Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Информационно-измерительные и управляющие системы мобильных роботов 17
1.1. Проблемы построения алгоритмов системы управления и навигации мобильных роботов с дистанционными сенсорами 17
1.2. Операционная среда - информационное пространство многосенсорной системы мобильного робота. Структура ИИУС 23
1.3. Мехатронные объекты управления с дистанционными сенсорными системами, используемыми при формировании обратных связей
1.3.1. Характеристики макетов, образцов мобильных роботов 29
1.3.2. Построение ультразвуковых и оптических систем 35
1.3.3. Разработка промышленных образцов информационно-измерительных систем и их применения к задаче создания линейного привода с программным управление 40
1.4. Интеграционное программное обеспечение для формирования операционной среды и управления мобильных роботов 45
1.5. Постановка задачи 55
Глава 2. Исследование информационных возможностей дистанционных акустических сенсоров и построение комплекса моделей 58
2.1. Трансляционная аппроксимация рельефа и алгоритм задания внешней среды мобильного робота. Программная реализация 59
2.2. Построение базовой модели эхолокации (непрерывной и дискретно-непрерывной) для выявления информативных свойств эхосигналов
2.2.1 Вычисление элементарных эхосигналов 60
2.2.2 Границы допустимости параметризации и линеаризации, исследование алгоритма моделирования элементарных эхосигналов 66
2.2.3 Общий алгоритм вычисления эхосигналов и верификация программы...75
2.3. Исследование механизма рассеяния на квазирегулярных структурах (резонансная модель). Результаты измерений и диаграммы рассеяния, доказывающие реализуемость соответствующих акустических сенсорных систем 78
2.4. Формирование операционной среды мобильных роботов с ультразвуковыми сенсорами, вычислительные эксперименты с системой программной классификации формы и свойств объектов внешней среды 85
2.4.1 Построение способов обработки акустической информации в установившемся режиме регистрации эхосигналов 85
2.4.2 Исследование информационной значимости неустановившегося режима регистрации эхосигналов 87
2.4.3 Вычислительные эксперименты с разработанной системой классификации рельефа местности 91
2.5. Основные результаты исследований перспективных сенсорных систем и определение требований к построению акустической аппаратуры 97
Глава 3. Метод аттестации оптико-электронного тракта систем технического зрения и реализация системы эвристического синтеза новых оптических схем 109
3.1. Основные параметры оптического тракта систем технического зрения... ПО
3.2. Алгоритм юстировки и аттестации систем технического зрения (СТЗ). Эксперименты и метод обработки изображений лазерной подсветки для вычисления параметров оптико-электронного тракта СТЗ
3.3. Формализация процедуры синтеза оптических схем. Оптические элементы, их нотификация и схематическое отображение 122
3.4. Формирование списков оптических элементов. Программная реализация системы синтеза ОС с использованием экспертных правил 128
3.5. Оценка практической применимости системы для генерации оптических схем, включаемых в расчет нового типа модульной оптики для СТЗ 134
Глава 4. Построение перспективных способов обнаружения объектов по акустическим и оптико-акустическим данным 150
4.1. Измерение дальности до объекта ограниченной протяженности и его параметров по многочастотным ультразвуковым сигналам 151
4.2. Способ обнаружения залежей железно-марганцевых конкреций поисковой акустической информационной системой подводных роботов 159
4.3. Методика выбора параметров акустических маркеров-отражателей... 162
4.4. Способ совместной обработки оптических и акустических данных и анализ его реализуемости в системе информационного обеспечения управления роботов 164
Глава 5. Разработка программных и технических средств для исследовательских и промышленных сенсорно-управляющих систем (одномерная операционная среда) 178
5.1. Согласование информационно-двигательной активности с реализуемой архитектурой системы, включая микропроцессорные спецвычислители 178
5.2. Управление гидроприводом с ультразвуковым путеизмерителем и модель измерений в гидрофицированной буровой установке 199
5.3. Разработка метода совмещения фильтрации ультразвуковых данных и программного управления линейным приводом 201
ГЛАВА 6. Интеллектуальное управление робокаров и гусничных роботов (двумерная операционная среда) 216
6.1. Алгоритмы построения транспортных систем с навигационным обеспечением по акустическим маркерам 216
6.2. Алгоритм эквидистантного отслеживания линейных ориентиров робока ром с проскальзыванием колес, вычисление зон переключения режимов управления. Упрощение системы управления за счет нахождения аналитических решений уравнений движения 221
6.3. Разработка мобильных гусеничных роботов и тренажеров, повышение эффективности информационно-измерительных систем специальных роботов. Сопоставление противоречивых сенсорных данных для управления роботов на основе экспертных схем 228
ГЛАВА 7. Навигационное информационное обеспечение подводных аппаратов, верификационные эксперименты с гидролокаторами (трехмерная операционная среда).. 239
7.1. Построение программ навигации подводного аппарата с учетом динамики дрейфа обеспечивающего судна и с автоматическим восполнением пропущенных измерений 240
7.2. Алгоритмы калибровки полигона, накопления данных и оценки погрешности определения координат. 260
7.3. Программное обеспечение для аппроксимации дальнометрических данных в условиях сильных помех и для эвристического оценивания области возможных положений подводного аппарата и обеспечивающего судна 266
7.4. Верификационные вычислительные эксперименты для сопоставления с результатами натурных измерений, проведенных с помощью модернизированного гидролокатора подводного робота. Исследование путей совершенствования информационного обеспечения подводных роботов 271
Заключение 287
Литература
- Мехатронные объекты управления с дистанционными сенсорными системами, используемыми при формировании обратных связей
- Построение базовой модели эхолокации (непрерывной и дискретно-непрерывной) для выявления информативных свойств эхосигналов
- Алгоритм юстировки и аттестации систем технического зрения (СТЗ). Эксперименты и метод обработки изображений лазерной подсветки для вычисления параметров оптико-электронного тракта СТЗ
- Разработка мобильных гусеничных роботов и тренажеров, повышение эффективности информационно-измерительных систем специальных роботов. Сопоставление противоречивых сенсорных данных для управления роботов на основе экспертных схем
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время широко ведутся разработки мобильных роботов (MP) для различных операционных сред: МР1. Роботы для бездорожья (военные применения, мобильное патрулирование, для чрезвычайных ситуаций); МР2. Автоматизированные транспортные системы для детерминированных и размеченных сред передвижения (внутрицеховые роботы, линейный привод); МРЗ. Гибкие транспортные системы для недетерминированной среды (движение по коридорам в офисах, больницах, при охране помещений); МР4. Учебные и домапшие роботы; МР5. Подводные роботы (поисковые и исследовательские), дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА).
