигации.


   Глава 1
   Ориентирование робота в пространстве и распознавание окружающей среды


   1. Самонаведение, основанное на безотносительном (абсолютном) местоположении

   (по книге Joseph L. Jones «Robot Programming» – рис.1.1)
   Рис 1.1

   Системы, в основе работы которых лежат реакции на окружающую обстановку, часто используются, чтобы выполнить задачи, для решения которых доступна только «местная» информация. Из-за этого может сложиться впечатление, что такие системы испытывают трудности с подключением к «глобальной» информации. На самом же деле системы, реагирующие на окружающую обстановку, могут в полном объёме оперировать и глобальной информацией. Проблема в стоимости информации: если создатель робота согласен оплатить полноценную систему позиционирования, программное обеспечение реагирования робота сможет успешно использовать получаемые данные.
   Ряд коммерческих навигационных систем способны предоставить всестороннюю информацию для позиционирования. Сюда входят устройства, которые используют звуковые маяки или оптические маяки, или устройства, которые используют лазерные сканеры – одни или в комплексе с закодированными целями, установленными в окружающей среде робота. Система, которая знакома большинству людей, – глобальная система позиционирования GPS.
   Рассмотрим применение GPS в «уличном» роботе (GPS хорошо работает только в пространстве под открытым небом). GPS приемник постоянно вычисляет широту и долготу на основе параметров сигналов, полученных от группировки специальных спутников. Как использовать такую информацию, чтобы довести своего робота к определённому месту назначения?
   Для простоты предположим, что наш GPS приёмник оперирует информацией о местоположении относительно данного исходного пункта в форме «XY» (рис. 1.2). Координаты местоположения точки, к которой роботу необходимо двигаться – (Xg, Yg), а текущие координаты робота, снабженного GPS приемником – (Xr, Yr). Вычитание координат показывает, насколько робот должен изменить своё текущее положение (ΔХ, ΔY), чтобы достичь расположения цели. Таким образом, ΔХ = Xg – Xr, и ΔY = Yg – Yr.
   Рис. 1.2. Это исходное положение робота, использующего информацию, обеспеченную системой позиционирования. За основу для вычисления курса берётся безотносительное (абсолютное) местоположение робота и цели. Электронный компас (увеличенный вид компаса – слева) позволит роботу следовать найденным курсом

   Мы используем систему координат, привязанную к географии Земли, как показано на рисунке, с осью X, направленной на север. Чтобы достичь точки расположения цели, мы должны сделать возможным движение робота по курсу под углом Θ относительно оси X. Элементарная тригонометрия сообщает нам, что угол, под которым мы должны двигаться, определяется из арктангенса изменений в положении «X» и «Y», то есть: Θ = tan -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


(ΔY/ΔX).
   Недостаточно знать только абсолютную позицию нашей цели и абсолютную позицию робота; мы должны также знать направление движения робота. Знание о направлении и величине поворота является сущностью самонаведения: требуемый поворот в движении есть разница между курсом, которым робот в настоящее время следует и курсом, по которому мы хотим, чтобы робот следовал.
   GPS обеспечивает информацию о местоположении, но непосредственно не дает нам курс робота. Электронный компас поможет заполнить этот пробел. Чтобы направиться к цели, робот поворачивается до тех пор, пока курс, обозначенный компасом, не будет соответствовать требуемому курсу. Робот продолжает раз за разом «консультироваться» с GPS приемником по поводу безотносительного местоположения, вычисляя курс от абсолютных координат местонахождения цели: вычисляет требуемый курс, поворачивается по направлению к цели и продвигается, сокращая расстояние между собой и целью.
   Итак, мы справились с проблемой перемещения нашего робота точно к месту и хотим его туда направить? Не совсем. Прежде, чем мы сможем успешно использовать информацию об абсолютном местонахождении, необходимо победить еще одного злодея, который затаился в засаде, готовый наказать новичков. Имя злодея – разрешение. Смотрим рис. 1.3.
   Рис. 1.3. Заманчиво воображать, как показано на «а», что система позиционирования установит таблицу координат и, по мере того как наш робот путешествует, система позиционирования будет сообщать ему, которую из ячеек таблицы он занимает. К сожалению, разрешение (также как шум и другие ошибки) ограничивает способность любой системы позиционирования функционировать таким образом. Если разрешение нашей системы позиционирования – R, то при ограничении разрешения будут сомнения в любом измерении координат, сообщенном системой, по крайней мере, на величину ± R. Это означает, что в отличие от координат пикселя на экране компьютера, координаты робота, вычисленные системой позиционирования, можно воспринимать только как предположительные. Пример этого показан в форме чисел на «b». Когда робот занимает определённую ячейку таблицы координат в реальном мире, система позиционирования может сообщить, что робот находится в другой ячейке. То, как ячейки словно блуяздают в разные стороны от их фактических положений, показано на «с» – и они блуяздают непрерывно. Безотносительное позиционирование робота построено на этой сомнительной основе.

   Каждая система позиционирования может точно измерить местоположение до некоторого минимума расстояния, но никак не меньше. Например, вы можете использовать линейку длиной в ярд, чтобы измерить расстояние всего в 1/16 дюйма. Но вы не можете использовать эту линейку, чтобы измерить толщину листа бумаги. Такие маленькие расстояния меньше предела разрешения данной линейки. Аналогично, вы не можете использовать одометр вашего автомобиля, чтобы измерить диаметр баскетбольного мяча. И так же за пределами своего разрешения ни одна система позиционирования не выдаст значащую информацию. Таким образом, первый вопрос к любой системе позиционирования – каково её разрешение?
   В зависимости от обстоятельств, предел разрешения обычного GPS приемника часто не лучше порядка 10 метров. (Хотя прибор может сообщать о своём местоположении до милиметра, цифры на дисплее есть ложная точность, так как они не последовательны во времени.) Предположим, что мы пытаемся использовать такой приемник (наряду с электронным компасом), чтобы указать роботу путь в соответствии с безотносительным местоположением. Мы используем следующую программу «нацеливания» на требуемое XY-местоположение, выраженное как Dest_vec.

   Поведение Home_GPS
   Loc_vec = get_GPS_xy () // GPS выдаёт текущий вектор местоположения
   Disp_vec = Dest_vec – Loc_vec // Вектор смещения (displacement) к месту назначения (destination)
   Dist = magnitude(Disp_vec) // Расстояние (distance) до места назначения
   Theta = arctan_vec (Disp_vec) // Вектор смещения определяет требуемый курс
   Heading = Get_compass_heading () // Получите от компаса фактический курс робота
   If (Dist ≠ 0) // Мы достигли места назначения?
   Rotation = gl * (heading – theta) // Рассчитайте параметры поворота
   Translation = g2 * Dist // Рассчитайте скорость перемещения
   end if
   end Home_GPS

   Что случится, когда робот поведёт себя именно так? Если его движение моделировать на компьютере, Home_GPS заставит виртуального робота повернуться к точке назначения, движение пойдёт гладко, и всё закончится, когда робот достигнет точного места, указанного Dest_vec. Но, управляющий физическим роботом в реальном мире, Home_GPS не сможет достичь места назначения. Вместо этого, чем больше робот будет приближаться к цели, тем более растерянным он начнёт казаться.
   Пока он далёк от цели, физический робот ведет себя почти таким же образом, как его виртуальный собрат, перемещающийся целенаправленно к месту назначения. Но когда робот прибудет в зону в пределах 10–20 метров от цели, предел разрешения GPS системы вызовет хаос в системе управления поворотно/поступательным движением, описанной выражением Home_GPS.
   В какую-то секунду прибор GPS может сообщить роботу, что он находится именно в той самой ячейке таблицы, которая и есть место назначения. Но в следующую секунду прибор сообщит, что робот находится в ячейке слева и поэтому должен развернуться на 90° вправо, а еще в следующую секунду – что робот находится в ячейке справа от цели и должен обернуться на 90° влево.
   Чтобы покончить с замешательством робота, мы должны сначала умерить нашу настойчивость в том, что робот сведёт свою ошибку позиционирования (или расстояние до цели) к нулю. То есть мы должны установить «мертвую зону» в системе управления вокруг Dist = 0. Мы заменим утверждение if (Dist ≠ 0)… на if (Dist > Thresh)…. Теперь робот будет сам решать: находится ли он достаточно близко от цели и может ли завершить самонаведение – когда прибудет в зону погрешности возле цели. Значение погрешности определяется пределом разрешения GPS системы. Как правило, определяется это значение экспериментально. Практические значения могут оказаться больше, возможно в несколько раз, предела разрешения.
   Чтобы надежно приблизиться к цели ближе, чем описано выше, надо купить систему позиционирования с лучшим разрешением. Но, к сожалению, абсолютные системы позиционирования с высоким разрешением, которые работают по большой области, имеют свойство быть очень дорогими. По этой причине маленькие роботы стараются быть умнее при своём позиционировании. Прямой подход просто стоит слишком дорого.
   Примечание: можно одолеть проблему разрешения с помощью усреднения. Если робот остаётся неподвижным в некотором положении какое-то время, это положение составит среднее от изменяющихся позиций, сообщенных системой позиционирования. То есть будет получаться все более точное значение истинной позиции робота (при условии, что ошибки скорее носят случайный характер, чем систематический). Один стационарный приемник, который делает усреднение, чтобы определить истинное местоположение, посылает корректировки позиции мобильному GPS приемнику на роботе. Но решение путём усреднения не свободно от недостатков; его осуществление требует, либо чтобы робот двигался медленно, либо чтобы мы купили более дорогую систему, включающую два GPS приемника, вычислительные аппаратные средства и локальные передатчик/приемник, чтобы сообщать корректировки роботу.
   Рис. 1.4. Пример GPS-приёмника, предлагаемого на российском рынке (еще один пример приёмника, встроенного в модуль GSM/GPRS будет в главе о беспроводной передаче данных): LS-40EB (рис. 1.4). Это 12-канальный GPS-приёмник.

   Его характеристики:
   • количество временных последовательностей поиска: 4000;
   • чувствительность обнаружения сигнала, дБм: (-)137;
   • чувствительность слежения, дБм: (-)145;
   • точность определения СЕР, м: 5;
   • рабочие пределы:
   – высота, м: до 18000;
   – скорость, м/с: до 515;
   • питание, В: 3.3;
   • потребляемый ток, мА: 67-90;
   • размеры, мм: 43x31x6;
   • вес, г: 10.


   2. Примеры роботов, функционирование которых обусловлено наличием средств ориентирования в пространстве

   На рис. 1.5 – авиаробот, который с помощью встроенных средств навигации совершает автономный полёт по запрограммированному маршруту с высокой точностью (подробнее см. журнал «Радиолюбитель» № 1–2 за 2005 г.).
   Рис. 1.5

   На рисунках 1.6, 1.7, 1.8 – роботы, также нуждающиеся в разнообразных системах навигации, которые могут быть построены на основе различных сенсоров, или датчиков (примеры некоторых датчиков приведены в таблице 1.1).

   Рис. 1.6. «Танец» мобильных роботов, Россия

   Рис. 1.7. Мобильный робот, Россия

   Рис. 1.8. Робот-пылесос, Россия

 //-- Таблица 1.1 --// 



   3. Датчики, реагирующие на воздействия окружающей робота среды

   Датчики сведены в таблице 1.1. Примечание: на рис. 1.9 – частотная (кГц) характеристика датчиков MA40B8R и MA40B8S.
   Рис. 1.9

   Более подробно об универсальном многофункциональном датчике российского производства (рис. 1.10) – измерителе линейного ускорения и угловой скорости ИЛУС-03.
   Рис. 1.10

   Он осуществляет измерения и регистрацию проекций векторов линейного ускорения и угловой скорости подвижного объекта на его ортогональные направления (оси).
   Предназначен для использования в системах:
   • регистрации дорожно-транспортных происшествий (ДТП) с восстановлением траектории автомобиля на интервале 15 с до происшествия и 3 с после него;
   • отработки и совершенствования техники спортсменов в таких видах спорта, как прыжки в воду, гимнастика, акробатика, фигурное катание;
   • управления движением сказочных существ при их «оживлении» в кинематографе и аттракционах.

   Технические характеристики:
   • диапазон измерения углов поворота, угл. град: ± З60xn;
   • скорость углового разворота, угл. град./с: 5-5000;
   • диапазон измерения линейных ускорений, м/с -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


: 0-20 (0-400);
   • погрешность измерений линейных ускорений, не более, м/с -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


: 0,02 (0,4);
   • погрешность измерений угловой скорости, не более, угл. град/с: 0,1 (5);
   • время накопления информации на временном интервале, с: до 100;
   • время выдачи информации по запросу, с: до 5;
   • время восстановления информации по предельному случаю, с: до 100;
   • форма представления информации: цифровая;
   • диапазон рабочих температур, °С: от -40 до +50;
   • напряжение питания, В: 7-9;
   • потребляемая мощность, Вт: 1;
   • габаритные размеры, мм: 50x50x50;
   • вес, кг: 0,2;



   Глава 2
   Электронное зрение роботов


   Электронное зрение роботов обладает той особенностью, что может работать не только в реальном времени, но и в «отсроченном» режиме: в частности, когда в массиве видеоизображений система поиска находит искомую видеозапись какого-то события. Поиск объекта среди других средствами компьютерного зрения – тоже навигация, только зрительная. Возьмём из предыдущей главы пример с GPS-навигацией, когда робот, достигнув «мёртвой зоны» радиусом 10–20 м, до цели всё же не доходит. Тогда ему на помощь должно придти зрение, с помощью которого он распознает цель. Пример такой технологии приводится ниже. Она не предназначалась для установки в мобильном роботе, но хорошо поясняет критерии распознавания. Кроме того, подобно описанной в предыдущей главе технологии удалённой GPS-корректировки, она тоже может быть инкорпорирована в стационарный вычислитель, и робот будет обмениваться данными по радиоканалу с централизованным видеоархивом в процессе распознавания.


