Введение к работе
Актуальность работы. На сегодняшний день проблема дистанционного управления роботами и манипуляторами весьма актуальна. Подобные устройства довольно часто используются в различных экстремальных и труднодоступных для человека средах, что требует постоянного пополнения и уточнения информации об окружающей среде, корректировки принятых решений на основании вновь полученных данных.
Зачастую в таких системах управления используется оптическая обратная связь. Под оптической обратной связью понимается обратная связь, контролируемые переменные в которой отражают визуальную информацию об изменении положения и формы как самого манипулятора, так и объектов, с которыми он взаимодействует. Благодаря оптической обратной связи оператор может наблюдать объекты и робота, действующего в рабочей зоне, которая в действительности удалена или скрыта от него. Очевидно, чем больше будет эффект присутствия, тем проще и естественнее оператору ориентироваться в рабочей зоне, осознавать взаимное расположение объектов этой зоны относительно друг друга и манипулятора и осуществлять управление перемещениями манипулятора с помощью тех или иных управляющих элементов. В связи с этим возникает проблема эффективного представления информации об объектах рабочей зоны манипулятора оператору.
Представление информации в виде трехмерной модели обладает рядом преимуществ. В отличие от плоских изображений, трехмерная модель содержит информацию о глубине, что позволяет в значительной степени повысить точность ее представления. Кроме того, использование трехмерных моделей позволяет расширить функциональные возможности среды управления посредством предоставления возможности смены угла обзора, масштабирования, использования прозрачности и т.п.
Проблемы разработки систем дистанционного управления роботами и в частности систем с оптической обратной связью освещены в работах А. Hajare, S. Olendorf, J. Prince, P. Dieleman, И. Юревича, В. П. Богомолова, А. Bejczy, Т. Kotoku, В. А. Лопоты, В. С. Заборовского, И. М. Макарова, В. М. Лохина, С. В. Манько, М. П. Романова, И. Р. Белоусова С. Л. Зенкевича, Р. В. Заединова, W. Hong, J.-J. Slotine, В. Bishop, D. Koditshek, H. Fassler, Ф. M. Кулакова и многих других.
На данный момент существует ряд различных технологий, реализующих оптическую обратную связь. Самыми распространенными являются телевизионные системы.
Кроме того, достаточно известны системы, основанные на моделировании как движения манипуляторов, так и объектов с которыми они взаимодействуют. Например, система дистанционного управления натурной моделью бортового манипулятора космического корабля «Буран», разработанную в ЦНИИРТК (В. А. Лопота, В. С. Заборовский), система
управления лабораторными манипуляторами МИРЭА (И. М. Макаров, В. М. Лохин, С. В. Мань ко, М. П. Романов), система управления роботом через Интернет «Интернет робототехника», разработанная И. Р. Белоусовым, системы захвата движения (Vicon 8i фирмы Vicon-Peak, Gypsy Motion Capture System фирмы Animazoo, Optotrak фирмы Northern Digital, Visualeyez system фирмы PhoeniX Technologies) и другие.
Однако все перечисленные системы обладают рядом недостатков, среди которых: наличие существенных задержек в канале обратной связи, неудобная и недостаточно информативная для оператора среда управления, высокая сложность математического описания, низкая степень универсализации, высокая стоимость, узкая специализация.
Таким образом, актуально решение задач совершенствования оптической обратной связи (ООС) в автоматизированных системах управления, направленных на устранение приведенных выше недостатков и предоставление оператору в максимально удобной форме всей полноты визуальной информации, необходимой для принятия решений и управления манипулятором.
Объектом исследования в данной работе является подсистема оптической обратной связи в автоматизированных системах управления манипуляторами.
В качестве предмета исследования рассматриваются методы, модели и алгоритмы извлечения и визуализации специальной предварительно отфильтрованной информации о пространственных объектах, полученной при помощи оптических приборов.
