Разработка новых принципов построения информационно-измерительных систем технического зрения мобильных роботов
Автор Андреев Виктор Павлович, 21.02.2012
| Страницы: 1 2 3 |
Андреев Виктор Павлович
РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ Специальность 05.11.16 Информационно-измерительные и управляющие системы
(промышленность)
диссертации на соискание учёной степени
доктора технических наук
Москва – 2011
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики" (МГУПИ) и Институте прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН (ИПМ РАН) Научный консультант: доктор технических наук, профессор МГУПИ
Валентин Евгеньевич ПРЯНИЧНИКОВ Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Олег Сергеевич ИПАТОВ
доктор технических наук, профессор
Юрий Викторович ПОДУРАЕВ
доктор технических наук, профессор
Владимир Владимирович СЛЕПЦОВ Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Научн
Актуальность темы. В настоящее время, как в России, так и за рубежом широко ведутся разработки систем технического зрения (СТЗ) различного назначения. Практически все мобильные роботы (МР) снабжаются СТЗ. Это роботы, используемые в чрезвычайных ситуациях, для военного применения, патрулирования и охраны важных объектов, подводные роботы. СТЗ устанавливаются на дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА) и космические аппараты различного назначения, а также широко используются в домашних и учебных роботах. Наконец, это планетоходы, предназначенные для исследования поверхности других планет. Большое прикладное значение имеют специализированные СТЗ, работающие в ИК-диапазоне: это медицинские и военные тепловизоры, тепловизоры для роботов МЧС и ДПЛА.
В последнее время среди разработчиков МР сформировалось понимание того, что современные достижения науки и техники в большинстве случаев не позволяют создавать полностью автономные системы, оставаясь в рамках приемлемой стоимости таких МР. Поэтому всё большее внимание уделяется супервизорному управлению МР, при котором лишь часть функций выполняется автономно с помощью бортовых систем, а конечный анализ обстановки, принятие решений и выдача команд на включение тех или иных программ управления возлагается на оператора. При этом предлагаемые решения должны распространяться и на супервизорное управление группой мобильных роботов.
Отличительной особенностью подобных систем является: a) наличие в составе информационно-измерительной и управляющей системы (ИИУС) МР двух контуров управления – внутреннего и внешнего, которые разделены коммуникационной средой, причём в оба контура управления входит СТЗ, установленная на мобильной части ИИУС; b) во внешнем контуре управления присутствует человек-оператор. Коммуникационная среда может вносить существенные задержки, помехи и искажения, в то же время полнота информации о рабочем пространстве и её достоверность являются необходимым условием минимизации ошибок при формировании целей управления.
Полнота данных обеспечивается возможностью полного обзора места действия, а достоверность информации определяется как техническими характеристиками сенсоров, так и способами извлечения информации. Отсюда вытекает актуальная проблема: формирование на борту МР данных, удовлетворяющих требованиям полноты и достоверности, обеспечение их надёжной передачи по коммуникационному каналу и разработка робастных алгоритмов обработки этих данных в реальном масштабе времени.
Полный обзор места действия может быть обеспечен: a) использованием телекамеры, снабжённой поворотно-наклонным механизмом, b) установкой на борт нескольких телекамер, c) созданием специальных систем кругового обзора. Применительно к МР с супервизорным управлением наиболее эффективным представляется вариант с многокамерной СТЗ, использующей телекамеры с управляемым поворотно-наклонным механизмом. Однако в этом случае требуется организовать передачу по радиоканалу видеосигналов от множества телекамер, что сопряжено с рядом технических и организационных трудностей. Поэтому актуальной является проблема поиска принципов организации и соответствующих технических решений передачи многопотокового видео по радиоканалу.
Полный обзор места действия также может быть обеспечен с помощью СТЗ кругового обзора, в которых изображение панорамы проецируется на плоскость фотоматрицы единственной телекамеры. Такое решение позволяет существенно сократить объём передаваемых по радиоканалу данных. Однако геометрия сцены на изображении в этом случае оказывается искажённой. Поэтому при решении задач навигации, возникает комплекс проблем, связанных разработкой соответствующего программного обеспечения для бортового модуля, выполняющего в масштабе реального времени анализ видеоданных для автоматического формирования цели управления, и актуальной становится проблема выделения объектов на изображениях со сложной геометрией и вычисление их координат для целеуказания.
