Robotik 3 - Sensoren

Complementary Metal Oxide Semiconductor

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

Jedes Pixel ist frei adressierbar

Rolling Shutter

Global 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

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

Erhöhung der Frequenz

CCD nur zeilenweise - CMOS beliebig

Hohe Framerate durch random pixel access und ggf. Windowing

kein Blooming, Smearing

Digitales Ausgangssignal

rot 2xgrün blau

Keine Blende
Fester Fokus
Feste Brennweite

Gain Aperture Belichtungs-Öffnung (Automatisch: Automatic Gain Control (AGC))
Shutter Belichtungszeit 

White Balance

Elastomer mit Kohlenstoffbeimischung

Stift unterbricht Lichtweg zwischen
Emitter und Detektor teilweise
! Resultierender Strom: Maß für
einwirkende Kraft

Die ersten dieser Messinstrumente hatten eine sog. „sensitive (empfindliche) Achse“, auf der die seismische Masse gefedert verschiebbar angeordnet war und die beispielsweise mit einemSchleifkontakt einen Schiebewiderstand bediente

 biegsamen Quarz-Stäben („Q-Flex“) oder magnetisch stabilisierten Massen

piezoelektrischen Sensoren oder als MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)

Feder-Masse-Systeme, bei denen die „Federn“ nur wenige μm breite Silicium-Stege sind

griechisch für

das Beharrungsvermögen,

die Trägheit

Wegmessung -> Trägheitskraft - > Beschleunigung

Ausschlagsverfahren: Messung des Federwegs

Kompensationsverfahren: Messung der Kraft zum Halten der Feder in
Mittellage/Nulllage

Piezokeramischer Wandler: Werkstoff PXE mit piezoelektrischen Eigenschaften

Seismische Masse

 wandelt dynamische Druckschwankungen in elektrische Signale um: Ausgangsspannung

wird ein piezoelektrisches Material mechanisch belastet, treten durch
Verformung der Elementarzellen an dessen Oberfläche elektrische
Ladungen auf.

Umwandlung in proportionale Spannung über integrierten Verstärker/
Elektrometerverstärker --> Leckströme/
Ladungsverluste

Nur differentielle Messung (Messung von Änderungen) möglich

Longitudinaleffekt: Ladung entsteht an Ansatzstelle der Krafteinwirkung
Transversaleffekt: Ladung entsteht an seitlich zur Ansatzstelle der Krafteinwirkung
Schereffekt (nicht behandelt)

Messung der Orientierung zum Erdmagnetfeld und des Kipp- und
Neigungswinkels

Kipp- und Neigungswinkel: Inklinometer
Funktionsprinzip der Wasserwage

Drehratensensoren
Mikromechanische Vibrationskreisel

Richtung der wirkenden Kraft parallel zur Ladungserzeugenden Achse

Erzeugte Ladungsmenge proportional zur Stärke der Kraft, jedoch unabhängig von Größe und Form des piezoelektrischen Bauteils

Um Ladungsmenge und damit Effekt zu erhöhen, nutzt man mechanisch in Serie und elektrisch parallel geschaltete Element

Kraft wirkt in Richtung einer neutralen, also orthogonalen Achse zur ladungserzeugenden Achse

Wenn Objekt Abmessungen X,Y und
Z (jeweils ausgerichtet entlang der
gleichnamigen Achsen) dann gilt für
die erzeugte Ladung: Cx = dxy Fy X /
Y (dxy piezoelektrischer Koeffizient)

Bändermodell

Elektronen werden von Valenzband in das Leitungsband angehoben

Bestrahlung mit Fotonen mit der Mindestenergie

urspr. Speicherbaustein

Eimerkettenspeicher Ladung wird herausgetaktet

Überlagerung mit Bestrahlung muss vermieden werden

Full Frame CCD

Frame Transfer CCD

Interline Transfer CCD

Frame Interline Transfer CCD

Hue (Farbnuance),

Saturation (Sättigung),

Intensity (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

r g b = 0 120 240
bei Saturation = 100

Farbigkeit

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

Zusammenhängende Bereiche mit ähnlicher Farbe

Saatpunkt manuell oder automatisch bestimmt

jeweils 4 Nachbarn

H-Modul Aufgabenzerlegung

G-Modul Sensorwahrnehmungen/Integration (Verarbeitung)

M-Modul Weltmodell

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

Programmdateien

Zustandsvariablen/Objektlisten (symbolische Speicherung)

Karten

Operation Service Task

Servo primitiv elementar

Globale Ziele

Aufgabenzerlegung stren hierarchisch

lokale Aktionen

beste Schätzung und Berechnung des realen Systems

über Vergangenheit, Gegenwart und mögliche Zukunft

Merkmale, Beziehungen, Ereignisse

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 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

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

arbeiten optisch, magnetisch oder mechanisch mit Kontakten

Rotatorische und lineare

Lichtstrahl auf Photodetektor

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

wird direkt abgelesen mit absoluter Kodierung