Цель диссертационной работы - расширение функциональных возможностей и повышение оперативности представления визуальной информации для принятия решений в автоматизированных системах управления манипуляторами с оптической обратной связью.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решались следующие основные задачи:
- анализ существующих подходов к реализации оптической обратной
связи в автоматизированных системах дистанционного управления, а также
технологий извлечения визуальной информации о пространственных
объектах;
разработка и исследование модели извлечения визуальной информации о пространственных объектах в автоматизированных системах управления с оптической обратной связью;
разработка и исследование алгоритмов реализации модели извлечения визуальной информации о пространственных объектах в автоматизированных системах управления с оптической обратной связью;
- создание тестовой программной системы исследования алгоритмов
извлечения визуальной информации о пространственных объектах.
Методы и средства исследования. Для решения задач извлечения визуальной информации о пространственных объектах использовались:
методы теории компьютерного зрения, оптики, аналитической геометрии, математического анализа, теории управления, системного анализа, теории построения АСУ, экспериментальные исследования.
Достоверность научных положений подтверждается корректностью примененного математического аппарата, их практической реализацией и результатами исследования алгоритмов при помощи тестовой программной системы.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что разработаны:
Модель извлечения визуальной информации о пространственных объектах в системах управления с оптической обратной связью, основанная на анализе трехмерных координат особых опорных точек, регистрируемых на плоских изображениях натурных объектов.
Алгоритм извлечения визуальной информации о пространственных объектах, реализующий предлагаемую модель и отличающийся возможностью извлечения информации о пространственных перемещениях и деформациях объектов и представления трехмерной информации для визуализации.
Алгоритмы вычисления трехмерных координат опорных точек, вычисления матрицы смежности и воксельной аппроксимации, основанные на принципах перспективного проецирования, стереоскопии, фотограмметрии, декомпозиции на ограничивающие объемы, линейной интерполяции плоскостями и отличающиеся возможностью нахождения смежных опорных точек.
Структурная модель тестовой программной системы исследования алгоритмов извлечения визуальной информации о пространственных объектах, в основе которой лежит метод регистрации положения опорных точек (ОТ).
Практическая значимость заключается в:
программной реализации тестовой системы для исследования алгоритмов извлечения визуальной информации о пространственных объектах;
программной реализации алгоритмов извлечения визуальной информации о пространственных объектах.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты диссертационной работы используются при проведении исследовательских работ ОФ ИПИ РАН, связанных с организацией систем технического зрения в промышленных системах.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Информационные системы» Учебно-научно-исследовательского института информационных технологий ОГТУ.
Апробация работы. Материалы публиковались и докладывались на 3-ей международной научно-практической конференции «Наука и
устойчивое развитие общества. Наследие В. И. Вернадского» (25 - 26 сентября 2008, Тамбов), на 1-ой Международной научно-технической конференции «Компьютерные науки и технологии» (8-9 октября 2009, Белгород), на IV-й Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (22-23 апреля 2010, Орел), в отчетах НИР «Разработка и исследование информационной технологии морфинга 3D объекта на основе данных натурного эксперимента» Орловского филиала Учреждения Российской академии наук Института проблем информатики РАН, а также на научно-практических семинарах кафедры «Информационные системы». Положения, выносимые на защиту:
Модель извлечения визуальной информации о пространственных объектах в автоматизированных системах управления с оптической обратной связью.
Алгоритм извлечения визуальной информации о пространственных объектах в автоматизированных системах управления с оптической обратной связью.
Алгоритмы вычисления трехмерных координат опорных точек, вычисления матрицы смежности, воксельной аппроксимации.
Структура тестовой программной системы извлечения визуальной информации о пространственных объектах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, включающего 62 рисунка, 13 таблиц, список литературы из 124 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность к. т. н., директору ОФ ИПИ РАН Архипову Олегу Петровичу за консультации в области применения методов обработки графических изображений и пространственной геометрии.