Достоверность получаемой информации оказывает существенное влияние на формирование цели управления с точки зрения минимизации ошибок управления. Достоверность информации в первую очередь определяется качественными характеристиками и точностными параметрами сенсоров. Повышение технических и эксплуатационных характеристик сенсоров обычно достигается как за счёт новых конструктивных решений, так и совершенствованием технологий их производства. Более эффективным представляется путь построения математических моделей сенсоров, учитывающих не идеальность параметров датчиков, и на основе этих моделей разработка методов предобработки в реальном масштабе времени получаемого сигнала с целью коррекции вносимых искажений. Представление сигналов сенсоров в цифровом виде позволяет использовать современные достижения вычислительной техники для реализации такой предобработки. Необходимо на конкретных примерах предложить эффективные методы повышения характеристик датчиков видеосигнала и предложить варианты реализации этих методов в виде функциональных схем цифровых спецпроцессоров.
При ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций оказывается наиболее эффективным использование группы роботов, например, технологические роботы и роботы-наблюдатели. Решение данной задачи возможно посредством создания многоуровневой иерархической системы формирования и обмена информационными и управляющими потоками данных. В этом случае актуальной становится проблема разработки механизма, посредством которого можно организовать взаимодействие группы оснащенных СТЗ мобильных роботов, постов управления, обслуживаемых несколькими операторами одновременно, и командного пункта.
Задача группового управления МР непосредственно связана с возможностью удалённого управления организацией работ группировки МР, что невозможно без соответствующего информационного обеспечения, для которого требуется создание коммуникационного канала с ситуационным центром, обычно располагающимся за много километров от зоны работ. Решение данной задачи лежит в использовании сетевых технологий. В этом случае ИИУС всех мобильных роботов должны быть объединены в локальную вычислительную сеть (ЛВС) с мобильными узлами и входить в состав территориально распределённой ИИУС. Данное решение требует проведения исследований для определения оптимальной структуры такой системы и формулирования требований к параметрам устройств ЛВС.
Перечисленные особенности и проблемы построения управляемых многокамерных систем технического зрения для мобильных роботов с супервизорным управлением требуют разработки единого подхода к созданию подобных СТЗ.
В связи с отмеченным актуальным является комплексное решение следующих проблем: 1 – построение для МР систем технического зрения, обеспечивающих возможно больший обзор места действия робота для эффективного управления его исполнительными механизмами из безопасных для человека зон; 2 – организация удалённого группового управления мобильными роботами и обеспечение передачи сенсорных данных с МР в ситуационный центр; 3 – создание учебно-научных мобильных роботов и учебно-тренировочных классов электронных тренажёров (КЭТ) для подготовки операторов МР; 4 – создание виртуальных лабораторий, оснащённых мобильными роботами, для подготовки квалифицированных специалистов при отсутствии возможности прямого контакта с дорогостоящим оборудованием; 5 – улучшение технических и эксплуатационных характеристик СТЗ посредством цифровой предобработки видеосигнала.
Учитывая важность этих проблем, подобные исследования и разработки СТЗ активно ведутся во всех развитых странах. Благодаря деятельности таких видных учёных, как Д.Е.Охоцимский, Е.А.Девянин, А.Л.Ярбус, Л.Н.Курбатов, Е.И.Юревич, В.В.Клюев, А.К.Платонов, Ю.Ф.Голубев, С.Ю.Желтов и работам Д.Г.Лебедева, Д.С.Лебедева, Г.Г.Вайнштейна, В.Е.Пряничникова, С.М.Соколова, Ю.В.Визильтера, Н.В.Завалишина, К.И.Кия и др. были получены существенные результаты, продвинувшие исследования в данном направлении. Также широко известны работы таких зарубежных учёных, как Rosenfeld A. (University of Mariland), Roberts L.G. (MIT), Marr D. (MIT), Winston P.H. (MIT), Waltz D. (University of Illinois), Hunt E.B. (University of Washington), Hueckel M.H. (Stanford University), Lloyd J.M. (Radiation Center Lexington, Massachusetts) и других.
