Методы реализации на основе видеоинформации простых задач навигации

Сигналы всех установленных на роботе видеосенсоров поступают либо не­

посредственно (либо через промежуточный контроллер обработки видеосигна­ла) в бортовой компьютер верхнего уровня системы управления.

• фильтрации информации от СТЗ для выделения маяков (ориентиров) и оп­ределения их координат;

• локализации, состоящей в определении координат робота;

• формирования траекторий движения робота;

• построения программных скоростей движения робота и другие.

Среди них, задачи точного определения координат ориентиров и MP явля­ются ключевыми. Huoichuuуровень системы реализуется на контроллерах, где производится обработка и преобразование сигналов датчиков и формирование алгоритмов работы следящих систем управления двигателями робота. На входы контроллера поступают значения программных скоростей с верхнего уровня, сигналы одометров и вырабатываются широтно-импульсно модулировнные сигналы, подаваемые на усилители мощности электродвигателей. Эти операции должны выполняться в реальном времени, что предъявляет к быстродействию аппаратуры и эффективности алгоритмов тем большие требования, чем выше скорости робота и сложнее решаемые им задачи. В качестве компьютеров верхнего уровня применяются системные блоки PC, их материнские платы и ноутбуки с процессорами, вплоть до Pentium-4.

Надежное и «осмысленное» функционирование мобильных роботов связано не только с использованием сложных алгоритмов в подсистеме принятия реше­ний, но и набора простых правил, активизируемых рефлекторно в ответ на оп­ределенные сенсорные сигналы [214] или по команде более высокого уровня управления. Следует отметить, что ни одна из существующих систем навига­ции MP в настоящее время не достигла гибкости и эксплуатационных показате­лей биологических навигационных систем насекомых (пчел или муравьев), не говоря уже об аналогичных системах птиц, рыб или млекопитающих.

Возрастание сложности навигационных поведений MP, приведенных в разд. 1.3.2, имеет аналогию с эволюционной моделью живых организмов, где новые поведенческие возможности строятся на основе более простых навыков.

Особенно это относится к методам локальной навигации и ориентации на пере­сеченной местности с явно видимыми ориентирами, в городах, в жилых и слу­жебных помещениях. Многие из этих методов основаны на использовании и обработке визуального изображения.

Например, для навигации маленьких летающих MP GPS-приемник тяжел и можно использовать только видеосистемы. Предполагается, что в будущем СТЗ, а также наборы датчиков положения Солнца и уровня магнитного поля Земли окажутся значительно дешевле, легче и энергетически экономнее ныне существующих навигационных приборов. ,

Для получения визуальной информации о направлении и расстоянии до маяков в окружающем пространстве робота используют СТЗ кругового обзора, состоящие из монокулярной камеры и конического отражателя [332, 385, 388]. В работе [27] рассматривается такая СТЗ для навигации в среде с маяками. Ок­ружающая обстановка проецируется зеркальным конусом в TV-камеру, обеспе­чивая на получаемом изображении некоторую панораму рабочего пространст­ва. Конус и камера устанавливаются соосно сверху MP так, чтобы плоскость основания конуса была горизонтальна и расположена ниже маяков. Однако при непараллельности плоскостей основания конуса и полигона возникает значи­тельная погрешность измерения расстояний до маяков (до 50 % и более).

Текущие координаты MP можно определять с помощью СТЗ на основе ре­перов, координаты которых заранее известны [4]. Продолжаются исследования по созданию СТЗ с высокой степенью адаптации к степени освещенности сце­ны и условиям получения изображений [32, 69].

Рассмотрим навигационные СТЗ некоторых отечественных MP, участво­вавших в научно-технических фестивалях «Мобильные роботы» Института механики МГУ [139]. На мобильных роботах «РМ-МЭИ», «СК-МЭИ», «Винни- Пух» (все г. Москва, МЭИ), «Невская стрела» (г. Санкт-Петербург) для задач навигации на полигоне по маякам применяются оптические схемы с малым по­лем зрения и фотодиодами, в которых круговой обзор обеспечивается вращени­ем фотоприемников вокруг вертикальной оси. В момент, когда маяк оказывает­ся в поле зрения, по сигналу, снимаемому с фотодиода, считывается азимут маяка относительно робота. На роботе «Тачка» (г. Москва, НИИ механики

МГУ) установлено два таких локатора, что позволяет определить дальность триангуляцией. На роботе «Бруно» (г. Москва, МГТУ) установлен смотрящий вперед телевизионный датчик, позволяющий определять азимуты и оценивать дальности маяков, находящихся в некотором секторе перед роботом. Для поис­ка маяков вне этого сектора необходимо вращение машины. На роботах «Кро- нус» (г. Москва, НИИ механики МГУ), и «Трикол» (г. Москва, ИПМ РАН, ма­тематический факультет МФТИ) применена СТЗ с зеркальным конусом, кото­рый обеспечивает круговой обзор. На роботе «Юниона» (г. Москва, ИПМ РАН, математический факультет МФТИ) применяются СТЗ с неподвижными относи­тельно робота фотодиодами, расположенными так, что каждый дает сигнал, ес­ли маяк присутствует в его секторе видимости, чем обеспечивается круговой обзор и определение азимутов маяков с точностью, определяемой размерами и расположением секторов обзора.

