CC BY
54
УДК 621.317.75
Т.А. Акименко, канд. техн. наук, доц., (4872) 23-12-95,1аи1аи72 @шаП. ги (Россия, Тула, ТулГУ)
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ТУ-МОДУЛЯ, ВЛИЯЮЩИХ НА КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Представлен качественный анализ колебаний платформы мобильного колесного робота с установленным ТУ-модулем. Проведена оценка параметров движения трехколесногоробота и многоопорного мобильного колесногоробота.
Ключевые слова: ТУ-модулъ, мобильный колесный робот, передаточная функция, система технического зрения.
Введение. Одним из перспективных направлений развития систем видеомониторинга является совмещение в одной системе свойств автоматизации обнаружения несанкционированного проникновения на наблюдаемую территорию и панорамирования, в которой целесообразно реализовать режим автоматического сканирования местности и обнаружения на сцене посторонних объектов, а также по команде оператора осуществлять формирование полноценного панорамного изображения, на котором можно с большим разрешением рассматривать зону нарушения. В указанных системах данные с ТУ-модуля, расположенного на мобильном колесном роботе (МКР), непрерывно вводятся в ЭВМ, которая анализирует поступающую видеоинформацию.
Таким образом, вопрос создания простого и эффективного технического решения, способного заменить дорогостоящую и сложную в наладке и эксплуатации технику, стоит в настоящее время достаточно остро. От того, насколько стабильным в пространстве будет положение линии визирования, зависит качество изображения, формируемого системой технического зрения (СТЗ).
Анализ движения мобильного колесного робота. При анализе движения мобильного колесного робота по дороге применен принцип раздельных движений [1, 2, 3, 4], согласно которому колебания платформы разделены на три следующих движения:
- поступательное движение центра масс по координате х ;
- вращательное движение по углу места 0;
- вращательное движение по углу крена у.
В случае трехколесного робота эти три движения рассматриваются в совокупности. В случае многоопорной машины движения рассматриваются строго раздельно.
Исходя из конструктивных особенностей МКР, могут быть оценены передаточные функции для определения реакции механической системы на случайные воздействия дороги и на управление по изменению курса
238
транспортного средства.
Изменение курса МКР является полностью подконтрольным процессом, которым управляет оператор, наблюдающий в средства отображения изображение сцены. При отсутствии юза других движений по углу курса, кроме управляемых, у робота нет. Поэтому смаз по координате У является контролируемым и существует только во время маневров МКР. Для уменьшения смаза может быть рекомендовано уменьшение скорости движения робота и угла поворота направляющего колеса.
Воздействие дороги на координаты у0, «9, у является случайным и потому неконтролируемым. Влияние подобного воздействия может быть только уменьшено путем введения в конструкцию МКР и/или СТЗ специальных механических устройств, его компенсирующих. Оценим параметры колебаний платформы МКР с установленной СТЗ.
Трехколесный и многоопорный МКР на микронеровности дороги И(/ю) реагирует практически одинаково:
где А( jm) = ёе! 0( jm).
У всех перечисленных передаточных функций порядок полинома знаменателя выше порядка полинома числителя, что приводит к уменьшению амплитуды механических колебаний с ростом частоты.
