Robotik 3 - Sensoren

cmos ccd bildverarbeitung

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T. C.
Diese Lernkarten decken fortgeschrittene Konzepte der Robotik auf Universitätsniveau ab, mit Fokus auf Sensoren und ihre Funktionsweisen. Sie behandeln piezoelektrische Effekte, Beschleunigungssensoren, CCD- und CMOS-Technologien sowie Inertialsensoren. Die Karteikarten eignen sich für Studierende und Forscher, die sich mit der Messung von Kräften, Bewegungen und optischen Signalen in robotischen Systemen beschäftigen.
Karten
55
Lernende
4
Sprache
Deutsch
Kategorie
Informatik
Stufe
Universität
Erstellt / Aktualisiert
29.06.2014 / 20.08.2022

Lernkarten

Bildaufnehmer in digitalen Kameras

Photodioden

Innerer photoelektrischer Effekt

innerer photoelektrischer Effekt

Bändermodell

Elektronen werden von Valenzband in das Leitungsband angehoben

Bestrahlung mit Fotonen mit der Mindestenergie

CCD charge cupled device

urspr. Speicherbaustein

Eimerkettenspeicher Ladung wird herausgetaktet

Überlagerung mit Bestrahlung muss vermieden werden

 

CCD Arten des Auslesens

Full Frame CCD

Frame Transfer CCD

Interline Transfer CCD

Frame Interline Transfer CCD

HSI-Farbmodell

Hue (Farbnuance),

Saturation (Sättigung),

Intensity (Helligkeit) 

HSI-Farbmodell Intensity (= Lightness) (Helligkeit) 

Nur beim HSI-FArbmodell (=HSL) kann duch alleinige Veränderung der I-Komponente eine Änderung von weiß bis schwarz erreicht werden

Helligkeitskanal entspricht Belichtung: 50 ist optimal

 

HSI-Farbmodell Hue-Kanal

r g b = 0 120 240
bei Saturation = 100

HSI-Farbmodell Saturation-Kanal

Farbigkeit

hoch, wenn mindestens ein RGB-Kanal niedrig ist im Verhältniss zu einem anderen RGB-Kanal

region growing

Zusammenhängende Bereiche mit ähnlicher Farbe

Saatpunkt manuell oder automatisch bestimmt

jeweils 4 Nachbarn

NASREM 3 Module

H-Modul Aufgabenzerlegung

G-Modul Sensorwahrnehmungen/Integration (Verarbeitung)

M-Modul Weltmodell

NASREM

NASREM = NASA standard reference model for telerobot control system architectures

Entwickelt von NASA für ISS (Manipulator „Flight
Telerobotic Servicer (FTS)“)

funktionale Anforderungen an hochsprachliche
Spezifikation des Kontrollsystems

NASREM Globaler Speicher

Programmdateien

Zustandsvariablen/Objektlisten (symbolische Speicherung)

Karten

NASREM 2x3 Ebenen

Operation Service Task

Servo primitiv elementar

 

NASREM H-Modul

Globale Ziele

Aufgabenzerlegung stren hierarchisch

lokale Aktionen

NASREM Weltmodell

beste Schätzung und Berechnung des realen Systems

über Vergangenheit, Gegenwart und mögliche Zukunft

NASREM Globaler Speicher Objekte

Merkmale, Beziehungen, Ereignisse

Gyroskop

 

Kreiselinstrument is a device for measuring or maintaining orientation, based on the principles of angular momentum

 Stabilität der Kreiselachse: Ein frei laufender, symmetrischer Kreisel hat das Bestreben, die Richtung seiner Drehachse im Inertialraumbeizubehalten.  – Ein Bezug der Lage ist gegeben

Äußere Kraft und Präzession stehen in direktem Zusammenhang

Beispiel: Ein Vibrationskreisel besteht aus einem schwingfähigen System, beispielsweise einem Schwingquarz. Wird der Quarz senkrecht zur Auslenkungsrichtung a mit der Winkelgeschwindigkeit ω gedreht, wirkt die Corioliskraft F ~ da/dt x ω senkrecht auf das Schwingsystem. Die Verzerrung kann von einem piezoelektrischen Aufnehmer

Kodierer

Encoder

Kodierer in der analogen Nachrichtentechnik z.B. Stereokodierer, Mehrfrequenzwahlverfahren

Kodierer in der digitalen Nachrichtentechnik ist ein System, das eine Datenquelle (zum Beispiel ein digitales Audiosignal, ein Dateiformat, ein Computerbild, ein gegen Fehler empfindliches Datensignal) in ein für einen bestimmten Kanal geeignetes Format umwandeln soll.

