Введение к работе
Актуальность темы. Мобильные информационные роботы достаточно широко применяются в промышленности, военном деле, при экологическом мониторинге и т.п. Большинство существующих мобильных роботов способны функционировать только под непосредственным контролем оператора, в строго детерминированной среде и с заранее заданными алгоритмами движения. При расширении области функционирования робота возникает проблема трассировки его движения. Глобально проблема трассировки решается за счет применения спутниковой навигации и применения карт местности. Однако, в процессе движения по трассе возможно возникновение непреодолимых препятствий в виде микрорельефа местности. Поэтому, при сохранении общего направления движения мобильный робот должен оценивать характер препятствий и выбирать такую траекторию, которая бы соответствовала возможностям энергетической установки, трансмиссии и движителей транспортного средства.
Указанные обстоятельства привели к необходимости и актуальности решения задачи нижнего уровня управления: выявления препятствий на пути следования транспортного средства и выбора параметров движения с учетом реальных характеристик энергетической установки, движителей, массы транспортного средства и его текущего пространственного положения. Указанная задача может быть решена с помощью информационно-измерительной системы трассировки движения, установленной на мобильном роботе, и проводящей видеомониторинг окружающей среды.
В практических случаях решение задачи Трассировки движения осложняется тем, что сигналы с ТВ-камер, входящих в систему и образующих подсистему технического зрения, являются слабоконтрастными, нестационарными и сопровождается естественными или искусственно создаваемыми помехами. В этих условиях информационно-измерительная система должна решать следующие задачи: выделения специфических участков сигнала, по которым может быть идентифицированы препятствия, оценки по сигналам пространственного положения и сигналам ТВ-камер параметров препятствий, а также возможности преодоления препятствий роботом.
Вопросы выделения из видеосигнала информации о наличии и характере препятствий, расположенных по трассе мобильного робота, и определения возможностей робота по их преодолению на основании модели, учитывающей динамические свойства транспортного средства, в настоящее время решены недостаточно, что определяет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертации.
Объектом исследования диссертационной работы являются информационно-измерительная система дистанционного измерения параметров трассы, определение текущего пространственного положения робота и оценка преодо-лимости возникающих по трассе движения препятствий.
Предметом исследования диссертационной работы являются параметры движения транспортного средства по пересеченной местности, методы обнаружения и идентификации сигналов, несущих информацию о препятствиях,
встречающихся по трассе движения, а также методы расчета параметров препятствий и их преодолимое.
Методы проектирования информационно-измерительных систем, позволяющих оценивать пространственное положение предметов наблюдаемой сцены, могут быть применены в машиностроительной, строительной, горнодобывающей, химической, и других отраслях промышленности.
Общей, теорией обработки и идентификации сигналов в информационно-измерительных системах различных типов типа занимались К.Блаттер, РГон-салес, А.Л.Горелик, У.Гренандер, И.Добеши, Р.Дуда, В.В.Еремеев, В.К.Злобин, Дж.Купер, К.Макгиллем, В.В.Моттль, Л.В.Новиков; А.Розенфельд, Л.И.Розоно-эр, В.С.Титов, К.Фукунага, П.Харт, Л.ПЛрославский и др. Основы моделирования движения транспортных средств изложены в трудах А.А.Силаева.
Из всех существующих подходов к идентификации и определению параметров препятствий, встречающихся по трассе движения транспортных средств, наиболее продуктивным представляется подход, основанный на аналитических методах математического моделирования, что позволяет целенаправленно планировать будущие свойства информационно-измерительной системы. Для этого в диссертации использованы теории механики, системного анализа, обработки изображений, вейвлет-анализа.
Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности функционирования информационно-измерительных систем трассировки движения транспортных средств при дистанционном измерении параметров препятствий за счет выделения информации о препятствиях в видеосигнале и оценки возможности их преодоления транспортным средством с известными техническими характеристиками.
В соответствии с поставленной целью, в диссертации поставлены и решены следующие задачи.
1. Анализ существующих конструкций транспортных средств и форми
рование типовой схемы его информационно-измерительной и управляющей
системы, а также выбраны методы исследования системы.
2. Построение модели продольного движения и маневров по углу курса
транспортного средства по пересеченной местности с колесными и гусеничны
ми движителями с учетом их конструктивных особенностей и параметров дви
гательной установки и трансмиссии.
