Mobil robotok 1. (Külső érzékelők) Mobilrobotokon használatos érzékelők és működésük. Nagy István, BMF BGK MEI

Átírás

1 Mobi obotok 1 Mobiobotokon hasznáatos ézékeők és működésük (Küső ézékeők)

2 Feosztások: Az ézékeők aapvetően a mobiobot: sebességét, oientációját és pozícióját hivatottak meghatáozni. Temészetesen eáthatjuk ezeken eü (az evégzendő eadatnak megeeően) a mobiobotot további ézékeőkke (miko-kapcsoók: vészkapcsoó, ütközéskapcsoó; nyomáskapcsoó; eőméő, ényméő,.) Mobiobotok ézékeői: Beső ézékeők: Küső ézékeők: Mikokapcsoók Optikai kódadók: (Odometia): inkementáis, abszoút kódoó. Potencio-métees eoduás-ézékeő Gyosuásméő(ú gós, mechanikus) Méőejes beső ézékeők: 1.) Gioszkópok: mechanikus, piezzoeektomos 2.) Iánytűk (kompasz): optikai, mechanikusmagnetikus, Watson, Ha-eektusos Fényézékeők: LIDAR endszeek IR, Léze, Nem vizuáis ézékeők: (Nem átóendszeek) RADAR Rendszeek: RF, SONAR Rendszeek: US, Vizuáis ézékeők: (Látóendszeek) Kamea-endszeek, Kamea-énysugá

3 Küső ézékeők: A méendő tágy a oboton kívü heyezkedik e; átaában távoságok méésée hasznát ézékeők. Ide soohatjuk még a obot küső eüetén eheyezett miko-, vészkapcsoókat is. Aapvetően két nagy csopota oszthatók ezek az ézékeők (ha etekintünk a mechanikus vészkapcsoóktó): Nem vizuáis Fényézékeők (LIDAR) Hangézékeők (szoná) Temészetes ényt ézékeő Rádió ekvenciát ézékeő (RADAR) INFRAényt ézékeő Utahangos ekvenciát ézékeő (US) LÉZERényt ézékeő Egyszeű hangekvenciát ézékeő Vizuáis Tisztán kameás átóendszeek (csak pá péda.) Szteeó kamea Aktív ókuszáás (Látóen d-szeek) Fényézékeőkke kiegészített átóendszeek (csak pá péda ) Lézeszem COPIS (paakamea)

4 Miko-kapcsoók: kapcsoók: A mobiobot küső bukoásán évő vész -kapcsoókó van szó. Átaában a sakokon vannak eheyezve, vagy kiugásokon. Temészetesen minden kapcsoóhoz kijeöhetnénk egy pocesszo-bemenetet (ez vona a egegyszeűbb kapcsoó meghatáozás), de így sok bemenetet eoganánk, és nem jutna eseteg más, ontosabb ézékeőknek. A eggyakoibb megodás, miko a kapcsoók küönböző eszütség-szinteket kapcsonak, majd (ásd itt: ezütségeosztás) így minden kapcsoóhoz küönböző eszütségszint og tatozni, amive ehet identiikáni, meyik kapcsoóó (iányó) van szó. A kapcsoók kimenetéő a eszütség a pocesszo A/D bemenetée megy, és utána má digitáis je aakjában töténik a edogozás.

5 Nem vizuáis ézékeők Fényézékeők (LIDAR endszeek): Temészetes ényt ézékeő beendezések: Igaz, hogy nem nagy métékben, de azét hasznáatosak a temészetes ényeősséget ézékeő (méő) eemek hasznáata a mobiobotikában. Iyen jeegzetes ényeősségméő eemek a oto-eenáások, otodiódák. Főeg kütéi obotokban hasznáatosak, az eseteges napeem hasznáatná. Egy tipikus oto-eenáás (tipikus anyaga: CdS kadmium-szuid) bekötés átható a következő ábán: A ényeősségtő üggően vátozik a eszütség-osztó második eenáásának eenáása, így a PE# ába eső eszütség is. A tag kimenete átaában a pocesszo A/D bemenetéhez kapcsoódik Egy tipikus megodás a ényzabáó megvaósításához (temészetesen a otoeenáások heyett hasznáhatunk oto-diódákat, vagy oto-tanzisztookat is a vezééshez pontosabb is, osztó sem ke).