   1. Excalibur: технология распознавания видеоизображений

   Эффективность данной системы обусловлена применением в ней как традиционной для фирмы Excalibur Technologies технологии нечёткого поиска APRP, так и оригинальной технологии анализа видеоинформации VAE.
   VAE (Video Analysis Engine) обеспечивает автоматическое построение StoryBoard (последовательности кадров, наиболее адекватно отражающих суть видеофрагмента) для вводимой видеоинформации, выделяя набор характерных (по тому или иному критерию) кадров.
   APRP (Adaptive Pattern Recognition Process), технология адаптивного распознавания образов, производит так называемый «нечёткий поиск», при котором для поиска изображения не требуется ни словесного описания, ни ключевых слов, ни других специальных приёмов. В данной технологии под нечётким поиском понимается операция нахождения объекта по его достаточно близкому образу (например, по фотографии человека, на лице которого время оставило свои следы). Любого рода данные технология обрабатывает одинаково – в виде нулей и единиц, поэтому она равным образом применяется для индексации и нечёткого поиска как текстов (библиотека TRS), так и звукозаписей (библиотека SRS) и видеозаписей (библиотека VRS). Это обстоятельство позволяет воспользоваться для понимания алгоритмов технологии примером из области обработки текстов. Поскольку APRP работает не с ключевыми словами, а с образами, две-три изменённые (или ошибочные) буквы в слове или фразе не могут существенно изменить базовую картину текста. Таким образом, автоматически становится допустимой ошибка как во входных данных, так и в терминах запроса. Например, если мы напишем в запросе: «ЦЦЦТЕР МАРГМАСАРИТАЭЭЭЭЭЭ», имея в виду название романа Булгакова, то получим правильный ответ – «Мастер и Маргарита».
   Поиск происходит так:
   • запрос конвертируется в бинарную форму;
   • игнорируется шум (т. е. отбрасываются «ЦЦЦ» и «ЭЭЭЭЭЭ»);
   • проводится нечёткий поиск, представляющий собой комплекс операций сравнения комбинаций нулей и единиц, по результатам которых осуществляется выбор наиболее близких вариантов искомого образа. Описанный алгоритм поиска по существенным признакам применяется при сравнении почерков, отпечатков пальцев, голосов и фотографий.
   Обеспечиваемая технологией скорость поиска видеоинформации по индексированному массиву объёмом 5 Тбайт составляет 5-15 с при степени достоверности, соответствующей сертификату, выдаваемому подобным системам. Под «индексированным массивом» в данном случае понимается вышеупомянутый набор характерных кадров, 1 Мбайт которых соответствует примерно 6 Мбайтам исходного видеоматериала (но это соотношение ориентировочно и зависит от выбранного порога индексирования). В итоге образуются как бы два массива: проиндексированный (потому и «как бы», что он может быть не один – в зависимости от числа критериев индексации), которым, например, телекомпания оперирует при подготовке новостных и иных программ, и другой, состоящий из оригиналов видеоматериала. Типовая схема работы системы – на рис. 2.1.
   Рис. 2.1

   Кроме того, технология используется для видеонаблюдения: например, она осуществляет в реальном времени последовательное сканирование (посредством видеокамеры) толпы в местах, где движение людей упорядочено: эскалаторы, турникеты и т. п. Ключами для анализа снимаемого материала служат хранящиеся в базах данных фотографии разыскиваемых людей, объектов, автомобильных номерных знаков и т. д. Достоверность распознавания – вопрос постоянного совершенствования технологии. Представитель фирмы привёл такой пример: на одном из этапов развития технологии проводилось «опознание» футболистов по фотографии их команды. Система опознала 9 из 11 футболистов плюс лежащий перед ними мяч. То есть террорист в принципе мог замаскироваться, неся возле своей головы большой розовый грейпфрут, но и в таком случае среди критериев поиска можно было задать «обнаружение людей с большими грейпфрутами». Позже, уже в России, проводились эксперименты по настройке системы на «похожесть» лиц. На человека надевали шапку, очки, прикрывали лицо шарфом, при этом достоверность распознавания достигала 40–50 %. Кроме того, приемлемый процент распознавания достигался при изменении ракурса лица примерно на 20 %.
   На рис. 2.2 показаны особенности поиска по изображению человека. Маленький кадр в левом нижнем углу – изображение-запрос. Верхняя линейка кадров – результат поиска с указанием степени близости результата к запросу: «100 %» здесь относятся к кадру, использованному в качестве запроса; рядом с числом процента – названия видеоматериалов, содержащих данные кадры.
   Рис. 2.2

   Для работающего с Excalibur оператора исследуемый массив предстаёт в виде двух мультимедийных составляющих: картинки и текста. Текст – это фоновый код для поиска видеоизображения, поэтому в ранее рассмотренном процессе редактирования большое значение имеет вычленение текстового материла из видеозаписи (этот же текстовый материал при необходимости ложится в основу субтитров). Поиск проиндексированной видеоинформации, уже хранящейся в VideoAsset Server, осуществляется как по кадрам из StoryBoard при помощи ПО Visual RetrievalWare, так и по тексту (субтитры, название и пр.) при помощи RetrievalWare – профессиональной системы управления знаниями. В частности, в версии 7.0 этой системы, имеющей графические словари (рис. 2.3), мультимедийные запросы могут формироваться по следующим принципам: слова и изображения смешаны в одном запросе; объединение слов и изображений в сложное логическое выражение; при ранжировании результатов поиска учитываются и слова, и изображения. На рис. 2.4 приведён пример сложного поиска.
   Рис. 2.3

   Рис. 2.4

   Дополнением к Excalibur RetrievalWare служит разработанный российской компанией-поставщиком «Русский Семантический Сервер» – совокупность программных средств и информационных ресурсов, позволяющих осуществлять полнотекстовый поиск с учетом специфики русского языка. РСС производит морфологический анализ и выстраивает семантическую сеть. Разработка семантической сети – основная проблема представления языковых знаний, от качества решения которой зависит точность семантического поиска. Использование семантической сети для описания русского языка в совокупности с оригинальными алгоритмами снятия омонимии позволяет оперировать не текстом, а смыслом документов. К моменту выхода на рынок семантическая сеть русского языка, поддерживаемая РСС, включала более 40 тыс. смысловых групп.
   Суть технологии Excalibur ScreeningRoom в том, что сканируются только те кадры, в которых возникают изменения, существенные с точки зрения поисковой задачи.
   Ha рис. 2.5 – пример автоматически созданной StoryBoard, представляющей собой последовательность таких кадров. Если в последовательности кадров состав и характер объектов не меняется, то запоминается лишь один кадр этой последовательности. Как только появляется кадр с чем-то новым и это новое превышает заданный порог, происходит сканирование данного кадра, и он в свою очередь становится индексным для видеоряда. Причем, уменьшив разрешение индексного кадра, можно увеличить скорость поиска по запросу. Запрос может быть не только описательным, но и графическим: по элементу изображения, по кадру, по блоку кадров. Ключом, к примеру, может стать набор фотографий человека, снятого в разных ракурсах и в разном макияже. В этом особенность уже упомянутой технологии адаптивного распознавания образов APRP, позволяющей находить искомое, даже когда задан не полностью адекватный ключевой символ. Сравнение информации в бинарном виде происходит методом «нечёткого поиска».
   Рис. 2.5

   Настройка чувствительности на «существенность» изменения в кадре – самая творческая часть работы со ScreeningRoom. Порогом может служить что угодно: появление нового лица или объекта, изменение сюжета, освещённости, масштаба, движение камеры, резкий обрыв либо плавный переход видеофрагмента, жанровая принадлежность видеофрагмента и т. д.
   На рис. 2.6 показано, как происходит просмотр построенной по заданным критериям StoryBoard в окне стандартного веб-браузера; для каждого кадра указано время, прошедшее с начала фильма. Есть и «ручное вмешательство»: когда идет прогон видео и кадр оцифровывается по желанию редактора. При этом, происходит ли отбор кадров автоматически или вручную, подразумевается, что отобранные кадры, даже обладающие пониженным разрешением, можно сами по себе демонстрировать в эфире, если их содержание достаточно исчерпывающе рассказывает о том, о чем рассказали бы и соответствующие им видеофрагменты.
   Рис. 2.6

   В число основных операций, относящихся к редактированию видеоинформации, входят: разбиение длинного видеофрагмента на несколько коротких, удаление лишних видеофрагментов, добавление и редактирование ассоциированной с видеофрагментом текстовой информации (аннотаций и т. п.), создание списка решений для склеивания видеофрагментов. На рис. 2.7 показано редактирование метаданных, представляющих собой структурированную информацию обо всем ролике и об отдельных кадрах.
   Рис. 2.7

   И теперь более понятен алгоритм, по которому подобная технология сможет работать в киберсобачке, сконструированной российскими роботостроителями (рис. 2.8). На момент её фотографирования эта собака умела поворачивать голову и произносить несложные фразы. Надеемся, что вскоре она сможет, благодаря технологии распознавания лиц, узнавать как хозяев, так и непрошеных посетителей. А пока для подобных небольших мобильных роботов в нашей стране разрабатываются и другие зрительные технологии, подобные той, о которой речь пойдёт ниже.
   Рис. 2.8


   2. Система технического зрения мобильного робота

   (Фрагмент доклада Таганрогского государственного радиотехнического университета на научной школе-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», эмблема которой изображена на рис. 2.9)
   Рис. 2.9

   В работе рассматриваются структура и алгоритмы функционирования стереоскопической системы технического зрения (ССТЗ) мобильного робота, ориентированной на определение трехмерных координат излучающих объектов (маяков). Данная ССТЗ отличается использованием библиотеки DirectShow для захвата кадров видеоизображения, применением алгоритма быстрой кластеризации, а также способом формирования трёхмерных координат маяков по их двухмерным изображениям с учетом радиальных искажений объектива камеры.
   Структура ССТЗ представлена на рис. 2.10. Для преобразования оптического изображения в видеосигнал в системе используются телевизионные камеры ITM-C-SL с ПЗС-матрицей на 628x582 точки, разрешением 340 твл и объективом с изменяемым фокусным расстоянием. Формируемый видеокамерами аналоговый видеосигнал в стандарте PAL поступает на выполненное в виде PCI-платы устройство захвата видео (фреймгребер FlyVideo EZ II), оцифровывается и передаётся в системную память компьютера. Программно реализованные блоки предварительной обработки изображений и кластеризации осуществляют фильтрацию и выделение ярких объектов – маяков, по двухмерным координатам которых блок вычисления трехмерных координат определяет их трехмерные координаты относительно робота. Результатом работы ССТЗ является список трехмерных координат маяков, наблюдаемых обеими камерами в данный момент времени. Предполагается, что в момент снятия стереоскопического изображения мобильный робот с установленными на нем камерами неподвижен.
   Рис. 2.10

   Поскольку система управления мобильным роботом реализована в операционной системе Windows, то для считывания кадров видеоизображения в буфер целесообразно использовать возможности, предоставляемые библиотекой Microsoft DirectShow. Она базируется на СОМ-модели и предоставляет широкие возможности по обработке видеоданных. Базовым в DirectShow является понятие фильтра – модуля, производящего какую-либо операцию над видеопотоком (захват видеокадров, декодирование, запись в файл и т. д.). Каждый фильтр содержит набор входов и выходов. Соединяя определённым образом входы и выходы фильтров, можно реализовывать различные функции по обработке видеопотока. Такой набор связанных между собой фильтров называется графом. Для рассматриваемой ССТЗ граф захвата выглядит так, как это показано на рис. 2.11.
   Рис. 2.11

   Он включает аналоговый мультиплексор, коммутирующий видеосигнал от левой и правой камер, видеодекодер и модуль оцифровки видеосигнала. Эти модули зависят от аппаратных особенностей фреймгребера. В используемой плате FlyVideo EZ II имеется коммутатор на три аналоговых входа и видеодекодер, обрабатывающий видеосигналы в стандартах PAL, NTSC и SECAM. Модуль захвата кадров позволяет сохранять отдельные кадры видеопотока в буфере с возможностью считывания для последующей их обработки и отображения в окне. Запуск и останов процесса обработки видеоданных происходит с помощью модуля IMediaControl.
   Буферы левой и правой камер заполняются цветными кадрами в формате RGB 16. Поскольку для дальнейшего анализа необходимы только лишь яркие светящиеся объекты – маяки, то цветные кадры преобразуются к градациям серого, то есть выделяется яркостная составляющая.


   3. Чем обусловлен выбор видеокамеры?

