Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Применение автоматизированных систем в химической промышленности. существующие средства и методы позиционирования мобильных элементов в данных системах. постановка задачи исследования 8
1.1. Применение автоматизированных систем и роботов в химической промышленности 8
1.2. Ориентация, навигация и привязка мобильных систем 10
1.3. Решения задач определения местоположения в геодезии 10
1.4. Роль и место навигационных систем и систем позиционирования в общих системах управления автоматизированными мобильными системами 12
1.5. Анализ особенностей решения задачи позиционирования мобильных устройств. Уровни её решения 13
1.6. Основные типы устройств для получения первичной информации о внешней среде 15
1.7. Видеокамеры 16
1.7.1. Конструкция ПЗС- матрицы 16
1.7.2. Принцип работы ПЗС матрицы 17
1.7.3. Основные характеристики матрицы 18
1.7.4. Классификация камер 19
1.7.5. Технические параметры камер 20
1.8. ИК - локаторы 22
1.9. Ультразвуковые датчики расстояния 23
1.10. Лазерные дальномеры 26
1.11. Другие датчиков информации и способов получения информации об объектах внешней среды Вспомогательные датчики 27
1.12. Комплексные системы датчиков 27
1.12.1. Бинокулярные системы 27
1.12.2 Совместное использование гамма-пеленгатора и системы технического зрения 28
1.12.3. Комплексное использование лазерного маркера и системы технического зрения 30
1.13. Основные методы распознавания информации о внешней среде 30
1.13.1. Общая постановка задачи распознавания 31
1.13.2.Статистические методы 32
1.13.3. Логические методы 33
1.13.4. Геометрические методы 33
1.13.5. Структурные (лингвистические) методы 34
1.13.6. Другие методы 34
1.14. Особенности распознавания графической информации 34
1.15. Существующие системы позиционирования мобильных транспортных средств 37
1.15.1 Локальное угловое позиционирование 3 7
1.15.2. Глобальное позиционирование 37
1.16. Основные выводы и постановка задачи исследования 3 8
ГЛАВА 2. Контроль позиционирования мобильного транспортного средства при его перемещении по горизонтальной поверхности в заданном помещении 39
2.1. Общие положения. Формулировка задачи 39
2.2. Распознавание по двум реперным точкам 41
2.3. Распознавание по трем реперным точкам 44
2.4. Распознавание с использованием четырех реперных точек 46
2.4.1. Предварительный анализ изображений реперных точек 47
2.4.2. Интерполяция при реперном контуре, у которого все отрезки направлены по оси а 50
2.4.3. Интерполяция при реперном контуре, у которого все отрезки направлены по оси 54
2.4.4. Интерполяция при реперном контуре со смешанной направленностью отрезков 57
2.5. Распознавание при избыточном числе реперных точек 61
2.5.1. Трехточечная интерполяция при избыточном числе реперных точек 62
2.5.2. Четырехточечная интерполяция при избыточном числе реперных точек 62
Выводы по главе 2 63
ГЛАВА 3. Экспериментальная проверка способа позиционирования транспортного средства с использованием реперных точек 64
3.1. Общее описание экспериментов 64
3.2. Особенности обработки растровой информации. Проверка принадлежность пикселей общей прямой линии. Проверка параллельность отрезков 66
3.2.1. Принадлежность пикселей общей прямой линии 67
3.2.2. Принадлежность общей прямой линии вспомогательных точек 70
3.2.3. Проверка параллельности отрезков, заданных пикселями 70
3.2.4. Проверка параллельности отрезков, заданных точками с вещественными координатами 72
3.3. Методика получения усредненных изображений реперных и экспериментальных точек. Обработка ВМР-файлов 73
3.4. Выполнение проверочного интерполирования плоских координат источника излучения в экспериментальных точках с использованием массивов реперных точек и их изображений при минимальном числе реперных точек 80
3.5. Выполнение проверочного интерполирования плоских координат источника излучения в экспериментальных точках с использованием массивов реперных точек и их изображений при избыточном числе реперных точек 83
3.6. Статистическая обработка результатов проверочного интерполирования в экспериментальных точках при минимальном числе реперных точек 86
Выводы по главе 3 88
ГЛАВА 4. Использование датчиков уровня жидкости для контроля локального позиционирования мобильного транспортного средства 89
4.1. Описание предлагаемой конструкции 89
4.2. Функционирование конструкции, анализ получаемых результатов 89
Выводы по главе 4 93
ГЛАВА 5. Полное позиционирование мобильных транспортных средств с использованием маяков 94
5.1. Описание предлагаемой конструкции, выполняемые измерения 94
5.2. Предварительный анализ получаемой информации 95
5.3. Расчет уточненных параметров ориентации 97
Выводы по главе 5 101
Основные результаты работы 102
Список использованных источников 104
- Анализ особенностей решения задачи позиционирования мобильных устройств. Уровни её решения
- Предварительный анализ изображений реперных точек
- Проверка параллельности отрезков, заданных пикселями
- Функционирование конструкции, анализ получаемых результатов
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Химическими называют волокна, получаемые из органических природных и синтетических полимеров. В зависимости от вида исходного сырья их. подразделяются на синтетические (из синтетических полимеров) и искусственные (из природных полимеров). Иногда к химическим относят также волокна, получаемые из неорганических соединений (стеклянные, металлические, базальтовые, кварцевые). Химические волокна выпускают в промышленности в виде: 1) моноволокна (одиночное волокно большой длины); 2) штапельного волокна (короткие отрезки тонких волокон); 3) филаментных нитей (пучок, состоящий из большого числа тонких и очень длинных волокон, соединённых посредством крутки).