У трехколесного робота характеристический полином всех передаточных функций по всем трем координатам г0, 3, /является одинаковым. Кроме того, на три точки опоры А, В, С подаются разные сигналы, которые не повторяют друг друга. Поэтому на амплитудном энергетическом спектре сигналов 20(/ю), $(/ю), X/®), определяемых по зависимостям
НС (»
= ЩА (А (» + (/®)НВ (» + Щс (/®)НС (»;
(1)
А2 (ю) = W2A (М^А (/ю)^ НА (ю) + ((/^НВ (ю) +
Л$ (Ю) = Ш§а (/'®)%А (/ю)^ НА (ю) + Щв (/ю)%В (М^В (ю) +
+ Щс (/ю)%С (/&)^НС (ю);
Ау (ю) = ЖуА (/ю)^уа (ИА (®) + ^уВ (/ю)^уВ (» ^ИВ (®)
+ ЖуС (/ю)^уС (/Ы^ИС (юХ
где (...) - комплексно-сопряженная функция; £^(ю), Бив(®), £ис(ю) -спектральные плотности случайных функций Иа('о>), Ив(/а), Нс(/а) соответственно; £^(^)(®) = | К^(^)(т)ехр(-/шт)с1х, имеется ряд максимумов:
- первая группа максимумов определяется наличием комплексно-
сопряженных корней в характеристическом полиноме передаточных функций ^ (ЖгВ (ja), ЖгС (ja), Жм (jю), №эв (ja), Жэс (
№уа(/ю), ^О), ^(»;
- вторая группа максимумов определяется наличием максимумов на спектральных плотностях £м (ю), 8НВ (ю), Бнс (ю) сигналов Н^(/'ю), Ив(/а),
Нс(а>) соответственно.
Как правило, как среди первой, так и среди второй групп максимумов может быть выделено по одной характерной, наименьшей, частоте, на которой максимум данной группы имеет наибольшее значение (основной максимум). В силу затухающего характера амплитудно-частотных характеристик Жа (/ю),... ,ЖуС (/ю) и спектральных плотностей
£м (ю), 8НВ (ю), Бнс (ю) остальные максимумы, сдвинутые в область более высоких частот, имеют абсолютное значение, меньшее, чем основные максимумы каждой группы.
При изменении скорости движения МКР с ТУ-модулем местоположение и величина основного максимума первой группы на спектральных плотностях сигналов А2 (ю), А3(ю), Ау (ю), остаются неизменными. Местоположение основного максимума второй группы при увеличении скорости МКР сдвигается в область более высоких частот, причем величина этого максимума уменьшается.
В соответствии с рисунком, представленным ниже, определяются энергетические спектральные характеристики каналов многоопорного МКР по зависимостям
п -----------------
А (/ ®)еХР(Ж„ (/ ®)еХР() +
,=1
п _________________
+ (®)ГЖгп(/®) ехР( )жгп(/®) ехР( );
,=1
п -----------------
М®) = БНг (^)ХЖЗг, (/®)еХР()ЖЭп (/®)еХР() +
п ^ _________________ (3)
+ £ы (^)ХЖэп (/®)ехР( (/®)ехР( );
,=1
п -----------------
А (ю) = БНг (®)ХЖугг (/®)ехР( (/®)ехР( / , ) +
,=1
п _________________
+ (®)Е (» ехР( )жт(» ехР( X
г=1
где (ю), 5Ыг (ю) - спектральные плотности случайных функций И(/а>), Нг(/о) соответственно, определяемые по зависимости
то
5Т(о)(ю) = !Кчо)(т)еХР(-/ш)^ •
—ТО
Отметим, что в этом случае колебания передаточные функции (/а), Ж3 (/а), Ж .(/ю) имеют разные характеристические уравнения,
следовательно, колебания, обусловленные особенностями конструкции робота, по координатам 20(/ю), $(/ю), X/®) осуществляются на разных частотах.
5г(ю)
Определение спектральной плотности .многоопорного МКР
241
Спектральная плотность колебаний в дополнение к максимумам, характерным для трехколесного МКР, имеет третий максимум, обусловленный наличием чистого запаздывания при передаче входного воздействия на колесные пары разных поперечных рядов. Этот максимум может отсутствовать, если у робота расстояния между опорами по координате х различны. Величина и местоположение этого максимума зависят от скорости движения транспортного средства по дороге. Влияние этого фактора велико при малых скоростях движения МКР. С ростом скорости колебаний значение максимума быстро уменьшается и при значительных скоростях сводится до уровня шума [1].