6 Nem vizuáis ézékeők Fényézékeők: Inavöös-ényt ényt ézékeő beendezések: FIGYELEM: - Az aábbiakban eít távoság-ézékeő beendezések kezdetekko nem votak képesek a pontos távoságok meghatáozásáa, hanem inkább csak aa votak hasznáatosak, hogy egy adott távoságon beü (küszöbéték) meghatáozzák, hogy van-e e vaamiyen akadáy a teepen! - A későbbiekben a stuktuát ények bevezetéséve má ehetőség nyít távoságok méésée is, amit átaában a TOF vagy a ázisetoás módszeek segítségéve végeztek. Egy, a távoságméése is akamas endsze eépítése: Féig-áteesztő tükö, mey a énysugaakat a ázis-detektoba teei, ami a ázisküönbségbő számoja ki a távoságot (D), az aábbi képet aapján: θ D L + λ 2 π Aho: λ - a huámhossz; θ - az eektonikusan megáapított ázisküönbség a kimenő és a visszajövő huámok között.

7 IR ény moduációk: Hogy stuktuát ényt kapjunk, átaában kétée moduációt hasznáunk: FMCW equency moduated continuous wave Fekvencia moduáció: AMCW ampitude moduated continuous wave Ampitúdó moduáció

8 Aapvető távoságméési ejáások (TOF/FÁZIS): TOF módsze: Egy megjeöt huám epüési sebességébő keü kiszámoása az akadáytó (ami visszavei a megjeöt huámot) mét távoság. Fázisetoásos módsze: A visszavet huám ázisetoásábó keü kiszámoása az akadáytó mét távoság Aho: d a számot távoság t- epüési idő 1 d v. t ; 2 v sebesség (átaában a hangsebesség, met ezt a módszet a eggyakabban az utahangos endszeekné hasznáják.) 4πd φλ c φ d ;( ha λ ) d λ 4π φc ; 4π Aho: φ- ázistoás d a számot távoság λ- huámhossz - ekvencia c - énysebesség

9 IR adó (jeemző adatok): Az ina ézékeők átaában két észbő ának: egy ina ényt kibocsátó LED diódábó, adó, (a kibocsátott ény huámhossza adott), és az adott huámhossza ézékeny oto-diódábó (vagy oto-tanzisztobó) ami nem más mint egy vevő. A oto-diódák eőnye a oto-eenáásokka szemben, hogy: nagyobb az ézékenységük, ineáisak, és gyosabbak. Kihasznáva az ézékenységüket és gyosaságukat (ebbő kioyóag stuktuát ény kezeésée is akamasak) kedvezően ki ehet hasznáni őket a táviányításhoz. Jeemző adatok: A énykibocsátó eem anyaga (GaAs) Reatív (ekvencia-üggő) ézékenysége Iány-kaakteisztikája (ebben az esetben ±30 0

10 IR vevő (bekötések): Feépítés: Foto-dióda, eőeősítő, sáv-szűő, demoduáto, vezéő áamkö. (Sötétített bevonat, hogy kiszűje a küső zavaó ényt) Csatakoztatás a további küső áamköökhöz. (igyed az 1, 2, 3- as ábakat) Jeemző adatok: Reatív (ekvencia-üggő) ézékenysége 0 vivő ekvencia (kataógusadat) E emin minimáis énysugázási küszöbéték (kataógusadat)

11 IR vevő (bekötések): További akamas IR vevő beendezés a oto-tanziszto. Nagyon hasonítanak a oto-diódákhoz, csak taán még ézékenyebbek. Jeemző adataik és jeeggöbéik is hasonóak. E e 1cm 2 -e jutó ényenegia I CE0 szatuációs áam I PCE koekto-emitte ényáam, adott énytejesítményné

12 IR optikai tesztje: Az optikai teszt-je eépítése: t p,i bemenő puzus-széesség t p,o -kimenő puzus-széesség 0 vivő-ekvencia 1/λ 0 θ - áziskésés Figyeem: A kimenő je nuában aktív! λ 0 θ

13 IR ézékeő - ehasznáás: Akadáyok ézékeése: 0 40KHz -es vivő-ekvenciáva működő adó. A vevő magas szintű jeet ad, ha nincsenek visszavet IR ények, és aacsony szintű jeet ad, ha vannak. Két ézékeőbő áó endsze (A, B), ami képes ehet akadáyok megkeüésée: Ha mindkét (A, B) szenzo ézéke: a obot jobba odu (óamutató iányáva megegyező iány) Ha csak az A szenzo ézéke (ehet egyedü, vagy a B szenzoa együtt): a obot baa odu. Ha csak a B szenzo ézéke: a obot haad tovább eőe.