Химические волокна обладают высокими прочностными и эксплуатационными качествами - разрывной прочностью до 1200 Мн/м, значительным разрывным удлинением, хорошей формоустойчивостью, несминаемостью, высокой устойчивостью к многократным и знакопеременным нагружениям, стойкостью к действиям света, влаги, плесени, бактерий, хемо- и термостойкостью. Данные свойства волокон можно изменять в широких пределах за счет варьирования производственного процесса.
Мировое производство химических волокон развивается быстрыми темпами. Это объясняется, в первую очередь, экономическими причинами (меньшие затраты труда и капитальных вложений) и высоким качеством химволокна по сравнению с природными волокнами. В 1980 г. производство химического волокна достигло 9 млн. т, а в 2000 -20 млн. т в год и сравнялось с суммарным объёмом производства природных волокон.
Начиная с конца XX века, общие тенденции развития химических производств характеризуются внедрением прогрессивных технологий, обеспечивающих высокий уровень энерго- и ресурсосбережения, ужесточением требований к качеству выпускаемой продукции и экологической чистоты. При этом такие специализированные химико-технологические производства, как волоконные, функционируют в условиях часто меняющейся номенклатуры и объемов выпускаемой продукции, постоянных колебаний качества и цен сырья.
Данные условия предъявляют повышенные требования к средствам автоматизации технологических процессов. С одной стороны они должны быть достаточно гибкими, оперативно перенастраиваемыми, с другой стороны - обеспечивать качественное выполнение необходимых функций в заданных условиях. Этому требованию в наибольшей степени удовлетворяют роботизированные системы.
Внедрение данных средств особенно актуально для химических производств, в которых используются высокие температура, давление, концентрация веществ и т.п. Химическая и смежные с ней отрасли относятся к областям промышленности с экстремальными условиями труда. Все без исключения химические производства опасны для жизни и здоровья людей и различаются лишь степенью опасности.
Решением задач, связанных с заменой людей автоматическими системами с целью повышения эффективности современных производств в различных отраслях промышленности, занимались научные школы В.В. Кафарова, A.M. Кутепова, Е.И. Воробьева, Е.П. Попова, СВ. Емельянова, Г.С. Поспелова, Е.И. Юревича и другие.
Автоматизированные транспортные системы позволяют устранить участие человека при подаче заготовок, съеме готовых изделий с производственного оборудования, складировании сырья и готовой продукции, а также при выполнении других функций.
В настоящее время значительная часть мобильных транспортных средств управляется в супервизорном режиме удаленным оператором, который посылает команды роботу по соединительному кабелю либо радиоканалу. Обратная связь обеспечивается при помощи видеокамеры робота и телевизионного дисплея у оператора. Такой способ
управления малопроизводителен и, как правило, неэффективен с точки зрения реализуемых алгоритмов решения производственных задач. Поэтому для большинства приложений более эффективным было бы автоматическое управление. Наряду с повышением производительности и качества выполнения непосредственных производственных задач это позволяет включать их в общие системы управления производством.
