Моделирование зрения

Основными электронными элементами "зрения" в технических моделях являются фотоэлементы - устройства, которые при освещении меняют свои электрические характеристики (одни начинают пропускать электрический ток, другие меняют свое сопротивление, некоторые сами становятся источниками тока).

Основное различие между человеческим глазом и фотоэлементом в том, что глаз в сочетании с мозгом создает детальное изображение виденного, а фотоэлемент только различным образом реагирует на среднюю яркость света.

На рис. 78 в увеличенном масштабе показана структура сетчатки глаза, состоящей из палочек и колбочек. Интересно, что любая чувствительная к свету клетка в сетчатке соединена непосредственно со зрительным нервом, а также с другими клетками, которые, в свою очередь, соединены между собой, так что световой сигнал уже на этом этапе "продумывается". Таким образом, сам глаз человека выполняет часть функций осмысливания, свойственных головному мозгу.

В электронике детальное изображение позволяют создавать передающие телевизионные трубки, экран которых состоит из множества микроскопических фотоэлементов (рис. 79) (диаметром около 1 мк) подобно тому, как сетчатка состоит из множества палочек и колбочек.

Вывод тока экрана на сетку усилительной лампы является в телевизионной трубке некоторым подобием зрительного нерва. Ток каждого микрофотоэлемента трубки с огромной скоростью коммутируется электронным лучом, построчно "пробегающим" по всем микрофотоэлементам экрана (рис. 80).

Глаза превосходят фотоэлементы по многим важным характеристикам, но и фотореле в некоторых случаях выполняет свои задачи лучше, чем глаза человека. Они реагируют на невидимые глазом участки спектра (инфракрасное и ультрафиолетовое излучения), способны регистрировать изменения света, происходящие с очень высокой частотой (до миллиона колебаний в секунду), совершенно недоступные для человеческого глаза (его предел 20 кол./с - 20 Гц).

Основой фотореле служит электронное реле, а датчиком управляющих сигналов - прибор, электрические параметры которого изменяются под действием света, например фотодиод, фоторезистор, фототранзистор.

Что представляют собой светочувствительные элементы?

Рис. 78. Структура сетчатки глаза

Фотодиод - это плоскостной полупроводниковый диод, обратное сопротивление которого при освещении его р-n-перехода уменьшается. Сущность действия фотодиода проще всего уяснить, измерив его обратное сопротивление и обратный ток при различном освещении. Сначала подключите к фотодиоду омметр, но так, чтобы отрицательный полюс батареи омметра был соединен с анодом, а положительный - с катодом фотодиода. Затемните фотодиод, прикрыв его картоном или темной плотной бумагой. Омметр должен показывать очень большое сопротивление (более 100 кОм). Осветите фотодиод электролампой мощностью 40-60 Вт с расстояния 20-30 см - омметр покажет в десятки раз меньшее сопротивление. Чем сильнее освещен фотодиод, тем больше разница в показаниях омметра. Теперь подключите к фотодиоду батарею (или блок питания) напряжением 3-6 В и миллиамперметр на ток 1-3 мА. С анодом фотодиода должен быть соединен отрицательный полюс батареи, а с катодом - положительный. Затемняя и освещая фотодиод, следите за показаниями миллиамперметра. Ток через освещенный диод должен быть значительно больше тока затемненного фотодиода.

Фоторезистор - тоже полупроводниковый прибор, у которого при освещении сопротивление уменьшается в десятки или даже тысячи раз.

Работа фототранзистора аналогична действию обычного транзистора, но в нем управление коллекторным током осуществляется не электрическим сигналом, а путем освещения базового электрода через отверстие в корпусе. В такой светочувствительный элемент можно превратить любой германиевый низкочастотный или высокочастотный транзистор, например транзисторы типов МП39- МП42, П401-П403, что и делают обычно радиолюбители-экспериментаторы.

