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1、第五章 视觉、触觉传感器,2,第一节 视觉传感器,视觉传感器在机电一体化系统中的作用：进行位置检测进行图像识别进行物体形状、尺寸缺陷的检测,3,第一节 视觉传感器,视觉传感器以光电变换为基础，由四部分组成：照明部：为了从被测物体得到光学信息而需要照明，是充分发挥传感器性能的重要条件。接收部：由透镜和滤光片组成，具有聚成光学图像或抽出有效信息的功能。光电转换部：将光学图像信息转换成电信号。扫描部：将二维图像的电信号转换为时间序列的一维信号。,4,第一节 视觉传感器,视觉传感器由四部分组成：照明部接收部光电转换部扫描部,5,第一节 视觉传感器,视觉传感器由四部分组成：照明部接收部光电转换部扫描部将
2、接收部分、光电变换部分、扫描部分制成一体，构成视觉传感器,6,第一节 视觉传感器,在机器人领域中，几乎都是采用工业电视摄像机作为视觉传感器。最初是用光导摄像管的摄像机。而70年代便逐渐用固体半导体摄像机所取代。固体半导体摄像机所使用的固体摄像元件为CCD(Charge-Coupled Device的缩写，意为电荷耦合器件)，其图像信号的保存和信号读出的工作原理均与光导摄像管类似。,7,敞 车,第一节 视觉传感器,8,罐 车,第一节 视觉传感器,9,棚 车,第一节 视觉传感器,10,第一节 视觉传感器,11,红外触发器（发射端，接收端）,第一节 视觉传感器,12,第一节 视觉传感器,13,棚车车
3、门状态检测：确定车门状态是否正常；车锁状态检测：若车门状态正常，则继续这一步的检测，寻找图象中是否存在正常状态下的闭合车锁；,第一节 视觉传感器,14,货车车门状态的检测图象分割是指：将图象中具有特殊涵义的不同区域分开来，这些区域是互不相交的，每一个区域都满足特定区域的一致性。,第一节 视觉传感器,15,第一节 视觉传感器,16,第一节 视觉传感器,17,一、光电式摄像机原理,这种摄像机是由接收部分、光电转换部分和扫描部分组成的二维视觉传感器。其光导摄像管是一种兼有光电转换功能和扫描功能的真空管,18,一、光电式摄像机原理,19,一、光电式摄像机原理,光电靶面上每一个像素均可看作由电容C、光照
4、时导电性增强的光电基元GL、不照射时也导电的暗电流基元GB等并联的电路。,20,一、光电式摄像机原理,电子束扫描到该像素时开关S闭合，电容C在瞬间被Er充电(时间常数非常小)，扫描移到邻近像素时，S打开。,21,一、光电式摄像机原理,当S打开时，如有光照在GL上，将产生电荷，它同C上的电荷中和一部分。,22,一、光电式摄像机原理,下次扫描到该点时S再次闭合，已被中和了的C又被充电，充电电流Ic流过RL。电压IcRL同该点受光照射的强度有关，IcRL即为图像的输出。,23,二、固体半导体摄像机原理,它由许多光电二极管组成阵列，作为摄像机的感光部分以代替光导摄像管。固体半导体摄像机由摄像元件(CC
5、D)、信号处理电路、驱动电路和电源组成。CCD摄像元件是一种MOS型晶体管开关集成电路,24,二、固体半导体摄像机原理,25,二、固体半导体摄像机原理,其工作原理是：在电极1上加电脉冲时，电极下的电荷耗尽层扩大形成电势阱。在光照射时产生的信号电荷(电子)便储存在电势阱中。,26,二、固体半导体摄像机原理,如果在2电极上加电脉冲，1电极下的电势阱消失，信号电荷转送到2电极下所形成的电势阱中。,27,二、固体半导体摄像机原理,二维CCD摄像元件的构成主要有隔行传送方式和帧传送方式两种,28,三、激光式视觉传感器原理,利用激光作为定向性高密度光源的视觉传感器,1.光电转换及放大元件2.高速回转多面棱
6、镜3.激光器,29,三、激光式视觉传感器原理,这种传感器用作激光扫描器来识别商品上面的条形码。也可用这种扫描器检测对象物品上的表面大小裂纹缺陷,30,四、红外图像传感器原理,红外图像传感器是把波长(210)m的红外光图像变换成如同电视图像的时序扫描信号输出的传感器。,31,四、红外图像传感器原理,通常由红外敏感元件和电子扫描电路组成。例如，热电型红外敏感元件将被测物体发出的红外线作为热源，接收其热能后产生热电效应而变成电信号。电子扫描电路与光导摄像管的电子束扫描方式及固体半导体摄像元件的固体电子扫描方式相似。,32,四、红外图像传感器原理,1.热电型红外光导摄像管构成原理将普通光导摄像管的靶面
7、换为热电材料，作为红外光吸收电极1,33,四、红外图像传感器原理,1.热电型红外光导摄像管构成原理在管子的正面板上涂以锗(Ge)和氟化钙(CaF2)等红外透射材料作为透射窗口2,34,四、红外图像传感器原理,1.热电型红外光导摄像管构成原理并在红外线入射靶面3上涂一层镍-铬(Ni-Cr)和黄金黑体膜用以吸收红外线,35,四、红外图像传感器原理,1.热电型红外光导摄像管构成原理由于热电效应，经透镜成像在光导摄像管上的红外图像所产生的温度分布在靶面上感应出相应的电压分布的图像，该电压分布被电子束拾取作为时序信号读出。,36,四、红外图像传感器原理,1.热电型红外光导摄像管构成原理由于发射红外线的被
