Системы технического зрения мобильных колесных роботов

4.1. Методика определения дорожных условий движения МКР 118 4.1.1. Определение продольных воздействий дороги.

• на линейные и угловые колебания МКР 118.

4.1.2. Определение воздействия дороги на поперечные угловые колебания МКР 121.

4.1.3. Характеристики микронеровностей 124.

4.2. Связь параметров СТЗ с параметрами движения 125.

4.2.1. Основные геометрические соотношения в СТЗ 125.

4.2.2. Условия наблюдения точки при линейных вертикальных колебаниях 127.

4.2.3. Условия наблюдения точки при угловых.

Ф продольных колебаниях 128.

4.2.4. Условия наблюдения точки при угловых поперечных колебаниях 129.

4.2.5. Условия наблюдения точки при маневрах по углу курса 130.

4.2.6. Условия наблюдения точки при продольном движении МКР 131.

4.3. Демпфирование воздействий на СТЗ 132.

4.3.1. Аппроксимация структурной схемы демпфирования линейных колебаний 132.

4.3.2. Аппроксимация структурной схемы демпфирования угловых колебаний 13 4 щ 4.3.3. Анализ демпфера СТЗ с упрощенной структурой 137.

4.3.4. Синтез демпфера СТЗ по упрощенной структуре 139.

4.4. Общая методика проектирования демпферов СТЗ 140.

4.4.1. Конструкции демпферов 140.

4.4.2. Методика проектирования СТЗ МКР 145.

4.4.3. Результаты проектирования 147.

4.5. Выводы 152.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

154.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 157.

ПРИЛОЖЕНИЕ 168.

Актуальность темы

Одной из важных сфер применения мобильных колесных роботов (МКР) является сбор информации, осуществляемый в различных областях человеческой деятельности: в области экологического мониторинга, предотвращения чрезвычайных ситуаций, разведки, и т. п. [20, 47, 65, 115, 124]. Наибольший объем информации, как правило, содержится в видеосигнале [1, 64], что предполагает оснащение МКР системами технического зрения (СТЗ), а также хранения/передачи изображений для дальнейшего использо-Ф вания по назначению.

Особенно ценные качества МКР, оснащенных СТЗ, проявляются при форс-мажорных обстоятельствах, вызванных пожарами, техногенными авариями, природными катастрофами, террористическими актами, т. е. в тех случаях, когда срочно требуется релевантная видеоинформация, а возможности доступа человека к месту форс-мажора существенно ограничены. Вследствие того, что возможности пребывания робота в месте сбора информации в ряде случаев также ограничены, а ценность полученных изображений сцены весьма велика, возникает проблема автоматической видеосъемки в движении.

Процесс получения изображений с помощью СТЗ, расположенных на щ подвижном носителе затруднен, что связано как с механическими колебаниями СТЗ во время съемки, так и с конечным временем формирования электронного образа сцены в телекамере, входящей в состав СТЗ [48]. Явление искажения изображений, формируемых с помощью подвижных телекамер, получило название «смаз» и известно еще со времен аэрофотосъемки, проблемы которой во многом схожи с теми, что возникают в МКР с установленными телекамерами [3,10,11,15,50,51,85,98,100,125].

Общепринятым методом борьбы со «смазом» изображения является пространственная гиростабилизация СТЗ или линии визирования [10,11,15,16, 24, 33,42, 90,98, 101, 117,125]. Однако стоимость подобных систем весьма велика и приближается к стоимости самого МКР. В то же время, условия функциони.

• рования информационно-измерительных видеосистем, установленных на подвижных наземных объектах, существенно отличаются от условий работы оборудования, установленного на воздушных и морских транспортных средствах, прежде всего по характеру механических воздействий на СТЗ, что создает предпосылки стабилизации линии визирования с помощью более простых и дешевых средств.