-
Определение пространственного положения робота, а также предельные значения углов, при которых в процессе преодоления препятствий транспортным средством происходит его опрокидывание.
-
Разработка модели формирования сигнала в информационно-измерительной системе трассировки движения и получены зависимости определения дальности до выделенных точек в бинокулярной подсистеме технического зрения.
-
Определение влияния аберраций подсистемы технического зрения на точность измерения дальности.
-
Разработка метода выделения идентичных фрагментов на левом и правом изображениях подсистемы бинокулярного технического зрения.
-
Разработка метода поиска характерных точек в строках изображения с применением вейвлет-анализа.
-
Разработка метода формирования виртуального рельефа по измеренным расстояниям до выделенных точек и пространственному положению транспортного средства.
-
Проведение экспериментальной проверка разработанных методов определения дальности на макете подсистемы бинокулярного технического зрения.
Научная новизна диссертации заключается в следующем.
1. Построена общая математическая модель продольного движения и
маневров по углу курса транспортных средств с гусеничными и колесными
движителями, включающая зависимость, определяющую пространственное
положение подрессоренной многоопорной платформы на разновысоких точках
опоры в состоянии покоя, и определены условия, при которых препятствия,
расположенные по трассе движения, являются непреодолимыми.
-
Построена модель определения дальности в подсистеме бинокулярного технического зрения с учетом реальных аберраций объектива и реальных характеристик фотоэлектронного преобразователя.
-
Разработан метод выделения идентичных участков на левом и правом изображениях подсистемы технического зрения, а также методе поиска строк изображения, содержащих контрастные фрагменты с использованием вейвлет-анализа.
-
Разработан метод формирования виртуального рельефа по измеренным расстояниям до выделенных точек и пространственному положению транспортного средства.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные в диссертации методы ориентированы на использование при проектировании информационно-измерительных систем технического зрения, обеспечивающих определение параметров рельефа по трассе движения транспортного средства.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается результатами натурных испытаний информационно-измерительной системы технического зрения, а также внедрением результатов в производство.
Положения, выносим ые на защиту.
-
Математическая модель продольного движения транспортного средства, по пересеченной местности с определением преодолимое препятствий, расположенных по трассе движения.
-
Метод определения дальности в информационно-измерительной подсистеме бинокулярного зрения.
-
Метод поиска строк изображения, содержащих контрастные фрагменты с использованием вейвлет-анализа с последующим выделением идентичных участков на левом и правом изображениях в бинокулярной подсистеме технического зрения
-
Разработан метода формирования виртуального рельефа по измеренным расстояниям до выделенных точек и пространственному положению транспортного средства.
Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы реализованы автором в ОАО «НПП«Связь»».
Ряд теоретических положений внедрен в учебный процесс Тульского государственного университета на кафедре ((Робототехника и автоматизация производства» в лекционных курсах по дисциплинам: «Информационные устройства и системы в робототехнике», «Системы технического зрения роботов».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.
-
XXVI Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула, Тульский государственный университет, 2008.
-
Магистерская научно-техническая конференция. - Тула, Тульский государственный университет, 2008.
-
XXVII Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула, Тульский государственный университет, 2009.
-
Научно-техническая конференция Интеллект-2009. - Тула, Тульский государственный университет, 2009.
-
Проблемы управления электротехническими объектами. - Тула, Тульский государственный университет, 2010
-
Математические методы в технике и технологиях ММТТ-21. XXI Международная научная конференция. - Саратов, Саратовский государственный технический университет. 2010.
-
Международная молодежная научная конференция «XXXVI Гагарин-ские чтения»; - Москва, Московский авиационно-технологический институт, 2010.
-
Проблемы специального машиностроения. XI Всероссийской научно-техническая конференция. Тула, Тульский государственный университет, 2011.
9. Научно-техническая конференция Интеллект-2011. - Тула, Тульский государственный университет, 2011.
По теме диссертации опубликовано 19 работ, включенных в список литературы, в том числе: 9 статей, 10 публикаций, представляющих собой материалы или тезисы докладов международных и межвузовских научно-технических конференций, 1 статья в сборнике, рекомендуемом ВАК РФ для публикаций материалов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, изложенных на 137 страницах машинописного текста и включающих 52 рисунка и 2 таблицы, заключения, списка использованной литературы из 177 наименований.