С целью более оптимального и гибкого выполнения своих функций автоматизированным транспортным системам необходимо придавать элементы искусственного интеллекта. Реализация данных функций применительно к мобильным системам требует, в том числе, "осознания" мобильным элементом системы своего положения в окружающем его пространстве.
Практически данная задача реализуется путем позиционирования мобильного средства в какой - либо системе координат, связанной с внешней средой. Это необходимо, как при решении задач позиционирования и перемещения мобильных элементов систем, так и при выполнении производственных функций.
Решение задачи позиционирования зависит от многих факторов - в первую очередь, от применяемых датчиков и других средств получения первичной информации, условий внешней среды, средств передачи и обработки информации, характера решаемых задач и т.д. Вследствие большого числа данных факторов данная задача нее может иметь единое универсальное решение, оптимальное по всем перечисленным параметрам. Поэтому разработка методов позиционирования мобильных средств представляет собой довольно широкое научное направление, в рамках которого могут быть реализованы самые разнообразные практически значимые методы.
Цель работы.
1. Исследование всех аспектов проблемы позиционирования применительно к мобильным
транспортным средствам. Изучение современных датчиков и других средств получения
первичной информации, необходимой для позиционирования, а также применяемых в
настоящее время систем позиционирования. Изучение методом обработки получаемой
первичной информации.
2. Разработка математических и программных средств для решения задачи
позиционирования с помощью стационарно установленных видеокамер наблюдения.
Экспериментальная проверка методов, алгоритмов и программных средств решения задачи позиционирования с помощью видеокамер.
Разработка аппаратных средств, математического и программного обеспечения по решению локальной задачи позиционирования тележки мобильного устройства при помощи датчиков уровня жидкости, установленных на ней.
Разработка математических методов по решению полной задачи позиционирования тележки мобильного устройства с использованием следящих двухкоординатных датчиков.
Научная новизна работы.
1. Впервые предложен метод определения глобального позиционирования транспортных
средств с использованием источников излучения, реперных точек и вынесенных
стационарных видеокамер, применяемых для видеомониторинга помещений любого типа.
Даны рекомендации по оптимальному размещению реперных точек на исследуемой области произвольной формы. Исследовано размещение двух, трех и четырех реперных точек на прямоугольной области.
2. Разработано математическое и программное обеспечение по интерполяции декартовых
координат источников излучения с использованием двух, трех и четырех реперных точек
при минимальном и избыточном числе их числе.
Изучены необходимые геометрические условия для линейной интерполяции по трем точкам и билинейной интерполяции по четырем точкам. Разработано математическое и программное обеспечение по автоматизированной проверке данных условий.
При трех- и четырехточечной интерполяции наряду с обычной прямой задачей интерполирования, в которой определяются декартовы координаты точек по значениям их локальных параметров, впервые дано решение обратной задачи интерполирования -расчет величин локальных параметров точек по известным их декартовым координатам.
3. Разработан метод локального позиционирования транспортного средства, а также дано
математическое и программное обеспечение по его реализации. Предложен метод
интерпретации получаемых с устройства показаний для уточнения геометрического
позиционирования тележки.
4. Впервые дан математический двухэтапный метод определения полного
позиционирования транспортного средства при его перемещении по горизонтальным
поверхностям с использованием данных, получаемых от следящих двухкоординатных
датчиков.
Положения работы, выносимые на защиту.
1. Метод определения глобального позиционирования транспортных средств с
использованием источников излучения, реперных точек и стационарных видеокамер.
Метод интерполяции декартовых координат источников излучения с использованием двух реперных точек.
Метод интерполяции декартовых координат источников излучения с использованием трех реперных точек.
4. Алгоритм проверки необходимых геометрических условия для билинейной
интерполяции по четырем точкам.
5. Методы билинейной интерполяции декартовых координат источников излучения по
четырем точкам выпуклого базового контура для трех случаев:
а) все звенья контура направлены по вертикальной оси,
б) все звенья направлены по горизонтальной оси,
в) смешанная направленность звеньев.
Принципиальная конструкция устройства, позволяющего определять локальное позиционирование транспортного средства при его перемещении по горизонтальным поверхностям.
Математическое обеспечение по определению локального позиционирования транспортного средства с использованием предложенного устройства.
Математический двухэтапный метод определения полного позиционирования транспортного средства при его перемещении по горизонтальным поверхностям с использованием данных, получаемых от следящих двухкоординатных датчиков.
Практическая значимость.