   (Базовые определения даются в соответствии с рис. 2.12, воспроизведённом из «Справочника по физике для инженеров и студентов вузов»)
   Рис. 2.12

   Оптические приборы обычно дают двухмерное (плоское) изображение трёхмерных (пространственных) предметов (объектов). Ограничение угла раскрытия пучков света от предмета, необходимое для получения достаточно чёткого изображения, осуществляется с помощью апертурной диафрагмы, роль которой может играть либо круглое отверстие в непрозрачном экране, либо оправа одной из линз системы. Входными и, соответственно, выходными зрачками оптического прибора называются те из отверстий (или их изображений) в нём, которые сильнее всего ограничивают углы раскрытия входящих в прибор и выходящих из него пучков света. Если апертурная диафрагма находится внутри прибора, то её изображение в передней по отношению к предмету части прибора служит входным зрачком, а изображение в задней части прибора – выходным зрачком. Для ограничения поля зрения (в плоскости предмета), помимо апертурной диафрагмы, применяется диафрагма поля зрения, роль которой может также играть оправа одной из линз системы.
   Отношение диаметра входного зрачка к фокусному расстоянию объектива называется относительным отверстием объектива. Квадрату величины относительного отверстия пропорциональна освещённость удалённого предмета.
   Поле зрения оптической системы – это часть пространства (или плоскости), изображаемая этой системой. На рис. 2.13, воспроизведённом из каталога фирмы «Безопасность», показано, как величина поля зрения влияет на выбор объектива для видеокамеры. В таблице 2.1 приведена зависимость размера видимого объекта от фокусного расстояния объектива и дистанции (для ПЗС 1/3 дюйма) из каталога фирмы «Система» (размер по горизонтали х размер по вертикали в метрах). Также можно воспользоваться формулами определения размеров изображения (рис. 2.14) из каталога систем видеонаблюдения фирмы Sanyo.
   Рис. 2.13

   Рис. 2.14

 //-- Таблица 2.1 --// 

   По основным оптическим характеристикам объективы (согласно классификации фирмы Fujinon) делятся на:
   • широкоугольные, у которых 2w > 70°;
   • длиннофокусные, у которых f > 180 мм;
   • светосильные, у которых 1:F ≥ 1:1,5.
   Здесь:
   1) 2w – угол поля зрения: угол, образованный крайними точками объекта и центром входного зрачка объектива.
   2) f – фокусное расстояние. Чтобы понять суть этого параметра, можно исходить из того, что в простейшем случае он вычисляется по формуле, включающей радиусы кривизны передней и задней поверхностей тонкой линзы и абсолютные показатели преломления для материала линзы и окружающей среды. Для низколетящего авиаробота окружающая среда – воздух при нормальных условиях.
   3) F – диафрагменное число, являющее собой знаменатель относительного отверстия (1:F). Для удобства на практике значение диафрагмы дают не в виде дроби, а приводят только величину её знаменателя. Соответственно, (по еще одной классификации) объективы со светосилой (или значением относительного отверстия) до 1,4 – сверхсветосильные, от 1,8 до 2,0 – светосильные, 2,8 – нормальные, от 2,8 – обычные.

   В фотографии под светосилой объектива понимают его способность давать на фотоплёнке изображение большей или меньшей освещённости (или яркости). Чем больше светосила объектива, тем короче может быть выдержка при съёмке. Объектив с большей светосилой даёт возможность фотографировать при менее благоприятных световых условиях. «Справочник по физике» светосилой называет отношение площади входного зрачка к квадрату фокусного расстояния передней (по отношению к предмету) линзы объектива оптического прибора. Поскольку имеет место пропорция, делают ряд допущений и для упрощения выражения светосилы пользуются отношением диаметра входного зрачка к фокусному расстоянию объектива, не возводя это отношение в квадрат, то есть приравнивая к относительному отверстию объектива.
   Фокусное расстояние определяет увеличительную мощность линз объектива. Чем больше фокусное расстояние, тем сильнее увеличение. Чем оно меньше, тем более широкоугольным является объектив. На выбор фокусного расстояния влияют два противоречивых параметра – масштаб изображения на экране и угол поля зрения. В случае мобильных роботов надо иметь в виду, что при маневрировании, чем более широкоугольным будет объектив, тем чаще в него будет попадать солнце и другие источники яркого света. В камере могут быть предусмотрены на случай возникновения подобных проблем следующие функции:
   • «компенсация заднего света» (способность видеокамеры управлять АРУ и электронным затвором не по всей площади экрана, а по его центральной части, снижая тем самым влияние ярких участков на общее качество изображения);
   • «антиблюминг» (компенсация «расплывания» заряда по поверхности матрицы при чрезмерной освещенности отдельных участков изображения, проявляющемся в виде «тянучки» ярких участков).
   АРУ – это автоматическая регулировка усиления, которой парируется изменение освещенности, приводящее к изменению величины выходного сигнала в видеотракте телекамеры. Также, в целях стабилизации величины видеосигнала на выходе телекамеры при изменении освещенности в сторону увеличения от рабочей точки, предусмотрены средства управления чувствительностью в сторону её ослабления или же средства ослабления светового потока, в частности, диафрагма. Это механическая заслонка, которая регулирует количество света, попадающее на матрицу (есть еще такое определение: подвижное кольцо с отверстием переменного диаметра, которое может открываться и закрываться как зрачок глаза). В ряде цифровых камер используется цифровой аналог диафрагмы – система, изменяющая время считывания информации с матрицы; при этом площадь отверстия остаётся постоянной.
   При изменении значения диафрагмы меняется глубина резкости – расстояние между резким передним планом и резким задним. Когда вы фокусируетесь на объекте съёмки, то есть наводите резкость на аппарате, отдельные фоновые детали сюжета также будут в фокусе. Это объясняется тем, что при нерезкой фокусировке каждая точка объекта съёмки отображается на светопринимающей матрице в виде кружка. Если диаметр этого кружка не более 0,25 % от высоты кадра, наш глаз не ощутит потерю чёткости. Для ведения воздушного боя между оснащёнными видеокамерами авиамоделями глубина резкости имеет большое значение как средство, позволяющее видеть одновременно и земную поверхность, и объекты на ней, и цель.
   Большее закрытие диафрагмы затруднено по механическим причинам, а кроме того, когда физические размеры диафрагмы становятся соизмеримы с длинами световых волн, на чёткость изображения начинают отрицательно влиять дифракционные явления. Когда световой поток надо ослабить очень сильно и закрытия диафрагмы недостаточно, уменьшают прозрачность оптики объектива установкой спот-фильтра. Это нейтральный фильтр с переменной по диаметру плотностью. У него периферийная часть прозрачна, а ближе к центру светопропускание уменьшается до нуля, что незаметно при открытой диафрагме, но заметно при её закрытии, так что не приходится закрывать её чрезмерно. При этом объектив ослабляет световой поток примерно в 10 000 раз.


   4. Примеры роботов, функционирование которых основано на электронном зрении

   Тщательный выбор видеокамеры особенно важен, когда роботу приходится работать на предельных режимах или в сложных условиях, где имеет значение каждый нюанс.
   a)

   b)

   c)

   Рис. 2.15. Робот-диагност, Чехия: модели для обследования труб: диаметром от 100 мм (а), в ядерных реакторах (Ь), диаметром от 200 мм (с)

   Рис. 2.16. Мобильный робототехнический комплекс для проведения антитеррористических операций, Россия


   Рис. 2.17. Беспилотный вертолёт на выставочном стенде, Россия

   Рис. 2.18. Беспилотный вертолёт (весом – 13 г) с радиоканалом для передачи изображений и команд, Япония


   Рис. 2.19. Беспилотный вертолёт для профессиональной киновидеосъёмки, Россия


   5. Линейка видеокамер, оснащенных робототехническими функциями

   1. Видеокамера AVC-200/201 (рис. 2.20) со встроенным объективом и герметичным кожухом имеет шарообразную конструкцию, позволяющую направлять объектив в любую сторону, не меняя при этом расположения самой камеры. Видеокамера имеет встроенную ИК-подсветку с дальностью действия до 8 м.
   Рис. 2.20

   Характеристики:
   • ПЗС-матрица: 1/2", 500x582 пикселей;
   • разрешение, твл: 420;
   • минимальная освещённость, лк: 0,01 (F=2.0);
   • электронный затвор, с: 1/50-1/100 000;
   • гамма коррекция: 0,45;
   • питание, В: 10-14;
   • потребляемый ток, мА: 200;
   • размеры, мм: 60x60x30/60x60x70

   2. Видеокамера AVC-233D (рис. 2.21) характеризуется тремя типами используемых матриц, что даёт возможность варьировать такими параметрами, как разрешающая способность и чувствительность.
   Рис. 2.21

   Характеристики:
   • размеры, мм: 112x60x40;
   • ток потребления, мА: 250;
   • питание, В: 12;
   • ПЗС-матрица: 1/3" (ICX-255, ICX-259), 1/2" (ICX-249);
   • число элементов: 500x582 (ICX-255), 762x582 (ICX-259, ICX-249);
   • разрешающая способность, твл: 420 (ICX-255), 570 (ICX-259, ICX-249);
   • минимальная освещенность (для ч/б режима), лк: 0,00005 (ICX-255, F1.2);
   • режим «ночная экспозиция»: автоматический;
   • максимальная освещенность, лк: 50 000;
   • электронный затвор, с: 2/3-1/100 000;
   • гамма коррекция: 0,45.

   3. Беспроводная (802.11b/g) компактная сетевая камера BL–C30 с поворотным устройством и встроенным датчиком движения (рис. 2.22).
   Рис. 2.22

   Характеристики:
   • просмотр «живого» видео (до 15 кадр/с), используя стандартный web-браузер;
   • дистанционное управление поворотным устройством;
   • просмотр изображений с камеры через Internet;
   • подключение по Ethernet (RJ45);
   • одновременно через web-браузер могут контролироваться до 12 сетевых камер;
   • одновременно одну сетевую камеру могут просматривать до 20 пользователей;
   • для работы сетевой камеры не требуется компьютер;
   • встроенный IP адрес;
   • встроенное устройство оповещения: в случае сигнала тревоги, изображение с камеры будет отправлено по e-mail или сохранено на FTP;
   • температурный датчик работает на расстоянии: до 5 м;
   • внутренняя память для хранения: до 250 неподвижных изображений;
   • поворот: на 50°;
   • наклон: от +10° вверх до 40° вниз;
   • макс, скорость поворота / наклона, °/с: 50;
   • число предустановленных позиций: 8;
   • разрешающая способность, пикселей: 320000;
   • угол обзора по горизонтали: 43°;
   • баланс белого: «Авто/Ручной»;
   • фокусировка фиксированная, м: 0,5;
   • диапазон диафрагмы: F2,8;
   • экспозиция: «авто»;
   • освещённость, лк: 1-10000;
   • поддерживаемое видеоразрешение: 640×480, 320×240, 160×120;
   • видеокомпрессия: JPEG (3 уровня);
   • питание, В: 12;
   • размеры (ширина х высота х длина), мм: 74×98×61.

   4. Серия камер Super Dynamic III (рис. 2.23а-с).
   Рис. 2.23а


   Рис. 2.23b

   Рис. 2.23c

   а) Функция «160-кратный динамический диапазон».
   Двухскоростная CCD-матрица производит короткий сигнал длительностью в 1/8000 с для захвата яркого участка изображения и длинный сигнал длительностью в 1/50 с для захвата затенённого участка. Усовершенствованный DSP (цифровой сигнальный процессор) объединяет эти сигналы, обеспечивая тем самым динамический диапазон в 160 раз больший, чем у стандартной видеокамеры. Еще одна особенность DSP – «Area Free» (Pixel Based) Natural Contrast Image Correction (естественная коррекция контраста изображения в свободной области; пиксельная), оптимизирующая полутоновое изображение в зависимости от уровня входного сигнала каждого отдельного пикселя. Пиксельный 160-кратный динамический диапазон позволяет получить более ровное естественное воспроизведение высококонтрастных изображений, например, в сложных условиях: при свете, направленном в камеру, независимо от положения, размера, формы или количества объектов.
   b) Автоматическая подстройка фокуса – Auto Back Focus, ABF (в камерах серии WV–CP480). При переключении из цветного в черно-белый режим камера серии WV–CP480 автоматически настраивает положение CCD-матрицы, позволяя достичь максимальной резкости фокуса. Устранено смазывание изображения, которое в предыдущих модификациях камер было вызвано удалением фильтра, не пропускающего инфракрасную часть спектра. Затем, когда камера переключается обратно из чёрно-белого в цветной режим, CCD-матрица автоматически возвращается в положение, оптимальное для передачи цветного изображения, обеспечивая правильный фокус как днем, так и ночью. Кроме того, функция ABF экономит труд и время, необходимые для регулировки фокуса после установки камер. Когда камера установлена, фокус можно настроить приблизительно, а затем отрегулировать с помощью дополнительного пульта управления.
   с) Интеллектуальная обработка данных. Новый цифровой сигнальный процессор выделяет в «картинке» вектор движения, область движения, разностную информацию край/кадр и выборочные данные изображения и передает эти данные алгоритму анализа изображений, который реализован в микропроцессоре, выполняющем комплексную обработку данных.