Основной целью функционирования таких MP является перемещение по частично неизвестной местности - решение локомоционной задачи на трехмерном подпространстве (МР1, МР5), двухмерном (МРЗ, МР4) или одномерном (МР2). Общей особенностью этих роботов является использование дистанционных сенсоров (ДС), для которых характерны существенные задержки, помехи и искажения, вносимые средой. В промышленности применимы МР2, МРЗ. Несовершенство используемых способов извлечения информации из сенсорных данных может приводить к ошибкам управления и потерям мобильных роботов в условиях чрезвычайных ситуаций. Так, например, при попадании MP в зону задымления или запыленности, данные от систем технического зрения (СТЗ) становятся недостоверными (диапазон 0.35-0.75 мкм) и возникает необходимость перехода к использованию только ультразвуковых или ИК-устройств, остающихся работоспособными и в этих условиях.
В связи с отмеченным, актуальным является решение проблем, связанных не только с конструированием информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) MP, но и с формированием более полных и адекватных моделей этих систем, а также с построением на их базе программных комплексов для выявления информационных свойств принимаемых сигналов. Дальнейшая реализация построенных алгоритмов обработки приводит к необходимости создания эффективного программного обеспечения, в том числе при использовании микропроцессорной техники, обеспечивающей высокое быстродействие. Для повышения эффективности идентификации окружающей обстановки требуется использование комбинированных систем измерения, построенных на рациональном сочетании СТЗ и ультразвуковых сенсоров, лазерных и инфракрасных дальномеров, программных и аппаратных решений.
Расширение функциональных возможностей MP и областей эффективного применения сопровождается усложнением условий их эксплуатации, особенно при ликвидации аварий, пожаров, разрушений. При этом информационно-измерительная, управляющая и навигационная системы должны решать широкий спектр новых задач при перемещении этих роботов в автономном режиме. В том числе и задачу обеспечения автоматического возврата MP из опасной зоны в случае потери оператором связи при супервизорном управлении.
Аналогичная ситуация возникает и в подводной робототехнике, когда автономные подводные аппараты должны перемещаться по сложным пространственным траекториям в малопрозрачной водной среде, обходя препятствия различной величины и формы. Вынужденный отказ от СТЗ и переключение на ультразвуковые устройства часто сопровождается работой при недопустимо большом уровне искажений и помех в измерительных каналах, до 60-85% недостоверных данных. В результате появляется необходимость разработки новых специальных методов и средств логической фильтрации помех, а также построения систем управления, которые обеспечивают эффективное управление в указанных условиях зашумленности. При этом наиболее экономически оправданными оказываются 2 типа сенсоров, рассматриваемых в работе - ультразвуковые и оптические.
Учитывая важность этой проблемы, разработки и исследования информационно-управляющих систем различных роботов активно ведутся во всех развитых странах. В области теории информационного обеспечения и управления MP различного вида и назначения Россия занимает передовые позиции благодаря работам М.Д.Агеева, И.Л.Анитроповой, Е.С. Брискина, Г.Л.Власова, В.А.Веселова, Ю.Ф.Голубева, В.Г.Градецкого, Е.А.Девянина, С.Л.Зенкевича, В.Д.Ивченко, И.А.Каляева, А.Л.Кемурджиана, В.В.Клюева, В.Н.Кольцова, Ю.А.Кондратьева, А.В.Ленского, В. М. Лохина, С.А.Лосева, И.М.Макарова, М.И.Маленкова, Ю.Г.Мартыненко, Д.Е.Охоцимского, В.Е.Павловского, А.К. Платонова, А.Д.Розенберга, А.М.Сагалевича, А.В.Тимофеева, А.М.Филатова, Ф.Л.Черноусько, Е.И.Юревича, А.С.Ющенко, В.С.Ястребова. Также широко известны работы Р.Маги (США), М.Вукобратовича (Югославия), И.Като, Т.Фукуда (Япония), А.Шнейдера (Германия), Г.Вирка, А.Фридмана (Англия) и других.
Однако, в перечисленных работах недостаточно учитывалась особенность ДС - существенное изменение структуры ИИУС по сравнению с другими робототехническими устройствами. Управление с обратными связями представим в виде цикла: опрос датчиков - сравнение с программной траекторией для выработки управления - исполнение команд - опрос датчиков. Для MP с ДС в этот цикл вклиниваются программно-аппаратные средства, реализующие свой цикл опроса датчиков и интерпретацию шлейфов их показаний, а также еще один цикл постоянного пересмотра программной траектории на основе навигационной оценки положения MP и данных от супервизора. Такая структура ИИУС напоминает логическую сеть асинхронных автоматов. Практическая реализация процессов - преимущественно программная (в т.ч., основанная на экспертных правилах). Взаимосвязь процессов и передаваемых данных представляется в виде достаточно простой сети, которую назовем "унифицированной структурой информационно-управляющих процессов, протекающих в MP с дистанционными сенсорами" (сокращенно УСП). Таким образом, возникает актуальная задача анализа этого нового типа ИИУС, прежде всего, в части построения способов работы, алгоритмов и моделей всех ее компонент и создания необходимого интеграционного программного обеспечения для синхронизации информационно-управляющих процессов на распределенной микропроцессорной среде.
