CC BY
83
Abramov Pavel Ivanovich, candidate of technical science, Russia, Moscow, L.Ya. Karpov physical-chemical research institute
УДК 681.7.06
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ КОЛЕСНЫХ РОБОТОВ
Т. А. Акименко
Рассматриваются вопросы проектирования систем технического зрения мобильных колесных роботов, представлено исследование информационно-измерительной системы.
Ключевые слова: системы технического зрения, мобильный колесный робот, условия эксплуатации, информационно-измерительная система, пространственный сигнал, фоточувствительный элемент.
Восприятие изображения сцены во время движения мобильных колесных роботов (МКР) является достаточно сложной операцией, эффективность выполнения которой определяется рядом факторов, в том числе конструкцией робота, конструкцией системы технического зрения (СТЗ) и условиями эксплуатации транспортного средства.
В то же время любое конструктивное решение связано с вполне определенными материальными затратами, которые, как правило, возрастают при увеличении сложности изделия и расширении его потребительских свойств. В частности, к существенному удорожанию любого изделия приводит усложнение его системы управления [2,3].
Поэтому на этапе проектирования целесообразно определиться: с предельными условиями эксплуатации МКР, в частности, с характеристиками рельефа и микронеровностей, по которым будет перемещаться транспортное средство; с характеристиками существующей транспортной базы робота, в частности, с его кинематической схемой и возможностями механики по амортизации и/или демпфированию случайных воздействий дороги; со скоростными режимами работы МКР, в том числе и скоростями, на
137
которых будет производиться обзор сцены; с типом системы управления; с предельной стоимостью изделия.
Учет перечисленных факторов приводит к формулировке задачи проектирования СТЗ МКР как оптимизационной, у которой в качестве критерия может быть использованы стоимостные, массогабаритные или эксплуатационные характеристики, а в качестве ограничений - система зависимостей, описывающих робот и его СТЗ.
Любая информационно-измерительная система как объект исследования представляет собой преобразователь сигналов, поэтому для аналитического описания процессов в системах технического зрения мобильных колесных роботов в дальнейшем будут использованы математические модели сигналов, которые рассматриваются как функции некоторого аргумента. Аргументом в данном случае являются векторы пространственных координат (х, у, 2), (7, X), угловые координаты ($ у У) или время t, а функциями - аналитические зависимости, описывающие движение МКР, проецирование объективом изображения сцены на фоточувствительный прибор с зарядовой смесью (ФПЗС) и накопление зарядов в ФПЗС [1].
Характеристики информационно-измерительных систем как преобразователей информации определяются множеством значений аргумента (областью определения функции) и множеством значений, которые принимают сигналы при тех или иных значениях аргументов (область значений функции). В СТЗ как область определения, так и область значений функции являются ограниченными. Область определения ограничена:
для пространственного сигнала Ф (х, у, 2, 1, ^ - угловыми размерами поля зрения объектива;
для сигнала В(7, X) - площадью фоточувствительного прибора с зарядовой связью;
для сигнала qmn(t) - временем накопления зарядов в ячейке. Область значений также ограничена:
для пространственного сигнала Ф (х, у, 2, 1, ^ - сверху - условиями освещения, снизу - отражательной способностью объектов сцены; для сигнала В(7, X) - характеристиками оптической системы; для сигнала qmn(t) - характеристиками ФПЗС, в частности, величиной темнового заряда на выходе фоточувствительного элемента и величиной насыщения, после которого начинается блуминг - неуправляемое растекание заряда в ФПЗС.
Сигналы на всех этапах прохождения в СТЗ могут считаться непрерывными. В процессе преобразований непрерывного сигнала с выхода ФПЗС, в частности при его дискретизации и квантовании по уровню, из него формируются цифровой сигнал вида ФЦМИ.
Исследование информационно-измерительной системы сводится к сравнению сигналов системы с некоторым эталоном. В качестве критерия
сравнения в дальнейшем будет применяться мера, имеющая физический смысл квадрата евклидова расстояния [2]: для двумерных сигналов:
z maxy max
e(i i) = J J [i ~(y, z) -i( y, z)]2 dydz; (1)
z min y min
для одномерных сигналов:
t max
e(ii) = J [i~(t) -i(t)]2dt, (2)
t min
где i(y, z) - функция пространственных координат, формируемых реальной системой; i(y, z) - идеальная функция пространственных координат; i(t) -функция времени, формируемая реальной системой; i~(t) - идеальная функция времени.