   5. Для видеокамер Dallmeier разработан DI-детектор, имеющий модуль, который создаёт поведенческую модель объекта (рис. 2.24). Он сигнализирует о движении в блокированной зоне, либо о нестандартном поведении человека. Оценка ведётся по следующим параметрам: скорость, размер, направление, а также по основным «узлам» движения (распределение движущихся объектов по частоте).
   Рис. 2.24


   6. Системы «ночного» зрения

   а) Миниатюрная инфракрасная камера Thermovision (на рис. 2.25 она размещена поверх камеры другого типа). Тип датчика – неохлаждаемый микроболометр.
   Рис. 2.25

   Характеристики:
   • формат матрицы: 160x120 (RS-170A), 160x128 (CCIR);
   • размер пикселя, мк: 51x51;
   • спектральная характеристика, мк; 7,5-13,5;
   • тепловая стабилизация: не требуется;
   • видеовыход: RS-170A и опциональный CCIR;
   • скорость смены кадров, Гц: 30 (RS-170A) и 25 (CCIR);
   • макс, время отображения, с: 2;
   • размеры, мм: 34,0x36,3x48,3;
   • вес без объектива, г: до 120;
   • номинальная мощность, Вт: до 1,5;
   • рабочий температурный диапазон: от 0 °C до +40 °C;
   опция: от -40 °C до +55 °C;
   • температурный диапазон сцены: до 150 °C;
   опция: до 400 °C;

   Фокусные расстояния объектива (F1.6) – И мм, 18 мм, 30 мм, при этом размеры поля зрения, соответственно, 40x30, 25x19, 15x11 градусов.
   б) Тепловизор «Электрон-пиро» (рис. 2.26).
   Рис. 2.26

   За счет новых решений разработчикам удалось уменьшить в 2–3 раза стоимость аппарата и сделать так, чтобы при его эксплуатации не требовался жидкий азот, и чтобы четкость изображения, создаваемого «Электрон-пиро», была не хуже, чем на обычном телевизоре. Эти нововведения:
   • приемником теплового излучения является пироэлектрический преобразователь этого излучения в видимый свет;
   • оптическая система содержит минимум дорогостоящих материалов.
   Приёмник теплового излучения не требует охлаждения. Предлагаются две группы устройств:
   • тепловизор прямого наблюдения с экрана пироЭОПа;
   • тепловизор с телевизионной камерой и блоком обработки сигнала, содержащим контрастор.
   Основные характеристики приемника излучения:
   • размер изображения, мкм: 16x16;
   • диаметр фоточувствительной мишени, мм: 18 и 50;
   • разрешающая способность, твл/диаметр:
   – для мишени 18 мм: 550;
   – для мишени 50 мм: 1500.
   • диапазон длин волн инфракрасного излучения, мкм: 8-14;
   • минимальная разрешаемая разность температур: 0,05 К.



   Глава 3
   Обмен данными в системах мобильных роботов


   На рис. 3.1 изображён беспилотный вертолёт, для которого беспроводная связь обеспечивает выполнение разнообразных функций – вплоть до дистанционного наведения оператором 40-мм автоматического гранатомёта. В зависимости от назначения робототехнической системы в ней могут быть применены устройства, о которых пойдёт речь ниже.
   Рис. 3.1


   1. Примеры портативных видеопередающих устройств

   1) ТВ-репортажная радиорелейная станция из семейства «Астра» способна передавать цифровые данные со скоростью до 34 Мбит/с или аналоговое телевидение на расстояние до 2 км. Потребляемая мощность – 4 Вт. Вес с антенной – 1 кг.
   2) Bluetooth-адаптеры OSA-104 используются для передачи видеосигнала от камер наблюдения. Частотный диапазон – 2402–2480 МГц. Мощность передатчика – 100 мВт. Дальность действия – до 300 м. Максимальная скорость передачи данных – 115 200 бит/с. Напряжение питания – 3–3,6 В. Максимальное потребление тока – 155 мА. Размеры – 30x22x6 мм.
   3) В GSM/GPRS-модуле МС55 предусмотрена возможность работы с видеокамерой (15 кадр/с). Модуль ориентирован на интеграцию в карманные компьютеры. Вес модуля – 5,5 г. Размеры – 35x33x3 мм.


   2. Устройства для передачи видеоинформации с беспилотных летательных аппаратов

   (Из доклада ФГУП НИИ Телевидения на XIII Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение», рис. 3.2)
   Рис. 3.2

   В докладе приведены основные энергетические соотношения для радиолинии связи. Если передатчик создаёт на своём выходе сигнал мощностью Р -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


на частоте f (длина волны λ) и через антенно-фидерный тракт с коэффициентом передачи мощности η -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


этот сигнал поступает к антенне с усилением G -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


(Θ), то в этом направлении 9 создаётся эффективно излучающая изотропная мощность (ЭИИМ):
 //-- E = P -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


η -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


G -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


(Θ). (1) --// 
   Затухание энергии в свободном пространстве, обусловленное уменьшением плотности потока мощности при удалении от источника на расстояние d вычисляется по формуле:
 //-- L0 = 16π -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


d -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


/λ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


. (2) --// 
   Кроме основных потерь L -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


всегда имеют место дополнительные потери L -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


, обусловленные затуханием в атмосфере земли (в основном, из-за влажности), неточностью наведения антенн и пр. Поэтому суммарные потери:
 //-- L = L -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


L -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


. (3) --// 
   Мощность полезного сигнала на входе приёмника:
 //-- Р -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


= Р -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


(λ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


G -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


η -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


/16π -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


d -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


)*(G -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


η -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


/L -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


), (4) --// 
   где G -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


и η -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


– усиление приёмной антенны и КПД приёмно-усилительного тракта.

   Более наглядно характеризовать приёмную антенну не усилением, а эффективной площадью S -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


, непосредственно определяющей тот поток энергии, который перехватывается антенной, поскольку
 //-- G -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


= 4S -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


/λ -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


, (5) --// 
   то
 //-- Р -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


= Р -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


G -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


η -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


η -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


S -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


/4πd -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


L -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


. (6) --// 

   Таким образом, мощность сигнала на входе приёмной установки оказалась не зависящей от частоты сигнала, однако, чем выше несущая частота сигнала, тем больше его затухание в атмосфере.
   В НИИ Телевидения разработана телевизионная малогабаритная ЧМ-радиолиния, работающая в диапазоне выше 800 МГц. Выбор несущей частоты обусловлен требованиями к габаритам антенн мобильной связи, обеспечивающих разнесённый приём на приёмной и передающей сторонах радиолинии, и необходимостью учета требований ГКРЧ по использованию диапазонов. Данная разработка использует аналоговую связь.
   Характеристики:
   • напряжение питания радиолинии, В: 12 ±10 %;
   • потребляемая мощность передатчика, Вт: не более 3,3;
   • потребляемая мощность приёмника, Вт: не более 2,6;
   • выходная мощность передатчика, Вт: не менее 0,4;
   • чувствительность радиоприёмника, дБ/Вт: не хуже (-)112;
   • рабочая частота радиолинии в диапазоне температур от -30 °C до +50 °C, МГц: 806 ± 2.;

   При ЧМ подлежит выбору девиация частоты, с ростом которой улучшается энергетика линии, но требуется занять более широкую полосу частот. Теоретический предел увеличения девиации определяется наступлением порога выигрыша ЧМ, допустимого лишь в малом проценте времени. Обычно из соображения экономии спектра оптимальная девиация частоты не достигается.
   После выбора девиации можно определить необходимую полосу пропускания тракта. Проще всего это сделать по приближенной формуле Карсона с поправочным коэффициентом 1,1:
 //-- П = 1,1(2Δf -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


+ 2f -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


), (7) --// 
   где под f -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


(высшая модулирующая частота) следует понимать самую высокую частоту передаваемого сигнала. Из формулы (7) следует, что для передачи ТВ-сигнала с девиацией ΔF -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


= ±6 МГц и разрешением 600 твл полоса пропускания ВЧ тракта должна быть 26 МГц.


   3. Характеристики аппаратуры локального телевизионного вещания

   1) Комплект AJIT-500 (передатчик и приемник смонтированы в металлическом корпусе):
   • антенны направленные «волновой канал» (размеры 20x300x1000 мм) с кабелями снижения типа DG-80 (15 м): 2 шт.;
   • радиопередатчик CTM-03-RC (размеры 250x120x40 мм): 1 шт.;
   • приемник STR-02A (размеры 250x120x40 мм): 1 шт.
   Технические характеристики:
   • диапазон частот (телевизионные каналы): 240–430 МГц (12–38);
   • мощность передатчика: не более 0,1 Вт;
   • диаграмма направленности антенной системы: не более 35°;
   • полоса частот излучения на занятом канале: 16 МГц;
   • дальность в условиях прямой видимости: 500 м.

   2) Комплект АЛТ-700:
   • антенны направленные «волновой канал» (размеры 40х250х 2200 мм) с кабелями снижения типа DG-80 (15 м) (возможно уменьшение длины антенны при уменьшении дальности): 2 шт.
   • радиопередатчик STV-03-RC (размеры 250x120x40 мм): 1 шт.;
   • приемник STR-02A (размеры 250x120x40 мм): 1шт.
   Технические характеристики:
   • диапазон частот (телевизионные каналы): ДМВ (22–68);
   • мощность передатчика: не более 0,1 Вт;
   • диаграмма направленности антенной системы: не более 18°;
   • полоса частот излучения на занятом канале ДМВ: 16 МГц;
   • дальность в условиях прямой видимости: 700 м.
   Система занимает один канал ДМВ с использованием резервных каналов ДМВ в случае возникновения внешних помех на занимаемом канале.


   4. Особенности беспроводных сетей

   (по книге Станислава Рыбалко «Беспроводные сети»)

   На рис. 3.3 сгруппированы основные виды беспроводных сетей. Для одного из видов таких сетей, предназначенных для работы в перспективном стандарте IEEE 802.16, в табл. 3.1 приведены технические данные.
   Рис. 3.3

   При расчете баланса мощностей исходят из того, что для нормального функционирования системы беспроводной связи необходимо, чтобы суммарное усиление системы было больше, чем суммарное ослабление сигнала. Рекомендуемый запас по мощности (fade margin) составляет 10–15 дБ. Это позволит быть уверенными, что система будет функционировать и при плохих метеоусловиях.
   Рассмотрим, как рассчитывается баланс системы. Сумма «усиление передатчика – потери в кабеле и разъёмах + усиление передающей антенны – потери в среде распространения + усиление приемной антенны – затухание в кабеле и разъёмах на приемной стороне + чувствительность приемника» должна составлять 10–15 дБ. При подсчете значения усилений подставляют в формулу со знаком «+», а затухания – соответственно со знаком «-».
   Некоторые типичные значения для расчета в диапазоне 2,4 ГГц: потери в кабеле – 0,23 дБ/м, потери на один разъём – 0,5 дБ, потери в среде распространения – 100 дБ (при расстоянии 1 км).
 //-- Таблица 3.1 --// 

   Рис. 3.5


   5. Примеры компонентов беспроводных сетей

   1. GSM/GPRS/GPS-модуль WISMO Quick Q2501 с функциями передачи голоса, SMS, факсов, данных в режиме GPRS; встроен 16-канальный приёмник GPS для определения местоположения (с точностью 3 м), направления и скорости движения объекта. GSM двухдиапазонный (E-GSM900/1800 МГц), два интерфейса RS-232 (скорость передачи до 115,2 кбит/с). Питание 3,6 В. Потребляемый ток до 260 мА. Размеры 58x32x6 мм. Вес 15 г.
   2. Внешний GSM/GPRS-модем FASTRACK М1306В (рис. 3.4), двухдиапазонный (E-GSM 900/1800 МГц). Питание 5,5-32 В. Потребляемый ток до 140 мА. Размеры 73х54х25 мм. Вес 82 г. Скорость передачи последовательного порта 300-115 200 бит/с.
   Рис. 3.4

   3. Существует и полностью готовый прибор для передачи видеоинформации по GSM-каналу в реальном времени – «ОКО-Мобайл» (рис. 3.5). Видеоинформация, поступающая от 1-4 телекамер CCTV, передаётся по сотовой связи в пределах роуминга оператора. Прибор состоит из видеомодема и встроенного модема стандарта GSM 900/1800. Приём сигнала осуществляется ПК с ОС Windows 98/2000/ХР через GSM-модем, подключенный к СОМ-порту Скорость передачи по GSM-каналу связи – 9600 бод/с. Цветовое разрешение (бит/пиксел) – 24 (цв), 8 (ч/б). Размер кодируемого изображения (точек) – от 128x96 (24 бит) до 704х 576 (24 бит). Среднее время кодирования кадра 352x288 точек – 190 мс. Частота кадров (SQCIF: 128x96 точек), макс. – 5 кадр/с. Питание – 12 В. Потребляемая мощность в режиме ожидания – 3 Вт, в режиме передачи – 12 Вт. Размеры прибора – 175х95х35 мм.
   Рис. 3.5


   6. Терминология беспроводных сетей

   АР – Access Point, точка доступа к беспроводной сети. Топология сети с точками доступа называется инфраструктурой, а без точек доступа – «каждый с каждым» (peer-to-peer или Ad-hoc).
   BSS – Basic Service Set, базовая зона обслуживания; образуется из Access Point вместе с находящимися в пределах радиовидимости рабочими станциями с беспроводными сетевыми адаптерами.
   DS – Distribution System, система распределения, через которую взаимодействуют точки доступа многосотовой сети.
   ESS – Extended Service Set, расширенная зона обслуживания, образуемая BSS и DS.
   GPRS – General Package Radio Service, сервис пакетной передачи данных, особенностью которого является передача пакетов данных независимо друг от друга по свободным каналам связи.
   GSM – Global System for Mobile Communications, цифровой стандарт сотовой связи на основе технологии TDMA.
   TDMA – Time Division Multiply Access, многопользовательский доступ, разделённый во времени; каждому, кто использует одну и ту же частоту, выделяются равные промежутки времени (таймслоты) для передачи данных.
   Wireless Access – беспроводной доступ в масштабах относительно большой территории.
   WLAN – Wireless LAN, беспроводные локальные сети; предназначены для развёртывания внутри помещений.
   WPAN – Wireless Personal Area Network, беспроводное соединение устройств в пределах рабочего места.


