Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Информационно-измерительные системы

Диссертационная работа:

Лучанский Олег Алексеевич. Системы технического зрения мобильных колесных роботов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.16 Тула, 2007 169 с., Библиогр.: с. 157-167 РГБ ОД, 61:07-5/4818

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ,

РАСПОЛОЖЕННЫЕ НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ 13

  1. Введение 13

  2. Классификация систем, расположенных на подвижном

основании 14

  1. Кинематическая схема объекта исследования 20

  2. Воздействие дороги 26

  3. Формирование модели изображения окружающей среды в МКР 34

  4. Методы исследования СТЗ МКР 42

  5. Выводы 45

ГЛАВА 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ СТЗ 47

  1. Введение 47

  2. Движение трехколесного робота 49

  1. Кинематика трехколесного МКР 49

  2. Динамика МКР с амортизацией и демпфированием 52

  3. Робот с амортизацией без демпфирования 5 8

2.2. Движение многоопорного робота 60

  1. Линейные колебания платформы МКР 61

  2. Линейные колебания платформы МКР без демпфирования 64

  3. Продольно-угловые колебания платформы 66

  4. Поперечно-угловые колебания платформы 69

  1. Продольное движение МКР 72

  2. Оценка параметров движения, влияющих на качество

изображения 76
2.4.1.Качественный анализ колебаний платформы МКР

с установленной СТЗ 76

# 2.4.2. Оценка параметров движения трехколесного робота 81

2.4.3. Оценка параметров движения многоопорного МКР 82

2.5. Выводы 83

ГЛАВА 3. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ЧАСТОТНЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЗ И ВЛИЯНИЕ НА НИХ КОЛЕБАНИЙ

РОБОТА 85

  1. Введение 85

  2. Формирование плоского изображения сцены 87 щ 3.2. Отображение границы изображения и фона 90

3.2Л. Распространение оптического сигнала в дисперсной среде 90

3.2.2. Пространственные частотные искажения сигнала,

вносимые объективом 95

3.3. Фоточувствительный прибор с зарядовой связью 98

  1. Структура ФПЗС 98

  2. Передаточная функция оптоэлектронного преобразователя

как дискретизатора оптического сигнала 104

  1. Математическая модель накопления заряда в ячейке ФПЗС 106

  2. Работа ячейки при подвижном изображении 107 щ 3.3.5. Суммарная пространственная передаточная функция

элементарной фоточувствительной ячейки ФПЗС 109

  1. Процесс переноса зарядов 111

  2. Усиление видеосигнала 111

  1. Полная пространственно-частотная характеристика СТЗ МКР 113

  2. Выводы 115

ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТЗ МКР 117

  1. Введение 117

  2. Методика определения дорожных условий движения МКР 118 4.1.1. Определение продольных воздействий дороги

на линейные и угловые колебания МКР 118

4.1.2. Определение воздействия дороги

на поперечные угловые колебания МКР 121

4.1.3. Характеристики микронеровностей 124

4.2. Связь параметров СТЗ с параметрами движения 125

  1. Основные геометрические соотношения в СТЗ 125

  2. Условия наблюдения точки при линейных

вертикальных колебаниях 127

4.2.3. Условия наблюдения точки при угловых

продольных колебаниях 128

4.2.4. Условия наблюдения точки при угловых

поперечных колебаниях 129

  1. Условия наблюдения точки при маневрах по углу курса 130

  2. Условия наблюдения точки при продольном движении МКР 131

4.3. Демпфирование воздействий на СТЗ 132

4.3.1. Аппроксимация структурной схемы демпфирования

линейных колебаний 132

4.3.2. Аппроксимация структурной схемы демпфирования

угловых колебаний 134

  1. Анализ демпфера СТЗ с упрощенной структурой 137

  2. Синтез демпфера СТЗ по упрощенной структуре 139

4.4. Общая методика проектирования демпферов СТЗ 140

  1. Конструкции демпферов 140

  2. Методика проектирования СТЗ МКР 145

  3. Результаты проектирования 147

4.5. Выводы 152

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 157

ПРИЛОЖЕНИЕ 168

Введение к работе:

Актуальность темы. Одной из важных сфер применения мобильных колесных роботов (МКР) является сбор информации, осуществляемый в различных областях человеческой деятельности: в области экологического мониторинга, предотвращения чрезвычайных ситуаций, разведки, и т.п. [20, 47, 65, 115, 124]. Наибольший объем информации, как правило, содержится в видеосигнале [1, 64], что предполагает оснащение МКР системами технического зрения (СТЗ), а также хранения/передачи изображений для дальнейшего использо-

Ф вания по назначению.