8、测物体的温度随时间变化，故必须使用截光器，以产生静止图像,37,四、红外图像传感器原理,1.热电型红外光导摄像管构成原理热电型光导摄像管所用的电路与可见光光导摄像管所用的电路无实质差别。但由于热电型光导摄像管的信号比可见光弱一个数量级，因此必须采用信噪比(S/N)良好的前置放大器。,38,四、红外图像传感器原理,2.红外CCD使用固体电子扫描的红外摄像传感器，一般称为红外CCD，其红外热成像原理与热电型红外光成像原理基本相同。,39,四、红外图像传感器原理,2.红外CCD其红外光热电敏感元件和固体电子扫描部分均用相同半导体材料经过一系列处理而制成单片型红外CCD。也可用不同的半导体材料经不同处
9、理而制造、组装成混合型红外CCD。,40,第二节 人工视觉,人类借助五种感官从外界获取信息，而且90以上的信息来自于视觉。同样，要让机电一体化系统具有高度的适应性以及进行复杂的作业能力，也必须使之具备某种形式的人工视觉(又称机器视觉)。,41,第二节 人工视觉,从人眼进入的图像，经由100万根以上的视神经传到大脑，而大脑新皮质由140亿个神经细胞组成，由此识别图像。,42,第二节 人工视觉,人脑的工作方式和计算机不一样，它是并行处理大量信息，故判断非常快。目前人工视觉还无法赶上人眼，可是在实现机电系统智能化时，图像识别非常重要，因此，如何实现人眼的部分功能便是关键问题。,43,第二节 人工视觉
10、,简易型视觉：从检查作业对象的有无，测量其大致位置高级视觉：具有图像识别功能,44,一、人工视觉系统的构成,人工视觉系统的硬件构成一般由图像输入、图像处理、图像存储和图像输出四个子系统构成。,45,一、人工视觉系统的构成,人工视觉系统的硬件构成一般由图像输入、图像处理、图像存储和图像输出四个子系统构成。,46,一、人工视觉系统的构成,图像输入图像输入通过视觉传感器将对象物体变为二维或三维图像，再经光电变换将光信号变为电信号，通过扫描采样将图像分解成许多像素，再把表示各个像素信息的数据输入计算机进行图像处理。,47,一、人工视觉系统的构成,图像处理（预处理）去噪图像增强图像分割图像恢复,48,一
11、、人工视觉系统的构成,图像存储图像存储是把表示图像各个像素的信息送到存储器中存储，以备调用。图像的信息量非常大。,49,一、人工视觉系统的构成,图像输出图像输出装置大致分为两类:一类是只要求瞬时知道处理结果，以及计算机用对话形式进行处理的显示终端，该类称为软拷贝。另一类可长时间保存结果，如宽行打印机、绘图机、X-Y绘图仪以及显示器图面照像装置等，这些称为硬拷贝。,50,二、物体识别,物体识别不单是测量三维空间的几何参数，还必须了解被识别对象的意义和功能在识别处理过程中，必须使用三维空间各种物体知识和日常生活知识这样的信息处理过程是一个人工智能领域的研究课题,51,二、物体识别,1.物体图像信息
12、的输入图像存储是把表示图像各个像素的信息送到存储器中存储，以备调用。,52,二、物体识别,1.物体图像信息的输入被输入的信息主要有灰度信息、颜色信息和距离信息，这些信息可用视觉传感器取得灰度信息可借助A/D转换器数字化成410比特，形成646410241024像素组成的数字图像。,53,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法输入的图像信息含有噪声，且并非每个像素都具有实际意义。消除噪声这就是图像的预处理,54,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法,55,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法,56,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法,57,二、物体识别,2.图像信息的处理
13、技术和方法,58,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法,线性灰度变换,均值滤波,59,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法,60,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法图像增强就是增强图像中用户感兴趣的信息，目的主要有两个：一是改善图像的视觉效果，提高图像的清晰度；二是使图像变得更有利于计算机处理。图像增强处理有两类方法：空间域法和频率域法。,61,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法图像增强直方图规定化实例,62,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法图像平滑图像平滑的目的是消除或尽量减少噪声的影响，改善图像质量。图像平滑实际上是低通滤波，让信号的低频部分通过，阻截
14、属于高频部分的噪声信号,63,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法图像处理的方法有微分法和区域法。（边缘检测）,64,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法微分法常用的一次微分方法用于求梯度。梯度近似值正比于相邻像素间的灰度差值。灰度无变化的区域其梯度为零，灰度变化的大小决定其梯度的大小；灰度发生突变的边缘区，其梯度值最大。经过微分处理之后，可使边缘、轮廓变得突出、鲜明。,65,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法微分法一次微分方法的近似差分方法,66,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法微分法一次微分方法的近似差分方法,Lena原图像,67,二、物体识别,2.图像信息的
