CC BY
119
Arshakyan Alexander Agabegovich, candidate of technical science, postgraduate, elarkin @mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 681.3
РАЗМЕЩЕНИЕ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ НА МАНИПУЛЯТОРЕ МОБИЛЬНОГО РОБОТА
А.Ю. Андросов, А.А. Горшков, Ю.И. Луцков
Исследуется вопрос появления динамических аберраций при наблюдении сцены TV-модулем, размещенным на манипуляторе мобильного робота. Получены зависимости для перемещения главной оптической оси TV-модуля в пространстве при работе манипуляторов. Показано, что в TV-модуля разных типов возможны аберрации типа «смаза» и типа искажения формы. Величины аберраций связаны с параметрами сканирования сцены и скоростью перемещения манипулятора.
Ключевые слова: мобильный робот, манипулятор, TV-модуль, угол места, угол азимута, угловая скорость. аберрации, сканирование, «смаз».
Мобильные роботы, выполняющие те или иные функции, в настоящее время используются достаточно широко [1, 2, 3, 4]. В России роботы подобного класса используются в антитеррористической деятельности, в частности для разминирования объектов. Роботы-саперы выполняют достаточно сложные операции: подрывают заряды, вскрывают автомобили, проводят анализ содержимого подозрительных пакетов и т.п. Обнаружение, идентификация и обезвреживание зарядов предъявляют повышенные требования к точности воспроизведения наблюдаемой сцены системой технического зрения и точности наведения исполнительного органа (манипулятора) на объект. В связи с этим в мобильных роботах применяются технические решения, позволяющие повысить жесткость манипулятора [1, 2, 3, 4], а TV-модуль СТЗ размещается на самом манипуляторе.
Размещение TV-модуля на манипуляторе приводит к значительным скоростям пространственного перемещения главной оптической оси модуля относительно наблюдаемого предмета, что в свою очередь требует оценки динамических аберраций при проектировании манипулятора, поскольку любые динамические аберрации при сканировании сцены влияют на точность передачи информации [5, 6].
Манипулятор робота с повышенной жесткостью может быть представлен в виде следующих крупных узлов (рис. 1): штанги 1 и коромысла 2, на которое жестко крепится TV-модуль 3. Штанга 1 в шарнире О имеет две степени свободы, по углам азимута y и места J. Коромысло 2 относи-
тельно штанги 1 имеет одну степень свободы, по углу ф обеспечиваемую шарниром С. Шарнир С обеспечивает вращение Коромысла 2 в вертикальной плоскости. Линейные двигатели, приводящие в движение манипу-ляционную систему, на рис. 1 условно не показаны (полная кинематическая схема конструкции приведена в [1, 2, 3, 4]). На конце коромысла 2 жестко закреплен ^-модуль 3. С целью упрощения выкладок считается, что главная оптическая ось ^-модуля 3, 01А, является продолжением коромысла 2.
Наблюдаемый предмет представляет собой поверхность, которая описывается уравнением [7, 8, 9]
f(x, у, z ) = 0. (1)
Точка A является точкой пересечения поверхности (1) и главной оптической оси TV-модуля. Точка К принадлежит поверхности (1) и для ее координат хк, ук, zk выполняется условие f (x%, ук, z%) = 0.
Координаты шарнира Q в системе координат будут следующими
[10]:
(хо , yo , zqi ) = Li (cos J cos y, cos Jsin y, sin J). (2)
Отрезок O O2 равен величине
Lqq2 =д/L2 + L2 - 2L1L2 cos J . (3)
Поскольку точки О, Q, O2, лежат в вертикальной плоскости,
OC = L1 cos J; Х = 90o -J; QD = L2cos(J1 -X); DC = O2 B = L1 sin J-L2cos(J1 -X); OB = L1cos J + L2sin(J1 -X). (4) Из (4) следует, что
02 = arctan
Li sin J - L2 sin(J1 + J)
(5)
Li cos J - L2 cos(Ji + J) Таким образом, точка O2 имеет следующие координаты:
(x02, У0^ z02 ) =
([Li cos J - L2 cos(Ji + J)]sin y,jLi cos J - L2 cos(Ji + J)]cosy, (6) L1 sin J- L2 sin (Ji + J)).