Особенно ценные качества МКР, оснащенных СТЗ, проявляются при форс-мажорных обстоятельствах, вызванных пожарами, техногенными авариями, природными катастрофами, террористическими актами, т.е. в тех случаях, когда срочно требуется релевантная видеоинформация, а возможности доступа человека к месту форс-мажора существенно ограничены. Вследствие того, что возможности пребывания робота в месте сбора информации в ряде случаев также ограничены, а ценность полученных изображений сцены весьма велика, возникает проблема автоматической видеосъемки в движении.

Процесс получения изображений с помощью СТЗ, расположенных на

щ подвижном носителе затруднен, что связано как с механическими колебаниями СТЗ во время съемки, так и с конечным временем формирования электронного образа сцены в телекамере, входящей в состав СТЗ [48]. Явление искажения изображений, формируемых с помощью подвижных телекамер, получило название «смаз» и известно еще со времен аэрофотосъемки, проблемы которой во многом схожи с теми, что возникают в МКР с установленными телекамерами [3,10,11,15,50,51,85,98,100,125].

Общепринятым методом борьбы со «смазом» изображения является пространственная гиростабилизация СТЗ или линии визирования [10,11,15,16,24, 33,42,90,98,101,117,125]. Однако стоимость подобных систем весьма велика и приближается к стоимости самого МКР. В то же время, условия функциони-

рования информационно-измерительных видеосистем, установленных на подвижных наземных объектах, существенно отличаются от условий работы оборудования, установленного на воздушных и морских транспортных средствах, прежде всего по характеру механических воздействий на СТЗ, что создает предпосылки стабилизации линии визирования с помощью более простых и дешевых средств.

Однако, задача создания специализированных СТЗ со стабилизированной линией визирования, устанавливаемых на подвижные наземные объекты, решена далеко не полностью, в частности, не исследована проблема связи меха-

щ нических характеристик МКР и характеристик дорог, по которым он перемещается, с параметрами оптической системы и фотоэлектронного преобразователя, и в конечном счете, совокупное влияние указанных факторов на качество формируемого информационно-измерительной видеосистемой изображения. Кроме того, достаточно слабо разработаны методы учета этих факторов при проектировании СТЗ МКР. Все это делает задачу исследования информационно-измерительных систем технического зрения мобильных колесных роботов и разработки методов их проектирования весьма актуальной.

Таким образом, объектом исследования диссертационной работы является система технического зрения на основе матричного фоточувствительного

ф прибора с зарядоюй связью (ФПЗС), установленная на мобильном колесном роботе, осуществляющая получение измерительной видеоинформации в процессе движения робота по дороге, имеющей микронеровности.

Предметом исследования диссертационной работы являются методы проектирования демпфированных СТЗ МКР, основанные на учете параметров дороги как случайного воздействующего фактора, колесной базы робота как механического фильтра, элементов оптической системы как оптических фильтров и матричного ФПЗС, как оптико-механического фильтра, на качество формируемого подобной информационно-измерительной системой изображения.

Общей теорией создания подобных систем занимались отечественные ученые А.А. Бабаев, Г.Н. Грязин, В.В.Еремеев, В.К.Злобин, Ю.А. Козлов,

Г.ШСатыс, Ф.П. Пресс, ВЛ. Распопов, А.А. Силаев и зарубежные ученые Р.Гонсалес, АЛапулис, У.Прэтт и др. В известных работах по предмету исследования проведен анализ дорог как воздействующих факторов на перемещающиеся по ним транспортные средства, а также оптических систем и фотоэлектронных преобразователей как оптических фильтров.

Ниже предлагается общий подход к моделированию СТЗ МКР, который опирается на аналитические методы математического моделирования механических и оптических узлов, а также фотоэлектронных преобразователей. Математическое описание объекта исследования было разработано с применением ф теоретической механики, проекционной оптики, а спектральной и пространственно-спектральной теории сигналов, случайное воздействие дороги исследовано с применением теории случайных процессов.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов проектирования информационно-измерительных систем технического зрения, установленных на мобильных колесных роботах.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи.

1. Разработка общей математической модели движения МКР в простран
стве, определение основных факторов, воздействующих на СТЗ в процессе

щ движения, в частности рельефа, влияющего на условия работы силовой установки, трансмиссии и т.п., и микронеровностей, влияющих на качество сформированного СТЗ изображения во время движения.

  1. Разработка математической модели проецирования изображения трехмерной сцены на плоскость расположения фоточувствительных элементов матричного ФПЗС с помощью линейной оптики, установление связи между пространственными координатами объектов наблюдаемой сцены и координатами проекции этих объектов на плоскость.

  2. Установление связи между линейными и угловыми скоростями движения СТЗ в пространстве и скоростью перемещения проекции точки на плоскость расположения фоточувствительных элементов матричного ФПЗС.