Однако, задача создания специализированных СТЗ со стабилизированной линией визирования, устанавливаемых на подвижные наземные объекты, решена далеко не полностью, в частности, не исследована проблема связи меха-щ нических характеристик МКР и характеристик дорог, по которым он перемещается, с параметрами оптической системы и фотоэлектронного преобразователя, и в конечном счете, совокупное влияние указанных факторов на качество формируемого информационно-измерительной видеосистемой изображения. Кроме того, достаточно слабо разработаны методы учета этих факторов при проектировании СТЗ МКР. Все это делает задачу исследования информационно-измерительных систем технического зрения мобильных колесных роботов и разработки методов их проектирования весьма актуальной.

Таким образом, объектом исследования диссертационной работы является система технического зрения на основе матричного фоточувствительного ф прибора с зарядовой связью (ФПЗС), установленная на мобильном колесном роботе, осуществляющая получение измерительной видеоинформации в процессе движения робота по дороге, имеющей микронеровности.

Предметом исследования диссертационной работы являются методы проектирования демпфированных СТЗ МКР, основанные на учете параметров дороги как случайного воздействующего фактора, колесной базы робота как механического фильтра, элементов оптической системы как оптических фильтров и матричного ФПЗС, как оптико-механического фильтра, на качество формируемого подобной информационно-измерительной системой изображения.

Общей теорией создания подобных систем занимались отечественные ученые А. А. Бабаев, Г. Н. Грязин, В. В. Еремеев, В. К. Злобин, Ю. А. Козлов,.

• Г. П. Катыс, Ф. П. Пресс, В Я. Распопов, А. А. Силаев и зарубежные ученые Р. Гонсалес, А. Папулис, У. Прэтт и др. В известных работах по предмету исследования проведен анализ дорог как воздействующих факторов на перемещающиеся по ним транспортные средства, а также оптических систем и фотоэлектронных преобразователей как оптических фильтров.

Ниже предлагается общий подход к моделированию СТЗ МКР, который опирается на аналитические методы математического моделирования механических и оптических узлов, а также фотоэлектронных преобразователей. Математическое описание объекта исследования было разработано с применением щ теоретической механики, проекционной оптики, а спектральной и пространственно-спектральной теории сигналов, случайное воздействие дороги исследовано с применением теории случайных процессов.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов проектирования информационно-измерительных систем технического зрения, установленных на мобильных колесных роботах.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи.

1. Разработка общей математической модели движения МКР в пространстве, определение основных факторов, воздействующих на СТЗ в процессе щ движения, в частности рельефа, влияющего на условия работы силовой установки, трансмиссии и т. п., и микронеровностей, влияющих на качество сформированного СТЗ изображения во время движения.

2. Разработка математической модели проецирования изображения трехмерной сцены на плоскость расположения фоточувствительных элементов матричного ФПЗС с помощью линейной оптики, установление связи между пространственными координатами объектов наблюдаемой сцены и координатами проекции этих объектов на плоскость.

3. Установление связи между линейными и угловыми скоростями движения СТЗ в пространстве и скоростью перемещения проекции точки на плоскость расположения фоточувствительных элементов матричного ФПЗС.

• 4. Анализ процесса формирования электронной модели изображения в матричном ФПЗС и выявление факторов, которые оказывают влияние на качество сформированной модели изображения.

5. Разработка дифференциальных уравнений, описывающих механические колебания платформы МКР с установленной СТЗ в пространстве.

6. Получение из разработанных дифференциальных уравнений передаточных функций МКР как механического фильтра, осуществляющего преобразование во время движения пространственного сигнала микронеровностей дороги во временные сигналы колебаний линии визирования СТЗ по линейной ф вертикальной, продольной угловой и поперечной угловой координатам, а также фильтрацию указанных сигналов.

7. Проведение качественного анализа спектральной плотности колебания линии визирования по линейной вертикальной, продольной угловой и поперечной угловой координатам на разных скоростях движения МКР, и выделение характерных частот колебаний по каждой координате для определения предельных скоростей движения СТЗ относительно наблюдаемых неподвижных объектов.

8. Получение передаточных функций основных элементов оптической системы: среды распространения света, объектива и ФПЗС как статических оп.

3 тических фильтров, оказывающих влияние на качество формируемой модели изображения.

9. Получение передаточной функции ФПЗС как динамического оптического фильтра, оказывающего влияние на качество формируемого изображения при движении СТЗ относительно объекта во время накопления заряда в ФПЗС.