14 IR ézékeő - ehasznáás: ényenyeés s evén n működő m gázok ézékeése Az inavöös ézékeő evi eépítése: 1. sugáoás, 2-5. abak, 3. méőkama, 4. homoú tükö, 6. sugáosztó, 7. inteeenciaszűő a viszonyítási (eeencia) huámhossz eőáításáa, 9. inteeenciaszűő, (pioeektonikai) méőézékeő A ényenyeés evén működő ézékeőket a gyakoatban átaában inavöös ézékeőknek nevezik. A méés eve az, hogy a gázok a ényenegiát egy jeegzetes huámhosszon az inavöös tatományban enyeik. A sugaak enyeése azok huámhosszátó, a gáz ajtájátó és a gázéteg vastagságátó ügg. A ényenyeés evén működő gázézékeők a következő egontosabb eemekbő ának: egy ényoás, amey ehet pédáu egy izzóámpa vagy egy évezető sugáoás is, egy méőkama, ameybe a mintagáz bejut, és egy optikai szűőve eátott ézékeő (3. ába). A ény áthato a méőkamán és az ézékeőe jut. Ha a méendő gáz a kamába keü, az egy adott, a gáza jeemző huámhosszon vagy huámsávban enyei a ényt. A gázkoncentáció egyenesen aányos az enyet enegia mennyiségéve A szűő (inteeenciaszűő) teszi ehetővé a mintagáza jeemző enyeési huámhosszsáv beáítását. Ha a szűő sávszéessége keskenyebb, akko kisebb a huámhosszsáv is, és ezét nagyobb az ézékenység. A égnedvesség, az izzó ényeejének vátozása, po és szennyeződések hatása a két ézékeőe azonos, ezáta kompenzáják egymást.

15 Lézeény ézékeők: Lézeénnye dogozó beendezések nagyban hasonítanak az eőzőekben tágyat IR beendezésekhez (itt is ázisküönbséget igyeünk), azza a küönbségge, hogy itt temészetesen más a dióda aapanyaga, hisz ézeényt ke eőáítani, ebbő következik más ekvencia-tatományban dogoznak, és koheens énnye (nem esz akkoa a diszpezió, nem esz a növekvő távoságga növekvő huámhossz pontosabb méés). A méendő távoságot a ézeoás eőssége adja (eősebb ézeény nagyobb távoság). A méés evei ehetnek: közveten ázisküönbség méése, közvetett inteeenciás ázisküönbség méés. Kihasznáva a ézeény jó tuajdonságait, küönböző éze-szkenneek éteznek eüetek etapogatásáa. Így nem csak az akadáy távoságát tudjuk meghatáozni, hanem aakját is. Ezekben az esetekben ez ézékeő beendezés vaamiyen CCD kamea, aho átaában a képpont heyzetébő hatáozzuk meg a távoságokat. Léteznek 1D-s (pont-eképezés), 2D s (énykések), ietve 3D-s éze-szkenneek. 1D-s éze etapogatás (távoságméés make) Lézekéses 2D-s, ietve 3D-s etapogatás

16 Küső ézékeők hangézékeők (SONAR( ): SONAR endszeek): A SONAR (Sound Navigation and Ranging) gyűjtőszó aatt ogatam össze az összes ézékeőt, meyek a hangekvenciás (akusztikus) könyezetben működnek. (kis túzássa ide sootam az RF ézékeőket, miközben tudjuk, hogy azok azét nagyobb ekvenciákon működnek) A mobiobotikában a egetejedtebb az utahangos ézékeés (távoságméés). Az összetevők itt is: egy huámgejesztő beendezés, és egy jeogó beendezés. A működési ev, az etet idő méése a kibocsátott és a visszavet huám között. Ezek aapján a távoság (d) számoása: 1 d vt 2 aho: v v 0 +0,6T [m/s], v 0 331[m/s], T a könyezet hőmésékete. Zavaó tényezők: hamis visszaveődések; a közeg vátozása (üst, köd), A zavaó tényezőket igyeembe véve, nehéz egy pontos matematikai modet eíni, met gyátónként más és más ehet. Egy gyakan hasznáatos mode, ami a (h ) huámont jeegzetességét íja e: Fa h R 2 2v.cosα v ( t 2d / v) ( t, d, a, α) π. a.sinα a sin α 2 ; α d Fa A Fetéteek: Ézékeő síkja d szoná 1. d >> (a 2 /α) aho d -távoság, a az utahangos ézékeés sugaa B 2. 0 < α < (π/2) 3. t [(2d a.sinα ) / v,(2d + a.sinα ) / v];