В наихудшем случае при изменении скорости движения робота частоты максимумов, механического и воздействия дороги начинают совпадать. В этой ситуации наблюдается явление резонанса. Указанное явление всегда наблюдается на частоте, равной значению мнимой части первого комплексно-сопряженного корня характеристического полинома. У трехколесного робота частота резонанса по всем трем координатам одна. У многоопорной машины частоты резонанса могут быть различными по разным координатам.
Наличие резонансных частот позволяет производить оценку максимальной скорости движения транспортного средства на этих частотах.
Оценка параметров движения трехколесного робота. Для оценки параметров линейных колебаний центра тяжести предположим, что на
МКР подается гармоническое воздействие на частоте резонанса Qz:
h(t) = hmax sinQzt, (4)
где hmax - амплитуда воздействия.
В наихудшем случае при оценке колебаний трехколесного робота по координате z все три воздействия должны подаваться на колеса А, В, С синфазно. Амплитуда механических линейных колебаний центра тяжести платформы с установленной СТЗ по координате zo определяется по зависимости
zO max = ¥zA (j^z ) + WzB (j^z ) + WzC (j^z )hmax . (5)
В соответствии с теоремой о дифференцировании максимальная скорость изменения линейной координаты на этой частоте
zO max = ¥zA (jfiz )| + \WzB (jfiz )| + WzC (J^z )|k-hmax . (6)
Для оценки параметров колебаний относительно центра тяжести по углу места 3 предположим, что на МКР подается гармоническое воздействие на частоте резонанса Q&:
h(t) = hmax Sin^t. (7)
В наихудшем случае при оценке колебаний трехколесного робота по координате 3 на задние колеса B и С воздействия должны подаваться синфазно, а на пару колес B, Си колесо А - в противофазе. Амплитуда механических угловых колебаний по координате 3 определяется по зависимости
^max = W (J ПЛ + W (j^, )| + Wec (jO, )|]hmaX . (8)
Максимальная скорость изменения координаты
& max = \WM (jQ&^ + \W№ (jQ& ^ + |W3C ()|hmax . (9)
Для оценки параметров колебаний относительно центра тяжести по углу крена у сигнал
h(t) = hmax sinQrt (10)
должен подаваться на колеса B и С в противофазе, а колесо А должно ка-
титься по ровной поверхности. Амплитуда механических колебаний по координате 3 определяется по зависимости
= w,b (ja,) + (j nr )| K,„. (ii)
7n
Максимальная скорость изменения координаты у
У
max
WyB (J^y ) + WyC (J'^y )| К h
max
(12)
Оценка параметров движения многоопорного МКР. Для оценки параметров линейных колебаний центра тяжести и колебаний по углу места относительно центра тяжести многоопорной машины гармонические сигналы (4) и (7) должны подаваться на колеса правого и левого рядов синфазно.
Амплитуда механических линейных колебаний и максимальная скорость перемещения центра тяжести платформы определяются по зависимостям
z
O max
Ё Кп( jA ) exP( jA^- )\ + Ё\Wzu(jQz) exP( jA^- )|
i=1
i=1
h
O max
Ё\Wzn (jQz ) eXP( jQz^r )\ + Ё\Wzli (jQz ) eXP( jQz^r )|
i=1
i—1
(13)
(14)
Амплитуда и максимальная скорость угловых колебаний по координате 0 находятся по зависимостям
Ё IW3n (jQS ) eXP( jQ^ г )\ + Ё \WM (J'fi* ) eXP( j^ )|
i—1
i—1
3 =
max
X\WSn (JA ) exP( jn9T1 )\ + X \Wsn (JA ) exP( jn9T1 )|
,i=1 i=1
hmax, (15)
^AaX. (16)
Для оценки параметров колебаний платформы по углу крена гармонические сигналы (10) должны подаваться на колеса правого и левого рядов в противофазе. В этом случае
У тах -У тах =
п
Г і-
п
X () ехР() + X К* () ехР(./Я7*)
уІі\^ у -
у 1 .
