智能制造装备基础之外部感知技术与视觉感知的应用

引自：《智能制造装备基础》（作者：吴玉厚、陈冠龙、张克、赵德宏、龚亚东、刘春石）

外部传感技术是智能系统本身相对于周围环境的定位。 它负责检测距离、接近度和接触等变量，有利于智能系统的引导以及物体的识别和处理。 外部感知技术包括视觉感知、触觉感知、接近感知、超声波感知、电磁感知和多传感器融合感知等。 以智能机器人为例，外部感知技术的传感器一般安装在机器人的头、肩、腕、腿、脚等处。

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视觉感知

视觉感知，顾名思义，客观事物通过人的视觉直接反映在人的大脑中。 推而广之，智能视觉感知利用计算机技术来处理和更好地解释视觉图像，使机器能够具有类似于人类或其他系统高等动物的视觉处理能力，具有理解外部世界的能力[1]。

在智能制造领域，视觉感知是当前研究的热点和难点课题。 尽管智能视觉感知研究领域还存在一些难以理解和需要解决的问题，但该技术已经取得了长足的进步，特别是近年来。 2017年，随着视频内容和深度学习的快速发展，智能视觉感知的研究得到了大量的数据支持。 各国顺应时代发展，制定了相应规划，制定并规范了项目部署。 数据量的增加使得大规模视觉感知和无人平台成为重要的研究方向。 相关行业企业也开展了视觉感知相关的研发。 相关智能产品。 因此，目前有很多重要的应用场景，比如广泛应用于智能交通、智能汽车、智能安防、微电子、医学图像分析、军事、机器人等众多领域。

视觉感知的实现主要是通过视觉传感器。 视觉传感器能够捕获整个图像中的光线并将其整合到图像中。 图像的清晰度和细节通常通过分辨率来衡量，以像素数表示。 因此，无论距目标有多远，传感器都可以“看到”几米或几厘米外的详细目标图像。

视觉传感器通常是摄像头，有的还包括云台等辅助设施。 它是将图像传感器、数字处理器、通信模块和I/O控制单元集成到单个相机中，独立完成预设的图像处理和分析任务的传感器。 视觉传感器可分为无源传感器和有源传感器。 被动传感器利用摄像头对目标物体进行拍摄以获得图像信号； 主动传感器借助发射设备将光图像投射到目标物体，然后接收返回信号以测量距离。

视觉传感器分为三大类：一是电感耦合器件（CCD）； 二是MOS图像传感器，也称为扫描光电二极管阵列（SSPA）； 第三，电荷注入器件（CID）。 目前应用最广泛的是采用电耦合器件制成的视觉传感器，飞利浦、柯达、富士胶片等都有相关产品。

飞利浦拥有业界最大的 CCD 图像传感器。 在数码相机的应用上，其35mm尺寸的CCD已应用于“”数码相机，成为专业数码相机的代言人。 其次超声波探鱼器，该公司还拥有独特的“Frame-CCD”（面扫描）技术，在应用中可以实现30~60帧/秒的速率。 这是真实视频信号的速度。 （图1）

图1 CCD传感器（飞利浦）

柯达的 CCD 图像传感器采用广受好评的 TO CCD（氧化铟锡）技术，而不是传统的多晶硅化合物。 其特点是灵敏度比普通CCD图像传感器高20%，透光率高。 在普通CCD图像传感器的弱蓝光传感和抗噪声干扰方面都有突破性的改进。 其蓝光感应能力得到了提升。 2.5倍，同时大幅降低噪声干扰，使图像更加锐利、色彩更加准确，为专业数码摄影提供高分辨率、锐利的图像。 （图2）

图2 CCD传感器（柯达）

富士胶片开发的“Super CCD（超级蜂窝结构）”采用八边形感光单元，即蜂窝八边形结构，因此其感光单元面积比传统CCD图像传感器更大。 这样做将获得三个好处：一是可以提高CCD图像传感器的灵敏度；二是可以提高CCD图像传感器的灵敏度。 第二，可以提高动态范围； 第三，可以提高信噪比。 这三大优势加上更高的生成像素成为富士胶片在数码相机产品中的最大卖点。 （图3）

图3 蜂窝结构（富士）

当前，智能“眼睛”正在点亮人工智能技术的发展。 人工智能越来越无人化，在无人机、无人驾驶汽车、机器人等领域的应用也越来越广泛。

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触觉感知

触觉传感器的研究已有40多年的历史。 目前，随着硅材料微加工技术和计算机技术的发展，触觉传感器已逐渐走向集成化、小型化和智能化，涉及的类型较多，但其工作原理主要集中在压电式、压阻式和电容式传感器。 此外，聚偏二氟乙烯和压敏导电橡胶作为敏感材料已广泛应用于触觉传感器的开发。