17 Küső ézékeők hangézékeők (SONAR( ): SONAR endszeek): Egy tipikus betéi könyezetben a zavaó tényezők, amennyiben jeen vannak, duván 2%-ka beoyásoják a mééseket, de ekko még nem beszétünk az inteeenciáó. Amennyiben α0, (az ézékeők síkeüete és a mét eüet páhuzamos) vagyis a huámont egyszee hagyja e, és veődik vissza az összes ézékeőbe, akko az egész kiejezés az ún. deta unkcióva heyettesíthető h R (nagyban eegyszeűsíti a számoást) 2d δ ( t ) Deékszögű saokban a távoság a 2d aapján számoható. 2 v Egy jeegzetes SONAR (US) iány-kaakteisztika, ami a je eősségét mutatja a kibocsátott huám iányához képest. A mobiobot technikában az US endszeek átaában övid távoságok méésée, akadáyok ézékeésée (max.: 2 5 m ig) hasznáatosak, met nagyobb távoságokon nagyon megnőne a számoási igény, a küönée zavaó tényezők kompenzáása miatt. 1 d 3 α

18 Egy kasszikus SONAR endsze: Amint átjuk, a endsze eég egyszeű (ezét etejedt). A hangszóó szinte közvetenü, a mikoon egy eősítőn keesztü kapcsoódik a pocesszo A/D bemenetée. -Gyakoi mintavéteezést igényő ejáás (a hibák hamis echo-, gömbeüetek meghatáozása, saját motozaj kiszűése.., édekében). Egy tipikus US endsze, ami távoságméése is akamas. A méés menete: Eőszö a távoságméő modu, kb 400V-os jeet küd a jeadóba, ami egy utahangos ciipeést áít eő. Utána a távoságméő modu igyei a megjeenő visszhangot, és amiko detekáta, akko a kimenetét aktív- ba áítja. Méve az időt a ciipeés geneáása és az echo megjeenése között (PA1, PA2), megáapítható a távoság. (Akadáy közeében a LED viágít ez csak egy kiegészítés-)

19 Utahangos (US) endsze: Az ézékeők utahangos-vátóva működnek, ameyek egy meghatáozott ütemben speciáisan kódot utahang impuzusokat bocsátanak ki. A cétágyó visszaveődő utahang impuzusokat ézékeik és dekódoják. A kiétéket adatokbó, hőméséket-kompenzáás után meghatáozzák a távoságot. FELHASZNÁLÁSI TERÜLET: -Távoságméés (mozgó tágyak is, mozgó tágyak ézékeése anyagtó üggeten, ehet átátszó is.) -Jeenét ézékeése (tágyak, szeméyek) -Számáás -Tejesség eenőzés (p. üvegek a ekeszben) Utahangos ézékeő-típusok: -1 mm es ebontás -2 m es ézékeési távoságon -130 KHz hodozó ekvencia -Anaóg kimenet.

20 Küső ézékeők (RADAR( RADAR endszeek RF-): Hasonó, mint a SONAR endsze, csak nagyekvenciás ádióhuámokat ad e és veszi a visszavet huámokat. Pontosságban ezek az ézékeők, vaaho a LIDAR és a SONAR endszeek között heyezkednek e. Ez a ekvenciának köszönhető. Amie igyeni ke itt is, a hamis visszaveődések kiszűése, és az inteeencia, viszont a ézehez hasonóan (de oyan pontosan) inomációt adhat a mét eüet aakjáó is. Az adó, ietve vevő antennák aakjáva ehetséges ókuszáni a ádióhuámot. (csökkenteni a beesési eüetet) A távoságméésen kívü (de vaójában itt is távoságméésen aapszik a heymeghatáozás) jeegzetes ehasznáási teüet: GPS (ásd későbbiekben Pozícionáás), vagy sebességméés, ásd ába: Sebességméés (V?) mikohuámú ádióekvencia (RADAR) segítségéve: V D: c: énysebesség F D : F 0 : számot Doppe sebesség megigyet ázisetoás ekvencia Lehetséges hibák: - taajegyenetség; - odaó visszavet huámok V VD cfd cosα 2F0 cosα

21 Küső ézékeők (GPS( GPS): A működés aapetétee, hogy: a műhodak és a vevő óája endkívü pontos (a műhodakon atomóa van), a vevő óája szinkonban van a műhodak óájáva A GPS esetében oyan ádiójeet méünk mey sebessége keeken A pobéma a utási idő méése. Szinkonizájuk óáinkat Az időméés pobémája megehetősen bonyout. az eső pobéma az, hogy a méendő idő endkívü övid. Ha a műhod éppen a ejünk eett van, a utási idő nem több, mint 0,06másodpec. Ezét nagyon pontos óáa enne szükségünk. Majd eő is szóunk nemsokáa. Tegyük e, hogy van iyen pontos óánk, hogyan méjük a utási időt? PÉLDA: Tegyük e, hogy a műhodon is, a vevőn is pontosan dében ekezdjük ejátszani a haangszót. Ha a vevőné áunk, és a hang eé minket a műhodó is, két veziót haunk, egyet a műhodó, egyet a vevőtő. A kettő nincs szinkonban. A műhodó ékező vátozat egy kicsit késik, mive meg keett tennie több mint km-t. (Ezt a kíséetet kipóbáhatja báki, aki egyéni műhodvevőve tudja ogni a Duna Teevíziót. A hangcsatona átáításáva ogható a műhodó a Kossuth Rádió. Dében kapcsojunk a Kossuth Rádióa a műhodvevőn, és kapcsojunk be egy ádiókészüéket, mey a középhuámon ogja a Kossuth Rádió. A késetetés nagyon jó haható.)