Практическая значимость предложенного метода позиционирования транспортных средств, в котором используются источники излучения, видеокамеры и реперные точки, заключается в простоте его реализации, которая не требует установка дополнительного оборудования.
Разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать выполнение интерполяции декартовых координат источников излучения с использованием двух, трех и четырех реперных точек при минимальном их числе.
Разработано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать выполнение интерполяции декартовых координат источников излучения с использованием двух, трех и четырех реперных точек при избыточном их числе.
Экспериментально исследованы возможности двух-, трех- и четырехточечных методов интерполяции декартовых координат источников при минимальном и избыточном числе реперных точек.
5. Разработана принципиальная конструкция устройства, позволяющего реализовать
предложенный метод локального позиционирования транспортного средства.
6. Разработано программное обеспечение для определения локального позиционирования
при помощи датчиков уровня жидкости.
Анализ особенностей решения задачи позиционирования мобильных устройств. Уровни её решения
Термин навигация (navigation, от лат. navis - корабль) позаимствован из судовождения [22], где под ним понимают теоретическое обоснование и практические приемы вождения судов; вопросы выбора кратчайшего и безопасного пути следования судна в море и удержания судна на выбранном пути. С появлением авиации возник термин воздушная навигация (аэронавигация) - прикладная наука о точном, надежном и безопасном вождении в воздухе летательных аппаратов. Поэтому применительно к наземным мобильным средствам данный термин правильнее применять к системам, которые задают оптимальные траектории движения данных средств.
Под ориентацией обычно понимают процесс определения пространственного положения объектов, обычно - в трехмерном пространстве, а также способы придания необходимого пространственного положения. Как правило, в технике под ориентацией преимущественно понимается определение углового положения объектов [26].
В более широком плане в медицине, психологии ориентация означает выявление направленности тех или иных сторон индивидуумов. Например, ориентация в структурно-функциональной теории Т. Парсонса [95] способность субъекта выполнять следующие действия - вычленять объекты из окружающей среды (познавательная или когнитивная ориентация); различать объекты, имеющие значение для удовлетворения его потребностей (катектическая ориентация); производить сравнительную оценку объектов в плане направленности действий (оценочная ориентация).
Под позиционированием, как правило, понимают способы определения положения объекта относительно некоторого базового объекта. Обычно данная информация представляется в некоторой системе координат, жестко связанной с выделенным базовым объектом. Данный метод позаимствован из геодезии и картографии. Под позиционированием наряду с определением линейных параметров относительного положения объектов также понимают и угловые параметры.
Поскольку чаще всего положение наземных мобильных систем определяется относительно некоторого базового объекта в системе координат, жестко связанной с ним (линейные и угловые параметры), то логичнее для данной задачи использовать термин " позиционирование".
Навигацией, соответственно, логично называть средства и методы определения оптимальных траекторий перемещения мобильных средств[17,23,33,34,45]. Очевидно, в реальных устройствах системы позиционирования и навигации тесно взаимосвязаны между собой.
Работа посвящена аппаратным и программным методам позиционирования автоматизированных мобильных средств.
В [160] подробно изучены биологические механизмы практической реализации навигации и позиционирования живыми организмами. Рассмотрены инерциальный, зрительный, акустический и другие механизмы решения данных задач в живой природе.
Исторически задача об определении точного местоположения впервые была востребована в кораблевождении. Решением ее сейчас занимается геодезия.
Геодезическими координатами на земной поверхности являются широта - острый угол нормали к поверхности в заданной точке с плоскость экватора - и долгота -двугранный угол между плоскостью начального меридиана и плоскостью меридиана данной точки. Цель геодезических работ - определение координат объектов на поверхности Земли. Характерной особенностью геодезических измерений является то, что они дают относительно положение геодезических объектов. Геодезическое позиционирование предполагает определение длины базовой линии и ее проекции в выбранной системе координат.
Различают прямую геодезическую задачу и обратную.
В прямой задаче заданы координаты пункта А, а также азимут геодезической линии АВ и расстояние между пунктами А и В. Требуется определить координаты пункта В и обратный азимут с точки В на точку А.
В обратной задаче по заданным координатам пунктов А и В требуется определить расстояние между ними, прямой и обратный азимуты линии АВ.
С возникновением ракетной техники и появлением искусственных спутников Земли (ИСЗ), движущихся с большими скоростями в гравитационном поле Земли, наряду с высокоскоростными измерениями актуальным стало также исследование поля тяготения Земли. Новое направление в геодезии называют космической геодезией. Предметом ее является изучение с помощью космических средств взаимного расположения точек земной поверхности и космических аппаратов, движущихся в гравитационном поле Земли, а также исследование характеристик этого поля [53,84].