Однако, специфика супервизорного управления МР и использования управляемых систем технического зрения в контуре распределённых ИИУС не находит достаточного отражения в известных публикациях. Особенно это относится к использованию многопотокового видео и применения сетевых технологий для решения проблем удалённого и группового управления МР и формирования коммуникационной среды для получения и передачи данных. Это касается также методов цифровой предобработки сигналов с целью улучшения технических и эксплуатационных характеристик датчиков видеоинформации.
Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы создания таких распределённых информационно-измерительных систем, как управляемые многокамерные системы технического зрения для мобильных роботов с супервизорным управлением, совершенствованию методов обработки видеосигналов и анализа изображений, разработке новых принципов построения таких систем, в том числе с использованием сетевых технологий и свойств зрения человека.
Целью исследований являлась разработка новых принципов построения и путей совершенствования распределённых (в том числе территориально распределённых) информационно-измерительных систем технического зрения мобильных роботов, базирующихся на современных технологиях, новых технических решениях и высокоэффективных методах обработки видеосигнала для улучшения их технических и эксплуатационных характеристик, а также создание новых действующих образцов таких систем, реализующих предлагаемые технические решения и методы обработки видеосигнала.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: 1. Разработать общий подход и предложить концепцию построения управляемых многокамерных СТЗ для МР с супервизорным управлением, определить оптимальный состав необходимых технических средств. На их основе реализовать удалённое управление мобильными роботами, оснащёнными СТЗ, путем объединения через Internet робототехнического оборудования физически расположенного на разных территориях, в том числе в разных городах. 2. Разработать принцип объединения в локальную вычислительную сеть управляемых многокамерных СТЗ, передающих на большие расстояния с мобильных систем многопотоковое видео по радиоканалу. Создать метод построения ЛВС с мобильными узлами, который позволяет обеспечить устойчивую передачу многопотокового видео в стандарте Wi-Fi, в том числе при отсутствии прямой радиовидимости. Разработать интерфейс для оператора МР, обеспечивающий приём многопотокового видео и формирование полноформатных в телевизионном стандарте изображений одновременно с нескольких телекамер. 3. Показать эффективность использования разработанных сетевых технологий для группового управления МР на примере создания учебно-тренировочного класса электронных тренажёров, объединяющих модели нескольких роботов, действующих в одной трёхмерной сцене и моделирующих удалённое управление одновременно несколькими операторами группой роботов, снабжённых СТЗ. 4. Создать программно-аппаратные средства, которые обеспечивают выполнение задач автономной и супервизорной навигации МР на основе обработки кадровых последовательностей изображений, полученных с помощью СТЗ кругового обзора (360О) в недетерминированной искусственной среде. 5. С целью улучшения технических и эксплуатационных характеристик СТЗ разработать адаптивные (без использования эталонных источников излучения) способы и системы для борьбы с «геометрическим» шумом многоэлементных линейных и матричных приёмников излучения, применяемых при построении специальных СТЗ ИК-диапазона. Предложить варианты функциональных схем цифровых спецпроцессоров, работающих в реальном масштабе времени.
Методы исследований базировались на использовании математической статистики, теории ошибок и кластерного анализа, теории вычислительных систем и компьютерных сетей, теории и практики построения информационнизмерительных и управляющих систем, на использовании результатов психофизических исследований зрительной системы приматов. Достоверность результатов обеспечивалась аналитическими, вычислительными и экспериментальными методами верификации предлагаемых решений.