Следует отметить, что основные проблемы совершенствования MP с ДС относятся к построению алгоритмов, программно-аппаратных и микропроцессорных средств, в то время как исполнительные компоненты (электромеханический и электрогидравлический привод, движитель, силовая электроника, электронные и сканирующие элементы формирования сигналов, физические датчики - первичные преобразователи и т.п.) более проработаны, в том числе в других областях науки и техники, и поэтому в настоящей работе не рассматриваются, также как и ДПЛА, имеющие существенную специфику (например, высокие скорости движения). Со стороны ИИУС исполнительные компоненты MP с ДС представляются драйверами устройств, их моделями и структурами данных (наборами параметров), а также входящими в ИИУС имитационными моделями робота, сенсоров и внешней среды для замены реальности при отладке систем.
Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы создания таких информационно-измерительных и управляющих систем MP с дистанционными сенсорами, которые сохраняют не только работоспособность, но и требуемое качество функционирования в условиях сильных помех на заранее неизвестной местности при выполнении сложных операций.
Целью исследований являлась разработка ключевых (с точки зрения решения локомоционной задачи) элементов информационно-измерительных систем основных типов MP, построение эффективного программного управления в неизвестной (или не полностью определенной) внешней обстановке, с использованием дистанционных ультразвуковых и оптических сенсоров для формирования обратных связей, а также создание новых действующих образцов таких систем, реализующих предлагаемые способы работы сенсоров.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Создать комплекс методов и программ для исследования возможностей
и путей совершенствования ИИУС в режиме имитационного моделирования
работы реальных сенсоров, реального робота и его внешней среды, а также
реализовать унифицированную структуру процессов в MP.
-
С помощью этого комплекса исследовать ультразвуковые сенсоры, включая анализ взаимодействия акустических волн (излученных локатором робота) со сложным пространственным рельефом и выявить информационные свойства эхосигналов.
-
Создать способ аттестации оптико-электронных компонент систем технического зрения, в том числе с применением эвристических правил.
4. Создать новые способы информационного обеспечения и
идентификации объектов акустическими методами и с использованием СТЗ,
позволяющие осуществлять эффективное наведение MP при выполнении
поисковых операций.
5. Разработать и реализовать новые методы и программы навигации
робототехнических систем с дистанционными сенсорами, обеспечивающие работу
в условиях сильных помех и интерференционных искажений измерений,
повышающие гибкость промышленных транспортных систем. Провести
соответствующие натурные верификационные эксперименты на подводных
аппаратах, гидрофицированных буровых комплексах и внутрицеховых робокарах.
6. Найти рациональное разграничение программных и аппаратных функций дистанционных сенсоров, которое обеспечивает работу в реальном масштабе времени и реализует интеллектуальное управление MP для основных операционных сред, а также позволяет эффективно объединять программные и микропроцессорные модули в распределенной ИИУС.
Методы исследований базировались на основных положениях акустики и оптики, теоретической механики и мехатроники, теории и практики построения информационно-измерительных и управляющих систем. Достоверность результатов обеспечивалась аналитическими, вычислительными и экспериментальными методами верификации предлагаемых решений.
Научная новизна работы заключается
1. В разработке комплекса математического и аппаратного обеспечения, при
формировании которого в процессе проведения вычислительных и натурных
экспериментов удалось выявить ключевые модели и алгоритмы адаптивной работы
ультразвуковых и оптических сенсоров в составе систем управления движением MP.
Систематически проанализированы возможности и пути совершенствования
дистанционных сенсоров, учитывая возникновение существенных для управления
задержек в измерительных каналах, а также искажений и помех, вносимых средой
распространения сигналов, шероховатости и резонансные свойства объектов. При
этом реализована унифицированная структура процессов, протекающих в ДС MP,
позволившая впервые детально исследовать процесс рассеяния ультразвуковых волн
на сложном рельефе при малых расстояниях (до 10-100 м). Предложен способ
адаптивного изменения частот излучения и увеличения длительности зондирующих
сигналов, что обеспечивает возникновения режима установившегося рассеяния, в
котором изменения амплитудно-частотных характеристик эхосигналов, дает
возможность вычислять помимо дальности и перепада дальностей акустические
свойства поверхностей и частично форму объектов. Это позволило построить
простые и быстродействующие алгоритмы обработки эхосигналов, например, для
локаторов переднего обзора подводных роботов, при выявлении залежей железно-
марганцевых конкреций на дне океана, а также для распознавания специальных
акустических маркеров в новом способе навигации внутрицеховых роботов.
-
В создании способа аттестации оптико-электронного тракта систем технического зрения (программного вычисления суммарных искажений), который позволил впервые непосредственно измерять более 40 параметров СТЗ за счет перемещений и вращений видеокамеры при регистрации лазерной подсветки светоприемником с установленным и снятым объективом. Применение этого способа дает возможность строить максимально точные измерительные СТЗ при фиксированном разрешении фотоприемной матрицы. Предложенный эвристический способ оценки и синтеза оптических схем для СТЗ по формализуемому техническому заданию впервые позволил не только более точно и быстро оценить целесообразность оптических конструкций, предлагаемых к использованию в различных видах СТЗ, но также в несколько раз ускорить расчет новой оптики.
-
В построении новых способов обработки и сопоставления в режиме реального времени сенсорных и управляющих данных, а также в формировании
навигационных алгоритмов, учитывающих динамику движения роботов. В том числе создан новый метод совмещения алгоритмов логической фильтрации и традиционных способов построения следящих систем с целью увеличения быстродействия и устранения искажений процесса отслеживания программных траекторий в условиях сильных помех (более 50% недостоверных данных).
4. В новых программно-аппаратных решениях задач высококачественного управления мобильными, подводными и буровыми роботами, построения симуляторов и диагностических средств роботов внутрицехового и специального назначения. В эффективном построении (на основе созданной теории) серийных датчиков, ультразвуковых поисковых локаторов и модульных систем технического зрения, обеспечивающих минимизацию загрузки бортовых процессоров.