Методы решения геодезических задач с помощью ИСЗ принято разделять на методы синхронных наблюдений и орбитальные.
Сущность методов синхронных наблюдений [53, 124] заключается в том, что спутник используется как высоко поднятая точка, на которую одновременно или почти одновременно производятся наблюдения с точек с известными и неизвестными координатами. В итоге получается некоторый избыточный объем информации. Рассматривается сеть космической триангуляции, содержащей п+т наземных станций, причем координаты п станций известны, а координаты т станций определяются. Производятся s синхронных наблюдений искусственных спутников Земли (ИСЗ) как с известных, так и с определяемых станций. Причем, с каждой станции координаты ИСЗ могут наблюдаться как полностью, так и частично. Для определения вектора поправок положений определяемых станций и вектора поправок положений ИСЗ составляется система линейных уравнений, связывающая данные векторы через матрицу с данными наблюдений.
В орбитальном методе требуется точное знание параметров орбиты ИСХ. По результатам наблюдениям ИСЗ с точек, имеющих неизвестные координаты, определяются величины последних.
Предварительный анализ изображений реперных точек
Локальным позиционированием МТС, перемещающегося по плоской поверхности, называется определение положения мобильного объекта относительно поверхности его базирования [10]. В полном объеме локальное позиционирование включает определение перемещения по оси z, а также углов /? и у поворота платформы тележки МТС относительно осей х и у (рис. 1.2) . Угловое локальное позиционирование заключается только в определении углов. Решение задачи локального углового позиционирования необходимо в транспортных средствах, в первую очередь, для предотвращения опрокидывания при наезде на препятствия либо при перемещении по крутым склонам.
Например, устройство для определения углов наклона объектов [96], содержащее панель с подвешенным на ней маятником и шкалу, закрепленную на панели, при этом панель, плата, шкала и другие элементы конструкции выполнены с возможностью их взаимного перемещения и закрепления Недостатком данного устройства при его возможном применении для мобильных объектов является необходимость дополнительных настроечных операций перед каждым измерением. Также он не предназначен для определения вертикальных перемещений.
Сигнализатор угла наклона [97] содержит стакан с крышкой, в которой установлена шаровая опора с жестко закрепленными на ней двумя стержнями, нижний из которых соединен с маятником, расположенным внутри стакана, заполненного демпфирующей жидкостью, а верхний замыкает на массу контактные кольца при определенных углах крена машины, два регулировочных болта, каждый из которых соединен с одним из контактных колец так, что при их вывинчивании обеспечивается независимое перемещение контактных колец (соответственно вверх или вниз) вдоль оси сигнализатора. Данный сигнализатор позволяет определять предельно допустимые углы наклона в вертикальных плоскостях, но не позволяет находить точное значение данных углов и их проекции на заданные ортогональные оси.
Для МТС существенным является также определение перемещения по оси z, т.е. локальное позиционирование в полном объеме.