   7. Практическая схема дистанционного управления

   На рис. 3.6 – семейство беспилотных вертолётов, управляющихся дистанционно (подробнее о них и о ряде других авиароботов, упоминающихся в справочнике, – в журнале «Радиолюбитель», № 1–2 за 2005 г.). Выбор устройств радиоуправления сегодня большой – например, можно взять стандартную покупную аппаратуру, при этом дооснастив робота дополнительной электроникой навигации: так сделано в вертолёте, изображенном на рис. 3.7 (о нём тоже несколько подробнее в № 6 за 2005 г. журнала «Радиолюбитель»). Но в нашей стране есть давние традиции и самодеятельной сборки аппаратуры радиоуправления, например, моделями.
   Рис. 3.6

   Рис. 3.7

   Выпуск двухкомандной аппаратуры «Пилот» для радиоуправления моделями кораблей, самолётов, автомобилей осуществлял опытный завод ЦНИИКА в Москве. Аппаратура демонстрировалась на ряде выставок. Напоминаем, что для работы с ней необходимо убедиться в отсутствии проблем с действующим законодательством. Материал приводится по описанию, опубликованному в 1972 г. в журнале «Моделист-конструктор».
   Передатчик (рис. 3.8) собран на полупроводниках по схеме с кварцевой стабилизацией частоты. Радиус его действия 500 м для авто– и судомоделей и 1200 м для авиамоделей. Схема может работать в диапазоне 28,0-28,2 МГц и на частоте 27,12 МГц. Основные элементы схемы – задающий генератор, УВЧ, усилитель мощности и модулятор. Задающий генератор выполнен на транзисторе Т1 с кварцевой стабилизацией частоты. Гальваническая связь «база – коллектор транзистора Т1» через кварцевый резонатор КВ1 обеспечивает возбуждение генератора на частоте последовательного резонанса кварцевой пластинки.
   Рис. 3.8. Схема передатчика: L1 – 5 витков ПЭВ-2 0,69; L2 – 5 витков ПЭЛШО 0,51; L3 – 16 витков ПЭВ-2 1,0; L4 – 35 витков ПЭВ-2 0,53; L5 – 850 витков ПЭВ-2 0,05; R1-R11, R13 – МЛТ-0,25; С1, С2, С4, С7, С14 – КЛ6; СЗ, С5, С9, С12, С13 – КТ; С10, С11, С15, С16 – БМ; С6, С8 – КПК-М; Др1, Др2 – Д-0,15.

   Синусоидальные колебания высокой частоты с коллекторной нагрузки Др1 транзистора Т1 поступают через разделительный конденсатор СЗ на базу транзистора Т2 усилителя высокой частоты, коллекторный контур которого L1C5 настроен на третью механическую гармонику кварцевого резонатора КВ1. Напряжение высокой частоты, усиленное этим каскадом, через катушку L2 подаётся на эмиттер транзистора ТЗ усилителя мощности. Индуктивная связь LI, L2 между вторым и третьим каскадами применена для согласования низкого входного сопротивления транзистора ТЗ с выходным сопротивлением каскада на транзисторе Т2.
   В коллекторную цепь транзистора ТЗ включён П-образный контур, который хорошо подавляет высшие гармоники основной частоты коллекторного тока, тем самым уменьшая уровень побочных излучений. Выходное напряжение высокой частоты с контура L3C6 подводится к основанию антенны, которая выполнена по типу «короткий штырь с удлиняющей катушкой». Сюда же подключён узел измерения высокочастотного напряжения, подводимого к антенне.
   Модулятор выполнен на транзисторах Т4, Т5, Т6, Т7. Из них первые два составляют генератор низкой частоты, собранный по схеме несимметричного мультивибратора со стабилизирующим последовательным контуром L5C15 (С16). В зависимости от подключения в схему конденсаторов С15 либо С16 генерируются колебания с частотами 2300 Гц либо 3200 Гц соответственно. Контур Б5С15 (С16) обеспечивает стабильность частоты мультивибратора при колебаниях температуры и напряжения питания. Диод Д1 ограничивает сигнал по положительному уровню. С резистора R9 сигнал прямоугольной формы подается на базу транзистора Т6. С коллекторной нагрузки Т6 снимаются прямоугольные колебания с перепадом напряжения 0–0,5 В, которые управляют ключевым транзистором Т7.
   Когда команды нет, цепь «коллектор Т4—база Т5» разомкнута, транзисторы Т5 и Т6 закрыты, так как их базы «заземлены». Транзистор Т7 открыт: на его базу через резистор R11 подается отрицательный потенциал. Переход «эмиттер—коллектор транзистора Т7» имеет минимальное сопротивление, что обеспечивает подключение базы транзистора ТЗ к плюсовой шине питания передатчика.
   Нажав кнопку управления, замыкаем цепь «С15 (С16) – база Т5», и мультивибратор начинает работать. Изменяя частоту колебаний мультивибратора подключением конденсаторов различной емкости в цепь «эмиттер Т4—база Т5», можно изменить частоту модуляции ВЧ-колебаний передатчика, то есть зашифровать информацию о разных командах. Корпус передатчика – металлический.
   Приёмник (рис. 3.9) собран по схеме сверхрегенератора. Он состоит из собственно приёмника и дешифратора. Высокочастотный сигнал поступает с антенны (длиной 600–800 мм) через разделительный конденсатор СЗ на вход высокочастотного каскада. Высокочастотный каскад выполнен по схеме сверхрегенеративного детектора с самогашением. Частота самогашения порядка 80-100 КГц задается цепочкой R3C5.
   Рис. 3.9. Схема приёмника: L1 – 8 витков ПЭВ-2 0,69; L2 – 400 витков ПЭВ 0,08; L3 – 450 витков ПЭВ 0,08; R1-R18 – МЛТ-0,25; С1-СЗ – КТ; С4, Сб, С9, С10 – K-50-6; С5 – БМ-2; С7, С11, С12 – К-50-3, С8, С17 – КЛС; С13-С16, С18, С19 – МБМ; Др1 – Д-0.15

   Возбуждение сверхрегенератора обеспечивается конденсатором С2, включённым в цепь положительной обратной связи «коллектор—эмиттер транзистора Т1». Режим каскада по постоянному току задается делителем R1R2 в цепи базы. Для вы-[v| деления высокочастотных колебаний рабочей частоты служит контур L1C1. Нагрузка – дроссель Др1.
   Продетектированный низкочастотный сигнал напряжением около 5 мВ снимается с нагрузки сверхрегенеративного детектора R3. Чтобы отношение полезного низкочастотного сигнала к частоте самогашения было больше, между детектором и усилителем низкой частоты включен Г-образный фильтр R15C8.
   Усилитель-ограничитель низкой частоты с коэффициентом усиления 400 собран на транзисторах Т2, ТЗ, Т4. Каскады на транзисторах Т2, ТЗ обеспечивают основное усиление. Цепь обратной связи через резистор R7 служит для стабилизации режима работы усилителя. Каскад на транзисторе Т4 собран по схеме змиттерного повторителя. Его назначение – согласование низкого входного сопротивления дешифраторов с относительно высоким выходным сопротивлением усилителя. Конденсатор С16 ограничивает полосу пропускания усилителя до 10 КГц.
   С выхода усилителя (резистор R10) сигнал величиной 2 В поступает через разделительный конденсатор С12 на два дешифратора. Поскольку дешифраторы выполнены по идентичным схемам, рассмотрим работу одного. Дешифратор выполнен на составных транзисторах Т5, Т6 для обеспечения тока срабатывания реле Р1. На входе дешифратора стоит избирательный LC-фильтр L2C13, который настроен на частоту одного из командных НЧ-сигналов. Режим работы составного транзистора по постоянному току подбором делителя R12R13 выбран так, что при отсутствии командного сигнала или при поступлении сигнала с частотой, отличной от резонансной частоты контура L2C13, коллекторный ток через составной транзистор равен 2–3 мА. Для срабатывания реле Р1 этого недостаточно.
   При поступлении нужного сигнала на базе составного транзистора резко возрастает напряжение. После усиления оно с коллектора через конденсатор С14 попадает на выпрямитель Д1. Напряжение отрицательной полярности через активное сопротивление катушки L2 поступает на базу составного транзистора и открывает его. В результате отрицательное напряжение на базе, а следовательно и коллекторный ток резко возрастают. Это обеспечивает устойчивое срабатывание реле Р1. Замыкаются контакты Р1 или Р2 – рулевая машинка во время подачи сигнала выполняет одну из команд.
   Рулевая машинка, подключаемая к приёмнику, преобразует электрические сигналы управления в возвратно-поступательное движение тяги. Возврат тяги в нейтральное положение при прекращении команды осуществляется автоматически благодаря соответствующей коммутации цепей питания электродвигателя МДП-1, установленного в рулевой машинке. Приёмник заключен в металлический корпус.
   Настройка. В передатчике устанавливают на место подборочного резистора R12 резистор сопротивлением 10 кОм. Подключают микроамперметр чувствительностью 300–500 мкА между «плюсом» и нижним по схеме концом резистора R12. Подсоединив антенну и питание, поочерёдно вращают сердечник катушки L1 и ротор конденсатора С6 так, чтобы стрелка микроамперметра отклонилась до максимума. Затем, вращая ротор конденсатора С8, добиваются наибольших показаний индикатора поля. Индикатор поля во время настройки должен обязательно находиться в одном и том же положении и на одном и том же расстоянии (около 1 м) от передатчика. Крайнее положение стрелки микроамперметра соответствует максимуму излучения антенной высокочастотных колебаний. Затем подбирают резистор R12 – по наибольшему отклонению стрелки прибора ИП1. При всех перечисленных операциях одна рука настройщика должна находиться на корпусе передатчика.
   После высокочастотной части схемы приступают к настройке модулятора. Для этого к базе транзистора Т7 подключают вход любого частотомера и, подбирая конденсатор С15, при включенной кнопке КН1 добиваются частоты 2300 Гц колебаний мультивибратора модулятора. Аналогично настраивают мультивибратор на частоту 3200 Гц подбором конденсатора С16 при включённой кнопке КН2.
   В схеме приёмника подбором величины резистора R11 добиваются максимального напряжения шумов сверхрегенератора на выходе усилителя (эмиттер транзистора Т4): в наушниках с сопротивлением не менее 4 кОм должно прослушиваться характерное шипение. Затем с низкоомного выхода ГСС, имеющего частоту 27–28 МГц, подают сигнал величиной 100 мкВ с частотой 27,12 МГц, модулированной частотой 1000 Гц с коэффициентом модуляции 90 %. Сигнал должен идти через эквивалент антенны (резистор 51 Ом) на антенный вход приёмника.
   К эмиттеру транзистора Т4 подключают тестер. Перестраивая контур L1C1 сердечником, добиваются максимального сигнала на выходе приёмника. При этом в наушниках прослушивается тон 1000 Гц. Постепенно уменьшая сигнал, подаваемый на вход приёмника с ГСС (он должен быть не более 10 мкВ), получают на выходе приемника 2,5 В.
   После этого приступают к настройке дешифратора. От звукового генератора подают сигнал с частотой, приблизительно равной командной частоте передатчика, на вход одного из дешифраторов (конденсатор С12). Величина сопротивления резистора R11 должна быть около 200 кОм. Перестраивая ЗГ по частоте и амплитуде, определяют частоты, при которых включается и выключается реле дешифратора. Средняя частота будет являться рабочей для данного дешифратора. Если она выше или ниже командной частоты передатчика, то, соответственно, изменяют ёмкость конденсатора С13 либо индуктивность катушки L2. Затем, настроив ЗГ на командную частоту и установив напряжение на выходе его равным 1 В, уменьшают величину сопротивления резистора R11 до тех пор, пока не включится реле дешифратора. Аналогично настраивается второй дешифратор. В завершение заливают сердечники в катушках L1, L2, L3 каплей краски.



