Программно - аппаратный комплекс управления автономным движением мобильного робота Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

2. Басаев А.С. , Денисов А.Н., Коняхин В.В. , Мальцев П.П. Методология проектирования радиационно-стойких микросхем на основе БМК для космических аппаратов // Материалы III Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008", (МЭС-2008). М., 2008, с. 8 .

V.A. Ivanov

PROCESSING SIGNALS OF SENSORS ANALOG INFORMATION IN THE SPACECRAFT

A method of primary processing signals of sensor telemetry data with the use of a base matrix crystal is proposed.

Key words: telemetry system, sensors of analog information, the base matrix crystal, spacecraft.

Получено 17.10.12

УДК 681.586

В.Ф. Петров, канд. техн. наук, зам. директора, [email protected] (Россия, Москва, НИИ ВС и СУ МИЭТ),

A.И. Терентьев, канд. техн. наук, ст. научн. сотр., [email protected] (Россия, Москва, НИИ ВС и СУ МИЭТ),

Ю.В. Блохин, мл. научн. сотр. (Россия, Москва, НИИ ВС и СУ МИЭТ)

B.В. Демьянов, ведущий инж.-электроник (Россия, Москва, НИИ ВС и СУ МИЭТ)

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМ ДВИЖЕНИЕМ МОБИЛЬНОГО РОБОТА

Рассмотрены вопросы построения автономных систем управления движением мобильных роботов. Выполнен анализ решаемых задач, определены требования к аппаратной составляющей системы. Проведены экспериментальные исследования предложенных технических решений.

Ключевые слова: мобильный робот, система управления, автономное движение, обработка видеоизображений.

Неблагоприятные и опасные для человека условия, имеющие место на производстве, ведении современных боевых действий, работе в космосе, на дне океана или на зараженной местности, требуют применения автономных мобильных робототехнических систем.

По степени автономности в выполнении поставленных задач можно выделить три поколения мобильных роботов:

- к роботам первого поколения относятся телеуправляемые аппараты;

- второе поколение роботов отличает самостоятельное выполнение чисто механических операций по заранее составленной программе;

- третье поколение отличается максимальной самостоятельностью в принятии решений.

Робот третьего поколения (или интеллектуальный робот) самостоятельно строит модель внешней среды, анализируя показания установленных на нем датчиков, выбирает подцели и достигает их.

К робототехническим системам третьего поколения можно отнести и мобильных роботов, функционирующих в недетерминированной среде. Одной из важных задач, решаемой роботом, является управление движением при перемещении из заданной точки А в конечную точку В.

Для функционирования в недетерминированных условиях мобильные роботы оснащаются спутниковыми, инерциальными и одометриче-скими датчиками, ультразвуковыми, инфракрасными и лазерными дальномерами, телевизионными системами зрения. Наиболее богатую, но и наиболее трудно поддающуюся анализу, информацию поставляют видеокамеры.

Рассмотрим решение задачи управления автономным движением мобильного робота. Для этого проведем разбиение задачи на три этапа. На первом этапе происходит планирование маршрута движения, с использованием цифровой карты местности. Полученное маршрутное задание представляет собой последовательность действий, которые должен выполнить робот, и данные о местности, необходимых для реализации этих действий.

На втором этапе планируются действия, необходимые для реализации текущего фрагмента маршрутного задания. При этом для анализа внешней среды используется система технического зрения, которая строится с применением разных датчиках. Например, при движении по дороге анализируется информация, поступающая от видеокамеры, а при движении по пересеченной местности — сканирующий лазерный дальномер. Система технического зрения решает задачу построения модели внешней среды, дающую информацию для управления роботом в локальной зоне. При этом решаются задачи объезда препятствий, обеспечение движения по маркерной линии дороги, выполнение поворотов. Результатом выполнения этого этапа являются команды «обеспечить определенную скорость движения», «выполнить поворот на заданный угол», «включить поворот с заданной угловой скоростью» и т.д.

На третьем этапе происходит отработка полученных команд управления исполнительными механизмами, т.е. осуществляется переключение передач трансмиссии, управление рейкой топливного насоса, включением и выключением тормозов, и т. п.