Сигнал может быть исследован как в сигнальной области, так и в области (пространственных) частот. К достоинствам частотных моделей сигнала относится то, что при использовании их для оценки качества изображения, в частности разрешающей способности, спектральные составляющие не зависят от локализации (y, z) или t характерных участков на пространственной функции i(y, z) или i(t), а зависят только от характера поведения функции на этом участке.
В качестве ядра преобразования чаще всего используется преобразование Фурье [1,3], которое имеет вид: для двумерной функции:
I(wy,wz) = J Ji(у,z)exp[-j(ywy + zwz )]dydz; (3)
для одномерной функции:
1 ¥
I(w) = -щ j4(t)exp(- jwt)dt, (4)
где j = V—1 - мнимая единица; wy, wz - круговые частоты пространственного гармонического сигнала; w - круговая частота временного гармонического сигнала; - выравнивающие коэффициенты.
Обратное преобразование Фурье, позволяющее переходить из спектральной области в сигнальную, имеет вид: для двумерной функции:
1 ¥ ¥
i(y,z) = 2" i iI(wy,wz)expj(ywy + zwz)dwydwz; (5)
для одномерной функции:
сю oo
oo —oo
1 "
I(7) = 11 (Ш)ехр(- ]аХ )Ш. (6)
Применение частотных моделей сигналов позволяет при исследованиях СТЗ и МКР:
заменить вычисление интегралов свертки
13 (У,2)= У 7ч[(у-Xу)(? -Xг )]2 [(ху)(Xг )ку^Х2; (7) — ¥ —¥
¥ ¥
13 (^ )= | 111 (^ -Т), 2 М^Т (8)
— ¥ —¥
произведением спектральных характеристик:
13 (Шу, Шг ) = /1(Шу, Шг ) • 12 (Шу, Шг ), (9)
/з(ш) = /1(Ш) • 12(Ш); (10)
применить для решения дифференциальных уравнений, описывающих движение МКР, а также процесс накопления зарядов в ячейках ФПЗС единую методику, основанную на задаче Коши;
применить для анализа пространственных и временных динамических систем единый аппарат передаточных функций.
Все это существенно упрощает задачу исследования СТЗ МКР.
При исследовании воздействия дороги корреляционные функции Кт(т) и К«(т) могут также быть представлены в виде энергетических спектров
¥
(«)(Ш) = ! КТ(«)(т)ехр(-7Ш1)^т. (11)
— ¥
В этом случае для исследования механических систем также может быть применен аппарат передаточных функций.
В соответствии с теоремой о масштабировании спектральные плотности воздействия дороги на МКР зависят от его скорости. При ее увеличении спектральная плотность воздействия расширяется.
Список литературы
1. Ларкин Е.В., Акименко Т.А., Лучанский О.А. Моделирование движения автономных колесных транспортных средств: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 160 с.
2. Мартыненко Ю.Г. Управление движением мобильных колесных роботов // Фундаментальная и прикладная математика. 2005. Т. 11. № 8. М.: Центр новых информационных технологии МГУ. С. 29 - 80.
3. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике / под ред. В.И. Алексеева. М.: «Мир», 1971. 496 с.
Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
RESEARCH METHODS AND DESIGN SYSTEMS VISION MOBILE WHEELED ROBOT
TA. Akimenko
The problems of designing computer vision systems of mobile wheeled robots, presents a study of information-measuring system.
Key words: vision systems, mobile wheeled robot, operating conditions, information-measuring system, the spatial signal, the photosensitive element.
Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 623.438.45:623.465
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ ВЫСОКОТОЧНОЙ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ
В.В. Воробьев, А. А. Огурцов
Для релейных следящих систем предложена методика точностных испытаний на классе входных сигналов с коррекцией регулятора. Параметры регулятора, рассчитанные для линеаризованной модели, корректируются по результатам испытаний. Основу подхода составляют методы предельных отклонений и планирования эксперимента. Методика позволяет снизить затраты на экспериментальную отработку высокоточных систем.
Ключевые слова: следящая система, регулятор, точность, метод предельных отклонений, тест-сигнал, планирование эксперимента, регрессионная модель.
Рассмотрим важный для приложений класс релейных следящих систем (СС). Такие системы, как правило, допускают линеаризацию в процессе управления и синтез регулятора по линейной модели М1. Характерными примерами M1 являются модели, получаемые линеаризацией по полезному сигналу в рабочем режиме слежения (в автоколебательном, в скользящем, в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ)).