22 Küső ézékeők (GPS( GPS egontosabb jeek): Vivőhuám A GPS műhodak két küönböző vivőekvencián közvetítenek jeeket. Az L1vivőhuám Mhz-es és viszi a heyzeti üzeneteket és az á-véeten kódot az időmeghatáozáshoz. Az L2vivőhuám Mhz-és a sokka pontosabb katonai á-véeten kódot hasznája. ): Az á-véeten kódok (pseudo-andom) Az á-véeten kódok két típusát akamazzuk. Az eső a duván nyet kód (C/A CoaseAcquisition) Az vivőhuámot moduája bitenként ismétődik. Minden műhodnak saját á-véeten kódja van, így a kibocsátó műhodak egyéteműen azonosíthatók. A C/A kód a pogái GPS aapja. A második á-véeten kód a P (pecise) kód. Ez a kód 266,4 naponként isméti önmagát. A műhodak azonosítását az teszi ehetővé, hogy minden esetben egyedi a kód. A GPS oytatása a pozícionáásná esz,.

23 Vizuáis ézékeők - átóendszeek: A vizuáis ézékeők jeegzetességei: - Nem káosítják a könyezetet - Nagy ebontóképességűek - Nagy távoságokat képesek méni. A vizuáis ézékeők az embei vizuáis ézékeés megigyeésén aaputak: - Két szem szteeó kamea (hátány: nagyon sok adatot ke edogozni) - Egy kamea + méységméés (éze); Kevesebb adat gyosabb képedogozás - Egy kamea (ókuszáássa méységméés, kaibáássa méységméés) Aapvető pobémák: - Hogyan eépíteni az ézékeők adataibó a pontos munkateet (munkaté hatáai, akadáyok eheyezkedése, nagysága és omája) - képedogozási ejáások aakeismeés (égebbi technikák): ányékoások akamazása, textuák akamazása, é-detekáás (kontúok), - aakeismeés (újabb technikák): ézekés, éze szkenneéses technikák. A mobiobot technikákban átaában azét nincs szükség kompett eemzése, met a egontosabb doog a vizuáis méésekke kapcsoatban a könyezet stuktúájának megáapítása (van ott egy akadáy, mekkoa, miyen távosága van tőem).

24 Vizuáis ézékeők A vizuáis méőendszeek átaában kameaendszeekbő (tisztán kamea, vagy kamea + éze) ának. Kamea optikai endsze + opto-eektonikai endsze Optikai endsze: Lencseendsze, összegyűjti a ényt és áókuszája a képsíka (ézékeő apka) Opto-eektonikai endsze: a apkán ézéket ényt aakítja át bináis (számítógéppe / pocesszoa) edogozható bináis számsoá. Aapjában megküönböztethetünk aktív és passzív vizuáis endszeeket. Az aktív endszeekben a megigyeő (ami ehet a kamea is) aktív, vagyis méés közben mozog: a mozgásbó (odometia) és a képedogozásbó számoja ki a távoságot, iányt; vagy a kamea egyes észeinek mozgásábó számoja ki a távoságot: ókuszáás, pan-tit kameaej mozgatás; vagy szteeo kameaej hasznáata, A passzív endszeek tipikus pédája egy áó kamea, amey csak megigyei a könyezetet. A vizuáis ézékeőkné hasznát tipikus eem a CCD kamea Tipikus pobémák: behatáot átómező (nagy átómező keene, DE: nagy átómező abbeációk), behatáot ebontás (640x480, 16bit, 30/sec) edogozás nagyon sok és gyos számoás. A pontos méések édekében a kameákat KALIBRÁLNI ke