_і=1 і=1
X () ЄХР(}ПГТі ) + X Кп (}^у ) ЄХР(І^у^г )
і=1
і—1
^тах, (17)
Ч^тах. (18)
Приведенные оценки дают верхние значения амплитуд колебаний и скоростей изменения координат, что необходимо для определения параметров стабилизации линии визирования в ТУ-модуле СТЗ МКР.
Таким образом, проведен качественный анализ колебаний платформы с установленным ТУ-модулем при воздействии дороги и показано, что в наихудшем случае воздействий возникает резонанс на частотах, определяемых конструктивными особенностями МКР; для трехколесного робота имеется одна такая частота, для многоопорной машины таковые частоты должны быть определены для каждой координаты.
Полученные выражения для определения амплитуды линейных колебаний и колебаний по углу места и крена трехколесного и многоопорного робота, а также максимальных скоростей изменения перечисленных координат необходимы для оценки влияния параметров механического движения на качество изображения, формируемого СТЗ МКР.
Список литературы
1. Акименко Т.А., Лучанский О.А. Модели механического воздействия на транспортируемую аппаратуру // Системы управления электротехническими объектами: сб. трудов Всероссийской научно-технической конференции «СУЭТО-4». Тула: ТулГУ, 2007. С. 27-30.
2. Курочкин С.А. Моделирование движения наземного объекта со стабилизированной платформой в тренажере // Известия ТулГУ. Сер. Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления. Вып. 4. Т.3. Системы управления. 2003. С. 84-89.
3. Лучанский О.А. Компенсация воздействия на аппаратуру по углу тангажа в подвижном репрографическом комплексе // Современные информационные технологии, методы и средства создания и использования единого российского страхового фонда документации: материалы III Общероссийской научно-практической конференции. М.: Изд-во «Академия естествознания», 2007. С. 226-234.
4. Лучанский О.А., Ткач В.П., Чугреев А.А. Моделирование механических шумов // Известия ТулГУ. Сер. Вычислительная техника. Ин-
244
формационные технологии. Системы управления. Т. 2. Вып. 3. Системы управления. 2006. С. 22 - 27.
T. Akimenko
ASSESSMENT OF PARAMETERS OF MOVEMENT TV-МОДУЛЯ INFLUENCING QUALITY OF THE IMAGE
The qualitative analysis of fluctuations of a platform of the mobile wheel robot with the installed TV-module is presented. The assessment ofparameters of movement of the threewheeled robot and the multibasic mobile wheel robot is lead.
Key words: the TV-module, the mobile wheel robot, transfer function, system of technical vision.
Получено 03.10.11
УДК 621.865.8; 382.049.77 (075.8)
С.Ф. Сергеев, д-р психол. наук, нач. отдела, (812) 313-82-33, [email protected] (Россия, Санкт-Петербург, Корпорация «Аэрокосмическое оборудование»)
МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ С ИСКУССТВЕННЫМ ИНТЕЛЛЕКТОМ
Рассмотрены основные проблемы классической методологии создания меха-тронных систем. Показано изменение вектора развития и содержания мехатроники как научной дисциплины в связи с переходом от проектирования простых мехатрон-ных систем к сложным системам с искусственным интеллектом. Даны основные направления исследований длярешения проблемы сложных мехатронных систем.
Ключевые слова: мехатроника, искусственный интеллект, среда, самоорганизация, постклассические представления.
В настоящее время технологический прогресс связан с интенсивной конвергенцией технических и гуманитарных дисциплин, создающих базис для проектирования сложных систем с искусственным интеллектом. Возникают новые прикладные науки, изучающие межсистемные эффекты и эмерджентные свойства, появляющиеся при междисциплинарном объединении систем разной физической и информационной природы. К данному классу дисциплин относится мехатроника. В ней отражены результаты междисциплинарного синтеза, возникающего на стыке механики, микроэлектроники, информатики и автоматики.
В процессе развития мехатроники в поле ее зрения появляются проблемы, которые не рассматривались в классических представлениях о предмете и объекте мехатроники. Это, прежде всего, проблемы появления
245