Движение в реальной недетерминированной среде предъявляет жесткие требования к системе управления. Для обеспечения непрерывного движения робот должен принимать решения в реальном времени, т.е. в темпе движения. Мощности вычислительного комплекса, установленного на борту должно быть достаточно для реализация управляющих программ.

Рассмотрим построение программно-аппаратного комплекса управления автономным движением мобильного робота (ПАК УДМР). Для решения задачи управления движением необходимо анализировать и описывать изображения дорожных сцен, полученных с помощью видеокамер, лазерных дальномеров, спутниковых и одометрических датчиков. В качестве входных данных для ПАК УДМР является информация:

- данные с видеокамер, лазерных дальномеров, одометрических датчиков;

- заданные оператором значения скорости, режима работы и траектории движения в виде набора реперных точек или маркерной линии;

- цифровая карта местности, в пределах которой планируется функционирование робота;

- данные спутниковой и инерциальной навигационных систем.

В задачи комплекса управления движением входит:

- обработка данных с видеокамер: захват, обработка, фильтрация, устранение дребезга, сшивка изображений;

- выделение препятствий на изображении, формирование вспомогательной метаинформации;

- вычисление расстояний до препятствий или определение границы маркерной линии;

- обработка и сохранение в памяти информации о траектории движения;

- нанесение маршрута движения на цифровую карту;

- обработка данных, поступающих от системы навигации;

- нанесение информации о препятствиях и текущем местоположении на цифровую карту;

- вычисление траектории движения в реперную точку или вычисление траектории движения вдоль маркерной линии;

- формирование уставок для исполнительных механизмов по скорости и направлению;

- формирование и передача данных для подсистемы управления приводами.

В случае наличия канала связи с пунктом управления могут решаться задачи по совмещению полученной метаинформации с видеоизображением, которое может быть передано и отображено на экране оператора.

На рисунке представлена структурная схема системы управления движением мобильного робота.

Комплекс состоит из двух функциональных блоков: видеообработки и анализа видеоизображений.

Система видеообработки построена на базе видеопроцессора семейства DaVinci фирмы «Texas Instruments» DM8168 [1], который отличается высокой производительностью и поддерживает обработку до 12 одновременных видеопотоков в формате 720p30.

CAN2.0B

< ,, N ,, =>

ВК1 ВК2 ВК3

1111

ВК8 Навигационная Привода

1111

От видеодекодера—

1 2 3 4A Видеодекодер TVP5158 на DM8168 I2C 1 2 3 4A Видеодекодер TVP5158

B ' 1 ' B

1-2 Камеры 54 МГц ITU-RBT 656 Управление от DM8168 1-2 Камеры 54 МГц ITU-RBT 656

суд

£

А В Процессор DaVinci VP0 DM8168

(ярдо ARM + ядро DSP)

Полнодуплексный RS485 трансивер

Драйверы LVDS Драйверы LVDS g i

Драйверы LVDS Драйверы LVDS Полнодуплексный RS485 трансивер Ethernet PHY

1 1 '

Память SDRAM

ПЛИС 1

ПЛИС 2

Структурная схема программно-аппаратного комплекса управления автономным движением мобильного робота

Видеопроцессор DM8168 включает в себя:

- до трёх ускорителей видео высокой четкости, отвечающих за захват, кодирование, декодирование и анализ нескольких видеопотоков;

- ядро ARM Cortex-A8 с тактовой частотой до 1,2 ГГц;

- цифровой сигнальный процессор C674x с тактовой частотой до

1 ГГц;

- графический ускоритель SGX530, обеспечивающий поддержку двух дисплеев разрешением 1920 x 1280 пикселей;

- контроллеры периферийных устройств (PCI-E, SATA 3 Гбит/с, Gigabit Ethernet, HDMI, CAN, DDR2/DDR3 и др.).

Характеристики процессора обеспечивают обработку информации поступающей от бортовых видеокамер мобильного робота в масштабе реального времени.

В качестве видеодектодеров используются микросхемы фирмы «Texas Instruments TVP5158». Каждая микросхема имеет возможность декодировать и оцифровывать одновременно четыре видеосигнала, и обеспечивает прямой интерфейс с используемым процессором DM8168.

Для переключения видеопотоков используется управляемый по интерфейсу I2C мультиплексор, а обмен информации осуществляется с использованием протокола ITU-RBT.656.