25 Vizuáis ézékeők kamea kaibáció: A egegyszeűbb kamea a PINHOLE kamea ( kis yuk egy doboz optikai tengeyén, hátu a doboz aán a képsík, a yuk az íisz). Távoságméése nem akamas, méységi inomációk evesznek. Kameakép 3D eképezése 2D-e Z 1 Z 2 ami a képsíkban nem átható. [Moden (optoeektonikai) képsíkú kameákná 3D eképezése 2 ½ D-e.] Képsík Tágykép Z 2 Z 1 A pinhoe kamea matematikai modeje: Pespektivikus eképezés. Adott egy Xw pont (objektum) a tében a homogén koodináta-endszeéve, ezt képezzük e a kamea képsíkjáa (x 1,x 2,x 3 ) egy P pojekciós mátix segítségéve: X1 x1 X 2 x2 P. X 3 x3 1 A Kamea kaibáció: egy 3D-s kaibációs tágy (uatok adott távoságoka a tágyon), eheyezése egy ismet pozícióban a 3D-s tében, kamea heyzete is ismet kiszámoom a P mátixot és összehasonítom az ismet adatokka (ásd következőkben). További képedogozási ejáások: ányékoás, édetekáás, aakeismeés, (ezekke idő hiányában nem ogakozunk).

26 Kaibáció: Ismet a kamea Xc [x y z] T pozíciója és az objektum képsíkba eképzett koodinátái [x 1 x 2 x 3 ] T ; ismet az objektum heyzete és aakja is a tében Xw [XwYwZw] T.Ezekbő az adatokbó kiszámojuk a pojekciós mátixot (P), és a kiszámot adatokat összehasonítjuk a pojekcióva adott pojekciós mátix adataiva. Ideáis esetben egyeznek, amennyiben nem egyeznek kaibációa, (a kamea egyes beáításainak koigáásáa) van szükség, egész addig míg P (számot) P (adott). A P pojekciós mátix egy T tanszációs és egy R otációs mátix kombinációja. A eképezés: X R. Xw + T aho R xx yx zx xy yy zy xz yz zz ; T t t t x y z Néhány ismet kameakaibáási metódus: Diekt ineáis tanszomáció (DLT) Módosított DLT Heyhez kötött (okaizát) DLT Legkisebb négyzetek metódus Fizikai paaméteek tanszomációja (PPT) metódus.

27 Pin-hoe kamea geometiája: Fotogammetia, egy oyan ejáás, meyben kameakép segítségéve (vagy énykép aapján) tágyak métani heyét és heyzetét hatáozzuk meg. Ez egy oyan oyamat meyben egy 3D-s vaós viágot átkonvetáunk egy 2D-s képsíkba. A konvetáás soán hibák és tozítások épnek e, ezét a konvetáásban észtvevő beendezést (kamea) kaibáni ke. Kameakaibáásnak nevezzük, miko egy ismet küső eeencia modet konvetáunk át a 2D-s képsíkba. Ebben a konvetáásban észtvevő paaméteeket átaában két észe oszthatjuk: küső paaméteek (kamea pozíciója és oientációja az adott eeenciasíkhoz képest), és beső paaméteek (a kamea beső geometiája: optikai tengey, ókusztávoság, optikai tozítás; képsík aszte-ebontása). aho Z az optikai tengey, a ókusztávoság, XW, YW, ZW, pedig a viág koodináta endsze. A képsík x, y koodinátája és a vaós viág XW, YW koodinátái közti kapcsoatot a következő összeüggés adja: X W x ; y Z A konvetáásná eépő hibák az eőbbiekben esoot, pontatan küső és beső paaméteekbő adódnak. Az optikai tozításbó számazó hibák átaában vaamiyen poinomokka vannak eimináva. Ezeknek a poinomoknak a koeiciensei tatamazzák az optika adiáis, axiáis és tangenciáis tozításainak eensúyozásához szükséges összetevőket. A tozítási paaméteeket átaában az optika gyátója megadja. A másik beső paamétebő számazó hibaehetőség a képsík véges aszte-ebontásábó számazik. Ebben az esetben a képsík x, y méetébő és a CCD eemek számábó megáapítható a CCD eemek közti x, ietve y iányú távoság. Ebbő a távoságbó és a kamea ókusztávoságábó evezethető a kamea minimáis szöghibájának a nagysága. W Y Z W W ; γ x x actg ; γ y actg y ;

28 Méységméés: Többée, kameáva végehajtott méységméési ejáás ismeetes: egykameás méés; többkameás méés; kamea + egyéb ézékeőve vaó méés; Meyekbő egy-egy működését megemítünk. Egykameás méységméés: - átaában a taajon évő jeek igyeése. Be van kaibáva a taaj távosága a kameátó, a kamea igyeni tudja a taajon évő jeeket, azok vátozásait, aakját. Gyakoi kihasznáás: a taajon eestett jeek követése. Többkameás méységméés: - megvaósítható : 2 (szteeókamea) 3 (tinokuáis kamea), vagy több kamea segítségéve. Legyen X [x y z 1] T egy átaános pont homogén koodinátái a tében, akko ez a pont minden kameában a kamea képsíkjába küönböző pozíciókba vetítődik e. Az i. kameába a képsíkba eképzett X pont koodinátái. (u i, v i ): ( u i, v i ( Pi X ) ) ( Pi X ) 1 3 ( Pi X ), ( P X ) i 2 3 Amennyiben ismet a kameák pozíciója, és a P pojekciós mátix, akko kiszámítható az X [x y z] pont heyzete a tében: x ( uipi)3 ( Pi)1 y ( vipi)3 ( Pi)2. z