Kodierer zur Signalbildung aus Bewegungen arbeiten optisch, magnetisch oder mechanisch mit Kontakten

Kodierer: Bewegungskodierer

zur Signalbildung aus Bewegungen (geeignet f. Position, Geschwindigkeit)

arbeiten optisch, magnetisch oder mechanisch mit Kontakten

Rotatorische und lineare

Kodierer optisch

Lichtstrahl auf Photodetektor

auf einer Scheibe angebrachtes codiertes Muster unterbricht periodisch den
Strahl(incrementell) oder 

wird direkt abgelesen mit absoluter Kodierung

Kodierer optisch inkrementell Spuren

1: Steuerung ok, bei Störeinfluss Richtung unbekannt

2: versetzte Dioden oder Codes, Richtung aus Göße der Phasenverschiebung zwischen dem Signal von Spur 1 und 2, Steuerung und Regelung möglich

3: Anfang/Ende, Fahren in Initialposition und eigenständige Initialisierung möglich

Kalibrierung

ein (Teil-)Meßsystem erhält einen Vergleichswert

Vergleich der Eingabe mit der Wahrnehmung

Initialisierung eines (Meß-)Systems, bei der dem System für eine bestimmte Eingabe-Konfiguration das richtige Ergebniss von außen geliefert wird. Der zu Verfügung gestellte Wert dient dem System als Anhaltspunkt (Vergleichswert).

Kodierer absolut

Gray-Code oder Binärcode

Jede quantifizierte Achsposition erhält ein individuelles Wortmuster

aufwendiger Aufbau

Kodierer absolut aufwendiger Aufbau

LED Quelle, Strahlen-Expander

Kollimator-Linse

zylindrische Linse

(Encoder-Scheibe mit mehreren Spuren, Photodetektor-Array)

Potentiometer – Beispiele

Widerstandswert mechanisch
veränderbar

translatorisch: Schiebepotentiometer

rotatorisch: Drehknopfpotentiometer

Kodierer: Grey code

nur eine Ziffer/Codestelle verändert sich durch einen Inkrementierungsschritt

weil die Gleichzeitigkeit der Veränderung zweier Stellen bei der Übertragung verloren gehen kann

Inertialsensor

  • Drei orthogonal angeordnete Beschleunigungssensoren (auch als Translationssensoren bezeichnet) detektieren die lineare Beschleunigung in x- bzw. y- bzw. z-Achse. Daraus kann mit zweimaliger Integration die translatorische Bewegung berechnet werden.
  • Drei orthogonal angeordnete Drehratensensoren (auch als Gyroskopische Sensoren bezeichnet) messen die Winkelgeschwindigkeit um die x- bzw. y- bzw. z-Achse. Daraus kann mit einfacher Integration die Rotationsbewegung berechnet werden.

innere Sensoren: gemessene Größen

Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung

Orientierung, Neigungswinkel, Kippwinkel

Kräfte (Dehnung, Torsion)

innere Sensoren: 

Def. int. vs. ext. 

Verwendung

Erfassung innerer Zustände vs. Information über Zustand der
Umwelt

Steuerung oder sogar

Verwendung als Meßeinrichtung bei Regelung

Gleich-/Wechselstromtachogenerator

Ausgangsspannung in großen
Bereichen proportional zu Winkelgeschwindigkeit

Arbeitsprinzip:
elektromagnetische Induktion
(Faradays Gesetz)

CCD Frame Transfer   

Lichtempfindliche Sensorfläche und Zusätzlich abgedunkelte Schieberegister

Zuerst: schnelles Verschieben in dunkle Hälfte(Zwischenspeicher/cache) des CCD mit 100 ns pro Zeile ^= 10^-7s = 10000000 Hz = 700 x 480(VGA-Lines) x 30 Hz

dann: Auslesen bei 480(VGA-Lines) x 30 Hz

CCD Full Frame

Benötigt mechanischen Shutter
(Sonst werden Zeilen unterschiedlich lang belichtet)

Smearing durch Durchschieben

CCD-Chips Fehlerquellen

Blooming-Effekt: Aufblühen benachbarter Bezirke
Tritt auf bei zu starker Radianz

Smear-Effekt: Verschmieren der Ladung beim
Transport

CCD interline

Paralleles Übernehmen der Ladungen in Schattenregister zwischen den offenen Sensorlinien

interlaced

Jede zweite Zeile wird ausgelesen

Verdoppelung der Bildfrequenz

Problem: Kammeffekt Bei schnellen Bewegungen

CMOS

Complementary Metal Oxide Semiconductor

CMOS-Sensor integriert für jedes Pixel eine eigene Ladungs-
Spannungs-Konvertierung

Jedes Pixel ist frei adressierbar

CMOS Belichtungsarten

Rolling Shutter

Global Shutter

CMOS Rolling Shutter

Sensor wird pixelweise Zeile für Zeile ausgelesen mit
entsprechender Verzögerung

Jedes Pixel erhält gleiche Belichtungszeit, aber
Belichtungen erfolgen zeitlich verschoben

Bewegte Szenen erscheinen hierdurch verzerrt

CCD vs. CMOS

Signal am Sensorausgang: Analogspannung Digitalsignal

Signal am Pixelausgang Ladung Analogspannung

Dynamikumfang hoch mittel

Windowing / ROI nur zeilenweise beliebig

Störungen durch Blooming ja nein

Framerate mittel hoch

Windowing / ROI 

Erhöhung der Frequenz

CCD nur zeilenweise - CMOS beliebig

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