Практическая значимость работы. Созданные подходы и методы позволили осуществить построение эффективных алгоритмов работы ИИУС MP. В частности, результаты выполненных исследований, в которых автор принимал личное участие в качестве ответственного исполнителя или научного руководителя, были успешно использованы при разработке или модернизации образцов мобильных роботов: "Сенсорика", MF3, MF4, Brokk-110, Brokk-330 (для МЧС России), автономных мобильных учебных роботов Амур-5м,5,6,7 и учебно-промышленных стендов (для ДвГТУ и ИНОТиИ), а также для подводных аппаратов. Помимо использования в Институте прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН и Международной лаборатории "Сенсорика", научные результаты работ передавались в СПИИ РАН, ИПМТ ДВО РАН (ПАПУ), Акустический институт, в Инженерно-технический и учебный центр робототехники ФА по Атомной энергии. Разработки использовались в МНПО "Спектр" при организации серийного выпуска датчиков УТ-10ДР, УТ-100ДРВ и УТ-100ДРГ, во Всесоюзном институте техники разведки МинГео и ВНИИСДМ при создании комплектного промышленного гидропривода, в СПбГУ информационных технологий, механики и оптики (ранее - ЛИТМО) для синтеза гаммы объективов к системам обнаружения, а также в Институте океанологии РАН. Предложенная акустико-оптическая система реализована на опытном заводе СКВ ИРЭ РАН.
Основные научные результаты диссертации, на которых базируются перечисленные внедрения, получены лично автором в процессе работы по темам "Лортодромия П-АН", "Мировой океан", "Альфа", по постановлениям ГКНТ СССР 16.09 и 16.10, а также по договорам и планам ИПМ им.М.В.Келдыша РАН, включая реализацию научно-исследовательского проекта "Сенсорика" и других программ Российской академии наук, что подтверждает их высокий уровень, обоснованность и достоверность, направленность на решение крупных научных и практических задач при создании высокоточных систем обнаружения объектов и построения управления роботов в условиях неопределенности.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались лично автором на 34 Международных и Российских конференциях (опубликованы 57 докладов), в том числе: XII, XIII, XV, XVIII, XIX, XX Всероссийская науч.-техн. конф.«Экстремальная робототехника», СПб, 2002, 2004, 2005, 2007, 2008, 2009; Межд. конгресс "Мехатроника и робототехника", СПб, 2007; Межд. научно-технической конф. Нано-,микро- и макророботы.
СПб, 2008,2009; IV Всес. симпозиум и I, II, III, IV Всес. совещание по робототехническим системам (1976, 1978, 1981, 1984, 1987); Межд. шк.-сем. «Адаптивные роботы» (СПб., 1992, 1998, 2004, п. Дивноморское 2009); Научная школа (с международным участием) 1999, 2000, 2002, 2003, 2004 «Мобильные роботы и мехатронные системы» (МГУ, Москва); Всес. совещ. Технические средства и методы изучения океанов и морей / Вопросы проектирования подводных аппаратов. Геленджик: ИО АН СССР, 1981, 1983, 1985, 1996; Научные сессии МИФИ, Москва, 2000, 2006; 10 Всес. школа-семинар по статистической гидроакустике. Сухуми, 1980; II Всес. съезд океанологов. Севастополь, 1982; IX Всес. совещание по проблемам управления. Ереван, 1983; Всес. симпозиум "Зрение организмов и роботов". Вильнюс, 1985; II Всес. конф. Автоматизированные системы обработки изображений. Львов, 1986; V симпозиум ИФАК, ИФИП, ИМАКС, ИФОРС - Проблемы информации и управления в технологии промышленного производства. Суздаль, 1986; Межд. конф. по управлению в робототехнических системах РОБКОН-3. София, 1985; 3rd IF AC Symp. on Intelligent Autonomous Vehicles, Madrid, 1988; V Int. Conf. on Artificial Intelligence and Information-Control Systems of Robots (AIICSR'89), Strbske Pleco, Czechoslovakia, 1989; VI Межд. конф. по ГПС, г.Пула, СФРЮ, 1989; 2-я конф. ИФАК: Intelligent Autonomous Vehicles-95, Хельсинки, 1995; Int. Conf. on Advanced Robotics (ICAR), Portugal, Coimbra 1997; III, IV, V, и VI Межд. науч.-техн. конф. «Искусственный интеллект. Интеллектуальные и многопроцессорные системы» (Геленджик, 2003, 2005, п. Кацивели, 2002, 2004); XVIII, XIX, XX Межд. симпоз. «Интеллектуальное производство и автоматизация» DAAAM Int. Vienna, 2007, 2008, 2009.
Резльтаты разработок представлялись на 14 промышленно-научных форумах 11 стран - в Бельгии (2006), Болгарии (1989), ГДР (1985), Германии (2004, 2005, 2006, 2007, 2008), Испании (1999), Италии (1998, 2005), Кипре (2002), Китае (2005, 2006), Португалии (1997), Словакии (1988, 2008), Украине (2004), Швейцарии (2003), на 1, 2 и 4-й специализированных выставках «Робототехника» с Межд. семинаром «Робототехника и мехатроника» и Межд. науч.-техн. выставке "Интеллектуальные и адаптивные роботы" (ВВЦ, Москва, 2004, 2005, 2007). Образцы ИИУС отмечены медалями и дипломами, бельгийским орденом.
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 122 публикациях (19 - без соавторов), в том числе в 2х монографиях и 13 статьях в журналах по перечню ВАК РФ, 2 публикации входят в список Thomson Scientific ISI (39,40). Результаты также отражены в 12 статьях в сборниках издательств "Наука" и МГУ, в 37 докладах на Всесоюзных совещаниях и семинарах и в 20 докладах на Международных конференциях. Среди публикаций - 5 авторских свидетельств, 19 препринтов ИПМ им. М.В. Келдыша РАН (ранее входили в список изданий, рекомендуемых ВАК) и 12 зарегистрированных научно-исследовательских отчетов. Всего в списке научных трудов -138 работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации - 319 с, в тексте имеется 99 рисунков на 40 с. Список литературы из 275 наименований, приложение на 12 с, содержит акты о внедрениях и другие материалы.