   Глава 4
   Двигатели и источники электропитания


   Миниатюрные электромоторы и другие виды двигателей для мобильных роботов на российском рынке представлены довольно слабо, в то время как в мире их производство развёрнуто широко – в частности, на рис. 4.1 продукция одной лишь только гонконгской фирмы. Но, опять же, она представила свои электромоторы на выставке в Москве только в виде данной фотографии в каталоге (в числе ряда других гонконгских фирм, производящих электромоторы). Аналогично и российские поставщики на выставках преимущественно представляют микромоторы только в своих каталогах в очень скудном ассортименте. Однако развитие робототехники и в нашей стране должно изменить эту ситуацию.
   Рис. 4.1


   1. Радиоуправляемые сервомоторы (RC сервомоторы)

   (по книге Pushkin Kachroo, Patricia Mellodge «Mobile Robotic Car Design» – рис. 4.2)
   Рис. 4.2

   RC (radio controlled) сервомоторы предназначены для того, чтобы принять позиционирующую команду и затем переместить вал мотора в заданное командой положение. Эти сервомоторы сделаны из DC двигателей, которые дополнены потенциометром, определяющим угол поворота моторного вала, и чипом контроллера сервомотора, который использует периферийные компоненты, чтобы принять позиционирующую команду в форме импульса, а затем, используя цепь обратной связи, привести вал в заданное командой положение. Блок-схема RC сервомотора показана на рис. 4.3.
   Рис. 4.3

   Управление сервомотором показано на рис. 4.4. RC сервомотор имеет ограниченный ход, обычно в пределах от -90° до +90°, а также имеет механический стопор, чтобы гарантировать ограничение хода. Сервомотор состоит из DC двигателя с редуктором, соединённым с потенциометром обратной связи, и схемы управления. Что касается входа, там три провода. Один провод – для электропитания (обычно 5 В), ещё один – для «земли», и третий – для передачи сигналов управления. Сигнал управления – это периодического характера импульс с периодом времени приблизительно 20 мс. Команда позиционирования задаётся шириной импульса. Обычно ширина пульса в 1,5 мс указывает на нейтральное положение вала сервомотора 0°. Ширина импульса в 1 мс указывает на -90°, и ширина импульса в 2 мс указывает на +90° (рис. 4.5).
   Рис. 4.4

   Рис. 4.5

   Команда управления на сервомотор может приходить от микропроцессора (микроконтроллера) или от какой-то другой схемы. Внутренним управляющим устройством для RC сервомотора служит пропорциональный контроллер, который использует механизм потенциометра обратной связи. Для проектирования RC сервомотора могут использоваться различные чипы контроллеров. Проиллюстрируем на примере, как для этой цели может использоваться интегральная схема (IC) – чип контроллера NJM2611. Чтобы спроектировать модель автомобиля, нам необходимо воспроизвести входные сигналы управления с рис. 4.5. Внутренняя блок-схема чипа контроллера сервомотора показана на верхней части рис. 4.6.
   Рис. 4.6

   Подключение этого контроллера в соответствии с конфигурацией сигналов на рис. 4.5 показано в нижней части рис. 4.6. Здесь мы видим подведение сигнала к выводу «1», потенциометр, подключенный к выводу «3», и транзисторы, обеспечивающие Н-мост для DC-двигателя.


   2. Принцип действия сервомоторов и шаговых двигателей


   (по книге Saeed В. Niku «Introduction to Robotics. Analysis, Systems, Applications» – рис. 4.7)
   Рис. 4.7


   2.1. Сервомоторы

   Сервомотор – это мотор с обратной связью, которой можно управлять, чтобы либо достичь требуемой скорости (и следовательно – крутящего момента), либо получить нужный угол поворота. С этой целью устройство обратной связи посылает сигналы в цепь контроллера сервомотора, сообщая об угловом положении и скорости. Если в результате более высоких нагрузок скорость окажется ниже требуемой величины, ток будет увеличиваться до тех пор, пока скорость не достигнет нужной величины. Если сигнал скорости показывает, что скорость больше, чем нужно, ток, соответственно, уменьшается. Если применена обратная связь по положению, то сигнал о положении используется, чтобы остановить двигатель, как только ротор приблизится к нужному угловому положению.
   Для этой цели могут использоваться различные типы датчиков, включая кодирующие устройства, резольверы, потенциометры и тахометры. Если используется датчик положения типа потенциометра или кодирующего устройства, его сигнал может быть дифференцирован, чтобы выработать сигнал о скорости.
   На рис. 4.8 – блок-схема (в развитие рис. 4.3) несложного устройства управления для сервомотора: датчик посылает сигналы о скорости и о положении контроллеру, который управляет скоростью и положением сервомотора.
   Рис. 4.8


   2.2. Шаговые двигатели

   В большинстве применений шаговые двигатели используются без обратной связи, поскольку если шаг не пропущен, у такого мотора каждый раз известен угол перемещения. Таким образом, его угловое положение всегда известно и обратная связь не нужна. В отличие от «нормальных» двигателей, если вы подключаете шаговый двигатель к источнику энергии, он не будет вращаться. Шаговые двигатели вращаются только тогда, когда магнитное поле поворачивается через его различные обмотки. Фактически их максимальный крутящий момент развивается, когда они не поворачиваются. Даже когда он не включен, шаговый мотор имеет так называемый стопорный крутящий момент. Поэтому необходим внешний крутящий момент, который повернул бы вал шагового двигателя. В результате шаговые двигатели нуждаются в микропроцессоре или схеме драйвера/контроллера для вращения. То есть как и в случае с сервомоторами, которые нуждаются в схеме обратной связи, шаговый двигатель нуждается в схеме драйвера.
   Строение шаговых двигателей. В общем виде, шаговые двигатели имеют постоянные магниты в роторе, в то время как их статоры служат основой для многовитковых обмоток. Высокая температура, созданная в катушках, может легко рассеяться через массу двигателя, то есть шаговые двигатели менее подвержены повреждениям от нагрева. В различных типах шаговых двигателей роторы на постоянных магнитах различны. В любом случае ротор следует за перемещающимся магнитным полем, производимым катушками. То есть ротор следует за перемещающимся магнитным потоком, управляемым контроллером или драйвером.
   На рис. 4.9 – основные стадии действия шагового двигателя. В соответствии с тем, какие катушки статора включены или выключены, ротор будет вращаться, чтобы «подстроиться» к магнитному полю. Представим себе шаговый двигатель с двумя катушками в его статоре и постоянным магнитом в качестве его ротора, как показано на рисунке. Когда соответствующие катушки статора возбуждены, постоянно намагниченный ротор повернётся, чтобы «выстроиться» в линию с магнитным полем статора (а). Ротор останется в этом положении, если поле не вращается. Когда энергия к данной катушке не будет поступать, а будет направлена к следующей катушке, ротор повернётся снова, чтобы подстроиться к полю в новой позиции (Ь). Каждый поворот соответствует углу шага, который может измениться от 180° до доли градуса (в данном примере это 90°). Затем первая катушка будет ещё раз включена, но в противоположной полярности, в то время как вторая – выключена. Это заставит ротор повернуться на следующий шаг в том же самом направлении. Процесс продолжается, пока одна катушка выключается, а другая включается.
   Рис. 4.9

   Последовательность четырех шагов вернет ротор в то же самое состояние, какое было в начале последовательности. Теперь представьте, что при окончании первого шага вместо выключения одной катушки и включения второй катушки обе были бы включены. В этом случае ротор повернулся бы только на 45°, чтобы выровнять себя в направлении наименьшего сопротивления (с). Затем, если первая катушка выключена, в то время как вторая включена, ротор повернётся еще на 45°. Это называется действием полушага и оно состоит из последовательности восьми движений.
   При противоположной последовательности включений/выключений ротор будет вращаться в противоположном направлении. Наиболее применимы в промышленности шаговые моторы, продвигающиеся на угол от 1,8° до 7,5° при полном шаге. Очевидно, чтобы уменьшить размер шагов, число полюсов нужно увеличить. Однако есть физический предел тому, сколько полюсов могут использоваться.



   3. Микропроцессорное управление как альтернатива шаговым механизмам

   Сервосистема Smart Step разработана как полнофункциональный сервопривод с импульсным управлением и является сравнительно простым решением, обладающим характеристиками серводвигателя и обеспечивающим быстрое высокоточное позиционирование с большой величиной крутящего момента. На рис. 4.10 дано сравнение характеристик крутящего момента для электродвигателя мощностью 100 Вт (выходная мощность серводвигателя может лежать в диапазоне от 30 до 750 Вт). Номинальная скорость вращения двигателя – 3000 об/мин, максимальная – 4500 об/мин. Пиковый крутящий момент составляет 300 % от номинального. Управление скоростью и положением – импульсное. Разрешающая способность по положению – 8000 шагов на один оборот. Автоматическая подстройка в реальном времени имеет 10 уровней точности. Обеспечивается настройка динамической тормозной системы.
   Рис. 4.10


   4. Малогабаритные моторы для роботов и источники питания

   1. Рабочее напряжение до 3 В.
   а) Моторы (табл. 4.1).
 //-- Таблица 4.1 --// 

   б) Источники питания (табл. 4.2).
 //-- Таблица 4.2 --// 

   2. Рабочее напряжение 6 В.
   а) Моторы на номинальное напряжение 6 В (табл. 4.3).
 //-- Таблица 4.3 --// 

   б) Источники питания (табл. 4.4).
 //-- Таблица 4.4 --// 

   3. Рабочее напряжение до 9 В.
   а) Моторы на номинальное напряжение 9 В (табл. 4.5).
 //-- Таблица 4.5 --// 

   б) Источники питания (табл. 4.6).
 //-- Таблица 4.6 --// 

   4. Рабочее напряжение 12 В.
   а) Моторы на номинальное напряжение 12 В (табл. 4.7).
 //-- Таблица 4.7 --// 

   б) Источники питания (табл. 4.8).
 //-- Таблица 4.8 --// 

   Термины и определения.
   Емкость – количество электричества, отдаваемое элементом в пределах начального/конечного напряжения при номинальной нагрузке (токе разряда) и нормальной температуре (+20 °C). Единицей измерения ёмкости является кулон (Кл); 1Ач = 3,6·10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


.
   Начальное/конечное напряжение напряжение элемента (батареи) в начале (конце) разряда при номинальной нагрузке (или токе разряда), равное разности между э. д. с. (электродвижущая сила) и падением напряжения на внутреннем сопротивлении элемента (батареи).
   Крутящий момент. Кручением называется деформация образца с одним закреплённым концом под действием пары сил, плоскость которой перпендикулярна к оси образца. Момент этой пары называется крутящим моментом.
   DC (Direct Current) – электрический ток, протекающий только в одном направлении; постоянный ток.


   5. Наглядная кибермеханика

   a)

   b)

   c)

   d)

   Рис. 4.11. Беспилотный вертолёт, Иран (a-d)

   a)

   b)

   c)

   Рис. 4.12. Беспилотный вертолёт, Россия (а-с)

   a)

   b)

   Рис. 4.13. Беспилотный вертолёт, Россия (а-b)

   a)

   b)

   Рис. 4.14. Беспилотный самолёт, Россия (a-b)

   a)

   b)

   Рис. 4.15. Робот для проведения антитеррористических операций, Россия (a-b)

   a)

   b)

   Рис. 4.16. Промышленный робот с 6 степенями свободы, Япония (а-Ь)

   a)

   b)

   c)

   d)

   e)

   f)

   Рис. 4.17. Беспилотный самолёт, Россия (a-f)

   a)

   b)

   c)

   Рис. 4.18. Радиоуправляемая модель (с функцией старта ракет) самоходной пусковой установки ракетного комплекса оперативно-тактического назначения, Россия (a-c)

   Рис. 4.19. Модель транспортного робота колёсного типа с автономной системой управления на микроконтроллере PIC16F877 с фотоимпульсным датчиком обратной связи, Россия

   Рис. 4.20. Робот-нефтесборщик, Россия

   a)

   b)

   Рис. 4.21. Робот-пожарный, Россия (a-b)

   a)

   b)

   c)

   Рис. 4.22. Программируемая LEGO-модель человеческой руки с движущимися пальцами для работы на клавиатуре компьютера, Россия (a-c)

   Рис. 4.23. Глушитель на двигателе авиамодели, Россия

   Рис. 4.24. Моторизованные, в том числе радиоуправляемые модели, собранные детьми из пришедшей в негодность электронной аппаратуры: корпусов, картриджей и т. д., Россия

   Рис. 4.25. Изготовленные детьми механические игрушки с питанием от солнечных элементов, Россия


   Рис. 4.26. Робот-гармонист, Россия



   Глава 5
   Микромеханика роботов


   Эта глава, по существу, – введение к последующим выпускам, которые посвящены роботам, имитирующим живые существа: людей, животных, насекомых. Поэтому в ней будет продолжено рассмотрение компонентов, из которых складываются исполнительные органы. Важнейшая черта подобных компонентов – эффективность, то есть малый вес в сочетании с высокой производительностью. Каковы же реальные энергетические соотношения в исполнительных элементах?


   1. Анатомические пределы миниатюризации насекомых

   Миниатюризация – основное направление эволюции насекомых, согласно данным, опубликованным в «Известиях Московского Энтомологического общества». Результатом этого является то, что многие насекомые по размерам сравнимы с одноклеточными организмами, а некоторые ещё меньше. Например, жесткокрылые семейства Ptiliidae, мельчайшие представители которого имеют длину всего 300 мкм. Это важное замечание для сравнения с нижеприводимой информацией о размерах MEMS-устройств, а также в свете того, что анатомию насекомых всё больше берут на вооружение создатели роботов.
   Особенности анатомии, связанные с миниатюризацией, подробно описаны для многих позвоночных, а для насекомых почти не известны. Этим было обусловлено изучение внутреннего строения Ptiliidae, выделение структурных особенностей, связанных с миниатюризацией, определение особенностей, способствовавших миниатюризации и выделение факторов, лимитирующих дальнейшее уменьшение размеров тела у насекомых.
   Было выделено более 25 структурных особенностей, связанных с миниатюризацией. Основные из них: отсутствие мышц средней кишки, редукция двух мальпигиевых сосудов, отсутствие сердца, редукция кровеносной системы и замещение ее жировым телом, отсутствие трахейной системы в брюшке личинок, сильная олигомеризация и концентрация нервной системы имаго, уменьшение размера и сокращение числа нервных клеток, редукция правого семенника и яичника. Выявлено, что наибольшей трансформации подвержены опорно-двигательная и метаболическая системы. Нервная и половая системы подвержены более слабым изменениям.
   Исходя из полученных данных, выделены преобразования, позволившие насекомым предельно сократить размеры тела и перейти в «микромир». Основные из них: редукция кровеносной системы и замещение ее жировым телом у имаго и личинок, редукция трахейной системы и переход к частичному кожному дыханию у личинок. Установлены возможные факторы, лимитирующие дальнейшее уменьшение размеров тела насекомых: размеры яйца, размеры нервной системы.
   Рис. 5.1

   На рис. 5.1 – схема внутреннего строения имаго перистокрылки Acrotrichis montandoni, продольный срез. Буквенные обозначения на рисунках: бга — брюшной ганглий, впм — вентральная продольная мышца, гл — глотка, гм — глоточная мышца, двкм — дорсовентральная крыловая мышца, двм — дорсовентральная мышца, дпм — дорсальная продольная мышца, дек — дивертикул средней кишки, жт — жировое тело, мра — мускулатура ротового аппарата, мс — мальпигиев сосуд, нгга — надглоточный ганглий, ов — овариолла, та — переднегрудной ганглий, пгга — подглоточный ганглий, пк — прямая кишка, пщ — пищевод, сга — среднегрудной ганглий, ск — средняя кишка, та — тазик, тк — тонкая кишка, як — яйцевая камера, яп — яйцевая полость.