Для решения данной задачи можно использовать, например, мобильный робот [98], который оснащен устройством определения местоположения, соединенным с управляющей частью, и содержащим обзорную видеокамеру для создания обзорного изображения потолка помещения и распознавания базового знака на потолке. Очевидно, данная система распознавания в силу конструктивных особенностей применима не всегда. В ней будут большие погрешности при распознавании "малых"перемещений. Система, описанная в [129], включает сеть статических многоцелевых датчиков, используемых, в том числе, для идентификации местоположения мобильных объектов с использованием радиосвязи. Очевидно, данная система пригодна только для глобального позиционирования, причем радиосвязь позволяет найти "большие" координаты объекта очень приближенно. Наблюдение поверхности Земли и приземного слоя атмосферы с космических летательных аппаратов (КЛА) под разными ракурсами позволяет не только восстанавливать трехмерную структуру наблюдаемых сцен, но и оценивать параметры их движения. Предполагается, что изображения сцены получаются одной движущейся камерой. В наиболее общей постановке задача состоит в определении позиционирования и оценивании трехмерных координат видимой поверхности сцены. В космических измерениях позиционирование осуществляется по независимым измерениям, выполняемым на КЛА с помощью аппаратуры GPS (Global Positioning System). Система GPS была разработана в период холодной войны и предназначалась в основном для наведения ракет на цель. В настоящее время аппаратура GPS стала общедоступной и широко используется для навигации различных транспортных средств. Аппаратура GPS позволяет определять трехмерные координаты КЛА в геоцентрической неинерциальной системе координат с весьма высокой точностью. Лучшие результаты могут быть получены при оценивании позиционирования регистрирующей аппаратуры по опорным наземным объектам, но такие измерения могут быть выполнены только при пролете КЛА над специально аттестованными участками земной поверхности. Приведенный обзор показывает многогранность постановки задач позиционирования мобильных объектов и возможных методов ее решения. По характеру получаемой информации о пространственном положении объекта из полной задачи позиционирования объекта выделены три основных составляющих - местная, глобальная и локальная. Исследованы все основные типы современных датчиков и других средств получения первичной информации, необходимой для позиционирования, а также применяемых в настоящее время систем позиционирования. Наиболее информативными являются визуальные методы позиционирования, в которых применяются растровые изображения, получаемые с ПЗС-матриц видеокамер, а также методы, в которых используются различного рода датчики излучений. Выполненное исследование существующих аппаратных средств и методов позиционирования мобильных объектов показывает, что в настоящее время оптимальным решением задачи местного позиционирования для мобильных средств является применение так называемых "ИК-бамперов", в которых используются датчики инфракрасного излучения. По-прежнему актуальными являются проблемы практического решения следующих задач позиционирования: 1) локального, 2) глобального, 3) полного. В работе рассмотрены следующие актуальные пути решения задачи позиционирования мобильных средств. Во-первых, поставлена задача решения проблемы автоматического глобального позиционирования транспортных средств при помощи стандартных видеокамер наблюдения и опорных реперных точек. Предварительный анализ показывает, что возможно решение задачи с использованием двух, трех, четырех точек. Для решения поставленной задачи необходимо разработать соответствующий математический аппарат, создать программное обеспечение и исследовать потенциальные возможности метода экспериментально. Во-вторых, поставлена задача по разработке аппаратных средств, математического и программного обеспечения по решению локальной задачи позиционирования тележки мобильного устройства при помощи датчиков уровня жидкости, установленных на ней. В-третьих, поставлена задача разработки математических методов по решению полной задачи позиционирования тележки мобильного устройства с использованием следящих двухкоординатных датчиков.
Проверка параллельности отрезков, заданных пикселями
Горизонтальное и вертикальное разрешения измеряются в точках растра на метр. Они важны для сохранения масштаба отсканированных картинок. Изображения, созданные с помощью графических редакторов, как правило, имеют в этих полях нули.
Число цветов позволяет сократить размер таблицы палитры, если в изображении реально присутствует меньше цветов, чем это допускает выбранная глубина цвета. Однако на практике такие файлы почти не встречаются. Если число цветов принимает значение, максимально допустимое глубиной цвета, например 256 цветов при 8 битах, поле обнуляют.
Число основных цветов — идет с начала палитры, и его желательно выводить без искажений. Данное поле бывает важно тогда, когда максимальное число цветов дисплея было меньше, чем в палитре Bmp-файла. Цвета обычно не упорядочиваются по частоте, с которой они встречаются в файле.
За информационным заголовком следует таблица цветов, представляющая собой массив из 256 (по числу цветов) 4-байтовых полей. Каждое поле соответствует своему цвету в палитре, а три байта из четырех — компонентам синей, зеленой и красной составляющих для этого цвета. Последний, самый старший байт каждого поля зарезервирован и равен 0.
После таблицы цветов находятся данные изображения, которое по строкам растра записано снизу вверх, а внутри строки — слева направо. Так как на некоторых платформах невозможно считать единицу данных, которая меньше 4 байт, длина каждой строки выровнена на границу в 4 байта, т. е. при длине строки, не кратной четырем, она дополняется нулями. Это обстоятельство обязательно надо учитывать при считывании файла.