Мехатронные объекты управления с дистанционными сенсорными системами, используемыми при формировании обратных связей
Для построения информационного пространства информационно-измерительной системы мобильного робота была разработана базовая математическая модель внешней среды Ve - модель трехмерного локомоционного подпространства. Упрощение отношения соседства отдельных элементов рельефа за счет введения клеточной структуры задания рельефа и использования трансляционных поверхностей, позволило обеспечить наиболее высокую скорость вычислений. Анализ разработанной модели ультразвуковых сенсоров Ms, взаимодействующих с внешней средой, позволил предложить новые способы обработки эхосигналов и формирования операционной среды Q мобильных роботов для навигации и управления.
Такое внутреннее представление данных не является наглядным для человека, но нацелено только на задачу обеспечения обратных связей для управления MP. Анализ примеров построения ИИУС и операционной среды MP позволяет говорить о возникновении нового класса задач, в которых обеспечение поступления информации о движении механических объектов играет решающую роль для управления в режиме реального времени. В работе рассматриваются одно-, двух-и трехмерные операционные среды (обозначим их далее Q1, 02, 03) для меха тронных объектов, выполняющих целенаправленные программные перемещения. Рассмотрим более подробно описание операционных сред.
Операционная среда Q1. Рассмотрим линейный привод робота с ультразвуковым датчиком положения применимый в строительно-дорожных машинах, гид-рофицированных буровых установках с цифровой системой управления и манипуляторах мобильных роботов. Положение X рабочего органа (координата и/или скорость), а также управление описываются следующим кортежем функций Ql= X(t), Xs(t), Xn(t), Xp(t), U(t) , где t=t0,...,t„,... - моменты времени наблюдения объекта и формирования команд управления; X(f) — реальное положение MP и рабочего органа, неизвестное системе управления. Для имитации движения привода при отработке его системы управления, X может задаваться путем математического моделирования динамики движения робота в модели внешней среды (решение уравнений динамики); X„(f) - доступная системе управления информация о положении привода получается путем интерпретации данных Xs(t), поступающих от сенсорной системы; Xp(f) - программное положение рабочего органа, задаваемое автоматизировано или через оператора, U(f) - управляющее воздействие, вычисляемое в системе управления для минимизации рассогласования X„(t) - Xp(t). Цикл управления (разница между соседними моментами времени t,) фиксирован, постоянен и является параметром СУ. Таким образом, операционную среду Q1 составляют данные измерений и управления, накопленные в программном шлейфе на достаточно длительном интервале наблюдений.
Операционная среда Q2. Рассматриваемый пример - колесные и гусеничные роботы, предназначеные для мобильного патрулирования, обследования открытой местности и помещений, для решения пожарных и других задач, стоящих перед МЧС, аварийными службами ядерной энергетики и аналогичными подразделениями. Опорная поверхность движения простирается вдоль плоскости горизонта и соответственно аппроксимируется. Такие объекты описываются «двумерными операционными средами». В работе предложены оценки радиусов разворота колесных и гусеничных средств с помощью «бортового разворота» за счет разницы скоростей колес или гусениц на правом и левом бортах робота, а также алгорит мы ориентирования по данным от ультразвуковых сенсоров. Как и в предыдущем случае, применим аналогичный кортеж функций Q2= X(/), Xs(t), XJj), Xp(f), U(t) , с тем отличием, что локомоционное подпространство в пространстве обобщенных координат Xпредставлено двумя координатами центра масс (ц.м.) робота (декартовыми или геодезическими). Ориентация корпуса робота относительно центра масс связана с вектором скорости его ц.м. (кинематическая связь). Программное движение Xp{t) определяет поточечную траекторию перемещения ц.м. робота или узловые (целевые или конечную) точки его движения.
Управление должно обеспечивать огибание известных заранее или выявляемых сенсорами в процессе движения препятствий, а также обеспечивать выход из тупиков. Одной из целей управления может быть эквидистантное следование линейным ориентирам-препятствиям (например, движение вдоль стены). Пусть интервал времени А определяет цикл управления (выдачи Хп). Ключевой является сенсорная составляющая операционной среды мобильного робота: Xs(t)=As (Ls(t -7),..., Ls(t- Т- kdt)), где к= 1,2,...; dt- интервал времени поступления данных в шлейф Ls(t); Т- запаздывание, время обработки данных с помощью процедуры As (dt« А, Т сопоставимо с Д); Ls - шлейф текущих измерений или изображений, поступающих от дистанционных сенсоров в вычислитель As с интервалом времени не более D,. Таким образом, для вычисления команд управления U{t) необходимы экстраполяция данных, фильтрация и синхронизация процессов. Операционная среда может включать также описание ориентиров в терминах, соответствующих возможностям ДС и задачам управления.
Операционная среда Q3. Для подводных аппаратов принципиально пространственное движение (трехмерная среда). Её описание представим кортежем Q3 имеющем тот же вид, что и Q2, но в котором локомоционное подпространство определяется двумя декартовыми или географическими координатами и третьей координатой - глубиной аппарата. При автономном движении Хр может определять траекторию обследования района (только пара координат на карте), в то время как глубина перемещения робота устанавливается по принципу эквидистантного следования дну на расстоянии, измеряемом сенсорной системой. Важнейшей задачей является навигация подводного аппарата — определение сенсорной системой трех координат Х„ и передача их не только в СУ аппарата, но и на обеспечивающее судно.
Для всех перечисленных типов объектов и операционных сред Ql, Q2, Q3 актуальна проблема обеспечения обратной связи при управлении: измерение вектора положения робота X„{f) с помощью сенсорной системы без критического запаздывания и построение алгоритмов программного управления U(t), обеспечивающих достижение цели Хр{() в непредсказуемой среде.