29 Szteeókamea: (eméetieg) Z P (x,y,z) Let image Y Optic axis Right image V V I (U,V) U I (U,V) U O (-a,,0) O (a,,0) F (-a,0,0) O F (a,0,0) X A eképzés középpontja és a képsík közti távoság a ókusztávoság (). A jobb és ba kamea képsík koodinátái: (u,v ) és (u,v ). A P (x,y,z) pont a kameákban az I, I pontokba képződik e, akko a P pont koodinátái: x a ( u +u )/(u -u ) y 2a / (u -u ) z 2av / (u -u ) Aho: v v v.

30 Szteeókamea: A gyakoatban a távoságméésné a következőket ke megodani: -A két kép közötti küönbözőség -A kamea abszoút oientációja -Méység (távoság) számoása -Közös pontok keesése a két képen A tében eheyezkedő P(x,y,z) pont koodinátái: IDEALIZÁLT esetben (a két kamea nincs semmiyen szögben eodítva) A megigyet pont, két kamea átai, diszpaitása (a diszpaitás aatt étsük a 2 kamea x tengeyen vaó eheyezkedésének távoságát étjük x -x ) a következőképpen számoható (P(x, y, z) a té pontja, mindkét kamea egyoma ókusztávosága): x x + b / 2 x x b / és z z 2 A tében eheyezkedő P(x,y,z) pont koodinátái a következőkke számoható: x ( x + x ) / 2 b ; x x y ( y + y ) / 2 b ; y y z b x x ;

31 Szteeókamea kameák oientációja: Amennyiben a kameák odunak (és ez mozgó obotokná átaános) számonunk ke a kameák oientációjáva is. Legyen a ba kameábó mét P pont oientációs vektoa: (x,y,z ), (ugyanez évényes a jobb kameáa is, csak () indexekke.). Akko eíható: R R. 0 Aho, R egy 3x3 otációs mátix, 0 pedig a két kamea közti tanszációs mátix. A enti mátixegyenet kibővítve eíható: x x x y y y z z z x y z Aho 11 az R eső eeme, és 14 az 0 oszopvekto eső eeme. A enti egyenetendszebő kiszámítható: -Ha ismeek: R, 0 és : - Ha adottak az (x, y, z) és (x, y, z) koodináták, akko a endsze kaibáható, vagyis kiszámíthatóak az 11, 12, tanszomációs mátix eemei.

32 Szteeókamea távoságok számoása: Amennyiben nem ismejük az x, y, pontokat, csak ezeknek, a kameák képsíkjában évő vetüeteit x, y ; és adott az ókusztávoság a következő összeüggésse: x' Akko az adott egyenetendszeekbő kapunk egy 3 egyenetbő áó egyenetendszet, meyekbő, bámey kettőbő megáapíthatóak: 1. A z és z távoságok 2. Az és pozícióvektook. x z és y' y z x x x x' x z y y y 13 és z z z y' x y z y z + ( ( ( x' x' x' y' y' y' ). z ). z ). z x' y' z z z

33 Szteeókamea megeetetőség: További aapvető pobéma a két evett kép egymásnak vaó megeetetése. Ez átaában a két képen évő közös objektumok (pontok) keesése. Ee a eadata átaában 3 módszet akamaznak: 1. Szüke-ányaat egyeztetés: Keesik azokat a pixeeket (vagy kontúokat), és szomszédos pixeeket, aho a két kameában egyeznek a szükeányaatok. (a kép éességéve adott a pontban a kép iadiációs météke (egységnyi eüete eső adiáció éteke). Az egyeztetés oyamata: E (x, y ) E (x, y ), Egy ideáis kameaáásná (nincsenek eodítva a kameák) a koodinátáka évényes: x ' x b és ebbőba diszpaitási üggvény : d( x', y'). z z A eadat a szomszédos pixeek közötti diszpaitási üggvény keesése: 1 1 E ( x' + d( x', y'), y') E ( x' d( x', y'), y') Koeációs módsze: Sok esetben nem taáják a megeeő pixeeket, ekko bizonyos métékű koeációva eátott pixeeket (szomszédos pixeeket) is eogadnak azonos tépontokként a két kameában. Pobémák ehetnek: ha övid a váasztott eemzendő szakasz taáható más objektumban is oyan szakasz / ha tú hosszú a váasztott szakasz két kamea küönböző tozítás soha nem esez egyezés / 3. Kontúok iesztése: A két kameaképbő kiagadnak pontos, jó eismehető kontúokat, meyeket megeetetnek egymásnak.