Для обработки получаемых полных изображений была использована следующая последовательность действий. 1. Получение 256-цветной матрицы изображения из BMP-файла. Как показано выше, данное действие необходимо для анализа изображения, поскольку помимо матрицы данный файл содержит целый ряд вспомогательных данных. Для выполнения данного действия можно использовать стандартные возможности системы MATCAD либо специальные программы, определяющие по заголовку BMP-файлов их размеры и выделяющие матрицу изображения. Поскольку при передаче матрицы изображения из системы MATCAD в программу возникают дополнительные трудности, то практически удобнее использовать специальные программы. 2. Перевод изображения из черно-белого с 256 градациями серого цвета в монохромное. Это необходимо для упрощения последующей обработки изображения. При этом используется стандартный пороговый метод, при котором все пиксели, имеющие степень яркости менее 128 (темные) заменяются 0 (полный черный цвет), а все пиксели со степенью яркости более 128 (светлые) заменяются 1 (полный белый цвет), 3. Инвертирование цветов в монохромном изображении. Белый цвет заменяем черным и наоборот. Данное действие выполняется для приведения задачи распознавания к стандартному виду, при котором черное изображение распознается на белом фоне. При этом в кодировке пикселей заменяем 0 на 1,1 на 0. 4. Выделение в получаемом изображении искомой связной области, заполненной пикселями черного цвета. Для решения данной задачи использован специальный алгоритм, осуществляющий сканирование матрицы изображения и формирование изображения связной области, заполненной пикселями черного цвета. В результате его работы могут быть выделены несколько связных областей с черной окраской из-за различного рода отражений и других шумов. В качестве искомого выделяется изображение Immax с максимальным числом черных пикселей, которое обозначим weight max. Вначале работы алгоритма присваиваем weight_max =0. В процессе выделения связного элемента для него вначале определяется номер самого левого пикселя в строке с наименьшим номером Nestr. Максимальный номер строки, содержащей пиксели выделяемого изображения обозначен Nfstr. Отсчет номеров строк и столбцов принят от 0. Выделенная связная область запоминается в монохромном массиве Imt. Качественной характеристикой выделенного изображения Imt является число черных пикселей в нем (вес изображения), которое обозначим через weight. Если вес текущего изображения Imt weight превысил weightmax, то присваиваем weight_max:= weight и засылаем Imt в Immax. 5. Определение в получаемой области минимальных и максимальных значения строк и столбцов пикселей с черной окраской. Для этого анализируется полученное в п. 4 изображение СВЯЗНОЙ Области И ДЛЯ Нее ОПредеЛЯЮТСЯ ВЄЛИЧИНЬІОГто, , ,атах, Рmin, Ртах 6. Расчет средних величин аср ирср. При практической реализации алгоритма, который назван CADR_LAMP, в качестве входных параметров приняты: 1) Nstr - число строк матрицы изображения; 2) Nstl - число столбцов матрицы изображения; 3) Cdr - название рассматриваемой матрицы изображения. Выходными параметрами алгоритма CADRLAMP являются: 1) Midle_str - среднее значение номера строки в массиве пикселей изображения лампы; 2) Midle_stl - среднее значение номера столбца в массиве пикселей изображения лампы. Для упрощения общей структуры алгоритма CADR_LAMP у него отдельно выделен алгоритм IMAGE, рассматривающий первый слева связный элемент на поле массива Cdr, задаваемом первой строкой Nfstr и последней строкой Nestr. Входные параметры алгоритма IMAGE: 1) параметры матрицы - Nstr, Nstl, 2) нераспознанное поле матрицы - массив Im (Nstr xNstl) 3) начальная и конечная строки нераспознанного поля Nfstr, Nestr, 4) массивы номеров крайних распознанных элементов в начале и конце строк strnach (Nstr), str_end (Nstr).
Функционирование конструкции, анализ получаемых результатов
Выполненный обзор по теме диссертационной работы показал многогранность самой постановки задачи позиционирования транспортных средств и возможных методов ее решения. По характеру необходимой информации о пространственном положении объекта, перемещающегося по заданной горизонтальной поверхности, из полной задачи позиционирования выделены три основных частных составляющих - местная, глобальная и локальная.
. Исследованы все основные типы современных датчиков и других средств получения первичной информации, необходимой для позиционирования, а также применяемые в настоящее время системы позиционирования.
Сравнительный обзор показал, что в рассмотренном случае наиболее информативными являются визуальные методы позиционирования, в которых применяются растровые изображения, получаемые с ПЗС-матриц видеокамер, а также методы, в которых используются различного рода датчики излучений.