Отметим недостатки известных подходов к решению этих проблем. Применение контактных датчиков (КД) может обеспечить необходимую точность измерений позиции (до 0,3 мм) для линейного привода. Однако, при модернизации строительно-дорожных машин и манипуляторов установка таких датчиков требуют переделки всей машины, в то время как ультразвуковые датчики устанавливаются сравнительно просто снаружи. Техническое зрение применимо для объектов Q2 и ОЗ, но в задымленной или замутненной среде радиус действия СТЗ уменьшается с 10-30 м до 0,5 м, и они фактически становятся бесполезными.
Наиболее эффективным и дешевым средством для всех 3-х типов объектов управления являются ультразвуковые сенсоры. Их максимальные дальности работы в локационном режиме - 2.5 м (Q1), 8 м (Q2) и 50 м (Q3), а в режиме запрос-ответ от маяка для навигации подводных роботов - до нескольких километров в воде. Однако, искажения вносимые средой распространения волн могут приводить к 10 - 70% недостоверных измерений (показание нулевой или максимальной дальности, скачки на величину 5-15 длин волн, удвоение дальности и т.п.).
Построение базовой модели эхолокации (непрерывной и дискретно-непрерывной) для выявления информативных свойств эхосигналов
Построение ИИУС для мобильных роботов с дистанционными сенсорами приводит к созданию программно-аппаратных средств, структура которых предложена в разделах 1.1 и 1.2. Основной вопрос создания таких систем - нахождение способов работы ключевых элементов (рис.3). Реализация таких способов приводит к необходимости создания интеграционной программной системы, которая позволяет совмещать работу разнородных математических моделей дистанционных сенсоров и моделей динамики движения мобильных роботов, построенных для анализа способов обработки и сопоставления сенсорных и управляющих данных, алгоритмов локальной навигации, способов различения маркеров и ориентиров по телевизионным изображениям и данным ультразвуковых (УЗ) сенсоров. Особенности построения такой системы не являются предметом исследований в настоящей работе. Однако, для подтверждения реализуемости, предлагаемых в главах 2-7 решений (для построения многопроцессорных ИИУС), в настоящем разделе приведена архитектура интеграционного программного обеспечения для мобильных роботов ( К.Б.Кирсанов, В.Е.Пряничников и др. [ 162 ] ).
Выделим три уровня абстракции программных систем MP с дистанционными сенсорами: уровень драйвера, уровень управления и уровень планирования. Для каждого уровня ниже предлагаются программные решения, учитывающие особенности организации эффективного взаимодействия между уровнями.
Для первого уровня ( уровень драйвера) предложены способы реализации низкоуровневых операций формирования и обработки сигналов на отдельных аппаратных модулях (микрокомпьютерах) с дальнейшей обработкой команд и формированием базовых интерфейсов управления (Vr, Vs, Vi на рис. 1-3).
Для второго уровня (уровень управления) предлагается механизм организации взаимодействия модулей системы (процессов) при параллельном исполнении, который обеспечивает протоколирование и эффективное управление памятью (As, Аи нарис.1-3).
Для третьего уровня (уровень планирования) обосновывается необходимость использования интерпретируемых языков при разработке и создании прототипов управляющих систем мобильных роботов, описывается процедура интеграции программ на языке Python и C++ (Аи, An на рис. 1-3).
Разработанное в рамках предложенной концепции достаточно универсальное программное обеспечение позволило провести глубокую модернизацию (включая распараллеливание вычислений) симулятора группового управления мобильных роботов для аварийно-технических применений, системы управления учебных роботов АМУР, реализовать Тьюрин-полные протоколы управления [165,166].
Описание архитектуры программного обеспечения (ПО). При разработке многокомпонентных распределенных систем одной из важнейших задач является реализация взаимодействия между отдельными компонентами посредством не только эффективных, но и максимально универсальных и удобных в разработке механизмов и интерфейсов. В качестве такого интерфейса авторами успешно используется обмен данными средствами протокола сетевого уровня (модель ISO OSI) TCP совместно с разработанным протоколом прикладного уровня [162]. Очевидные преимущества TCP - отличная поддержка в подавляющем большинстве программных сред и операционных систем (ОС); простота освоения и работы; возможности обмена данными посредством сети Internet, равно как и использование при взаимодействии модулей на одной локальной платформе. Недостатками является меньшая производительность (обеспечиваемое быстродействие при обмене данными) в некоторых приложениях по сравнению с такими методами межпроцессного взаимодействия, как прямой обмен данными через оперативную память (в рамках локальной платформы) и более высокие накладные расходы.
На первом уровне реализуются базовые задачи бортовых модулей системы управления: формирование управляющих сигналов для исполнительных механиз мов и прием информационных сигналов бортовых сенсорных систем. Перечисленные функции осуществляются периферийными устройствами - контроллерами, обеспечивающими интерфейсы бортового компьютера с агрегатами робота. С учетом особенностей рассматриваемых программно-аппаратных средств, наибольшую надежность, быстродействие, простоту построения аппаратных средств и удобство разработки ПО вышестоящих уровней управления обеспечивает такой подход, при котором алгоритмы непосредственного формирования и приема сигналов, базовые алгоритмы защиты и проверки корректности преобразования данных реализуются специализированными микроконтроллерами. Взаимодействие этих микроконтроллеров с бортовым компьютером осуществляется по стандартным интерфейсам RS-232, USB и т.п. Такие интерфейсы просты для программирования (обычно не требуют специализированных драйверов уровня ядра ОС и позволяют работать с помощью стандартных команд обмена информацией, в том числе на уровне передачи символьных данных); они надежны, универсальны и широко распространены, имеются практически на всех аппаратных платформах.
