智能制造裝備基礎之外部感知技術與視覺感知的應用

引自：《智能制造裝備基礎》（作者：吳玉厚、陳冠龍、張克、趙德宏、龔亞東、劉春石）

外部傳感技術是智能系統本身相對于周圍環境的定位。 它負責檢測距離、接近度和接觸等變量，有利于智能系統的引導以及物體的識別和處理。 外部感知技術包括視覺感知、觸覺感知、接近感知、超聲波感知、電磁感知和多傳感器融合感知等。 以智能機器人為例，外部感知技術的傳感器一般安裝在機器人的頭、肩、腕、腿、腳等處。

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01

視覺感知

視覺感知，顧名思義，客觀事物通過人的視覺直接反映在人的大腦中。 推而廣之，智能視覺感知利用計算機技術來處理和更好地解釋視覺圖像，使機器能夠具有類似于人類或其他系統高等動物的視覺處理能力，具有理解外部世界的能力[1]。

在智能制造領域，視覺感知是當前研究的熱點和難點課題。 盡管智能視覺感知研究領域還存在一些難以理解和需要解決的問題，但該技術已經取得了長足的進步，特別是近年來。 2017年，隨著視頻內容和深度學習的快速發展，智能視覺感知的研究得到了大量的數據支持。 各國順應時代發展，制定了相應規劃，制定并規范了項目部署。 數據量的增加使得大規模視覺感知和無人平臺成為重要的研究方向。 相關行業企業也開展了視覺感知相關的研發。 相關智能產品。 因此，目前有很多重要的應用場景，比如廣泛應用于智能交通、智能汽車、智能安防、微電子、醫學圖像分析、軍事、機器人等眾多領域。

視覺感知的實現主要是通過視覺傳感器。 視覺傳感器能夠捕獲整個圖像中的光線并將其整合到圖像中。 圖像的清晰度和細節通常通過分辨率來衡量，以像素數表示。 因此，無論距目標有多遠，傳感器都可以“看到”幾米或幾厘米外的詳細目標圖像。

視覺傳感器通常是攝像頭，有的還包括云臺等輔助設施。 它是將圖像傳感器、數字處理器、通信模塊和I/O控制單元集成到單個相機中，獨立完成預設的圖像處理和分析任務的傳感器。 視覺傳感器可分為無源傳感器和有源傳感器。 被動傳感器利用攝像頭對目標物體進行拍攝以獲得圖像信號； 主動傳感器借助發射設備將光圖像投射到目標物體，然后接收返回信號以測量距離。

視覺傳感器分為三大類：一是電感耦合器件（CCD）； 二是MOS圖像傳感器，也稱為掃描光電二極管陣列（SSPA）； 第三，電荷注入器件（CID）。 目前應用最廣泛的是采用電耦合器件制成的視覺傳感器，飛利浦、柯達、富士膠片等都有相關產品。

飛利浦擁有業界最大的 CCD 圖像傳感器。 在數碼相機的應用上，其35mm尺寸的CCD已應用于“”數碼相機，成為專業數碼相機的代言人。 其次超聲波探魚器，該公司還擁有獨特的“Frame-CCD”（面掃描）技術，在應用中可以實現30~60幀/秒的速率。 這是真實視頻信號的速度。 （圖1）

圖1 CCD傳感器（飛利浦）

柯達的 CCD 圖像傳感器采用廣受好評的 TO CCD（氧化銦錫）技術，而不是傳統的多晶硅化合物。 其特點是靈敏度比普通CCD圖像傳感器高20%，透光率高。 在普通CCD圖像傳感器的弱藍光傳感和抗噪聲干擾方面都有突破性的改進。 其藍光感應能力得到了提升。 2.5倍，同時大幅降低噪聲干擾，使圖像更加銳利、色彩更加準確，為專業數碼攝影提供高分辨率、銳利的圖像。 （圖2）

圖2 CCD傳感器（柯達）

富士膠片開發的“Super CCD（超級蜂窩結構）”采用八邊形感光單元，即蜂窩八邊形結構，因此其感光單元面積比傳統CCD圖像傳感器更大。 這樣做將獲得三個好處：一是可以提高CCD圖像傳感器的靈敏度；二是可以提高CCD圖像傳感器的靈敏度。 第二，可以提高動態范圍； 第三，可以提高信噪比。 這三大優勢加上更高的生成像素成為富士膠片在數碼相機產品中的最大賣點。 （圖3）

圖3 蜂窩結構（富士）

當前，智能“眼睛”正在點亮人工智能技術的發展。 人工智能越來越無人化，在無人機、無人駕駛汽車、機器人等領域的應用也越來越廣泛。

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02

觸覺感知

觸覺傳感器的研究已有40多年的歷史。 目前，隨著硅材料微加工技術和計算機技術的發展，觸覺傳感器已逐漸走向集成化、小型化和智能化，涉及的類型較多，但其工作原理主要集中在壓電式、壓阻式和電容式傳感器。 此外，聚偏二氟乙烯和壓敏導電橡膠作為敏感材料已廣泛應用于觸覺傳感器的開發。