Рис. 79. Экран телевизионной трубки

Рис. 80. Коммутация микроэлементов экрана катодным лучом: 1-5 - номера коммутируемых фотоэлементов

При выборе фоторезисторов для схем зрения следует иметь в виду, что в зависимости от типа (ФСА, ФСК или ФСД) они очень сильно отличаются по чувствительности к световому потоку. Так, отношение темнового сопротивления RT к сопротивлению при освещенном состоянии R_осв у фоторезисторов ФСК = 200, а у ФСД-1 - около 2000. Поэтому с фоторезисторами ФСД-1 можно сделать схему зрения (например, для движения модели на свет) даже без усилителей.

Фотореле можно установить на самоходной игрушке с приводом от маломощного электродвигателя. Тогда включать и выключать питание электродвигателя можно будет на расстоянии - направленным лучом электрического фонаря.

На рис. 81, 82 приведены внешний вид и схема пингвина, движущегося на свет. Если электрическим фонарем осветить правый глаз фигурки пингвина, она, переваливаясь и помахивая крыльями, идет направо, если осветить левый глаз - идет налево, а если оба глаза, то прямо. Короче говоря, фигурка пингвина идет на свет.

Электронная часть модели состоит из двух совершенно одинаковых фотореле, которые, срабатывая, включают электродвигатели механизма движения. Каждое фотореле представляет собой усилитель тока с фотодиодом ФД1, ФД2 на входе и электромагнитным реле P1, P2 на выходе.

В усилителях тока фотореле использованы транзисторы разной проводимости: n-р-n. - (Т1, Т3) и р-n-р - (Т2, Т4). Положительные напряжения смещения на базы транзисторов 77 и Т3, работающих в первых каскадах усилителей, подаются с делителей напряжения, образованных фотодиодами ФД1 и ФД2 и резисторами R1, R2. Пока фотодиоды не освещены, их сопротивления очень большие - около 400 кОм. При этом оба транзистора усилителей почти закрыты. При освещении фотодиодов их сопротивления уменьшаются до 10 - 40 кОм, в результате чего транзисторы открываются, электромагнитные реле Р1 и Р2 срабатывают, а их контакты Р1/1 и Р2/1 замыкают цепи питания электродвигателей M1 и М2. Если осветить один глаз, то, естественно, сработает только одно, относящееся к нему реле,- пингвин пойдет в соответствующую сторону.

Рис. 81. Пингвин, движущийся на свет

Рис. 82. Схема движения на свет

Для модели использована готовая электромеханическая игрушка. Ее электродвигатель с редуктором, приводящий в движение эксцентрические колеса-ноги, заменен двумя электродвигателями ДП-4 и двумя инерционными двигателями механических игрушек, которые в модели выполняют роль редукторов. На маховиках, ставвших шкивами редукторов, сделаны проточки для резиновых пасиков, соединяющих редукторы с осями электродвигателей.

Для питания электродвигателей используют батарею напряжением 2,5 В, составленную из четырех аккумуляторов типа Д-0,5 (смешанное соединение). Она размещена сзади монтажной платы фотореле.

Транзисторы, резисторы и электромагнитные реле смонтированы на гетинаксовой плате размером 40X55 мм. Коэффициент усиления Вст транзисторов должен быть не менее 50. Чем больше коэффициент Вст и меньше обратные токи коллекторов I_к0 транзисторов, тем чувствительнее фотореле. Вместо транзисторов МП38 можно использовать транзисторы МП35 - МП37, вместо транзисторов МП41 - любые другие маломощные низкочастотные транзисторы структуры р-n-р (МП39, МП40, МП42), вместо фотодиодов ФД1 - фоторезисторы ФСК-1. Используют электромагнитные реле Р1 и Р2 типа РЭС-10 с обмотками сопротивлением 120 Ом (паспорта РС4. 524. 303, РС4. 524. 308). Пружины реле надо ослабить, чтобы они срабатывали при напряжении батареи питания (2,5 В).

Налаживание фотореле заключается в подборе резисторов R1 и R2. Номиналы этих резисторов должны быть такими, чтобы реле срабатывали при освещении фотодиодов электрическим фонарем с расстояния не менее 1 м.