15、处理技术和方法微分法一次微分方法的近似差分方法,Lena原图像,68,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法微分法从结果可以看出，Canny算子在定位精度和抗噪声方面都明显优于其他的一阶微分边缘检测算子,69,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法微分法Sobel算子,70,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法微分法Sobel算子,71,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法微分法Sobel算子,72,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法微分法Sobel算子,73,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法微分法Sobel算子,74,二、物体识别,2.图像信息的处理技术
16、和方法区域法区域法与微分法不同，它不直接检测灰度的变化点，而是以灰度大致相同的像素集合作为区域而汇集的方法。区域的划分方法，除灰度信息外，也可使用颜色信息及距离信息。依据输入的颜色或距离等信息，划分相同颜色或相同距离的有意义的区域由，以识别景物或物体。,75,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法区域法,76,二、物体识别,2.图像信息的处理技术和方法区域法,图像经二值化、滤波、标记、分组群集后最终识别结果,77,二、物体识别,3.物体图像的识别首先输入被识别物体的图像模型，并提取其几何形状特征，然后用视觉传感器输入物体的图像并抽出其几何形状特征，用比较判断程序比较两者的异同。如果各几何形
17、状特征相同，则该物体就是所需要的物体,78,二、物体识别,3.物体图像的识别,79,二、物体识别,3.物体图像的识别一个模式识别的简单问题：某商贩有一个存储各种水果和蔬菜的货仓。当将水果放进货仓时，不同类型的水果可能会混在一起，所以商贩非常希望能够有一台帮他将水果自动分类摆放的机器。,80,二、物体识别,3.物体图像的识别,比较器,81,二、物体识别,3.物体图像的识别当每个水果通过这些传感器后，它就可以用一个三维向量来表示。一个标准的桔子可表示为：一个标准的苹果可表示为：,82,二、物体识别,3.物体图像的识别,比较器,83,二、物体识别,3.物体图像的识别,84,第三节 触觉传感器,触觉感
18、知是否同其它物体接触。人的触觉包含有接触觉、压觉、力觉、冷热觉、滑动觉、痛觉等。引起人的接触觉不在于皮肤表面层的变形，而是由于作用于其上的微小压力。,85,第三节 触觉传感器,一、接触觉传感器最简单也是最早得到使用的接触觉传感器就是微动开关。它工作范围宽，不受电、磁干扰，简单，易掌握，成本低，但响应速度低，动作（开始起作用）压力高。,86,第三节 触觉传感器,一、接触觉传感器为了感知微弱的接触力，出现了各种形式的传感器，它们都是通过在一定接触力下，切换通-断状态，输出高或低的电平信号，以表示是否发生接触。,87,第三节 触觉传感器,一、接触觉传感器如果仅仅检测是否与对象物体接触，可使用ON-O
19、FF微型开关等。如果检测对象物体形状，就需要在模仿皮肤感觉的接触面上，高密度地安装能将接触面垂直方向的变化量变为电信号的敏感元件。为此，已研制出用感压橡胶、含碳海绵等感压材料制成的各种形式触觉传感器。,88,第三节 触觉传感器,一、接触觉传感器用硅橡胶制成的矩阵式触觉传感器,硅橡胶与金属电极对置、接触触。硅橡胶受压其电阻值就改变金属电极受力压硅橡胶时，输出电压相应变化。,89,第三节 触觉传感器,一、接触觉传感器几种触觉传感器,90,第三节 触觉传感器,一、接触觉传感器几种触觉传感器,含碳海绵：压敏电阻,91,第三节 触觉传感器,一、接触觉传感器几种触觉传感器,92,第三节 触觉传感器,一、接
20、触觉传感器几种触觉传感器,93,第三节 触觉传感器,二、压觉传感器压觉中最使人感兴趣的是分布压觉。通过高密度配置这种传感器，可以获得同物体接触时各部分不同的压力，将该压力变换成相应处的电压信号，可以获取关于物体形状的信息。,94,第三节 触觉传感器,二、压觉传感器,95,第三节 触觉传感器,二、压觉传感器,96,第三节 触觉传感器,二、压觉传感器传感器亦可识别物体的形状和评价其硬度。亦即以相邻传感器的位置变化关系来计算物体的弹性系数(K0),97,第三节 触觉传感器,二、压觉传感器,98,第三节 触觉传感器,二、压觉传感器,99,第三节 触觉传感器,二、压觉传感器,100,第三节 触觉传感器,三、滑动觉传感器滑动觉传感器被用于检测工业机器人手指把持面与操作对象之间的相对运动，以实现实时控制指部的夹紧力。它与触觉、压觉传感器的不同之处是仅检测指部与操作物体在切向的相对位移，而不检测接触表面法向的接触或压力。,101,第三节 触觉传感器,三、滑动觉传感器,102,习题,
