CC BY
161
УДК 004.896, 004.932.2, 004.823
С.М. Соколов, А.А. Богуславский, А.И. Васильев, О.В. Трифонов,
. . , . .
МОБИЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО СОЗДАНИЯ И ОБНОВЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ КАРТ
Рассматривается задача оперативного картографирования. Предлагается программно-аппаратный комплекс для установки на транспортном средстве (ТС), обеспечивающий автоматизацию оперативного картографирования районов, прилегающих к пути . -комплекса. Одной из главных информационных систем комплекса является система техни-( ), . -ты экспериментов с действующими прототипами комплекса. Даются оценки точностных .
Электронные навигационные карты; система технического зрения; стереозрение; глобальная и локальная навигации; картографирование.
S.M. Sokolov, A.A. Boguslavsky, A.I. Vasilyev, O.V. Trifonov, V.G. Nazarov,
R.S. Frolov
MOBILE COMPLEX FOR NAVIGATION MAPS OPERATIVE CREATION
AND UPDATING
In article the problem of operative mapping is considered. The hardware-software complex for installation on a vehicle, providing automation of the areas adjoining to a road operative mapping is offered. The architecture and a software complex is described. One of the main information systems of a complex is the vision system integrating all components of a complex. Results of experiments with complex operating prototypes are resulted. Precision characteristics estimations are given.
Electronic navigation charts; vision system, stereovision; global and local navigation; mapping.
. .
являются неотъемлемой частью обеспечения целенаправленных перемещений широкого класса мобильных средств, начиная от навигаторов для пешеходов, наземных транспортных средств и заканчивая навигацией авиационных и спутниковых .
точки зрения учёта текущих изменений путей перемещения и прилегающей ин-.
Целью создания мобильного комплекса для оперативного создания и обновления навигационных карт является повышение эффективности процессов формирования навигационных карт. Под эффективностью понимается:
♦ оперативность формирования (создания и уточнения) электронных карт (в пределе - в процессе движения транспортного средства (ТС); в англоязычной литературе SLAM - simultaneous localization and maping);
♦ автоматизация рутинных операций, выполняемых человеком;
♦ высокая точность привязки при однократном обследовании (проезде) ин-
;
♦ ( );
♦
( );
♦ оперативное представление навигационной информации в виде, удобном
( , ).
Из поставленной цели вытекают задачи, стоящие перед комплексом:
♦ Определение текущего положен ия ТС и аппаратуры сбора данных, систем
, :
a) сбор данных глобальной навигационной системы (ГНС);
b) сбор данных локальной навигационной системы (ЛНС);
c) ;
ф) комплексирование всех данных о положении ТС и СТЗ.
♦
:
■ распознавание образов объектов интереса или их элементов в поле
;
■ вычисление координат распознанных объектов в системе координат
;
♦ расчет положения объектов интереса в заданной системе координат;
♦ предоставление картографи ческих данных потребителям.
1. Программно-математическое обеспечение комплекса. В основу математического обеспечения системы для бесконтактного определения трёхмерных координат объектов положена триангуляция с возможностью дополнения прямым дальнометрированием с помощью лазерных дальномеров [1,4,6].
Математическое моделирование всех расчётных схем даёт оценки достижи-( . . 4), -
мов позволяет маневрировать при выборе той или иной расчётной схемы для достижения требуемой точности с учётом ограничений на доступные аппаратные средства и время измерений.
Триангуляционные расчёты могут выполняться как с использованием фикси-, -гистрации положений и ориентации плоскости изображения отдельных снимков .
Программное обеспечение образцов комплекса формируется из трех основных модулей: «Стереосистема», «ГИС» и «Центральный».
Модуль «Стереосистема» предназначен для выпол нения измерений дальности до ориентиров по изображениям стереосистемы.
, , -зоваться и по отдельности при фотограммометрировании тех же сцен.
В функции этого модуля входят:
♦ получение данных о местоположении от сервера путевых координат (модуль «ГИС»;
♦
;
♦ отображение зритель ных данных оператору;
♦ сохранение зрительных данных в форме файлов видеопоследовательностей;
♦
соответствующих точек в ручном режиме;
♦ предоставление оператору возможности указать в одном из окон поля зрения объект интереса для автоматического обнаружения во втором поле
;
♦ расчёт расстояния до объекта интереса, заданного соответствующими точками, в режиме триангуляции;
♦
сопоставление массива соответствующих точек;
♦
.