   2. MEMS-устройства

   Микроэлектромеханические системы (Microelectromechanical Systems – MEMS) представляют собой механические структуры, выполненные на кремниевой основе с использованием технологий, аналогичных применяемым при производстве полупроводников. Технология производства микроэлектромеханических систем позволяет объединять на одном кристалле механические и электронные компоненты. Благодаря MEMS-технологиям и в соответствии с законом Мура, предсказывающим рост числа транзисторов на кристалле, могут быть созданы совершенно новые микросистемы. Такие системы, обладая большим числом функциональных возможностей, занимают гораздо меньше места.
   По существу, начато расширение границ оболочки процессора – он будет включать в себя все компоненты, которые раньше представляли собой отдельные элементы цепочки, связывавшей его с внешним аналоговым миром. Микроэлектромеханические устройства являют собой чипы, в состав которых входят механические элементы, способные совершать движения. Движение управляется напряжением или током, которые подаются на кремниевый кристалл. MEMS-устройства, представляющие собой замкнутые микроэлектромеханические системы, состоящие из датчиков, актюаторов, а также цифровых и аналоговых элементов обработки данных, могут отслеживать изменения параметров окружающей среды и активизировать механические элементы в соответствии с этими изменениями. Электронные компоненты обеспечивают регулирование таких систем по замкнутому циклу. Благодаря этим особенностям MEMS-систем возникают новые способы взаимодействия компьютеров с физическим миром. Образно говоря, если микропроцессоры являются мозгом компьютера, то микроэлектромеханические системы – это его глаза и руки, с помощью которых возможно создание микросистем, воспринимающих окружающую среду и взаимодействующих с ней.
   Возможности применения MEMS-устройств очень широки: это инерциальные датчики, устройства для позиционирования микроскопов, микрозеркала, микроструйные устройства, охлаждающие микросхемы с высоким энергопотреблением, биочипы, позволяющие обнаруживать опасные химические соединения, устройства хранения данных со сверхвысокой плотностью и многое другое.
   На базе технологии MEMS возникает новое поколение микроминиатюрных механических устройств, для создания которых применяются производственные процессы, сходные с процессами полупроводниковой промышленности. Разрабатываемые механические структуры могут образовывать системы со сложными функциональными возможностями, например, чипы с движущимися зеркалами, используемые в проекционных экранах и устройствах оптической коммутации, или гироскопы, контролирующие движение автомобиля. Пример микроскопического зеркала, созданного по технологии MEMS, показан на рис. 5.2. Термин «MEMS» традиционно используется в США для описания всего, что связано с датчиками и актюаторами, созданными по производственным технологиям, применяемым в полупроводниковой промышленности, а также для описания оконечных систем, в состав которых входят датчики, процессоры и актюаторы. В Европе MEMS-устройства называются «микросистемами» (microsystems), в Японии – «микромашинами» (micromachines). В данном обзоре мы будем считать термины «MEMS» и «микросистемы» синонимами, хотя, наверно, следовало бы различать термин «MEMS», обозначающий исключительно производственный процесс, используемый для производства различных устройств (как, например, CMOS), и термин «микросистемы», описывающий оконечные устройства, являющиеся датчиками, вычислителями и актюаторами.
   Рис. 5.2

   Продемонстрированный не так давно «терагерцевый транзистор», который может осуществлять один триллион переключений в секунду, показывает направление развития технологий Intel, обеспечивающих следование закону Мура. Ожидается, что в течение шести лет терагерцевый транзистор начнет использоваться в серийном производстве электронных компонентов, функционирующих с частотой 20 ГГц и содержащих более миллиарда транзисторов. Intel планирует уменьшить характерный размер элементов таких компонентов до 0,03 микрона к 2010 г. Корпорация Intel уже заявила о своих планах выпуска транзистора с затвором размером 0,02 микрона, который к 2007 г. будет применяться в процессорах и электронных компонентах с элементами размером 0,05 микрона. При таких масштабах механические компоненты, изготавливаемые на кристалле, имеют очень маленький размер, что позволяет им перемещаться очень быстро и вибрировать с частотой порядка многих ГГц. Такой скорости достаточно для того, чтобы MEMS-устройства можно было применять в механических радиокомпонентах.
   Микроэлектромеханические системы являются первыми кандидатами для применения в области беспроводных коммуникаций (RF). На базе MEMS-технологий возможно создание гибких компонентов беспроводных устройств, обладающих меньшим размером, обеспечивающих более высокую производительность и более тесную интеграцию с пассивными радиоэлементами, применяемыми в беспроводных устройствах. Intel продолжает производство активных компонентов на базе кремния для радиоустройств, способствуя уменьшению их размеров в соответствии с законом Мура. Однако пассивные компоненты радиоустройств, такие, как катушки индуктивности и кварцевые резонаторы по-прежнему занимают много места: из-за их аналоговой природы с ними не произошло такого снижения стоимости и уменьшения размера, которое произошло с цифровыми компонентами. Благодаря применению кремниевой MEMS-технологии возможно миниатюризировать эти пассивные компоненты и создать гибридные электронно-механические устройства, в которых пассивные и активные элементы изготовлены в рамках одного и того же компонента. В качестве примеров компонентов, выполненных с использованием MEMS-технологии, можно привести радиокоммутационные устройства, резонаторы, фильтры и варакторы. Кроме пассивных электронных компонентов, MEMS-технология применяется для производства сверхмаломощных бистабильных цветных дисплеев, очень чувствительных направленных микрофонов и интеллектуальных антенн. Сочетание электронных компонентов с микроскопическими механическими движущимися частями позволяет применить принципы закона Мура, повышая уровень интеграции и сокращая стоимость всей радиосистемы в целом. Низкие вносимые потери электронно-механических MEMS-компонентов позволяют продлить время разговора по мобильному телефону за счет уменьшения энергопотребления.
   Другим важным приложением технологии MEMS является создание миниатюрных пассивных компонентов оптических сетей. Сегодня для реализации функциональных возможностей оптических сетей, например, маршрутизации оптических сигналов для передачи их в соответствующие сегменты сети, требуется преобразование оптических сигналов в электрические, а затем их обратное преобразование. Для этого необходимо специализированное сетевое оборудование, поддерживающее узкий диапазон длин волн, и специальные методы кодирования данных. В отличие от таких устройств, MEMS-устройства могут маршрутизировать любые оптические сигналы при помощи движущихся зеркал, размещенных на чипе, которые оптически изменяют направление сигналов, не преобразуя их в электрические. Благодаря тому, что такие устройства могут работать с любыми оптическими сигналами, маршрутизация может выполняться для любых длин волн и схем кодирования данных. Кроме того, поскольку технология MEMS позволяет создавать на компонентах сверхплоские поверхности с высоким коэффициентом отражения, то затухание, перекрестные помехи, сглаживание сигнала в таких устройствах достаточно малы. Правда, поскольку MEMS-устройства являются механическими по своей природе, невысокая скорость отклика (миллисекунды) ограничивает их применение для коммутации сетей.
   Эта технология также используется для создания перестраиваемых лазеров, в которых MEMS-актюатор перемещает одно из зеркал полости резонатора, изменяя длину волны генерируемого излучения. MEMS-устройства представляют собой одно из многочисленных возможных решений для оптических коммуникаций завтрашнего дня. Предполагается, что в сетях будут пропорционально использоваться электронные решения и решения на базе MEMS-технологии. В Intel проводятся исследования, направленные на изучение использования MEMS-технологии для создания охлаждающих систем новых процессоров с большим энергопотреблением, основанных на использовании микроканалов, имеющихся на кристалле процессора. Технология MEMS применяется для создания микронасосов и конденсаторов, то есть, по существу, микрохолодильников, а также микрорадиаторов.
   В целом, мизерная масса движущихся компонентов MEMS-устройств надежно защищает их от случайных перемещений под действием силы тяжести и ускорений (если, конечно, они не должны конструктивно быть чувствительны к таким силам – такими компонентами, к примеру, являются датчики акселерометров). Кроме того, толщина большинства движущихся элементов составляет несколько микрон и менее. При такой толщине практически не встречается дефектов в материалах (например, дислокаций), которые могут приводить к отказам механических пружин. Для примера сравним толстую и тонкую алюминиевые пластины. Если толстая алюминиевая пластина сломается в результате ее периодического изгибания в разные стороны, то та же операция не приведет к повреждению алюминиевой фольги. С этой точки зрения MEMS-устройства, благодаря своей природе, устойчивы и механически надежны. Однако при различных применениях этой технологии могут происходить иного вида отказы. Например, типичным отказом является «залипание», когда подвижная поверхность прилипает к неподвижной в случае, если расстояние между ними становится слишком мало. Отказы такого типа выявляются в ходе многочисленных испытаний на надежность, и могут быть устранены благодаря тщательному проектированию конструкции устройств, правильно выбранной технологии изготовления и корпусировки.


   3. Слаботочные реле

   3.1. Рис. 5.3: РЭС 10 (РС4.524.300) – реле постоянного тока с одной контактной группой на замыкание (контакты 3 и 5 – рис. 5.4). Коммутирует цепи постоянного тока с напряжением 6-30 В и током 0,1–0,2 А и переменного тока (50-1000 Гц) с напряжением 6-115 В и током 0,1–0,5 А. Время срабатывания – 5–8 мс, время отпускания – 2,5–4,5 мс. Виды исполнений: завальцованное и пылебрызгозащищенное. Сопротивление обмотки – 3825–5175 Ом. Ток срабатывания – не более 6 мА. Ток отпускания – не менее 0,8 мА. Рабочий ток – 7-12 мА.
   Рис. 5.3

   Рис. 5.4

   3.2. Рис. 5.5: РЭС 15 (РС4.591.001) – пылебрызгозащищенное реле для коммутации цепей постоянного тока с напряжением 6-30 В и током 0,1–0,2 А и переменного тока (50-400 Гц) с напряжением 30-127 В и током 0,01-0,13 А. Сопротивление обмотки – 1870–2530 Ом. Ток срабатывания – не более 8,5 мА. Ток отпускания – не менее 2,0 мА. Рабочий ток – 11–13 мА. Время срабатывания – не более 8 мс, время отпускания – не более 5 мс. Электрическая схема и размеры – на рис. 5.6.
   Рис. 5.5

   Рис. 5.6

   3.3. Рис. 5.7: РЭС 48, РЭС 48-В (ОКП 66 7114 0900): слаботочные электромагнитные реле постоянного тока, герметичные. Предназначены для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока частоты до 1100 Гц. Вид климатического исполнения – УХЛ и В (всеклиматическое). Реле изготавливаются по техническим условиям ЯЛО.450.033 ТУ. Условное обозначение РЭС 48 А-В РС4.590.201-04 ЯЛО.450.033 ТУ, РЭС 48 Б-В РС4.590.201-05 ЯЛО.450.033 ТУ, где:
   РЭС 48 – тип реле:
   А или Б – способ крепления: А – печатный монтаж, Б – за угольники;
   В – всеклиматическое исполнение (климатическое исполнение УХЛ на реле не наносится);
   РС4.590.2… – исполнение реле в зависимости от рабочего напряжения.
   Рис. 5.7

   Технические характеристики:
   • масса реле не более, г: 15,5 (без угольников), 17,0 (с угольниками);
   • реле не должны иметь резонансных частот в диапазоне до 100 Гц;
   • реле должны быть герметичными; скорость утечки газа-индикатора не более л. мкм рт. ст. с -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


– 5х10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


(реле со знаком «Δ»), 5х10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


(реле без знака «Δ»);
   • электрическая изоляция между токоведущими цепями, токоведущими цепями и корпусом должна выдерживать испытательное напряжение переменного тока (эффективное значение), В – 500 (в нормальных климатических условиях), 300 (в условиях повышенной влажности), 200 (при пониженном атмосферном давлении), 200 (после воздействия статистической пыли, плесневых грибов, соляного тумана); сопротивление изоляции между токоведущими цепями, токоведущими цепями и корпусом, не менее, МОм – 200 (при обесточенных обмотках в нормальных климатических условиях), 10 (в условиях повышенной влажности), 20 (при повышенной температуре после выдержки обмоток под рабочим напряжением), 5 (после воздействия статистической пыли, плесневых грибов, соляного тумана).
   Условия эксплуатации:
   • температура окружающей среды, °С: от -60 до +125;
   • относительная влажность воздуха при температуре 35 °C: до 98 %;
   • атмосферное давление, Па: от 1,33x10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