34 Vizuáis, hibid endszeek: Léze + kamea Lézeénnye megviágítjuk a méendő objektumot, aho a ézeény beeütközik az akadáyba az a pozíció a kameáva ézékeve van. A távoságinomáció (z), a ény becsapódási pontjábó és a kamea paaméteeibő háomszögeésse megáapítható, az objektum heyzetéő és pozíciójáó a többi jeentős paaméte a kameaképbő áapítható meg. d - a ényoás távosága az optikai tengeytő x a visszavet ézeénysugá becsapódási heye a kamea képsíkjába. (2D-s epezentáció) és d paaméteek ismetek a endsze koniguációjábó, amit e ke ménünk a ézesugá kitéítési szöge (Ω), és megáapítani a képsíkban, a ézesugá becsapódási heyét (x ) z. d cot( Ω) ± x' (± - attó ügg, hogy a z tengey meyik odaáa esik x )

35 Szinkonizát endsze: A ézesugá apetúája szinkonban mozog a ézeényoás iányáva. Kicsit megvátoznak a tianguációs képetek is: z x d d. sin 2Ω + 2 x' z.cot Ω d sin 2 Ω Figyeembe véve a keetkezett hibákat, kétée hibát édemes megemíteni: Tianguációs hiba: G p 2 x' d..sin Ω z d z sin 2Ω 2 Szögnagyítási hiba: G Ω Ω z d 1 2z.cot Ω

36 Lézeény ézékeők a hibid endsze: Egy tükökke kitéített ézesugaas (1D-s) távoságméő beendezés eépítése. A méőendsze szinkonizát tianguációt akamaz, aho a szinkonizáció azt jeenti, hogy az ézékeő geometiai heyzetét a etapogató ézesugá mozgatásáva szinkonban vátoztatjuk. Így a méőendszehez a detektát énysugá etéítő mechanizmusa is hozzátatozik. Az 5mW-os HeNe ézeoásbó (1) a ény a kétodaas x iányú etéítő tüköe (2), majd a (3) áótükön megtöve a (4) y iányú etéítő tüköe jut. A ézeénnye megviágított tágyponton szétszóódó ény egy észe az (5), (6) és (2) tükökön keesztü a gyűjtőencsébe (7) jut. A encse a ényt a CCD ézékeőe (9) ókuszája. Az etéítő tüköket a (10), (11), (12) gaván-motoos etéítő egységek mozgatják. Az x iányú szinkonizációt a kétodaas tükö (2) automatikusan biztosítja. Az y iányú szinkonizációt a (4) és (5) etéítő tükök mozgatásának szinkonizáásáva odjuk meg. Így ez a szinkon nem automatikus, és nem is tökéetes (Egydimenziós CCD vonaézékeő akamazása esetén ezét hengeencse (8) eheyezése szükséges, amey a gyűjtőencséő ékező ényt az ézékeési szakasza meőeges énycsíkba ókuszája.) EREDMÉNY: egy x, y képsíkban (2,4,5 tükök aakítják ki), tianguációva, pontonkénti távoságinomációkat 3D-s képet apunk.

37 Hibid endszeek A ézeény képsíkba vaó becsapódási heyének meghatáozása Az aábbi ábán átható eendezésben az x tengey (d; 0) pontjábó vetítjük a etapogató ézesugaat. A koodinátaendsze oigójában heyezkedik e a kamea gyűjtőencséjének geometiai középpontja. Céunk, hogy a detekto egyenesée iesztett P tengeyen meghatáozzuk a ézeény áta megviágított tágypont képpontjának heyét. A P tengey 0 pontja a P tengey és a encse geometiai tengeyének metszéspontjában van. Az egyszeűbb geometiai eíást segíti, hogy a detekto egyenesét az xz síkban az oigó köü eogatjuk ( Θ0-90 )-ka (szinkonizáció), így a P tengey mindig páhuzamos esz az x tengeye, tőe vaó távosága pedig: F-[(. L) / (L - )] Aho: a ókusztávoság, L tágytávoság. A képpont heye az ézékeő síkjában (egyenesén): Kicsit eegyszeűsítve:

38 Lézeény ézékeők 3D-s s geometia: K am ea átóm ezeje Yc A ézesugá átóm ezeje M M v Pv M P U M u L Xc Képsík

39 ÖSSZEFOGLALÁS