Анализ существующих конструкций и программных средств показал, что в настоящее время оптимальным решением задачи местного позиционирования для мобильных систем можно считать применение датчиков инфракрасного излучения. По-прежнему актуальными являются проблемы практического решения как полной задачи позиционирования мобильных объектов, перемещающихся по заданной горизонтальной поверхности, так и основных ее частных случаев - глобальной и локальной. В работе предложен способ определения глобального позиционирования транспортного средства с использованием стационарных видеокамер наблюдения, датчиков излучения и вспомогательных реперных точек. Общая задача глобального позиционирования мобильной тележки сведена к определению декартовых координат одиночного источника излучения. Даны общие рекомендации и критерий в математической форме по оптимальному размещению реперных точек на горизонтальной поверхности произвольной формы. Исследовано оптимальное размещение двух, трех и четырех реперных точек на прямоугольной области. В случае четырех точек рассмотрены два возможных варианта оптимального расположения в зависимости от соотношения сторон области. Разработано математическое и программное обеспечение по интерполяции декартовых координат источников излучения с использованием двух реперных точек. На основании гипотезы о преобразовании проективных точек дано решение для случая, когда исследуемая точка лежит на одной прямой с реперными, и отдельно - когда не лежит. Для решения задачи с использованием трех реперных точек предложено взять метод линейной интерполяции по двум локальным координатам, использующийся в машинной графике. Найдено необходимое геометрическое условия для применения данного метода - три реперные точки не должны лежать на одной прямой. Разработано соответствующее математическое и программное обеспечение по трехточечной интерполяции декартовых координат источников излучения. В случае использования четырех реперных точек предложено использовать метод билинейной интерполяции, традиционно применяемый в геометрическом моделировании. Выявлены необходимые геометрические условия для билинейной интерполяции по четырем точкам - на базовых точках должен существовать обход, описывающий выпуклый контур, причем никакие три его точки не должны лежать на одной прямой. Разработан оптимальный алгоритм автоматизированной проверки данного условия, требующий минимального числа выполняемых действий. Для исключения деления на нулевые величины и малые по модулю величины, при которых получаются большие погрешности вычислений, рассмотрены три основных случая для выпуклого базового контура, построенного на четырех базовых точках: 1) все звенья направлены по вертикальной оси, 2) все звенья направлены по горизонтальной оси, 3) смешанная направленность звеньев. Для всех случаев разработано математическое и программное обеспечение по билинейной интерполяции декартовых координат источников излучения с использованием четырех реперных точек. В обоих рассмотренных случаях трех- и четырехточечной интерполяции наряду с традиционно решаемой прямой задачей интерполирования, в которой определяются декартовы координаты точек по значениям их локальных параметров, впервые рассмотрено решение обратной задачи интерполирования - расчет величин локальных параметров точек по известным их декартовым координатам. Практически значимое решение данной задачи потребовало дополнительного учета всех возможных случаев неустойчивости получаемых решений. Отдельно рассмотрено решение задачи интерполирования положения источника излучения при избыточном числе имеющихся реперных точек. Разработаны алгоритмы оптимального двух-, трех- и четырех точечного интерполирования при избыточном числе реперных точек, обеспечивающие возможность выбора ближайших реперных точек, удовлетворяющих необходимым условия решения задачи. Выполнена экспериментальная проверка предложенного способа глобального позиционирования. В лабораторных условиях с помощью стационарной видеокамеры были получены снимки в BMP формате заданной области с различными положениями источника излучения на ней. Всего было рассмотрено 26 положений источника излучения. Затем с помощью специальной программы CADRLAMP, разработанной автором, были определены координаты центров тяжести изображений источника на получаемом кадре. По полученным данным была выполнена проверка предложенных методов двух-, трех- и четырехточечной интерполяции как при минимальном, так и при избыточном числе используемых реперных точек. Выполненные эксперименты показали, что точность интерполирования возрастает с увеличением числа используемых реперных точек и при использовании избыточного исходного их набора.
Также в работе предложена конструкция устройства, позволяющего определять локальное позиционирование транспортного средства при его перемещении по горизонтальным поверхностям. Разработано математическое и программное обеспечение по расчету параметров локального позиционирования.
Дан математический двухэтапный метод определения полного позиционирования транспортного средства при его перемещении по горизонтальным поверхностям с использованием данных, получаемых от следящих двухкоординатных датчиков.
По тематике работы автор имеет 9 публикаций, подано 4 заявки на патенты РФ. По одной из заявок уже получено положительное решение. Материалы работы представлены на 3 конференциях. Дважды результаты работы были представлены на выставках Научно-технического творчества молодежи (ВВЦ) в 2005 и 2006 гг.
