Введение к работе
Актуальность. Реорганизация отечественной промышленности с целью создания предприятий, способных конкурировать по качеству и себестоимости выпускаемой продукции с высокоразвитыми зарубежными промышленньйли фирмами, ставит перед учеными, работающими в области разработки гибких автоматизированных производств, задачу по созданию легкоперестраиваемых адаптивных интеллектуальных роботов. Оснащение промышленных предприятий такими роботами позволит создать быстропереналаживаемые универсальные производства, способные оперативно реагировать на запросы потребителя и обеспечивать предприятиям гарантированное получение прибылей за счет своевременного выпуска дешевых и высококачественных товаров. Кроме того, внедрение интеллектуальных роботов позволит создать безлюдные технологии на участках с повышенной вредностью, загрязненностью, высокой опасностью травматизма и тяжелым монотонным трудом.
На пути создания и совершенствования адаптивных РТК возникает много научно-технических проблем, связанных с разработкой теоретических основ адаптивного управления и искусственного интеллекта, созданием широкой номенклатуры датчиков внешней и внутренней информации, микропроцессорных систем для обработки этой информации и аппаратно-программной реализации адаптивного управления.
Среди этих задач важное место занимают задачи по автоматизации процессов "понимания" сложившейся производственной ситуации с помощью "зрения" и автоматизации планирования перемещений робота, его манипулятора и производственных объектов, с которыми робот выполняет определенные операции.
Сегодня наиболее перспективным направлением в области создания іроизводственннх систем искусственного интеллекта являются исследования по разработке и внедрению в производство систем, способных гамостолтельно оперировать объектами сложной формы, так как совре-«енные формы изделий имеют тенденцию к их усложнению. Также создание таких робототехнических комплексов (РТК) позволит автомзти-шровать производство в отраслях, которые традиционно работают с їзделнями сложной формы, например, авиастроение. Необходимость іаспознавать детали сложной конструкции требует разработки более ЮЕершенных средств очувствления, а необходимость выполнять с ними ехнологические операции требует разработки более совершенных ме-
A _
тодов решения навигационных задач. Все перечисленное убеждает, чт на сегодняшний день проблема геометрического моделирования процес сов очувствления и навигации роботов при работе с объектами слож ной формы актуальна.
Методы и приемы, используемые при распознавании, зависят о1 вида цифровой информации, которая в свою очередь зависит от датчиков ее формирующих. Цифровая информация, как правило, фиксируе' цвето-яркостную или дальностную характеристики окружающей среды реже - другие характеристики объектов. Очевидно, что будущее распознающих систем - в комплексном подходе, который должен базироваться на анализе самой разнообразной информации, поступающей о; различных датчиков. Современный уровень состояния научных исследований по очувствлению роботов в направлении комплексного использования различных систем адаптации позволяет налетить только общие подходы. Сегодня, в первую очередь, необходимо провести полноценные исследования по каждому виду очувствления в отдельности с целью определения возможности их максимального использования в реально действующих РТК. Обосновывая направление исследований пс очувствлению роботов на базе систем технического зрения (СТЗ), можно отметить, что зрение для роботов, также как и для человека, может быть основным источником информации об окружающей обстановке. Человек с помощью зрения определяет расстояние до наблюдаемых объектов, их форму, что позволяет распознавать окружающую среду. При этом информация о цвете, об изменении текстуры и полутонов играют большую роль. Современные же искусственные системы зрения в этом сильно уступают биологическим. Поэтому исследования, которые приближают возможности искусственных систем к биологическим, представляют определенный интерес.
Анализ состояния вопросов разработки и оснащения РТК интеллектуальными системами технического зрения позволяет сделать вывод, что сегодня к актуальным задачам этого направления можно отнести научные исследования по оснащению роботов надежными системами ка-либроЕки; по сжатию информации, описывающей изображения; по разработке методов восстановления и распознавания форм объектов.
Фиксация производственной ситуации с помощью различных датчиков (в том числе и СТЗ) и ее последующий анализ позволяют роботу решать задачи по планированию своих действий. Одной из важных задач на этой стадии является навигационная задача - задача по рас-
чету маршрута движения, исключающего столкновения с другими объектами, и его отслеживание в процессе движения.