Пространственное положение коромысла 2 с главной оптической осью TV-модуля 3 определяется зависимостью:
x - Licos Jcos y = y - Licos Jsin y =
x - [Li cos J - L2 cos(Ji + J)]sin y y - [Li cos J - L2 cos(Ji + J)]cos y (7)
= z - Li sin J v '
z - Lisin J - L2 sin(Ji + J) Координаты точки А пресечения поверхности (i) с главной оптической осью, определяемой равенствами (7) определяются из решения следующей системы уравнений:
хд - Licos J cos y _ уд - Licos Jsin y
xa - [Li cos J- L2 cos(Ji + J)]siny
f(хд, уд, za )=0;
хд - Li cos Jcos y
уд - [Li cos J- L2 cos(Ji + J)]cos y' z^ - Li sin J
(8)
хд - [Li cos J - L2 cos(Ji + J)]sin y za - Li sin J - L2 sin (Ji + J) Направляющие косинусы прямой O O2 имеют вид:
(rx,Гу,rz)= [cos(J - Ji )cosy, cos(J - Ji )siny, sin(J - Ji )]. (9)
Предметная плоскость [ii, i2], проходящая через точку А, имеет направляющий вектор, определяемый выражением (9). Ее уравнение определяется в виде:
x - xA = У- УА = z - zA
rx
Л,
Гг
(10)
где хд, уд, хд координаты точки А, определяемые из системы уравнений (8); гх, Гу, гг - направляющие косинусы предметной плоскости, определяемые выражением (9).
Точка К отстоит от главной оптической оси на расстоянии ё, равном
d =
ГУ rz + rz rx + rx ГУ
УК - УА zK - z А zK - z A xK - xA xK - xA УК - УА
2 2 2 rx + Гу + rz
. (ii)
Плоскость, проходящая через точку К, нормальная к главной оптической оси, описывается уравнением
Гх(х - хК) + Гу (у - УК)+ Г1 (х - хх ) = (12)
Плоскость пересекается с нормалью в точке А, координаты кото-
рой определяются из системы уравнений: xa - Li cos J cos y
УА - Li cos Jsiny
xa - [Li cos J - Ln cos(Ji + J)]sin y yA - [Li cos J - L2 cos(Ji + j)]cos y rAxA - xK ) + ry(УА - УК) + rz(zA - xz) = 0:
xa - Li cos J cos y _ zá - Lisin J
xa - [Li cos J - Ln cos(Ji + J)]sin y za - Li sin J - Ln sin(Ji + J)
(i3)
Расстояние от точки пересечения плоскости, проходящей через точку К до входного зрачка объектива TV-модуля равно
dK = д/(xA - xO2 Y + (УА - У02 f + (zÁ' - zO2 )2 • (i4)
Если объектив TV-модуля имеет заднее фокусное расстояние, равное f то фотоэлектронный преобразователь прибора устанавливается в фокальной плоскости [ii, i2]. Тогда проекции точки К на фокальную плоскость определяются выражением:
Yi
К
ZK.
f
di
УК zK
УА zA
(i5)
где У„ Z - координаты, параллельные горизонтальной и вертикальной сторонам кадра, соответственно; йк - расстояние от точки пересечения плоскости, проходящей через точку К и нормальной к главной оптической, до входного зрачка объектива ТУ-модуля, рассчитанное по зависимости (14); f - фокусное расстояние объектива; ук, гк - координаты точки К, лежащей на поверхности (1); уа, г>А - координаты точки пересечения главной оптической оси ТУ-модуля с плоскостью, нормальной главной оптической оси и проходящей через точку К.
При работе манипулятора динамические аберрации [13, 14] возникают по координате:
У, если штанга в шарнире О вращается по углу у; Z, если штанга 1 в шарнире О вращается по углу Ф, или если коромысло 2 в шарнире С вращается по углу Ф1.
Скорости перемещения по координатам определяются по зависимостям [14]:
dt
Yk
Z
К
d_ dt
f
di
jY (y, J, Ji, y) jZ (y, J, Ji, J, J i)
(i6)
УК - УА V гК - гА у_
где у, Ф, Ф1 - угловые скорости вращения штанги и коромысла, соответственно.