Научная новизна работы заключается: 1. В разработке концепции построения управляемых многокамерных СТЗ для мобильных систем с супервизорным управлением, которая позволяет найти единые принципы формирования СТЗ различного назначения, унифицировать их структуру и функциональный состав, обосновать технические требования к их компонентам в зависимости от решаемых задач. 2. В разработке методов и технических решений при использовании сетевых технологий для объединения компонент СТЗ и систем управления МР, а также группировки МР в локальную вычислительную сеть. Это позволило: обеспечить полноту получения видеоданных и исключить искажения сенсорной информации; организовать устойчивую передачу видеоданных одновременно с нескольких телекамер по цифровому радиоканалу, в том числе при отсутствии прямой радиовидимости; объединить ИИУС нескольких мобильных роботов в территориально распределённую ИИУС посредством использования коммуникационного канала в условиях существенных задержек, помех и искажений (VPN-канал Internet); обеспечить на мониторах пульта управления формирование цветных изображений (25 кадров в секунду при формате 800?600 пикселей) одновременно с нескольких телекамер; разработать механизм удалённого (более 400 метров) и группового управления мобильными системами; обеспечить возможность динамического реконфигурирования распределённых ИИУС мобильных роботов. 3. В разработке эффективных, основанных на межкадровой разности методов комплексного анализа кадровой последовательности, получаемой с частотой 25 Гц, с целью идентификации специальных ИК-маяков, определения дальности до них и азимута по телевизионным изображениям, получаемым с помощью СТЗ кругового обзора. Это позволило реализовать возможность использования мобильными роботами видеоинформации от таких СТЗ (изображений с искажённой геометрией) для автономного решения навигационных задач мобильным роботом в реальном масштабе времени за счёт повышения «интелелектуальности» их бортовых ИИУС. 4. В разработке комплекса новых эффективных методов адаптивной цифровой обработки видеосигнала для коррекции искажений, вызванных разбросом параметров многоэлементных линейных приемников излучения ИК-диапазона. Эта обработка позволила повысить эксплуатационные и технические характеристики тепловизионных СТЗ и значительно (в разы) снизить стоимость производства сканирующих СТЗ за счёт отказа от установки в прецизионную систему оптико-механического сканирования эталонных источников ИК-излучения. 5. В разработке новых методов цифровой обработки видеосигнала для борьбы с геометрическим шумом матричных приёмников излучения ИК-диапазона, основанных на модели зрительной системы приматов. Предложенные методы позволили по-новому организовать предобработку изображений, учитывающую свойства зрения человека, и значительно повысить эксплуатационные и технические характеристики тепловизионных СТЗ за счёт применения дешёвых и удобных в эксплуатации фотоприёмных устройств (ФПУ), ранее считавшихся непригодными из-за их низких технических характеристик.
Практическая значимость работы. 1. Разработаны и изготовлены (на основе предложенной концепции построения управляемых многокамерных СТЗ) два комплекта СТЗ для робототехнических комплексов «BROKK-110D» и «BROKK-330» в 294 Центре по проведению спасательных операций особого риска МЧС России. Каждый комплект имеет в своем составе 4 бортовые телекамеры (одна из которых – скоростная купольная), 2 выносные – также скоростные купольные телекамеры и ретранслятор. Все элементы СТЗ объединяются в ЛВС посредством радиоканала Wi-Fi. 2. Предложено структурное решение построения СТЗ и разработано программное обеспечение (ПО), которые в совокупности позволили устойчиво передавать многопотоковое видео с бортовых телекамер на ПУ по радиоканалу на расстояние более 400 метров даже при отсутствии прямой радиовидимости. 3. Разработаны и изготовлены (на основе предложенной концепции) автономные учебно-научные мобильные роботы Амур-5м,5,6,7 и экспериментальный робот «Марсоход», оснащённые развитой сенсорной системой (телекамеры, ультразвуковые сенсоры, одометры) и учебно-научные мобильные стенды (для ДВФУ и ИАПУ ДВО РАН – г.Владивосток и ИНОТиИ РГГУ – г.Москва). 4. Создан прототип виртуальной лаборатории, объединяющей по VPN-каналам в Internet робототехнические стенды ИПМ им.М.В.Келдыша РАН (г.Москва), ИНОТиИ РГГУ (г.Москва) и ИАПУ ДВО РАН (г.Владивосток). 5. На основе сетевых решений создан учебно-тренировочный класс электронных тренажёров для Московского филиала ФГУП «АТЦ МИНАТОМА РОССИИ» (ИТУЦР), позволяющий обучать групповому управлению МР одновременно до 7 операторов. 6. Разработан и изготовлен учебный робот «Кронус» с СТЗ кругового обзора; разработано ПО, позволившее по изображению круговой панорамы с искажённой геометрией, формируемому такой СТЗ, успешно решать навигационные задачи в изменяющейся искусственной среде. 7. Разработаны функциональные схемы цифровых спецпроцессоров, способных выполнять в реальном масштабе времени обработку видеосигналов с моногоэлементных приемников ИК-излучения с целью компенсации свойственного таким датчикам геометрического шума. 8. Разработан и изготовлен подключённый к ЭВМ научно-исследовательский стенд, предназначенный для проведения исследований по разработке методов улучшения технических характеристик тепловизионных СТЗ с матричными ФПУ; в его состав входит тепловизионная охлаждаемая фотоматрица формата 64?64 элемента, германиевый объектив, управляемый от ЭВМ пьезокерамический дефлектор и телевизионный монитор с двухпортовой памятью.