Движение по направляющей.C появлением первых СТЗ удалось осущест­вить навигацию по ярко нарисованным (или флуоресцентным) линиям на полу (направляющим). Для отслеживания направляющей полосы MP оснащаются расположенной над полосой оптронной линейкой (дающей информацию о смещении ее центра от средней линии полосы) или телевизионным датчиком с определенной схемой обработки нескольких строк видеосигнала.

Однако нарисованные направляющие линии в цеховых условиях часто сти­раются или теряют контрастность при загрязнении пола, нередко загоражива­ются предметами и людьми. На перекрестках, где сходятся несколько мар­шрутных линий, роботы обычно теряют визуальный контакт и останавливают­ся. Поэтому актуальной задачей является разработка алгоритмов визуального управления отслеживания направляющих устойчивых к перечисленным выше факторам, причем с возможностью быстрой перенастройки.

Прицеливание, маяки (ориентиры). Прицеливание является наиболее лег­ко реализуемым для MP навигационным поведением [213]. Робот оснащается двумя сенсорами и приводами с каждой из его сторон, соединенных либо по перекрестно-возбуждающей схеме, либо неперекрестно-тормозящей схеме. Это реализует простое поведение прицеливания в направлении более сильного сиг­нала сенсора при движении робота вперед. Подобные роботы могут находить

цели, отмеченные точечным сигналом наподобие яркого источника света путем выравнивания сигналов от двух видеосенсоров при приближении к цели.

У разработчиков систем пассивной локальной навигации популярна идея использования искусственных ориентиров (например, специальных вышек). Робот, снабженный СТЗ, может довольно точно рассчитать расстояние до выш­ки по анализу изменения геометрических размеров ее видимого образа. В слу­чае отсутствия искусственных маяков робот может самостоятельно выполнить привязку своих координат, выделив в качестве естественных ориентиров ста­тичные элементы окружающей обстановки (высокое дерево, гора). Например, MP оснащенный бортовой СТЗ [177] использует алгоритм поиска неподвижных объектов (реперов) на изображении рабочей сцены на основе математического аппарата автокорреляционных функций.

В качестве маяков могут выступать визуальные ориентиры, тактильные мар­керы, радиомаяки, световые, ультразвуковые, инфракрасные маяки. Для навига­ции мобильных роботов в зоне их действий могут размещаться источники радио­сигналов, которые обрабатываются бортовым микропроцессором. Но так как ра­диомаяки располагаются в фиксированных точках некоторого маршрута, аппарат теряет возможность обходить препятствия или выбирать альтернативный путь движения. Если же сделать такую систему более гибкой и использовать радарные комплексы для определения координат попавших в зону их действия объектов, то будет теряться время (как правило, десятые доли секунды) на организацию запро­са бортовой системы робота к радарной станции и ожидание от последней ответа. Существуют решения на основе непрерывных радиометок - наземная аппаратура генерирует на большой площади сигнал с параметрами, меняющимися в зависи­мости от удаления от источника. Но они дороги и характеризуются невысокой на­дежностью в холмистой или городской местности, где сигнал начинает пропадать. Используются также генераторы ультразвуковых и инфракрасных сигналов. Од­нако эффективность и точность подобных устройств в значительной степени зави­сит от характеристик среды. Разработан вариант робота использующего в качестве маяка источники звука с определенной частотой [367].

Одним из универсальных визуальных искусственных ориентиров устойчи­вых к изменению формы в зависимости от точки съемки являются маяки сфе­рической формы. Поэтому разработка алгоритмов распознавания окружно­стей в случае искажения их контуров является актуальной задачей.

Движение по направлению, интегрирование пути и прицеливание при использовании оптического потока. При управлении движением и навигации MP в методах обработки видимого изображения все большее значение начинает приобретать использование оптического потока - наблюдаемого движения яр­костной картинки, которое соответствует полю движения мобильного объек­та [184, 333]. В MP оптический поток можно получать от двух боковых по ходу движения камер, от видеокамеры с коническим зеркалом или при использова­нии двух боковых полусфер поля зрения робота [270].

Исследования оптомоторных реакций пчел [355, 356] показали, что балан­сируя скоростями видимых двумя глазами изображений и поддерживая их по­стоянную среднюю скорость движения можно центрировать MP при движении по коридору, обходить препятствия, гарантируя замедление при прохождении узких мест, поддерживать при посадке воздушных MP постоянную скорость движения изображения поверхности при приближении к ней [386], что автома­тически гарантирует снижение скорости с уменьшением высоты и приближает ее к нулю при приземлении. [283]. Интегрированием кажущегося движения ви­зуальных картинок окружающей среды (оптического потока) [251 ] можно оп­ределять пройденный путь, причем этот метод устойчив к вариациям ветровой нагрузки и энергетического расхода. Экспериментальные апробирования этих навигационных поведений на MP [225, 237, 247, 342, 368] убедительно доказа­ли приведенные выше возможности.

1.5.2.