до 3,04x10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


;
   • синусоидальная вибрация (вибропрочность) – от 5 до 50 Гц с амплитудой 2 мм, от 50 до 1500 Гц с амплитудой ускорения до 30g, от 1500 до 3000 Гц с амплитудой ускорения до 20g, для исполнений РС4.590.209, РС4.590.220 – от 50 до 3000 Гц с амплитудой ускорения до 20g;
   • ударная прочность:
   – одиночные удары: 2 (с ускорением до 500 g), 9 (с ускорением 150 g);
   – многократные удары: 4000 (с ускорением 75 g), 10000 (с ускорением 35 g);
   • ударная устойчивость, g: до 35;
   • линейное ускорение, g: до 100 (для исполнений РС4.590.209, РС4.590.220 до 50 g);
   • акустические шумы – уровень звукового давления не более 130 дБ в диапазоне частот 100-10000 Гц;
   • реле всеклиматического исполнения устойчиво к воздействию статической пыли, плесневых грибов, соляного тумана;
   • по требованию безопасности реле соответствуют ГОСТ 12.2.007.0.
   Режимы коммутации сведены в табл. 5.1.
 //-- Таблица 5.1 --// 

   Технические характеристики исполнений сведены в табл. 5.2.
 //-- Таблица 5.2 --// 

   Габаритные и установочные размеры; принципиальная электрическая схема – рис. 5.8.
   Рис. 5.8

   3.4. Рис. 5.9: РЭК 29, РЭК 29-0 (ОКП 66 7113) – слаботочные электромагнитные реле постоянного тока, с двумя переключающими контактами. Предназначены для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока с частотой до 60 Гц. Вид климатического исполнения УХЛ 4 и 04 по ГОСТ 15150. Реле низкопрофильные для печатного монтажа. Изготавливаются по техническим условиям ДУЩО.451.000 ТУ. Условное обозначение РЭК29-0 ДУЩ4.501.560-04ДУЩ0.451.000ТУ; РЭК 29 ДУЩ4.501.560 ДУЩО.451.000 ТУ, где:
   О – общеклиматическое исполнение (климатическое исполнение УХЛ на реле не наносится);
   Реле РЭК 29 – тип реле;
   ДУЩ 4. 501.560. – исполнение реле в зависимости от рабочего напряжения.
   Рис. 5.9

   Технические характеристики:
   • масса реле, не более, г: 35;
   • сопротивление изоляции всех токоведущих цепей реле относительно друг друга и каждой относительно корпуса, МОм – 200 (при обесточенной обмотке в нормальных климатических условиях); 10 (при максимальной рабочей температуре после выдержки обмотки под напряжением – при повышенной влажности или после воздействия плесневых грибов для РЭК 29-0);
   • время срабатывания, мс: не более 15;
   • время отпускания, мс: не более 10;
   Электрическая изоляция между токоведущими цепями, токоведущими цепями и корпусом должна выдерживать испытательное напряжение согласно табл. 5.3.
 //-- Таблица 5.3 --// 

   Условия эксплуатации:
   • температура окружающей среды, °С: от -45 до +70;
   • относительная влажность воздуха – при температуре 35 °C: до 98 %;
   • атмосферное давление, Па: от 5,36x10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


до 10,66x10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


;
   • синусоидальная вибрация (вибропрочность), Гц: 1-20 (с амплитудой перемещения до 1,5 мм); 21-100 (с амплитудой ускорения до 5 g);
   • механические удары многократного действия с ускорением до 15 g при длительности действия ударного ускорения 2-15 мс: 10000;
   • по требованию безопасности реле соответствует ГОСТ 12.2.007.0.
   Технические характеристки исполнений сведены в табл. 5.4.
 //-- Таблица 5.4 --// 

   Режимы коммутации сведены в табл. 5.5.
 //-- Таблица 5.5 --// 

   Габаритные и установочные размеры; принципиальная электрическая схема – рис. 5.10.
   Рис. 5.10

   3.5. Рис. 5.11: переключающее поляризованное реле TN2; на рис. 5.12 – его схема. На рис. 5.13 – его двухобмоточная модификация: бистабильное реле TN2-L2, схема которого – на рис. 5.14. Интервал контакта – 2,54 мм. Размеры 14,0x9,8x5,6 мм, длина выводов – 3,5 мм. Напряжение переключения – 125 В (АС) и 110 В (DC), ток переключения – 1 А при 30 В (DC)/0,5 А при 125 В (АС). Рабочие параметры для TN2/TN2-L2:
   • для реле с напряжением на обмотке 5 В сопротивление обмотки равно 178/125 Ом, мощность на обмотке – 140/200 мВт;
   • для реле с напряжением на обмотке 12В сопротивление обмотки равно 1028/720 Ом, мощность на обмотке – 140/200 мВт;
   • для реле с напряжением на обмотке 24 В сопротивление обмотки равно 2880/1920 Ом, мощность на обмотке -200/300 мВт.
   Рис. 5.11

   Рис. 5.12

   Рис. 5.13

   Рис. 5.14

   3.6. Рис. 5.15: Двухполюсное поляризованное IM-реле IV поколения. Габариты 10,0x6x5,65 мм. Чувствительность 140 мВт (для версии без блокировки) или 100 мВт (для версии с блокировкой). Номинальное напряжение катушки 1,5-24 В. Ток переключения 2 А, два переключающихся контакта. Скорость переключения 1,2/50 и 10/700 мс. Механическое ударное сопротивление в режиме функционирования – до 300 g.
   Рис. 5.15

   3.7. Герконовые реле серии TRR. Размеры – на рис. 5.16. Система обозначений – на рис. 5.17. Схемы включения – на рис. 5.18. Максимальный коммутируемый ток – 0,5/0,2 А при 30 В AC/DC. Напряжения – 5, 12, 24 В DC.
   Рис. 5.16

   Рис. 5.17

   Рис. 5.18

   3.8. Рис. 5.19: твердотельные МОП-реле К449КП1ВП/2ВП. Нормальное состояние контактов: разомкнутые (коммутируемый ток 130 мА)/замкнутые (коммутируемый ток 90 мА). Ток управления – 5 мА. Входное напряжение – 1,3 В. Входной ток включения – 1,2 мА. Выходное сопротивление в открытом состоянии – 18/30 Ом. Ток утечки в закрытом состоянии – 1 мА.
   Рис. 5.19


   4. Справка по подшипникам с внутренним диаметром до 10 мм

   4.1. Условное обозначение таких подшипников состоит из семи основных знаков, четырёх дополнительных (буквенных) знаков справа и трёх дополнительных (через тире) знаков слева.
   а) Обозначение внутреннего диаметра. Первая цифра справа обозначает диаметр в миллиметрах. Если диаметр дробный (1,5 или 2,5 мм), то цифры, обозначающие диаметр, отделяются от остальных цифр косой чертой. Например: 7601/2,5ЮТ.
   б) Обозначение наружного диаметра. Наружный диаметр подшипника кодируется цифрой, обозначающей серию диаметров по ГОСТ 3478, которая располагается на втором месте справа для подшипников с внутренним диаметром до 10 мм. На третьем месте ставится цифра 0.
   в) Обозначение типа подшипника по направлению приложения внешней нагрузки. Четвертая справа цифра основной части условного обозначения – тип подшипника по направлению воздействия преобладающей нагрузки: 0 шариковый радиальный; 6 – шариковый радиально-упорный; 8 – шариковый упорный.
   г) Обозначение конструктивной разновидности подшипника. Пятая и шестая цифры справа – конструктивная разновидность подшипника. Некоторые основные обозначения для шариковых подшипников приведены в табл. 5.6.
 //-- Таблица 5.6 --// 

   д) Обозначение ширины подшипников. Соответствующая определенному габариту подшипника ширина обозначается цифрой серии значений ширины по ГОСТ 3478, стоящей на седьмом месте справа. Если на этом месте нет цифры, то подшипник – нулевой серии значений ширины или нестандартный по размерам. Нули, стоящие слева от значащих цифр, в обозначении не указываются.
   е) Дополнительные знаки слева. Слева от основных знаков через тире указываются (справа налево): класс точности по ГОСТ 520, группа радиального зазора, ряд момента трения. Нормальная группа радиального зазора радиальных подшипников и радиальный зазор радиально-упорных подшипников не обозначаются. Если при этом установлены требования по моменту трения, то на втором месте ставится буква «М». Ряд момента трения обозначается по ТУ37.006.085 в зависимости от типа контрольного прибора и значения момента трения.

   4.2. Стандарты и нормативы на подшипники.
   Классы точности подшипников определяются требованиями ГОСТ 520.
   Радиальный зазор в радиальных однорядных подшипниках назначается по ГОСТ 24810 и отраслевым нормативным документам.
   Материалы. Подшипники изготавливаются из коррозионно-стойкой стали 110Х18М или из стали ШХ15. Подшипники с жесткими требованиями к уровню вибрации – из стали ШХ15-ШД. Подшипники, предназначенные для эксплуатации в вакууме при температурах до 400 °C, изготавливаются из стали 8Х4В9Ф2 типа быстрорежущей. Кольца и шарики подшипников, работающих в сильном магнитном поле – из сплава 40ХНЮ-ВИ. Для штампованных сепараторов и защитных шайб используется лента из стали аустенитного класса (08Х18Н10 и т. п.). В случаях, когда не требуется коррозионной стойкости деталей, применяется лента из латуни Л63 или из стали 08КП,10КП. Сепараторы радиально-упорных подшипников изготавливаются из специальных текстолитовых трубок, а также из других полимерных материалов, исходя из условий применения.
   Требования к моменту трения. К подшипнику в сборе могут быть предъявлены требования по моменту трения при заданной нагрузке: на выбеге, при трогании с места, при медленном вращении. Нормы момента трения определены отраслевыми ТУ 37.006.085.
   Угол контакта радиально-упорных подшипников. В радиально-упорном подшипнике при осевой нагрузке каждый шарик входит в контакт с дорожками качения колец. Угол между линией, проходящей через точки контакта шарика с дорожками качения и плоскостью, проходящей через центры шариков, называется углом контакта. Принятые значения угла контакта -12, 15, 18, 26,30°. Номинальное значение угла контакта рассчитывается при проектировании подшипника.
   Уровень вибрации. По заказу подшипники могут быть регламентированы по уровню вибрации в диапазоне частот 50-10000 Гц в радиальном или осевом направлениях, может определяться уровень виброскорости или виброускорения в трех частотных диапазонах: 50-300, 300-2000 и 2000-10000 Гц. Подшипники, поставляемые для применения в ответственных узлах видео-и вычислительной техники, а также для других особых случаев применения, проходят 100 % контроль уровня вибрации.
   Статическая и динамическая грузоподъёмность. В таблицах основных размеров даются расчетные значения статической и динамической грузоподъемности подшипников. Статическая грузоподъемность определена из условия остаточной деформации наиболее нагруженного шарика не более 1x10 -------
| Библиотека iknigi.net
|-------
|  
 -------


диаметра шарика. Динамическая грузоподъемность определена по ГОСТ 18855. Если под действием осевой нагрузки происходит выход пятна контакта шарика на кромку дорожки качения, приведено значение статической осевой нагрузки по условию невыхода пятна контакта, т. е. нагрузка, при которой пятно контакта целиком располагается в пределах поверхности дорожки качения при радиальном зазоре, соответствующем нормальной группе.
   Смазка, закладываемая в подшипники. Подшипники с двумя защитными шайбами заполняются смазкой на заводе-изготовителе. Норма закладки смазки – от 1/3 до 2/5 свободного внутреннего объема подшипника. Для многих случаев пригодна смазка ЦИАТИМ-221. Однако, в зависимости от условий применения, марка смазки должна быть согласована потребителем с изготовителем подшипников. Характеристики некоторых наиболее часто применяемых смазок приведены в табл. 5.7.
 //-- Таблица 5.7 --// 


   5. Наглядная микромеханика

   Рис. 5.20. Движение многозвенного робота по произвольно расположенным в пространстве поверхностям, Россия

   Рис. 5.21. Слева — переход робота на поверхность, расположенную под углом; справа — робот на вертикальной поверхности «кирпичная кладка», Россия


   Рис. 5.22. Диагностические роботы, оснащенные видеокамерой, для движения внутри труб диаметром 10–70 мм, Россия

   Рис. 5.23. Робот для работы на вертикальных поверхностях: очистки, нанесения покрытий и выполнения различных технологических операций, Россия

   Рис. 5.24. Движение робота по потолку, Россия

   Рис. 5.25. Робот-червяк, Россия

   Рис. 5.26. Робот-змея, Россия

   a)

   b)

   Рис. 5.27a. Микросамолёт, США: а – общий вид; b – показано, как маневрирование осуществляется путём изгиба плоскости в хвостовой части (a-b)

   Рис. 5.27b. Микросамолёт, США: с – видеокамера



   Темы следующего номера

   – Солнечная электроэнергетика.
   – Роботы в водной среде.
   – Видеоконтроль в системах дистанционного управления.