Выпрямитель для зарядки аккумуляторной батареи можно собрать по схеме, приведенной на рис. 83. Данные силового трансформатора Tp1: сердечник с площадью сечения 4-5 см², первичная обмотка - 2000- 2200 витков провода ПЭВ-1 0,1-0,12, вторичная обмотка - 50-60 витков провода ПЭВ-1 0,2-0,3. Конструкция выпрямителя может быть любой.

Рис. 83. Выпрямитель

Подобные фотореле можно использовать для управления светом любой моделью, подобной пингвину, или роботом.

Обычные схемы фотореле имеют одно общее свойство: свет источника, попадая на фоторезистор, вызывает срабатывание системы - включаются какие-либо механизмы. Но возможности электронного зрения этим не ограничиваются. Используя его способность "видеть" отраженный световой поток, можно, например, заставить модель двигаться по довольно замысловатой трассе, выложенной из станиолевой или алюминиевой ленты.

По такому принципу сделана схема зрения черепахи "Альфа", сконструированной польскими инженерами (рис. 84). Чтобы модель двигалась вдоль световой полосы, в ее передней части снизу справа и слева от лампочки нужно разместить два фоторезистора. Так, чтобы на низ попадал только свет, отраженный от полосы. Подойдя к границе белого поля (например, листа бумаги), черепаха обязательно развернется в его сторону. Если же осветители и фоторезисторы повернуть кверху (на 180°), то получится забавный эффект: стоит помахать перед "носом" черепахи белой бумагой, как она устремится за этой "приманкой".

Свойства "белой полосы" могут пригодиться во многих случаях. Например, модель гоночного автомобиля с тщательно отрегулированным фотореле способна двигаться вдоль линии, проведенной на полу мелом и только несколько расширенной на поворотах.

К электронным схемам зрения можно также отнести световые и инфракрасные локаторы обнаружения препятствий. Люди изобрели локацию намного позже, чем она была "открыта" природой. Нам до сих пор остается только удивляться совершенству ультразвуковых локаторов некоторых животных, например дельфина или летучей мыши. Копирование природных локаторов часто служило залогом бурного развития самых смелых идей. Созданные всего сорок лет назад приборы "невидимого боя" прогрессировали очень быстро, как бы наверстывая упущенное, и сейчас проникли в самые разные области жизни. С помощью гидролокаторов можно обнаруживать вражеские подводные лодки и корабли, а в мирное время - косяки рыбы. Радиолокаторы пассажирских самолетов предупреждают об опасности столкновений в воздухе, помогают обходить горы, грозовые облака. Ультразвуковые дефектоскопы находят брак в непрозрачных деталях.

Рис. 84. Схема черепахи, движущейся вдоль световой полосы

С появлением квантовых генераторов и усилителей света стало возможным создание принципиально новых видов локаторов - световых. Эти локаторы излучают короткий световой импульс, в котором сконцентрирована большая энергия.

В практике любительского роботостроения можно, конечно, обойтись и без квантового генератора. Ведь роботы решают более простые задачи. Поэтому передатчики световых сигналов могут быть совсем несложными. А робот обретет как бы "шестое чувство", недоступное человеку, благодаря которому он будет вполне уверенно обходить преграды, находить двери и никому не "наступать на ноги".

Рассмотрим совсем простой локатор (рис. 85) для небольшой движущейся модели. Работает он по принципу приема отраженных световых сигналов, создаваемых источником электрического освещения (сеть с U=110 или 220 В, f= 50 Гц). Прибор - высокочувствительный усилитель световых сигналов переменной интенсивности - реагирует на колебания только определенной частоты. В отличие от простейших усилителей постоянного тока, используемых в схемах зрения моделей и подверженных влиянию дневного света, на этот светолокатор не действуют даже яркие солнечные лучи.

Так как частота изменения интенсивности света электрических ламп равна удвоенной частоте переменного тока в сети (100 Гц при работе от сети с f = 50 Гц), то в схеме применены резонансные контуры, настроенные на 100 Гц. Образованы они индуктивностью первичных обмоток трансформаторов Tp1 и Тр2 и емкостью конденсаторов С*2 и С*.5.