На втором уровне осуществляется интегрирование и комплексирование программ и, соответственно, данных, полученных на первом уровне. Здесь на первый план выходят задачи параллельной обработки, протоколирования и обеспечения управления. Сущности, реализованные на первом уровне, представляются здесь в виде чёрных ящиков, имеющих чётко заданные входы и выходы. В обязанности системы управления на этом уровне входит: о обеспечение взаимодействия отдельных модулей системы через небольшой набор заранее определенных «портов»; о связывание отдельных модулей в единый алгоритм не на этапе компиляции, а непосредственно во время работы управляющей системы без потери эффективности; о наглядное представление рабочего алгоритма в виде графа, в котором вершинами являются модули, а ребрами - связи между ними;
Алгоритм юстировки и аттестации систем технического зрения (СТЗ). Эксперименты и метод обработки изображений лазерной подсветки для вычисления параметров оптико-электронного тракта СТЗ
При использовании поличастотного излучения проблема переработки и эффективного представления информации, поступающей от акустического сенсора о внешней среде робота, содержит две основные трудности, которые удалось в основном разрешить. Первая трудность вызвана большой изменчивостью эхо-сигналов вследствие сильной изрезанности диаграммы рассеяния рельефа. Из-резанность диаграммы образуется в результате интерференции рассеянных волн в точке приема. Вторая связана с неразличимостью по одному эхосигналу ориентации таких элементов рельефа, которые имеют одинаковую форму, но повернуты на разные углы относительно центральной оси излучателя. Найденный способ позволил предложить алгоритм оценивания материала поверхности и ее геометрической формы.
При создании алгоритмов обработки предполагалось, что аппаратура обеспечивает управление работой эхолокатора: изменение частоты и длительности сигналов, последовательное сканирование поля наблюдений, разделенного на секторы углового разрешения. После завершения цикла сканирования в память заносится информация о представлении рельефа в виде числовых данных о его материале и о геометрической форме. Материал оценивается по измеряемым значениям коэффициентов рассеяния и акустической жесткости. Окончательное представление рельефа строится после сопоставления результатов двух циклов измерений и заносится в некоторое информационное поле Me (массив информационных элементов, упорядоченных по горизонтальным координатам х,у и соответствующих некоторой квадратной сетке на местности).
Алгоритм работы ДС управляет следующими параметрами излученного сигнала. Во-первых, устанавливается частота Wm из следующего набора: w, w/2, w + ж C/2Dpq, w - ж C/2Dpq, где w - основная частота, Dpq - протяженность в направлении координаты R участка рельефа, попавшего в конус излучения сенсорного устройства (перепад дальностей). Во-вторых, сенсорная система робота устанавливает длительность сигнала (ширину видеосигнала B(t-R/C)) равную либо Ттіп для установочного сигнала, либо 2Dpq/C+Tset, где Tset - некоторая постоянная. В-третьих, проводится последовательное сканирование пространства -просматриваются сектора углового разрешения с номерами \ь = l,...,Nbl, jb=l,...,Nb2. По одному из направлений сканирование может осуществляться за счет перемещения робота. Природа эхосигнала от произвольного рельефа такова, что при длительности сигнала большей 2Dpq/C возникает режим рассеяния, названный установившимся, в котором эхо сигнал имеет вид S(t)=S(w) exp(iwt), где S(w)=const (рис.7-9). Действительно, интеграл рассеяния от произвольной поверхности имеет вид: S(t) = exp(iwt) Я B(t-R/C) U(R) exp(-2iwR/C) d6. б При ширине видеосигнала больше 2Dpq/C для всех точек поверхности б в течение времени Tset выполняется соотношение: B(t-R/C) = 1, и подынтегральное выражение не зависит от времени, т.е. возникает режим установившегося рассеяния. Как показало моделирование, детектирование эхосигнала позволяет независимо от ряда случайных факторов измерить моменты времени То, Tsl, Ts2, Г&, разделяющие режимы рассеяния, а также определить амплитуду S(w). Среднюю акустическую жесткость Ео можно измерять аналогично патенту 2006152, ФРГ, МКИ GOIS 9/66 по фазовому сдвигу между составляющими на частотах w и w/2.
При определении коэффициента рассеяния оказалось очень трудно учесть изменчивость эхосигналов, вызываемую интерференцией рассеянных волн. Построенный алгоритм определения Wr решает задачу за счет сопоставления значений S(w), S(w ±тг C/2Dpq). Измерение Wr и Ео принципиально позволяет идентифицировать механические свойства рельефа в рамках нескольких классов, используя простую таблицу соответствий. Однако, реализация такого алгоритма на реальном устройстве требует экспериментального получения данных для таблицы соответствий и уточнения некоторых других параметров.
Измерение То, Tsl, Ts2, Тк позволяет определить минимальную дальность Rm и перепад дальностей Dpq до участка рельефа в пределах сектора углового разрешения, и по этим данным аппроксимировать этот участок некоторой наклонной плоскостью. Неоднозначность трактовки данных Rm и Dpq о форме поверхности устраняется при совместном анализе этих измерений в окне, состоящем из 3x3 соседних секторов углового разрешения. Это оказалось возможным благодаря ряду свойств непрерывности поверхности рельефа.
В этом разделе проводится исследование теоретической возможности получения информации об объектах внешней среды мобильного робота через ультразвуковой сенсор. В результате становится понятным при каких аппаратных решениях работает созданное математическое обеспечение.
Известен следующий результат, полученный Релеєм (Дж. Стреттом). Если пространственная длина волны мелких шероховатостей поверхности меньше L/2 (L - длина звуковой волны), то такое препятствие дает зеркальное отражение. Высота шероховатостей поверхности фактически задается величиной бЕо. Если обозначить косинус угла между нормалью и направлением на источник через cos (N,V), то приведенное выше условие запишется следующим образом: 2(6Eo/L) cos (N,V) 1/2.
В случае, когда выполняется cos (N, V) L/4 бЕо эхосигнал полностью пропадает, например, при бЕо = L/2, cos (N,V) 0.5, тогда угол падения соответственно, больше 60 градусов от нормали. Однако в модели целесообразно полагать бЕо L/4, тогда это условие теряет смысл. Амплитуда эхосигнала может приближенно определяться половиной площади первой зоны Френеля. При увеличении угла падения волны эта площадь падает как cos (N,V). Соответственно, приведенные формулы с учетом интерференции отдельных частей грани, дают аналогичный эффект - уменьшение амплитуды рассеянной волны пропорционально cos (N, V) при увеличении угла падения. Таким образом, построенная модель дает интегральную диаграмму рассеяния в виде шара и, в известной степени, учитывает результат Релея (рис.5С).