Во всех перечисленных работах автор принимал личное участие в качестве ответственного исполнителя и руководителя проектов.
Основные научные результаты диссертации, на которых базируются перечисленные внедрения, получены лично автором в процессе работы по договорам и планам ИППИ им. А.А. Харкевича РАН по темам: «Кворум» (1986г., 1990г.), «Ель-5-1АН» (1987г.), «Кримат» (1988г.), «Кордон» (1988г.), «Сплав» (1989г.); ИПМ им. М.В. Келдыша РАН: по проекту «Компьютерное зрение» в рамках «Соглашения о сотрудничестве в области перспективных проблем роботики между РАН и Национальным Центром Научных Исследований (НЦНИ) Франции» (1995г., 1997г.); Института механики МГУ: гранты РФФИ 00-01-00403 и УР 99-5419 и научно-исследовательским работам ИПМ РАН - МЛ «Сенсорика»: грант РФФИ № 10-07-00612-a и других программ Российской академии наук, что подтверждает их высокий уровень, обоснованность и достоверность, направленность на решение крупных научных и практических задач при создании систем технического зрения.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 38 Международных и Российских конференциях (опубликованы 30 докладов) и семинарах, в том числе: Научная школа-конференция «Мобильные роботы и мехатронные системы», Москва, 2000, 2001, 2004, 2011; XIX Международная конференция по компьютерной графике и зрению «ГрафиКон’2009» (приглашённый доклад), Москва (МГУ), 2009; XVIII, XIX, XXI и XXII Всероссийская науч.-технич. конф. «Экстремальная робототехника», СПб, 2007, 2008, 2010, 2011; Межд. научно-технич. конф. Нано-,микри макророботы. СПб, 2008, 2009; Межд. шк.-сем. «Адаптивные роботы» (п. Дивноморское 2009); XVIII, XX, XXI, XXII Межд. симпоз. «Интеллектуальное производство и автоматизация» DAAAM Int. Vienna, 2007, 2009, 2010, 2011; VI Всероссийская научно-практич. конф. «Перспективные системы и задачи управления», Таганрог, 2010; I Междунар. научно-практич. конф. «Техника и технология: новые перспективы развития», Москва, 2011; Научно-технич. конф. «Техническое зрение в системах управления», Москва (ИКИ РАН), 2011; XII Междунар. интерактивный форум образовательных технологий «Дополняя реальность», Москва (РГГУ), 2011; семинар «Сетевые международные гуманитарные исследования по проблемам информатики, мехатроники и робототехники», Москва (РГГУ), 2009 и на семинарах в ИПМ им.М.В.Келдыша РАН, Москва, 2008, 2009, 2010 и 2011.
Публикации. Основные положения диссертации и результаты научных исследований по теме диссертации отражены в 76 публикациях (17 без соавторов), в том числе в 1 монографии и 15 статьях в журналах по перечню ВАК РФ, 6 работ входят в список Web of Science (Conference Proceedings Citation Index of Thomson Reuters). Результаты также отражены в 38 докладах на Всесоюзных совещаниях и семинарах и докладах на Международных конференциях. Среди публикаций – 1 авторское свидетельство, 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ и 8 зарегистрированных научно-исследовательских отчётов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации – 379 с., в тексте имеется 103 рисунков на 91 с. Список литературы состоит из 287 наименований. Приложение на 4 с. содержит акты о внедрениях.
Во введении даётся общая характеристика диссертационной работы, обосновывается актуальность темы, формулируется цель исследований, определяются научная новизна и положения, подлежащие защите. Приводятся сведения об апробации, публикациях и практической значимости результатов работы.
В первой главе приведёно описание этапов развития СТЗ и рассмотрено современное состояние их использования в информационно-измерительной и управляющей системе (ИИУС) МР. На основе анализа решаемых МР задач и особенностей супервизорного управления выделены проблемы, возникающие при использовании СТЗ в мобильных системах. Для определения путей решения этих проблем рассмотрена операционная среда МР, т.е. информационное пространство его мультисенсорной системы. В заключительной части главы формулируются основные задачи исследования.