Такая схема исключает возможность срабатывания прибора от случайных вспышек и воздействия света другой "природы", не электрического. Кроме того, правильно настроенные контуры благодаря резонансу увеличат коэффициент усиления каждого каскада на частоте 100 Гц более чем в три раза.

Рис. 85. Световой локатор

При настройке такого локатора лучше всего, конечно, пользоваться звуковым генератором или осциллографом, но можно обойтись и без них. Для этого, подбирая емкости конденсаторов С*2 и С*5 (чаще всего в пределах 0,1-0,5 мкФ), добиваются максимальной чувствительности схемы, т. е. срабатывания ее на наибольшем удалении от освещенных предметов. Хорошо налаженный локатор при обычном освещении комнаты (200-300 Вт на 15-20м2) должен находить препятствия с расстояния в 2-3 м.

Дальность действия локатора регулируется переменным резистором R9. Чувствительность схемы можно повысить в 40-50 раз, включив в нее еще один - четвертый каскад, точно такой же, как первый и второй.

Большое значение для работы схемы имеет также правильная установка фоторезистора - он обязательно должен быть заключен в тубус с линзой. Что же касается реакции робота на препятствие, то здесь могут быть различные варианты: поворот его в сторону, включение звуковой или световой сигнализации и т. д.

Рис. 86. Источник световых импульсов

Рис. 87. Приемник светолокатора

Более интересные результаты дают светолокаторы с автономным передатчиком. Передатчик с электронной модуляцией светового потока можно сделать на импульсной лампе типа ИФК-120 (рис. 86).

В схеме происходит следующее: когда напряжение на конденсаторе С3 "зажигает" тиратрон МТХ-90, происходит разряд конденсатора С2 через тиратрон и первичную обмотку импульсного трансформатора. При этом импульс со вторичной обмотки трансформатора вызывает яркую вспышку лампы ИФК-120. Подбирая сопротивление резистора R4, можно изменять время заряда конденсатора С3, а следовательно, и частоту вспышек в пределах от 1 до 30 Гц. Яркость их приходится "приглушать", устанавливая на лампу тубус или, что еще лучше, инфракрасный фильтр. В последнем случае у вас получится инфракрасный локатор, работающий на невидимых лучах.

К сожалению, лампа ИФК-120 не очень долговечна - при частоте вспышек 15-30 Гц ее хватает на 10-15 ч. О выработке ее ресурса можно судить по перебоям вспышек и потемнению стеклянного баллона лампы.

Обмотка импульсного трансформатора Tр1 наматывается на ферритовый стержень диаметром 8 мм и длиной 30 м. Первичная его обмотка - 3 витка провода ПЭЛ-0,3, вторичная - 200 витков ПЭЛШО-0,1.

В приемнике (рис. 87) светолокатора в связи с большим усилением схемы нужно принять меры для предотвращения ее самовозбуждения. Для этого первый каскад и фоторезистор лучше поместить в отдельный металлический корпус и соединить со вторым каскадом экранированным проводом.

Чувствительность такого приемного устройства 1-5 мВ. Дальность действия всего светолокатора при этом может достигнуть 3-5 м, если объектом обнаружения являются белые стены. А вот человека в сером или зеленом костюме робот "почувствует" на расстоянии до 2 м. Правда, и эти пределы могут быть увеличены в 1,5-2 раза, если фоторезистор расположить в фокусе оптической линзы, а лампу ИФК-120 установить с рефлектором.

В рассмотренных светолокационных устройствах мы отмечали специфические особенности световых потоков некоторых источников света.

Так, было замечено, что свет электрических ламп модулирован частотой напряжения электросети (50 Гц). Интенсивность солнечного света постоянна (не считая суточных изменений). А вот интенсивность свечения пламени, оказывается, колеблется с вполне определенными присущими ему частотами. Это свойство пламени позволяет создать очень чувствительные электронные приборы, способные увидеть совершенно незначительное пламя (даже тление папиросы) не только в темноте, но и при электрическом освещении и даже при ярком свете солнца.

Предлагаем познакомиться с такой системой.