« »
отдельном поле зрения с целью автоматического обнаружения объектов интереса и определения их характеристик. Он обеспечивает получение зрительных данных СТЗ в выбранном поле зрения, обнаружение объектов интереса и передачу резуль-
« ».
Модуль «ГИС» предназначен для отслеживания траектории движения и ориентации бесплатформенного ТС и передачи соответствующих данных другим приложениям СТЗ по компьютерной сети. Траектория движения и выполняемая миссия отображаются на бортовой карте местности. Основные функции:
♦ отображение карты местности в об ласти выполняемой миссии с наложением векторных слоев, отмечающих объекты интереса;
♦ отображение траектории движения лаборатории на бортовой карте мест-
;
♦ отображение траектории выполн яемой миссии на карте местности;
♦ отображение меток ориентиров - объектов интереса для выполнения измерений дальности до них;
♦
- ( ),
, ;
♦
приложениям СТЗ по компьютерной сети;
♦ прием данных о выполненных изме рениях от приложений СТЗ и отображение результатов на карте местности;
♦ сохранение данных о выполне нных измерениях в базе данных.
2. Архитектура комплекса. Программно-аппаратный комплекс для оперативного создания и обновления навигационных карт, строится как открытая нара-.
В построении навигационной системы используются три составляющие так называемого «навигационного креста» [1, 2, 7]. Здесь задействованы: ГНС - глобальная радионавигационная спутниковая система; ЛНС - локальная навигацион-
,
, .
Программное обеспечение комплекса строится по компонентной технологии. За основную программу берётся программа обработки зрительных данных, как самая ресурсоёмкая и требующая больших усилий для обеспечения работы в масштабе реального времени. Программное обеспечение конкретной прикладной задачи формируется на основе компонентного каркаса-шаблона программного обеспечения информационной подсистемы мобильной системы [3].
На рис. 1 представлен пример компоновки аппаратной части модулей ком.
На описываемом этапе исследований в составе комплекса рассматривались :
♦ модуль ЛНС на основе трад иционного одометра и БИНС;
♦ модули для выделения ориентиров в окружающем пространстве;
♦ модуль ГНС (ОР8/ГЛОНАСС);
♦ модуль спе циальной БД.
Рис. 1. Пример компоновки бортовой аппаратуры для комплекса оперативного картографирования: 1 - видеокамера на крепежном конструктиве;
2 - вычислительно-управляющий блок; 3 - трёхкоординатный акселерометр;
4 - однокоординатный акселерометр; 5 - ОР8-антенна; 6 - блок преобразователя
питающего напряжения
Более подробно об этих модулях говорится в работах [8]. Программноаппаратные модули СТЗ включают: регистрирующий блок, вычислительно-управляющий блок и соответствующее программное обеспечение. В качестве регистрирующих блоков выступают видеокамеры, закреплённые под разными углами к продольной оси ТС (рис. 2,3).
Рис. 2. Общий вид передвижной лаборатории оперативной диагностики поверхности автомобильных дорог
В зависимости от основной задачи, решаемой мобильной системой, и усло-, , -поновки модулей системы информационного обеспечения. В разделе по описанию экспериментов (п. 3) представлены несколько вариантов комплексирования нави.
При создании образцов средств были использованы два основных методических приёма: СОТ8-технология в компоновке аппаратной и программной частей системы и компонентный подход к формированию программного обеспечения информационных систем реального времени.
3. Результаты экспериментов. Модули описываемого программно-аппаратного комплекса в различных сочетаниях были опробованы в экспериментах по решению практических задач.
Комплекс Передвижной лаборатории для оперативной диагностики со-
( ). -
вающемуся направлению бесконтактного контроля качества дорожного покрытия (рис. 2). Отличительной особенностью разработки является автоматический компьютерный анализ поступающих данных в реальном времени. ПЛОД предлагает не отложенный анализ заснятой видеоинформации «вручную» в более комфорт, , отправке ремонтных бригад по указанным адресам.