10. Установление математических зависимостей, определяющих связи между параметрами движения СТЗ относительно наблюдаемого объекта и размерами динамической апертуры фоточувствительного элемента матричного ФПЗС.

• 11. Разработка кинематических схем и передаточных функций демпферов, позволяющих обеспечить неподвижность оптической линии визирования СТЗ в пространстве с заданной точностью.

12. Разработка практических методик проектирования СТЗ МКР, учитывающих особенности дорог, конструкции робота и параметры ФПЗС.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

1. Разработан метод определения передаточных функций МКР как механического фильтра осуществляющего преобразование во время движения случайного пространственного сигнала микронеровностей дороги во временные ф сигналы колебаний линии визирования СТЗ по линейной вертикальной, продольной угловой и поперечной угловой координатам, а также фильтрацию указанных сигналов.

2. Разработан метод учета воздействия дороги и механики МКР на качество сформированных СТЗ изображений во время движения, основанной на построении спектральных плотностей колебаний по каждой координате, выделении характерных частот и определении предельных скоростей движения по каждой координате на основании преобразования гармонического сигнала на характерных частотах передаточными функциями МКР.

3. Получена пространственно-частотная характеристика СТЗ с учетом щ динамической апертуры фотоэлемента матричного ФПЗС, формируемой при движении СТЗ относительно наблюдаемого объекта, а также расчетные зависимости, устанавливающие связь параметров движения СТЗ с размерами динамической апертуры.

4. Даны рекомендации по выбору параметров демпферов, включаемых в состав СТЗ, обеспечивающих подавление колебаний линии визирования с заданным коэффициентом.

5. Разработана методика проектирования СТЗ МКР, учитывающих особенности дорог, конструкции робота и параметры ФПЗС.

Практическая ценность работы заключается в том, что методы и средства стабилизации линии визирования, исследованные в диссертации, ори.

• ентированы на проектирование практических СТЗ МКР и позволяют достаточно простыми средствами обеспечивать требуемое качество изображения при определенных техническим заданием параметрах движения роботов, что, в свою очередь, позволяет снизить стоимость и повысить эксплуатационную надежность систем в целом.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным применением аналитических моделей механических систем, оптических систем и оптоэлектронного преобразователя, а также экспериментальными исследованиями информационно-измерительной системы на основе CIM-щ устройства.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Метод определения передаточных функций МКР как механического фильтра случайного пространственного сигнала микронеровностей дороги.

2. Метод учета воздействия дороги и механики МКР на качество сформированных СТЗ изображений.

3. Расчетные зависимости определения пространственно-частотной характеристика СТЗ с учетом динамической апертуры ФПЗС, формируемой при движении СТЗ относительно наблюдаемого объекта.

4. Рекомендации по выбору параметров демпферов, включаемых в состав щ СТЗ, обеспечивающих подавление колебаний линии визирования с заданным коэффициентом.

5. Методика проектирования СТЗ МКР, учитывающих особенности дорог, конструкции робота и параметры ФПЗС.

Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы и методики реализованы автором в процессе выполнения НИОКР проведенных на базе войсковой части № 10 555.

Результаты внедрены в учебный процесс на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тульский государственный универ

• ситет" при преподавании следующих дисциплин: «Спецглавы математики», «Основы робототехники», «Основы информационных устройств роботов», «Основы технического зрения и цифровой обработки изображений».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.

1. Научно-техническая конференция, посвященная 50-летию кафедры систем автоматического управления ТулГУ. — Тула: ТулГУ, 2006.

2. III Общероссийская научно-практическая конференция «Современные информационные технологии, методы и средства создания и использования ф единого российского страхового фонда документации». — Тула: ФГУП «НИИ репрографии», 2006.

3. Всероссийская научно-техническая конференция СУЭТО-4. «Системы управления электротехническими объектами». — Тула: ТулГУ, 2007.

4. XXV Научная сессия, посвященная Дню радио. — Тула: ТулГУ, 2007.

5. X Научно-практическая конференция Тульского артиллерийского инженерного инстиута. — Тула: ТАИИ, 2007.

7. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ — 2005,2006,2007 гг.