В фоточувствительных приборах с прямым измерением светового потока возникают аберрации формы, связанные с последовательным характером опроса фоточувствительных ячеек. Если фотоэлектронный преобразователь имеет размеры МхЫ фоточувствительных элементов, линей-
421
ный размеры (Мр)х(Ар) [м2], где РхР - размеры фоточувствительной ячейки, сканирование по координате К осуществляется непрерывно со скоростью 6 элементов в секунду, проекция предмета перемещается в плоскости расположения фоточувствительных элементов фотоэлектронного преобразователя со скоростью К&к, то круг сканирующей системой преобразуется в эллипс, сжатый/растянутый по оси К на величину, определяемую по зависимости
ДК = , (17)
К 6Р-У J
вертикальная ось которого наклонена под углом, определяемым по зависимости
/ \ МК
1д(у1 ) =-г . (18)
&чи 6Р-К v 7
Если проекция источника перемещается в плоскости расположения фоточувствительных элементов фотоэлектронного преобразователя со скоростью ¿к , которую в пределах интервала времени, затрачиваемого на сканирования всех элементов фотоэлектронного преобразователя можно считать постоянной, то относительное приращение размеров отрезков по оси Z, с учетом скорости перемещения сканирующей апертуры равно
М7 пт Д 7 =-- • (19)
7 6Р- М7
а вектор скорости сканирующей апертуры относительно движения изображения предмета по оси 7 имеет тангенс угла наклона к оси К, равный
tg(y2)К) = 7 • (20)
6Р
где Ьсу - отрезок, параллельный оси О" К, перемещаемый со скоростью 7.
Если изображение круга совершает два движения, и по координате К со скоростью К, и по координате 7 со скоростью 7, то вследствие принципа суперпозиции происходит сжатие/растяжение эллипса по оси К на величину, определяемую по зависимости (17), вертикальная ось которого наклонена под углом, определяемым по зависимости (18), а также сжатие/растяжение по оси 7 на величину, определяемую по зависимости (19), горизонтальная ось которого наклонена под углом, определяемым по зависимости (20). Пример наблюдаемого предмета приведен на рис. 2 а, а изображение, формируемое ТУ-модулем на базе фоточувствительного прибора с прямым измерением светового потока приведено на рис. 2 б.
Формируемое изображение точки К фоточувствительным прибором с зарядовой связью при движении манипулятора имеет вид «смаза», которое тем больше, чем выше скорость проекции точки на плоскости расположения фоточувствительных ячеек фотоэлектронного преобразователя.
Вследствие явления «смаза» изображение точечного источника дополнительно размывается, поскольку апертура фоточувствительной ячейки увеличивается и формируется т.н. динамическая апертура.
б
в г
Рис. 2. Изображение предмета (а), формируемое подвижным ТУ-модулем: на базе фоточувствительного прибора с прямым измерением светового потока (б), и на базе фоточувствительного прибора с накоплением зарядов (в, г)
Количество ячеек, которые проходит изображение точки К при накоплении заряда в фоточувствительном приборе с зарядовой связью определяется зависимостью
г \Ук т -Л
Г } - Ьу
к Пг ) гкт
к _ Ь г -)
где пу, пу - количество полных ячеек, которые проходит изображение точки К по координатам К и 7, соответственно; К, 7 - составляющие скорости движения проекции точки К по плоскости фоточувствительных ячеек фотоэлектронного преобразователя; т - время накопления заряда в фоточувствительном приборе с зарядовой связью; Ру хр7 - размеры фоточувствительной ячейки; [...[- знак округления в большую сторону до целых значений.
Вид смазанного изображения, формируемого ТУ-модулем на базе приборов с зарядовой связью приведен на рис. 2 в, г. Явление «смаза» существенно понижает точность воспроизведения образа объекта и затрудняет его идентификацию.
Таким образом, в статье получены зависимости, позволяющие оценить динамические аберрации изображения предмета, возникающие в случае, если ТУ-модуль размещен на манипуляторе мобильного робота, в частности, робота-сапера. Величина и характер аберраций связаны с типом ТУ-модуля и скоростью перемещения ТУ-модуля в пространстве по углам места и азимута. Результаты могут быть использованы при проектировании систем технического зрения роботов, а также при решении задачи распознавания предметов при работе с ними.
Список литературы
1. Патент на полезную модель № 103086 (РФ). / Е.В.Ларкин, А.А. Долгов, А.О. Осетров, С.О. Осетров. Модуль промышленного робота. МПК В 25 I 9/08. Опубл.27.03.2010. Бюл. № 9.
2. Патент на полезную модель № 126648 (РФ). / Е.В.Ларкин, Т.А. Акименко, А.А. Аршакян, С.А. Будков. Модуль промышленного робота с информационной системой управления. МПК В 25 I 9/08. Опубл. 10.04.2013, Бюл. № 10.
3. Ларкин Е.В., Осетров А.О., Осетров С.О. Модуль подвижности промышленного робота // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 12. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 244 - 249.
4. Промышленный робот с информационной системой управления / Ларкин Е.В. [и др.] // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 133 - 138.