Разработка мобильных гусеничных роботов и тренажеров, повышение эффективности информационно-измерительных систем специальных роботов. Сопоставление противоречивых сенсорных данных для управления роботов на основе экспертных схем
В качестве основы для аттестационного стенда выбран штатив микроскопа, имеющий 5 степеней подвижности, управляемых микрометрическими винтами Мм=(Мх,Му,Мн,Мр,Мт) (рис.2). Три степени подвижности обеспечивают линейные перемещения с точностью установок до 3 . Выбор системы координат показан на рис. 3. Аналогичная установка была собрана на базе высокоточного стола с креплением для камер и системой лазерной подсветки (рис. 4).
Система предназначена для оценки таких характеристик СТЗ, для которых можно считать погрешности установки подвижных элементов системы с помощью микровинтов Мм пренебрежимо малыми. Однако погрешности установки лазера на подвижном кронштейне и камеры на поворотном столе могут быть значительными. Не исключаются также ошибки установки плоскости светоприем-ника по отношению к оптической оси объектива камеры. Введем обозначения погрешностей установки элементов системы относительно штатного положения, показанного на рис. 2,3. Ес=(Есх, Есу, Есн, Еср, Ест) - смещение центра С светоприемной площадки относительно точки пересечения осей вращения О и углы отклонения плоскости светоприемника от горизонтальной плоскости ОХУ. Ео=(Еох, Еоу, Еор, Еот) - отклонение оптической оси объектива относительно перпендикуляра к плоскости светоприемника из его центра (линейная и угловая мера). Ев=(Евр, Евт) - угол отклонения лазерного пучка от вертикали при установке угла Т=0.
В результате начальной юстировки системы, проводимой после ее сборки, необходимо свести к нулю все погрешности установок Ее, Ев, а для погрешностей Ео получить оценку. После этого становится возможным провести аттестацию системы технического зрения. Для аттестации используют перемещения элементов системы относительно начального положения, последовательно регистрируют точечные изображения лазерного луча на светоприемнике и далее вычисляют с помощью ЭВМ характеристики СТЗ. В проведенных экспериментах площадь изображения лазерного пятна составляла около 100 пикселов при использовании объектива и порядка 1500-2000 при снятом объективе.
Предлагаемая методика реализуется в виде рассматриваемого далее алгоритма, список операций которого подробнее приведен в работе [167]. Описание алгоритма практически однозначно переписывается в виде программы на языке высокого уровня (Паскаль, Питон ...). Для записи алгоритма приняты следующие обозначения. Цикл, в котором изменяется параметр Мр, обозначается Мр=0,360 (через запятую указаны граничные значения, шаг изменения не приводится). Каждый измерительный акт для надежности состоит из многократного повторения процесса получения изображений пятна, фильтрации и накопления изображений с последующим вычислением параметров суммарного изображения. Как правило, один измерительный акт состоит в накоплении изображений, соответствующих 20-100 положениям поворотного стола в пределах Мр от 0 до 360. Изображение лазерного луча представляет собой пятно, перемещающееся по эллиптической траектории в плоскости светоприемника. Основная измерительная процедура ( далее будет обозначаться 1с(.) ) состоит в определении параметров эллипса - координат центра масс їх, Іу, начальной точки Ірх, Іру (точнее синуса и косинуса угла между осью X и направлением из центра эллипса на эту точку), а также размеров полуосей эллипса Іох, Іоу, диаметра 1о, яркости lex,..., Івт в пределах эллипса в направлении осей X, У, -X, -У и 1в - средней яркости. С - Сх, Су, Скх, Ску, Смх, Сму - характеристики светоприемника Сох, Coy, Св(Т) (CAMERA): размер изображения в линейных и дискретных единицах, размеры пикселей, координаты центральной точки, не равномерность освещенности по полю (с установленным объективом). В - Во, Be, Be, Вр, Вн - параметры лазерной подсветки (BEAM): диаметр луча, диафрагменное число, яркость, диаметр изображающего пятна, длина волны лазерного излучения, О - Ое, Ох, Оу, Осх, Осу - параметры объектива: светосила, Ор, Он, Оо, Оз угловое поле и смещение оптической оси в направ лении осей X и У, рабочий отрезок, расстояние между главными плоскостями, фокусное расстояние, диаметр входного зрачка (OBJECT). А - Ам(Т), Ар(Х,Т), Ав(Т), Ас(Т), Ат(Т) - аберрационные характеристики СТЗ (ABERR): дисторсия, дисперсионные характеристики (суммарные аберрации), неравномерность освещенности по полю с учетом модели с двумя параметрами Am и Ас: Ас(Т) и Ae(T)=(Ie(T)-Am(T)) К - принимает значения и набора Ко=(0, 0.5, 0.707, 0.866, 1), Км - множители (COEFF) определяющий набор стандартных параметров и для перевода показаний шкалы измерительного стенда в фактические перемещения соответствующего элемента стенда т.е. Х=Км Мх и т.д. Для упрощения записи алгоритма всюду множители Км опущены, т.е. везде предполагалось, что Км=1 для всех видов юстировочных подвижек М.
Граничные значения параметров обозначаются значками +, -, о, например, граничные значения параметра М можно записать следующим образом: М+ -максимальное значение, Мо или М- - минимальное, Мо - среднее значение или наиболее употребительное минимальное значение. Установка камеры, лазера и объектива должно быть выполнена с обеспечением юстировочных регулировок Мс, Me, Мо. Камера устанавливается так, что Сх Су, Скх Ску.
Алгоритм аттестации оптико-электронного тракта СТЗ состоит в выполнении последовательности операции, приведенных далее. Операции разбиты на три большие группы: 1-13 - приведение стенда в рабочее состояние, юстировка установки на стенде камеры и подсвечивающего устройства; 14-17 - уточнение основных геометрических характеристики СТЗ (углов, размеров, расстояний); 18-20 - определение аберрационных характеристик СТЗ.