1) 压电触觉传感器

压电触觉传感器是基于敏感材料的“压电效应”来完成力测量功能。 由于材料内部的晶格结构具有一定的不对称性，材料产生的应变会造成内部电子分布的局部不均匀性，从而产生净电场分布。 因此，晶体表面会出现正、负束缚电荷。 其电荷密度与所施加的外力成正比。

2) 压阻式触觉传感器

压阻式触觉传感器的工作原理是基于敏感材料的压阻效应——当某些材料受到外力作用时，材料的电阻值会因外部形式或内部结构的变化而发生相应的变化。 一般来说，材料电阻值的变化与其所受到的外力之间存在一定的数学关系。

3）电容式触觉传感器

电容式触觉传感器的工作原理是将测得的力信息转换为电容的变化。 该传感器的敏感单元是一个参数可变的电容器。 其最常用的形式是由两个平行的电极组成，电极之间的介质是空气。 一般来说，用于力测量的触觉传感器通过测量外力引起的电极间距的变化来反映相应的力信息。 此外，还可以通过测量电容器的面积变化来获得角位移或线位移，或者通过测量介质的变化来测量不同介质的温度、密度和湿度。

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接近知觉

传统的智能传感技术主要包括视觉传感器和触觉传感器。 视觉传感技术提供方向捕获和物体距离信息，触觉传感提供接触情况下的压力和分布信息。 在实际应用场景中，经常会出现物体之间距离较小的情况。 此时，视觉传感器往往无法捕捉到距离信息。 同时感知技术不接触物体，触觉感知技术无法正常获取物体信息。 这就是“感知技术的局限性”。 盲点”。 因此，智能传感技术在具备视觉和触觉能力的同时，还需要接近传感的辅助。 接近传感技术主要感知小物距下的距离信息（几毫米到厘米）。 在弥补视觉和触觉传感技术“盲点”的同时，使智能传感技术能够在整个过程中以视觉方式捕捉接近物体的物体并抓取物体。 持续检测物体和环境信息。 表 1 显示了视觉、距离和接近传感器的功能比较 [2]。

表1 视觉、距离、接近传感器功能对照表

传感器类型

感知范围

主要功能

视觉传感器

几十厘米到几十米

视觉功能，捕捉外部图像信息

距离传感器

几十厘米到几米

获取距离信息以检测物体或避开障碍物

接近传感器

毫米 到​​ 厘米

获取接近物体的准确距离，实现机械手的抓取功能

接近传感器是用来控制自身与周围物体的相对位置或距离的传感器。 用于检测一定距离内是否有物体接近、物体的接近距离以及物体表面的形状和倾斜度。 它在智能感知技术中一般起到两个作用：抓取物体和躲避障碍物。 接近传感器通常使用非接触式测量元件。 接近传感器包括霍尔效应传感器、电磁感应式、光电式、电容式、气压式、超声波式、红外线式和微波式。 其中光电接近传感器响应好，维护方便，测量精度特别高。 是目前最常用的传感器。 但其信号处理复杂，使用环境受到一定限制（如环境光线水平有偏差或较脏）。 （图4～图6）

图4 接近传感器示意图

图5 实际接近传感器

图6 接近传感器连接形式

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超声波传感

声波是声音的传播形式。 声波是由物体振动产生的机械波，通过各种介质向各个方向传播。 根据声波的频率分类，频率低于20Hz的声波称为次声波，频率高于20kHz的声波称为超声波，如图7所示。频率范围为20Hz~20kHz的声音为人耳可以听到的声音。

图7 声波范围

超声波传感器主要由发射器、接收器和控制部分组成。 它又称为超声波探头、超声波换能器，如图8所示。它的发射器和接收器用于完成超声波的发射和接收。

图8 超声波传感器实物图

根据工作原理分类，超声波传感器分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等形式。 其中压电换能器最为常见，材料主要是压电晶体和压电陶瓷。 目前，铁电陶瓷是应用最广泛的具有压电效应的材料。 此外，还有具有压电效应的有机材料，但由于稳定性较差，迄今为止其应用还受到很大限制。

超声波检测广泛应用于工业、国防、生物医学等领域（图9）

图9 超声波探鱼器

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电磁感知

电磁传感作为智能家居与城市、安防巡检、生物医学等领域的基础性、关键性、共性问题，不仅是电子信息领域的研究热点，也是世界各国竞相争夺的颠覆性技术。

然而，现有的电磁传感在系统和算法上都存在一系列具有挑战性的问题，如成本高、效率低、精度差等，这些缺点在一定程度上制约了其在未来5G/6G和人工智能时代的进一步发展。程度。 发展。

参考

[1] 中国科协智能制造学会联合体。 中国智能制造重点领域发展报告（2019-2020年）[M]． 北京：机械工业出版社，2019。

[2]王丽辉. 块的一个[J]. ，2015 年。

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