Задачей навигационных модулей в составе комплекса ПЛОД была привязка , -светом, к GPS^^OTACC^^^^^OTHaTaM и относительным координатам специаль-( ).
Точность привязки инспектируемых объектов по результатам контрольных объездов улиц Москвы и МКАД протяжённостью до 100 км со средней скоростью 60 км/ч составила ± 1 м, включая проезд тоннелей и других инженерных сооружений, образующих так называемые «колодцы» - зоны невидимости
Сокращение от commercial off-the-shelf «коммерческий на полке». Прилага-, , доступные для продажи широкой публике. Подобные продукты могут быть легко встроены в существующие или разрабатываемые системы без дополнительных
GPS/ .
точности модуля ЛНС на основе бесконтактного одометра (проезд по замкнутой траектории по асфальтовому покрытию в дождливую погоду) показали точность счисления пройденного пути 0,3 %.
Экспериментальный образец комплекса по навигационному обеспечению мобильных средств и получению пространственно-временных знаний о навигационной обстановке в заданном районе. Одной из задач современной цифровой картографии является оперативное навигационное обеспечение мобильных средств и топографическая привязка интересующих объектов, расположенных вдоль маршрутов движения этих систем.
Для отработки архитектуры и алгоритмов работы подобных комплексов был сформирован действующий исследовательский макет информационной системы для установки на легковой автомобиль (рис. 3).
- .
Регистрирующие блоки (видеокамеры, антенны GPS/ГЛОНАСС) устанавливаются на магнитных штативах на крышу автомобиля (рис. 3) или подвешиваются на присосках к стёклам. Вычислительно-управляющие блоки в виде компактных носимых системных блоков (см. рис. 1) располагаются в салоне автомобиля.
- -
ных, принимаемых с каждого из полей зрения. На каждом изображении (кадре
3
)
4
- . -
бражениях той же сцены при известных перемещениях системы. Более подробно с методами выделения характерных точек изображения можно познакомиться в работах [2, 4].
Фотограмметрическими методами по известному базису в вычислительном модуле определяются координаты указанных точек и всего объекта-ориентира в глобальной системе координат.
Рис. 3. Регистрирующие блоки экспериментального образца комплекса, установленные на легковом автомобиле: 1 - вперёд смотрящая камера; 2 - ; 3 -
Точность в привязке 12 объектов вдоль контрольного маршрута, протяжённостью 40 км и проходимого со средней скоростью около 40 км/ч составила ± 1 м (по отношению к координатам, определённым по ОРБ-приёмнику в стационарных ) .
. 4.
Рис. 4. Результаты привязки контрольных объектов (в системе координат WGS-84)
На данном этапе исследований это указание делается оператором системы. В дальнейшем, по мере развития формализованных описаний объектов ориентиров, эти точки могут выбираться системой автоматически. В описываемых экспериментах в качестве объектов ориентиров использовались дорожные знаки, указатели и объекты инфраструктуры (столбы, шлагбаумы, павильоны остановок общественного транспорта и т.п.), расположенные в пределах 100 м от проезжей части.
4. Оценки погрешностей в определении координат при помощи стереопар, установленных на подвижном средстве. Кроме приведё нных примеров, на базе исходных данных, полученных в экспериментах на мобильном средстве, и анализа математических моделей, положенных в основу стереоскопической сис-, , использовании подобных систем.
Минимальные ошибки в определении расстояния модулем «Стереосистема» достигаются в случае, когда базис фотографирования соизмерим с дальностью до объекта интереса. На рис. 5 показан график зависимости ошибки в определении дальности по стереоизмерениям от базиса стереосистемы. Дальность до объекта интереса -100 м, ошибка по определению угла оптической оси - 3 градуса, ошибка в определении базиса - 10 %. По оси абсцисс откладывается величина базиса фото-( ), - -чины дальности до объекта интереса. Три кривые на рис. 3 соответствуют нескольким вариантам выбора проецирующего вектора при численном моделировании сте-( , ).
Рис. 5. Зависимости ошибки в определении дальности по стереоизмерениям от базиса стереосистемы
На рис. 6 показано влияние точности определения угловой взаимной ориентации стереопары при величине стереобазы 3 м, объект находится на расстоянии 100 м. Ошибка в градус приводит к неточности в 150-300 %. Увеличением стереобазы эту неточность удается снизить на порядок (рис. 5).