По теме диссертации опубликовано 11 статей, включенных в список лиц тературы, в том числе: 8 материалов докладов на всероссийских конференциях, 2 статьи опубликованы в сборнике, рекомендованном ВАК РФ.

Краткое содержание работы.

В первой главе дана классификация СТЗ, расположенных на подвижном основании, определено место в этой классификации СТЗ МКР, построены математические модели самого общего вида, описывающие механическое воздействие дороги на МКР, движение СТЗ, установленной на подвижную платформу МКР в пространстве, формирование факсимильной цифровой модели изображения трехмерной сценызавершается глава выбором метода исследования и постановкой задачи на исследование.

• Вторая глава посвящена разработке методов оценки параметров перемещения линии визирования в пространстве, при этом разработаны математические модели и передаточные функции, описывающие колебания МКР по вертикальной линейной, продольной и поперечной угловым координатам, проведен качественный анализ спектральных характеристик колебания при случайном воздействии дороги и получены выражения для максимальных скоростей перемещения линии визирования по соответствующим координатам в пространстве.

В третьей главе получены основные соотношения, связывающие про-щ странственное движение платформы с установленной СТЗ с изображением, формируемым объективом на плоскости расположения фоточувствительных элементов ФПЗС, получены пространственные импульсные отклики и пространственные передаточные функции среды распространения света, объектива и матричного ФПЗС для неподвижного изображения, а также пространственная передаточная функция ФПЗС для изображения, перемещающегося относительно входной апертуры фоточувствительного элемента в момент накопления заряда, показана связь динамической апертуры со скоростью движения ФПЗС относительно изображения и временем накопления заряда.

В четвертой главе получены зависимости, определяющие «смаз» изо-щ бражения при известных колебаниях платформы относительно сцены, проведен анализ типового демпфера и получены условия, обеспечивающие оптимальное подавление колебаний на заданных частотахпредложены две конструкции демпферов, которые могут быть применены в СТЗ МКР, а также разработана общая методика проектирования демпфированных СТЗ МКР.

В заключении сделаны выводы по работе в целом.

4.5. Выводы.

1. Разработаны методики оценки состояния дороги вдоль и поперек направления движения МКР, показано, что основными характеристиками дороги, оказывающими влияние на качество изображений, являются среднеквадратичное отклонение микронеровностей от среднего уровня и величина корреляционной связи.

2. Определена связь параметров СТЗ с параметрами движения камеры относительно наблюдаемой сцены, в том числе ф размерами амплитуды и частоты колебаний по линейной координате zразмерами амплитуды и частоты колебаний по угловой координате <9- размерами амплитуды и частоты колебаний по угловой координате у, скорости маневра по углу щ скорости наезда на сцену по координате х;

3. Приведена общая функциональная схема демпфера линейных продольных колебаний и показано, что структура демпфера может быть аппроксимирована колебательным звеномполучены условия, при которых подобная аппроксимация является корректной.

4. Приведена общая функциональная схема демпфера угловых продол fail ных и поперечных колебаний и показано, что структура демпфера может быть аппроксимирована колебательным звеномполучены условия, при которых подобная аппроксимация является корректной.

5. На основании анализа JIA4X звена второго порядка сделан вывод, что наиболее эффективно подавление колебаний осуществляется демпфером, у которого декремент затухания равен единице, получены зависимости для определения постоянной времени демпфера, обеспечивающего заданный коэффициент подавления первой гармоники колебаний.

6. Проведены исследования демпфера СТЗ, представляющего платформу, опирающуюся на подвижное плоское основание тремя демпфирующими элементамиполучена структурная схема демпфера, входами которой являются.

9 вертикальная координата основания, расположенная под центром масс демпфера, а также углы места и крена, а выходами — вертикальная координата центра масс СТЗ и углы места и крена системы координат, связанной с камерой, относительно земной системы координат.

7. Проведены исследования демпфера СТЗ, представляющего двух степенной карданов подвес на подвижном основанииполучена структурная схема демпфера, входами которой являются вертикальная координата основания, а также углы места и крена, а выходами — вертикальная координата центра масс СТЗ и углы места и крена системы координат, связанной с камерой, относиф тельно земной системы координат.