Анализ работ, посвященных решению задач прокладки маршрутов показывает, что для их решения предлагаются: 1) методы клеточной цекомпозищш пространства: 2) методы, основанные, на теории графов л 3) методы, базирующиеся на моделировании потенциальных полей Системы, использующие первые два метода, решают эти задачи с хороним быстродействием и высокой степенью надежности только на рабо-їих пространствах небольшого размера. Использование таких систем іа сложных конфигурационных пространствах большого размера может іривести к построению неоптимального маршрута. Третий же метод характерен низкой степенью надежности из-за возможности зацикливания фограммы при прохождении маршрута через локальные экстремумы потенциального поля. Из сказанного видно, что первые два метода удобны для планирования перемещений манипуляторов, когда радиус действия небольшой. Вопрос же по разработке метода, позволяющего прокладывать маршруты движений для мобильных роботов, способных шремещаться на большие расстояния, до сих пор остается открытым.
Также следует отметить и тот факт, что при решении задач рас-юэнавания объектов и при моделировании маршрутов важную роль иг->ают задачи, позволяющие выделять из множества линий элементы, ка-іающиеся наперед заданных объектов. В частности, эти задачи позво-[яют: упростить процесс минимизации информации по контурам изобразили объектов; моделировать изображения эталонных объектов в раз-;ичных ракурсах, что позволяет облегчить процесс идентификации Съемных деталей; моделировать огибающие поверхности, возникающие :ри движении объектов в пространстве; строить кратчайшие маршруты вижения и т.п.
Исходя из всего изложенного выше, можно сформулировзть цель иссертационной работы.
Целью диссертационной работы является разработка и исследова-
ие задач геометрического моделирования процессов навигации и
чувствления роботов на базе систем технического зрения и методов
ыделения из множества линий элементов, касающихся заданных кривых
поверхностей.
Сформулированные проблемы и поставленная цель требуют решения ледующих теоретических и прикладных задач:
- разработать и исследовать метод выделения из множества линий
- б -
элементов, касающихся заданных кривых и поверхностей. Показать целесообразность его использования при решении задач очувствления и навигации роботов;
разработать способ калибровки систем технического зрения, базирующийся на инвариантах проективной геометрии и позволяющий в автоматическом режиме рассчитывать полный состав внутренних и внешних параметров калибровки;
разработать методику определения оптимальных условий съемок, обеспечивающих минимальные погрешности при восстановлении форм плоских объектов;
разработать метод восстановления видимой части поверхности объемных деталей по полутоновой информации. Исследовать данный метод с целью получения аргументированного ответа на вопрос:"Можно ли применять данный метод в реальных робототехнических комплексах?";
разработать метод автоматического планирования перемещений робота в сложном конфигурационном пространстве большой размерности.
Методы исследования. Поставленные в работе теоретические задачи решаются методами начертательной, проективной, дифференциальной, вычислительной и алгебраической геометрии с привлечением теории математического анализа, дифференциальных уравнений, математической статистики и некоторых других областей математики. В прикладной части работы при разработке программного обеспечения применялись методы теории вычислений, численные методы и различные методы программирования.
Научная новизна работы заключается:
в разработке и исследовании метода выделения из множеств линий элементов, касающихся наперед заданных кривых и поверхностей. В разработке на его базе способов решения некоторых научно-технических задач, в частности, способа построения огибающей поверхности, возникающей в процессе движения объекта в пространстве;
в ряде сформулированных теорем (предложений), позволяющих рассчитать характеристики вспомогательных кривых и поверхностей, выделяющих касающиеся элементы из множеств линий;
в разработке метода калибровки систем технического зрения, позволяющего с высокой степенью надежности рассчитывать достоверную информацию по внутренним и внешним параметрам калибровки;
- ? -
в разработке методики определения оптимальных условий съемки плоских объектов системами технического зрения.
в разработке метода восстановления видимой части поверхности объекта по полутоновой информации, не требующей снимков калибровочного объекта;
в способе модернизации волнового алгоритма Ли, позволившем использовать этот надежный метод клеточной декомпозиции пространства при планировании маршрутов движения мобильного робота на сложных конфигурационных полях большой размерности.