Помимо приведённых примеров, были выполнены оценки влияния и других характеристик системы измерений. В частности, размеры регистрирующих матриц и искажения оптической системы.
В качестве интегральной характеристики экономически целесообразной измерительной системы была выбрана точность привязки объектов в плане и по вы-10 . , -пользовании цифровых карт, является хорошей точностью для наиболее распространенных цифровых карт формата БХБ для масштаба 1:200 000.
Подобные же расчёты показывают, что при снятии жёстких ограничений на , -цами высокого разрешения, возможно достижение точности в ±1 м.
Рис. 6. Зависимость точности определения положения объекта интереса от ошибки определения угла взаимного ориентирования (при величине стереобазы 3 м)
Заключение. В работе предложен программно-аппаратный информационный комплекс для оперативного формирования цифровых навигационных карт.
Архитектура комплекса предполагает использование в качестве основного информационного средства об объектах внешней среды видеосистемы. Определение положения и ориентации транспортного средства в пространстве осуществляется за счёт комплексирования средств глобальной и локальной навигации.
Разработана и реализована компоновка экспериментального комплекса по навигационному обеспечению мобильных средств и получению пространственновременных знаний о навигационной обстановке района, прилегающего к пути сле-.
видеокамеры, которые используются как в режиме стереосъёмок, так и для фото-граммометрирования. Программно-аппаратная архитектура комплекса открытая, допускающая перестройку под конкретное транспортное средство и навигационное оборудование в соответствии с решаемой задачей.
Результаты экспериментов с образцом комплекса показали работоспособность комплекса в реальных условиях эксплуатации и обеспечили хорошие точности в привязке объектов интереса по результатам объезда контрольного маршрута.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Плат оное АЖ., Зуева ЕМ., Киртьченко А.А., Соколов СМ. Формальные подходы к проектированию алгоритмов информационного обеспечения мобильных систем (выбор пути, навигация, надёжность). - M.: Препринт Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 2008. - № 19. - 32 с.
2. Богуславский А.А., Киртьченко А.А., Платонов АЖ., Соколов СМ., Трифонов О.В., Ярошевский B.C. Построение описания внешней среды в системах информационного обеспечения мобильных робототехнических комплексов // Мехатроника, автоматизация, управление. - 2008. - № 12. - С. 15-24.
3. . ., . .
обеспечения систем технического зрения реального времени // Труды II Всероссийской научной конференции "Методы и средства обработки информации". - М.: МГУ им. МБ. Ломоносова, 2005. - C. 337-343.
4. Плат оное АЖ., Соколов С.М., Богуславский АЛ., Трифонов О.В. Многофункциональная
// . -
дународной конференции «Прогресс транспортных средств и систем-2009». - Волгоград, 2009. - C. 95-96.
5. Sokolov S.M., Boguslavsky A.A., Kuftin F.A. Vision System for Relative Motion Estimation from Optical Flow // Proc. 13th Intern. Conf on Systemics, Cybernetics and Informatics (WMSCI 2009), Orlando, Florida, USA, July 10-13, 2009.
6. Алекса ндрова А А., Ахтёров А.В., Воронин AM., Киртьченко А А., Соколов СМ., Швай-ковский ЕМ. Основы теоретической робототехники. Теория толерантных пространств (обзор) // Препринт Ин-та прикл. матем. им. МБ. Келдыша РАН. - 2009. - № 45. - 25 с.
7. Плат оное АЖ., Соколов СМ., Сазонов В.В., Богуславский А.А., Трифонов ОМ., Куфтин ФА., Васильев А.И., Моксин КА. Программно-аппаратный комплекс средств навигации мобильных систем // Вопросы оборонной техники. Сер. 9. Специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. - 2010. - № 1-2. - С. 47-55.
8. Соколов СМ., Платонов АЖ., Богуславский АА., Куфтин ФА., Моксин КА. Бескон-
// . -
ческие науки. - 2010. - № 3 (104). - С. 64-68.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. В.Х. Пшихопов.
Соколов Сергей Михайлович
Институт прикладной математики им. МБ. Келдыша РАН.