Системами технического зрения (computer vision) обычно называют совокупность аппаратных и программных средств получения, передачи, хранения и обработки изображений (а также шлейфов данных), включая автоматический анализ изображений и формирование решений (например, измерение параметров объектов на изображении) или выработку сигналов управления, которые подаются на исполнительные механизмы (например, при организации движения МР и манипулировании наблюдаемыми объектами). Под шлейфом данных будем понимать структурированный непрерывный поток данных от всех бортовых сенсоров МР и команды управления, которые выстраиваются в некоторую последовательность по определённым правилам.
Системы технического зрения, предназначенные для установки на МР, обладают рядом особенностей, которые в совокупности отличают их от иных СТЗ. Во-первых, на входе имеется внешняя среда, характеризующаяся неопределенностью. Во-вторых, внешняя среда постоянно меняется, поэтому получение, формирование, передача и обработка поступающей видеоинформации должны выполняться со скоростью изменения внешней среды (реальное время). В-третьих, супервизорное (и дистанционное) управление подразумевает наличие в ИИУС мобильного робота человека, который на основе анализа видеоинформации формирует цель управления и принимает решение о выполнении управляющего действия. В-четвертых, присутствие человека-оператора требует наличия в системе модуля формирования качественных и в нужном количестве (в разных ракурсах) растровых изображений окружающей среды. В-пятых, мобильный аппарат должен иметь беспроводную систему связи с пультом управления с тем, чтобы иметь свободу передвижения. Необходимо разработать единый подход (концепцию) к построению подобных СТЗ для МР различного назначения, который учитывает все перечисленные особенности. Этому посвящена глава 2.
сложности решаемых задач.
формирование цели управления. Известно, что человек получает более 80% информации через зрение. Следовательно, информацию об окружающей МР среде ему необходимо предоставлять в привычном для него виде, т.е. в виде растрового изображения. Поэтому в качестве основного дистанционного сенсора следует использовать телевизионную камеру (или несколько TV-камер). В видимом диапазоне это стандартные матричные телекамеры, в ИК-диапазоне – тепловизоры.
Видеосигналы от телекамер должны быть включены в шлейф данных, который необходимо подготовить для передачи по каналам связи (коммуникационная среда) на удалённый интерфейс. Для внутреннего интерфейса, который входит в состав внутреннего контура ИИУС, могут быть использованы широкополосные цифровые каналы передачи данных, когда «очищенные» от различного вида шумов цифровые изображения попадают непосредственно в мультипортовую память блока анализа данных. С таким огромным потоком данных обычный компьютер не справится, поэтому предварительно, выполняется сегментация изображений с помощью специализированных процессоров.
Коммуникационная среда обычно представляет собой либо кабельный, либо беспроводной канал связи. При использовании аналоговых радиоканалов для передачи стандартных телевизионных видеосигналов от множества телекамер возникает проблема полосы пропускания, которая в этом случае должна быть достаточно широкой, что очень сложно и дорого обеспечить. Кроме того, известна низкая помехоустойчивость аналоговых радиоканалов. Переход на цифровой способ передачи данных по радиоканалам решает эти проблемы. В главе 3 на примере создания управляемых многокамерных СТЗ для робототехнических комплексов (РТК) МЧС приведены конкретные результаты решения проблемы передачи многопотокового видео по радиоканалу через объединение компонент СТЗ в ЛВС с мобильными узлами.
Альтернативный путь многопотоковому видео лежит в создании СТЗ кругового обзора, когда оптическое изображение окружающей среды проецируется на фотоматрицу единственной телекамеры с помощью специального зеркального конуса. В этом случае формируемое цифровое изображение панорамы сцены имеет вид, непривычный для человека (специфические геометрические искажения), поэтому может быть использовано только для работы внутреннего блока анализа изображений и формирования цели управления. Возможности использования такой СТЗ для выполнения ряда задач автономной навигации МР посвящена глава 4.