5. Ларкин Е.В., Аршакян А.А., Клещарь С.Н. Оценка статических потерь информации в сканирующих устройствах // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 388 - 392.
6. Аршакян А.А., Будков А.Н., Клещарь С.Н. Информационные потери, связанные с пространственной динамикой сканера // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 383 - 388.
7. Ларкин Е.В., Аршакян А.А. Определение соотношения сиг-
нал/шум в системах наблюдения // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 168 - 175.
8. Ларкин Е.В., Аршакян А.А. Наблюдение целей в информационно-измерительных системах // Сборник научных трудов Шестой Всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими объектами «СУЭТО-6» Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 222 - 225.
9. Ларкин Е.В., Аршакян А.А. Оценка координат точечных источников сигналов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 3 - 10.
10. Ларкин Е.В., Будков С.А. Определение пространственного положения рабочего органа // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 10. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 197 - 203.
11. Ларкин Е.В., Котов В.В., Котова Н.А. Система технического зрения робота с панорамным обзором // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. Ч. 2, 2009. С. 161 - 166.
12. Ларкин Е.В., Горшков А.А. Расчет наблюдаемой площади в системе с множеством видеокамер // Фундаментальные проблемы техники и технологии. ГУ УНПК, Орел. № 4, июль-август. С. 150 - 154.
13. Ларкин Е.В., Акименко Т.А. Математическая модель накопления заряда в ячейке линейного фотоэлектронного преобразователя // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 432 - 437.
14. Ларкин Е.В., Акименко Т.А., Лучанский О.А. Оценка «смаза» изображения в системе технического зрения мобильного колесного робота / Вестник РГРТУ. Рязань: РИЦ РГРТУ, 2008. С. 77 - 80.
Андросов Алексей Юрьевич, асп., elarkin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Горшков Алексей Анатольевич, асп., elarkin@mail.ru,, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Луцков Юрий Иванович, канд. техн. наук, доц., elarkin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
A PLACEMENT OF THE VISION SYSTEM ON THE MOBILE ROBOT MANIPULATOR
A. Y. Androsov, A.A, Gorshkov, Y.I.Lutskov
The question of emergence of dynamic aberrations while observing a scene by TV-module placed on the mobile robot manipulator. is Investigated. The dependencies for a movement of the TV- module main optical axis in a space, when working manipulators are obtained. It is shown that in the TV-modules of different types are possible aberrations of various types, such as a "blurring" and a shape distortion. The magnitude of the aberrations is associated with the scanning parameters of the scene and velocity of movement of the manipulator.
Key words: mobile robot:, manipulator, TV-modulus, angle of elevation, angle of azimuth, angle velocity, aberration, scanning, blurring.
Androsov Alexey Yurievich, postgraduate, elarkin @mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Gorshkov Alexey Anatolievich, postgraduate, elarkin @mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lutskov Yuriy Ivanovich, candidate of technical science, docent, elarkin @mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.391
ОШИБКИ ПРИ ВВОДЕ ДАННЫХ В ЭВМ
А.А. Аршакян
Исследуется процесс ввода сигнала заданной формы в ЭВМ. Показано, что ввод может быть осуществлен под управлением тактового генератора с высокостабильной частотой, внешних прерываний и полинга. Полинг порождает поток заявок на транзакции со случайными параметрами. Определена плотность распределения времени между двумя последовательными транзакциями. Найдены ошибки ввода данных для исследованных случаев.
Ключевые слова: сигнал, ввод, прерывание, полинг, высокостабильный генератор, частота Найквиста, шум стохастической дискретизации.
Современные системы автоматизации и управления, как правило, включают ЭВМ, на которой реализуются законы управления, различного рода логические функции, связь с другими объектами, интерфейс с оператором и т.п. [1, 2, 3]. Включение ЭВМ фон-неймановского типа в контур цифрового управления порождает проблемы, связанные с последовательным характером интерпретации алгоритмов. Одной из проблем является проблема чистого запаздывания между транзакциями, что понижает точность обработки данных в системе [4, 5, 6, 7].
Управление оцифровкой данных сенсорной системы при вводе их в бортовую ЭВМ может осуществляться в результате:
функционирования встроенного таймера, формирующего запросы на ввод данных из сенсорной системы с высокостабильной частотой; программным путем (с использованием процедуры поллинга); внешних, по отношению к ЭВМ, прерываний [8]. В первом случае, ошибка дискретизации при вводе данных является минимальной [2, 3]. Моделью прибора, осуществляющего дискретизацию, является идеальный мультипликативный дискретизатор, в котором преоб-