E-mail: [email protected].
125047, г. Москва, Миусская пл., 4.
.: 84992507994.
Ведущий научный сотрудник; д.ф-м.н.; профессор.
Богуславский Андрей Александрович E-mail: [email protected].
Старший научный сотрудник; д.ф.-м.н.; доцент.
Трифонов Олег Всеволодович
E-mail: [email protected].
Старший научный сотрудник; к.т.н.
Васильев Антон Игоревич
E-mail: [email protected].
.
Назаров Виктор Георгиевич
29 - .
E-mail: [email protected].
107014, г. Москва, Попов пр., 6.
.: 84992507994.
Старший научный сотрудник.
Фролов Роман Сергеевич
E-mail: [email protected].
.
Sokolov Sergey Mikhailovich
Keldysh Institute of Applied Mathematics of Russian Academy of Sciences,
4, Miusskaya Sq., Moscow, 125047, Russia.
E-mail: [email protected].
Phone: +74992507994.
Leading Scientist; Dr. of Phis.-Math. Sc.; Professor.
Boguslavskii Andrey Alexandrovich
E-mail: [email protected].
Senior Scientist; Dr. of Phis.-Math. Sc.; Professor.
Trifonov Oleg Vsevolodovich
E-mail: [email protected].
Senior scientist; Cand. of Eng. Sc.
Vasilyev Anton Igorevich E-mail: [email protected].
Postgraduate Student.
Nazarov Victor Georgievich
29 Scientific Research Institute of the Ministry of Defence of the Russian Federation. E-mail: [email protected].
6, Priests Avenue, Moscow, 107014, Russia.
Phone: +74992507994.
Senior Scientist.
Frolov Roman Sergeevich
E-mail: [email protected].
Laboratory Chief.
УДК 681.518.3
B.E. Пряничников, В.П. Андреев, К.Б. Кирсанов, C.B. Кувшинов,
. . , . . , . . , . .
ТЕХНОЛОГИИ МОДЕРНИЗАЦИИ И ОЧУВСТВЛЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ*
Рассматривается задача организации управления как отдельным мобильным роботом (МР), так и их группировкой посредством объединения их информационно-тмерительных систем и систем управления в локальную вычислительную сеть (ЛВС) с мобильными узлами. На примере создания управляемых многокамерных систем технического зрения для модернизации робототехнических комплексов МЧС России «BROKK-110D» и «BROKK-330» найдены пути решения проблемы передачи многопотокового видео и команд управления по радиоканалу в условиях нестабильности и задержек сигналов в каналах связи. Реализована унифицированная структура информационно-управляющих процессов, протекающих в МР с дистанци-. -зорного управления колёсных и гусеничных роботов. На примере разработки адаптивного метода борьбы с геометрическим шумом многоэлементных датчиков НК-юлучения показана эффективность использования микропроцессорной обработки сигналов для коррекции иска, .
Мобильный робот; информационно-измерительная система; вычислительная сеть; система технического зрения; дистанционные сенсоры; коррекция искажений.
V.E. Pryanichnikov, V.P. Andreev, K.B. Kirsanov, S.V. Kuvshinov,
Yu.S. Marzanov, T.A. Nikitina, V.Yu. Pronkina, E.A. Pry’syov
TECHNOLOGIES OF MODERNIZATION AND SENSORICS ENHANCEMENT FOR SPECIAL PURPOSE MOBILE ROBOTS
In article the problem of the organisation of management both the robot separate a mobile th (MP), and their grouping by means of association of their information-measuring systems and control systems in the local computer network (LAN) with mobile knots is considered. On an example of creation of operated multichamber systems tehniche-skogo sight for modernisation робототехнических complexes of the Ministry of Emergency Measures of Russia «BROKK-110D» and «BROKK-330» многопотокового video and management commands on a radio channel in the conditions of instability and delays of signals ways of the decision of a problem of transfer are found in communication channels. The unified structure of the information-operating processes proceeding in MP with remote sensor controls is realised. Ways sover-shenstvovanija systems independent and супервизорного managements of wheel and caterpillar robots are consi-
*
Работа частично поддержана грантом РФФИ 10-07-00612а. 166