Достоверность получаемой на борту МР информации зависит не только от качества коммуникационного канала. Качественные характеристики и точностные параметры сенсоров в первую очередь определяют достоверность получаемых данных. На примере разработки методов борьбы с «геометрическим» шумом линейных и матричных приёмников оптического излучения, в главе 5 рассмотрены пути повышения технических и эксплуатационных характеристик тепловизионных СТЗ. Предложена модель изображения, основанная на сильных корреляционных связях смежных строк, позволившая разработать метод предобработки видеосигнала, исключающий обычное в таких случаях использование эталонных источников ИК-излучения. Приведены варианты функциональных схем цифровых спецпроцессоров, реализующих разработанный метод. Разработан метод борьбы с влиянием на видеосигнал разброса параметров матричных приёмников Иизлучения, основанный на свойствах зрения приматов. Метод позволяет использовать в таких СТЗ фотоматрицы, обычно считающиеся непригодными по своим низким техническим характеристикам.
Современное представление об использовании МР ориентируется на групповое управление, как наиболее эффективное. В главе 6 предложен механизм, позволяющий осуществлять многоуровневое управление группировкой, когда каждым МР управляет человек-оператор, и имеется командный пункт, где формируется общая цель и с которого осуществляется групповое управление. В основе такого механизма лежит использование сетевых технологий для создания территориально распределённой ИИУС. Приводятся результаты разработки и создания класса электронных тренажёров, как прототипа механизма группового управления МР. Исследование сетевого взаимодействия элементов территориально распределённой системы позволило создать виртуальную лабораторию, объединяющую в ЛВС с мобильными узлами отдельные группы учебно-научных МР, физически расположенных в разных городах (г. Владивосток и г. Москва).
Во второй главе на основе подробного анализа особенностей СТЗ, предназначенных для установки на мобильные аппараты, приведён комплексный подход к построению подобных систем, составляющий концепцию построения управляемой многокамерной СТЗ.
Основные функции рассматриваемых СТЗ подразумевают наличие, как минимум, следующих компонент: 1. Один или несколько датчиков оптического излучения с соответствующей оптикой и электронной системой формирования видеосигнала (телекамера). 2. Система сбора видеоданных и фильтрации видеосигнала (аналоговая или цифровая) для коррекции искажений видеосигнала и формирования изображения (например, спецпроцессор для предобработки видеосигнала и/или видеосервер для преобразования аналогового видеосигнала в цифровую форму, его сжатия и приведения к стандарту Ethernet, и т.п.). 3. Система формирования радиоканала (приём-передача) для связи между бортовым модулем (БМ) и пультом управления (коммуникационная среда). Канал связи может использоваться как для передачи видеоданных (и телеметрии), так и для передачи на борт управляющих команд, например, при использовании телекамер, установленных на поворотно-наклонной платформе. 4. Пульт управления (ПУ), включающий систему формирования радиоканала (приём-передача), интерфейс оператора (пульт оператора с элементами управления) и систему преобразования видеосигнала в растровое изображение на мониторах (это может быть стандартный ПК или специализированный вычислитель). 5. Системы питания электронных блоков, в том числе автономного для мобильных модулей. 6. Вычислительное устройство БМ мобильного робота с супервизорным управлением, выполняющее анализ данных и формирование цели управления. 7. Выносные модули (ВМ) с установленными на них управляемыми телекамерами; ВМ («спутники») размещаются в непосредственной близости от места работы МР и позволяют оператору со стороны наблюдать за работой его исполнительных механизмов. Эти устройства должны быть автономны (должны иметь элемент формирования радиоканала для непосредственной связи с ПУ). ВМ могут размещаться на упрощённом подвижном шасси (на роботе-наблюдателе).
При использовании на МР многокамерной СТЗ возникает проблема передачи по радиоканалу многопотокового видео. Использование широкополосного радиоканала, защищённого от индустриальных и иных помех, – это затратный путь, поскольку он требует установки на обеих сторонах дорогостоящей высокочастотной многоканальной аппаратуры и получение частного решения Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) на использование радиоканала в разрешённом диапазоне частот. Иной путь подсказывают современные разработки из области сетевых технологий. Переход от аналоговой техники к цифровой позволяет использовать аппаратное сжатие изображений, что позволяет решить эту проблему более дешёвым и надёжным способом. Для цифрового способа представления видеосигнала существенно упрощается создание радиоканала, например, если использовать беспроводную технологию стандарта Wi-Fi. Тогда задача сводится к созданию ЛВС, мобильными узлами которой становятся цифровые телекамеры и вычислительные устройства, устанавливаемые в БМ и ВМ, с одной стороны, и вычислитель в ПУ, с другой стороны. В результате ЛВС становится элементом распределённой ИИУС мобильного робота.