1) 壓電觸覺傳感器

壓電觸覺傳感器是基于敏感材料的“壓電效應”來完成力測量功能。 由于材料內部的晶格結構具有一定的不對稱性，材料產生的應變會造成內部電子分布的局部不均勻性，從而產生凈電場分布。 因此，晶體表面會出現正、負束縛電荷。 其電荷密度與所施加的外力成正比。

2) 壓阻式觸覺傳感器

壓阻式觸覺傳感器的工作原理是基于敏感材料的壓阻效應——當某些材料受到外力作用時，材料的電阻值會因外部形式或內部結構的變化而發生相應的變化。 一般來說，材料電阻值的變化與其所受到的外力之間存在一定的數學關系。

3）電容式觸覺傳感器

電容式觸覺傳感器的工作原理是將測得的力信息轉換為電容的變化。 該傳感器的敏感單元是一個參數可變的電容器。 其最常用的形式是由兩個平行的電極組成，電極之間的介質是空氣。 一般來說，用于力測量的觸覺傳感器通過測量外力引起的電極間距的變化來反映相應的力信息。 此外，還可以通過測量電容器的面積變化來獲得角位移或線位移，或者通過測量介質的變化來測量不同介質的溫度、密度和濕度。

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接近知覺

傳統的智能傳感技術主要包括視覺傳感器和觸覺傳感器。 視覺傳感技術提供方向捕獲和物體距離信息，觸覺傳感提供接觸情況下的壓力和分布信息。 在實際應用場景中，經常會出現物體之間距離較小的情況。 此時，視覺傳感器往往無法捕捉到距離信息。 同時感知技術不接觸物體，觸覺感知技術無法正常獲取物體信息。 這就是“感知技術的局限性”。 盲點”。 因此，智能傳感技術在具備視覺和觸覺能力的同時，還需要接近傳感的輔助。 接近傳感技術主要感知小物距下的距離信息（幾毫米到厘米）。 在彌補視覺和觸覺傳感技術“盲點”的同時，使智能傳感技術能夠在整個過程中以視覺方式捕捉接近物體的物體并抓取物體。 持續檢測物體和環境信息。 表 1 顯示了視覺、距離和接近傳感器的功能比較 [2]。

表1 視覺、距離、接近傳感器功能對照表

傳感器類型

感知范圍

主要功能

視覺傳感器

幾十厘米到幾十米

視覺功能，捕捉外部圖像信息

距離傳感器

幾十厘米到幾米

獲取距離信息以檢測物體或避開障礙物

接近傳感器

毫米 到?? 厘米

獲取接近物體的準確距離，實現機械手的抓取功能

接近傳感器是用來控制自身與周圍物體的相對位置或距離的傳感器。 用于檢測一定距離內是否有物體接近、物體的接近距離以及物體表面的形狀和傾斜度。 它在智能感知技術中一般起到兩個作用：抓取物體和躲避障礙物。 接近傳感器通常使用非接觸式測量元件。 接近傳感器包括霍爾效應傳感器、電磁感應式、光電式、電容式、氣壓式、超聲波式、紅外線式和微波式。 其中光電接近傳感器響應好，維護方便，測量精度特別高。 是目前最常用的傳感器。 但其信號處理復雜，使用環境受到一定限制（如環境光線水平有偏差或較臟）。 （圖4～圖6）

圖4 接近傳感器示意圖

圖5 實際接近傳感器

圖6 接近傳感器連接形式

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04

超聲波傳感

聲波是聲音的傳播形式。 聲波是由物體振動產生的機械波，通過各種介質向各個方向傳播。 根據聲波的頻率分類，頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波，頻率高于20kHz的聲波稱為超聲波，如圖7所示。頻率范圍為20Hz~20kHz的聲音為人耳可以聽到的聲音。

圖7 聲波范圍

超聲波傳感器主要由發射器、接收器和控制部分組成。 它又稱為超聲波探頭、超聲波換能器，如圖8所示。它的發射器和接收器用于完成超聲波的發射和接收。

圖8 超聲波傳感器實物圖

根據工作原理分類，超聲波傳感器分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等形式。 其中壓電換能器最為常見，材料主要是壓電晶體和壓電陶瓷。 目前，鐵電陶瓷是應用最廣泛的具有壓電效應的材料。 此外，還有具有壓電效應的有機材料，但由于穩定性較差，迄今為止其應用還受到很大限制。

超聲波檢測廣泛應用于工業、國防、生物醫學等領域（圖9）

圖9 超聲波探魚器

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電磁感知

電磁傳感作為智能家居與城市、安防巡檢、生物醫學等領域的基礎性、關鍵性、共性問題，不僅是電子信息領域的研究熱點，也是世界各國競相爭奪的顛覆性技術。

然而，現有的電磁傳感在系統和算法上都存在一系列具有挑戰性的問題，如成本高、效率低、精度差等，這些缺點在一定程度上制約了其在未來5G/6G和人工智能時代的進一步發展。程度。 發展。

參考

[1] 中國科協智能制造學會聯合體。 中國智能制造重點領域發展報告（2019-2020年）[M]． 北京：機械工業出版社，2019。

[2]王麗輝. 塊的一個[J]. ，2015 年。

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