Практическая значимость. Результаты прикладных исследований позволили создать ряд инженерно-технических разработок:
разработана действующая система технического зрения для автоматической оцифровки контуров плоских деталей сложной формы. Еы-ходную информацию по контурам деталей система формирует в сжатом виде, пригодном для использования в робототехнике и любой системе геометрического моделирования;
разработан программно-технический комплекс, позволяющий восстанавливать форму объектов по полутоновой информации. Данный комплекс удобен для использования в робатотехнических системах на авиационных предприятиях, так как эксперименты, проведенные с реальными деталями, покрытыми технологическими авиационными грунтами, показали, что точность восстановления формы деталей достаточна высока;
- разработан модуль калибровки камеры, позволяющий в автомати
ческом режиме определять положение и ориентацию телевизионной ка
меры в предметном пространстве. Высокая надежность этого метода
позволяет использовать его на мобильных роботах при решении нави
гационных задач;
- разработанный способ прокладки маршрутов может успешно ис
пользоваться на транспортных роботах при их перемещениях на боль
ше расстояния.
Реализация работы. Результаты теоретических исследований, вы-галненных в диссертационной работе, были внедрены в некоторых НИИ, га предприятиях авиационной промышленности.- Реально действующие системы и пакеты программного обеспечения используются в науч-ю-исследовательских работах и производстве, а также в учебном іроцессе в виде лабораторных работ. Имеются акты внедрения.
Апробации работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались или были представлены в виде тезисов на Всесоюзном научно-методическом симпозиуме "Применение систем автоматизированного проектирования конструкций в машиностроении" (Ростов-на-Дону, 1983), на Всесоюзной научно-методической конференции "Научно-методические основы использования ТОО, ЭВМ, САПР в учебном процессе общеинженерных дисциплин" (Москва, 1983), на Республиканской научно-методической конференции "Роль инженерной графики и машинного проектирования в подготовке специалистов для народного хозяйства" (Ленинград, 1984), на XXVII научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов БСТИ с участием специалистов проектных и производственных организаций (Улан-Удэ, 1989), на Межгосударственной научной конференции "Геометрические вопросы САПР" (Улан-Удэ, 1993), на Международной конференции по компьютерной геометрии и графике "ХОГРАФ-96" (Н-Новгород, 1996), на Всероссийской научной конференции "Нейроинформатша и ее приложения" (Красноярск, 1996), на Всероссийской научной конференции "Роль геометрии в системах искусственного интеллекта и САПР" (Улан-Удэ, 1996), на пятой международной конференции "C0MPUGRAPHICS-96" (Париж, 1996).
Публикации. Результаты теоретических и прикладных исследований были опубликованы в двух работах монографического характера, в 33 научных статьях, отражены в одном отчете по госбюджетной теме.
На защиту выносится:
метод выделения из множества линий элементов, касающихся заданных кривых и поверхностей; обоснование геометрической сущности вспомогательных кривых и поверхностей "ошибок", а также методики решения ряда научно-технических задач, базирующиеся на данном методе;
ряд теорем (предложений), позволяющих установить геометрические характеристики вспомогательных кривых и поверхностей в зависимости от порядка и класса множества линий; от порядка и класса кривой, от порядка и ранга поверхности, которых касаются элементы из множеств линий;
метод калибровки систем технического зрения, позволяющий определить все параметры аппарата центрального проецирования, реализуемого системой;
программно-технический комплекс, позволяющий автоматически рассчитывать форму плоскі: деталей по цифровым изображениям, а
n э -
:акже методику определения оптимальных условий съемки, раэработан-іуш на его базе;
метод восстановления формы объемных деталей по полутоновой шформации;
способ моделирования маршрута мобильного робота на сложных сонфигурационных пространствах больного размера;
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из зведення, шести глав, заключения, списка использованной литературы і приложения. Работа содержит 395 страниц основного текста, 135 :исунков, 8 таблиц и 252 наименований использованных литературных кточников, приложения.