8. Разработана общая методика проектирования СТЗ МКР.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Составлено векторное уравнение самого общего вида, описывающее механическое движение МКР в пространстве и показано, что в механической системе могут быть выделены платформа с установленной камерой, подвески с демпфированием и колесные опоры с амортизацией, подвергающиеся воздействию со стороны дороги.

2. Проведен анализ воздействия дороги на транспортное средство и показано, что воздействие сводится к двум факторам: рельефу местности, влияюгце.

0 му на нагрузки при движении транспортного средства, и случайным микронеровностям, влияющим на колебания платформы с установленной СТЗ, линейное по вертикали и угловые по углам места и крена, относительно некоторого среднего положения МКР.

3. Разработаны методики, позволяющие определять основные параметры корреляционной функции случайного воздействия, и показано, что масштаб по оси абсцисс корреляционной функции, определяющей характер микронеровностей, зависит от скорости движения МКР по дороге.

4. Проведен анализ характеристик, определяющих качество изображения, и показано, что определяющей характеристикой при восприятии сцены в двищ жении является разрешающая способность СТЗ.

5. Построены аналитические математические модели, описывающие колебания платформы с установленной СТЗ при воздействии микрорельефа дороги трехколесного и многоопорного робота, получены передаточные функции для определения частотных характеристик линейных колебаний по вертикали и колебаний по углам места и крена роботов с демпфированием, а также с амортизацией и демпфированием.

6. Построены математическая модель продольного движения трехколесного МКР, и его маневров по углу курса и получены выражения для определения кривизны траектории и скорости изменения угла курса при повороте направляющих колес. f 8. Проведен анализ функциональных элементов СТЗ и установлено, что на качество изображения, ею формируемого, оказывают влияние все компоненты, расположенные на пути распространения света, включая атмосферу, которая может содержать диспергенты, влияющие на качество изображения, объектив, фоточувствительный прибор с зарядовой связью, для всех установленных компонентов определены пространственные импульсные отклики и пространственно-частотные передаточные функции.

9. На основании анализа процесса накопления заряда в матричном ФПЗС определен его импульсный отклик и пространственная частотная характеристиф ка, формируемая за счет перемещения фоточувствительных ячеек относительно изображения в процессе накопления зарядапоказано, что параметры указанной характеристики определяются скоростью перемещения изображения относительно фоточувствительной ячейки.

10. Проведен качественный анализ колебаний платформы с установленной СТЗ при воздействии дороги и показано, что при оценке воздействия на ФПЗС можно ограничиться гармоническим сигналом на частоте резонанса по каждой координате, что позволяет оценить размеры динамической апертуры фоточувствительных ячеек ФПЗС.

11. Определена связь параметров СТЗ с параметрами движения камеры ф относительно наблюдаемой сцены, в том числе размерами амплитуды и частоты колебаний по линейной координате zразмерами амплитуды и частоты колебаний по угловой координате 3 размерами амплитуды и частоты колебаний по угловой координате у, скорости маневра по углу щ скорости наезда на сцену по координате х;

12. Приведены общие функциональные схемы демпферов линейных и угловых колебаний, показано, что структуры демпферов могут быть аппроксимированы колебательным звеном и получены условия, при которых подобная аппроксимация является корректнойдля колебательного звена определены параметры, при которых фильтрация пространственных частот является оптимальной.

13. Предложены две схемы демпферов, устанавливаемых на СТЗ МКР: с подвижной трехопорной платформой и с двухстепенным кардановым подвесом на подвижном основаниидля каждого демпфера разработано математическое описание и получена структурная схема.

14. На основании сопоставительного анализа схем сделан вывод о функциональном преимуществе схемы с кардановым подвесом на подвижном основании.

15. Разработана общая методика проектирования СТЗ МКР, предусматривающая учет воздействия дороги, пространственных частотных характеристик среды распространения света, объектива, ФПЗС, а также передаточных характеристик МКР и дополнительного демпфера СТЗ.

16. Методика внедрена в промышленность и в учебный процесс кафедры РТиАП Тульского государственного университета.