СТЗ приобретает такие свойства ЛВС, как реконфигурируемость – возможность легко наращивать или изменять любые ресурсы СТЗ: телекамеры, вычислители, радиоканалы; распределённость – возможность распределять вычислительные ресурсы между модулями; многопользовательский режим – возможность получать изображения с телекамер одновременно на нескольких пультах оператора и управляемость одновременно с разных ПУ; управление через Интернет – возможность анализировать работу МР и выдавать управляющие команды на любых расстояниях через подключение к СТЗ через Интернет; возможность цифровой обработки сигналов – использование спецпроцессоров и универсальных ЭВМ, что позволяет чисто алгоритмически постоянно совершенствовать используемые алгоритмы обработки изображений и программ управления; высокое качество изображений – возможность использования телекамер высокого разрешения и с высоким качеством цветопередачи; функциональность – по цифровому каналу можно передавать как видеосигнал, так и сигналы управления элементами СТЗ (например, поворотно-наклонными платформами) и исполнительными механизмами МР; многопотоковость видео – возможность передавать видеосигналы одновременно с нескольких телекамер без снижения качества изображений, что достигается за счёт использования высокоэффективных алгоритмов сжатия последовательности кадров; объединение модулей СТЗ в ЛВС через радиоканал – использование стандарта Wi-Fi или Wi-Max (и т.п.); высокая помехозащищённость – в отличие от аналоговых систем цифровые каналы передачи данных обладают большей помехоустойчивостью; защищённость – возможность использовать методы защиты информации от несанкционированного доступа (например, VPN-каналы и/или шифрование).
Особенностью использования МР является их работа в экстремальных условиях, в первую очередь это касается РТК для МЧС и, отчасти, учебных роботов (вандалозащищённость). В этом случае телекамеры должны быть уличного исполнения и быть работоспособными в большом диапазоне температур окружающей среды. Такие IP-телекамеры очень дороги и их повреждение, например, при разборе завалов, может привести к дорогостоящему ремонту. Поэтому на мобильной части следует устанавливать относительно дешёвые аналоговые телекамеры, а обработку видеосигнала (преобразование в цифровую форму, сжатие и приведение к стандарту Ethernet) следует производить с помощью видеосервера, который должен устанавливаться в защищенном месте.
Известно, что устройства Wi-Fi имеют ограниченный радиус действия. Для его увеличения следует идти несколькими путями. Самый простой из них – повышение мощности точки доступа (приёмо-передатчика), что не всегда возможно из-за сложного порядка регистрации и получения частного решения ГКРЧ. Второй путь – это использование узконаправленных антенн, что, как правило, затруднительно в случаях мобильных систем. Третий путь – создание повторителей (репитеров) радиосигнала на тех же точках доступа. В этом случае радиоканал между неподвижным (или малоподвижным) репитером и ПУ организуется с помощью узконаправленных антенн, формируя тем самым устойчивый радиоканал большой дальности, и репитер, который устанавливается недалеко от МР, в свою очередь формирует радиоканал с БМ с помощью всенаправленной антенны.
С помощью репитеров решается проблема работы МР в условиях городских кварталов, когда распространению радиосигнала мешают здания и иные препятствия. Известна способность оборудования Wi-Fi работать на отражённых сигналах. Кроме того, точка доступа (с антенной), питание которой осуществляется по стандарту PoE, может быть вынесена от пульта оператора на расстояние до 100 метров при их соединении с помощью кабеля типа «витая пара» (UTP), что позволяет управлять работой МР даже в условиях подвалов или из-за защитной стены. Такой вынос антенны от приёмо-передатчика при использовании аналоговых систем невозможен из-за сильного затухания сигнала в ВЧ-кабеле.
В третьей главе приведены результаты использования предложенной концепции при разработке управляемых многокамерных СТЗ для РТК BROKK-110D и BROKK-330 (Рис.2a и b). На основе предложенной концепции были разработаны и изготовлены также учебно-научные МР типа «АМУР» (Рис.2c) и МР на основе макета марсохода (Рис.2d). Их объединяет использование унифицированной элементной базы для объединения компонент СТЗ в ЛВС.
| Страницы: 1 2 3 |