Конструктивно блок видеообработки реализован в виде отдельной платы, на которой предусмотрено мезонинное соединение с блоком анализа видеоизображений, который построен на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) фирмы «Xilinx» семейства Virtex 6 [3].

Взаимная работа блоков реализована по следующему алгоритму. Видеопотоки поступают на вход ПЛИС, где осуществляется их анализ, и формируется необходимая для управления движением метаинформация. Видеоизображение дополненное информацией о внешней среде передается процессору DM8168, сжимается и при наличии канала связи отправляется на пункт управления. Метаинформация необходимая для реализации алгоритмов управления автономным движением робота по интерфейсу RS-485 поступает на процессор DM8168. Для передачи больших объемов информации, в системе используется интерфейс LVDS.

В системе используется операционная система реального времени QNX.

Решение задачи движения мобильного робота в среде с использованием цифровой карты местности с нанесенными препятствиями сведено к задаче поиска кратчайшего пути на взвешенном графе, которая решается с помощью алгоритма Дейкстры [4, 5].

Обмен информацией между навигационной системой, системой управления движением (СУД), исполнительными приводами и системой обработки и анализа видеоизображений реализован по шине CAN.

Экспериментальные исследования разработанного программно -аппаратного комплекса управления автономным движением мобильного робота проводились на базе гусеничного шасси. Результаты экспериментов показали работоспособность предложенных решений и возможность автономного движения с обходом препятствий с ограниченной скоростью движения.

Список литературы

1. Гук. И. Краткий обзор цифровых сигнальных процессоров DaVinci // Компоненты и технологии. 2007. № 3

2. Тарасов И.Е. Разработка цифровых устройств на основе ПЛИС Xilinx с применением языка VHDL. М.: ГТК, 2005.

3. Кузелин М.О., Кнышев Д.А., Зотов В.Ю. Современные семейства ПЛИС фирмы Xilinx. М.: ГТК, 2004.

4. Люгер Дж.Ф. Искусственный интеллект: стратегии и методы решения сложных проблем. 4-е изд. М.: Вильямс, 2003.

5. Алгоритмы: построение и анализ = Introduction to Algorithms / Т.Х. Кормен [и др.]. 2-е изд. М.: Вильямс, 2006.

V.F. Petrov, A.I. Terentev, Y.V. Blohin, V.V. Demyanov

HARDWARE-SOFTWARE CONTROL COMPLEX OF AUTOMATIC MOVEMENT OF THE MOBILE ROBOT

Questions of development of independent control systems are considered by movement of mobile robots. It is analysed solved tasks, requirements to a hardware component of system are defined. Experimental studies of the offered technical solutions are executed.

Key words: mobile robot, control system, automatic movement, processing of video

images.

Получено 17.10.12

УДК 623.01

А.Г. Шипунов, академик РАН, научный руководитель, (4872) 46-96-20, 41-35-69, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»), А.В. Игнатов, д-р техн. наук, зам. научного руководителя - нач. отделения, (4872) 46-96-20, 41-35-69, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»), Я.С. Пятницкий, нач. отдела, (4872) 46-96-20, 41-35-69, [email protected] (Россия, Тула, ОАО «КБП»)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕОРЕТИКО-ИГРОВОЙ МОДЕЛИ КОНФЛИКТОВ ДЛЯ СИСТЕМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОТОЧНОГО ВООРУЖЕНИЯ

Рассмотрен метод структурного синтеза высокоточного вооружения с использованием теоретико-игровой модели конфликта. Решение биматричной игры позволяет определить оптимальные характеристики комплекса вооружения для обеспечения заданной эффективности его применения в различных боевых ситуациях.

Ключевые слова: комплекс вооружения, биматричная игра, оптимальные характеристики, эффективность.

Основным вопросом, требующим решения на ранних этапах разработки или модернизации (с точки зрения повышения эффективности) объектов военной техники, является определение видов вооружения, компоновочных схем, тактико-технических характеристик, обеспечивающих качественное выполнение боевых задач.

Решение этого вопроса зачастую должны приниматься в условиях неопределенной тактики противника в конфликтной ситуации. Поэтому показатель эффективности системы обычно трудно поддается прогнозиро-