Robotik 3 - Sensoren
cmos ccd bildverarbeitung
cmos ccd bildverarbeitung
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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