  1. Анализ процесса формирования электронной модели изображения в матричном ФПЗС и выявление факторов, которые оказывают влияние на качество сформированной модели изображения.

  2. Разработка дифференциальных уравнений, описывающих механические колебания платформы МКР с установленной СТЗ в пространстве.

  3. Получение из разработанных дифференциальных уравнений передаточных функций МКР как механического фильтра, осуществляющего преобразование во время движения пространственного сигнала микронеровностей дороги во временные сигналы колебаний линии визирования СТЗ по линейной вертикальной, продольной угловой и поперечной угловой координатам, а также фильтрацию указанных сигналов.

  1. Проведение качественного анализа спектральной плотности колебания линии визирования по линейной вертикальной, продольной угловой и поперечной угловой координатам на разных скоростях движения МКР, и выделение характерных частот колебаний по каждой координате для определения предельных скоростей движения СТЗ относительно наблюдаемых неподвижных объектов.

  2. Получение передаточных функций основных элементов оптической системы: среды распространения света, объектива и ФПЗС как статических оптических фильтров, оказывающих влияние на качество формируемой модели изображения.

  3. Получение передаточной функции ФПЗС как динамического оптического фильтра, оказывающего влияние на качество формируемого изображения при движении СТЗ относительно объекта во время накопления заряда в ФПЗС.

10. Установление математических зависимостей, определяющих связи
между параметрами движения СТЗ относительно наблюдаемого объекта и раз
мерами динамической апертуры фоточувствительного элемента матричного
ФПЗС.

  1. Разработка кинематических схем и передаточных функций демпферов, позволяющих обеспечить неподвижность оптической линии визирования СТЗ в пространстве с заданной точностью.

  2. Разработка практических методик проектирования СТЗ МКР, учитывающих особенности дорог, конструкции робота и параметры ФПЗС.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

  1. Разработан метод определения передаточных функций МКР как механического фильтра осуществляющего преобразование во время движения случайного пространственного сигнала микронеровностей дороги во временные сигналы колебаний линии визирования СТЗ по линейной вертикальной, продольной угловой и поперечной угловой координатам, а также фильтрацию указанных сигналов.

  2. Разработан метод учета воздействия дороги и механики МКР на качество сформированных СТЗ изображений во время движения, основанной на построении спектральных плотностей колебаний по каждой координате, выделении характерных частот и определении предельных скоростей движения по каждой координате на основании преобразования гармонического сигнала на характерных частотах передаточными функциями МКР.

  3. Получена пространственно-частотная характеристика СТЗ с учетом динамической апертуры фотоэлемента матричного ФПЗС, формируемой при движении СТЗ относительно наблюдаемого объекта, а также расчетные зависимости, устанавливающие связь параметров движения СТЗ с размерами динамической апертуры.

  4. Даны рекомендации по выбору параметров демпферов, включаемых в состав СТЗ, обеспечивающих подавление колебаний линии визирования с заданным коэффициентом.

  5. Разработана методика проектирования СТЗ МКР, учитывающих особенности дорог, конструкции робота и параметры ФПЗС.

Практическая ценность работы заключается в том, что методы и средства стабилизации линии визирования, исследованные в диссертации, ори-

ентированы на проектирование практических СТЗ МКР и позволяют достаточно простыми средствами обеспечивать требуемое качество изображения при определенных техническим заданием параметрах движения роботов, что, в свою очередь, позволяет снизить стоимость и повысить эксплуатационную надежность систем в целом.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным применением аналитических моделей механических систем, оптических систем и оптоэлектронного преобразователя, а также экспериментальными исследованиями информационно-измерительной системы на основе CIM-

% устройства.

Научные положения, выносимые на защиту.

  1. Метод определения передаточных функций МКР как механического фильтра случайного пространственного сигнала микронеровностей дороги.

  2. Метод учета воздействия дороги и механики МКР на качество сформированных СТЗ изображений.

  3. Расчетные зависимости определения пространственно-частотной характеристика СТЗ с учетом динамической апертуры ФПЗС, формируемой при движении СТЗ относительно наблюдаемого объекта.

4. Рекомендации по выбору параметров демпферов, включаемых в состав
1 СТЗ, обеспечивающих подавление колебаний линии визирования с заданным

коэффициентом.

5. Методика проектирования СТЗ МКР, учитывающих особенности до
рог, конструкции робота и параметры ФПЗС.

Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы и методики реализованы автором в процессе выполнения НИОКР проведенных на базе войсковой части №10555.

Результаты внедрены в учебный процесс на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Тульский государственный универ-

ситет" при преподавании следующих дисциплин: «Спецглавы математики», «Основы робототехники», «Основы информационных устройств роботов», «Основы технического зрения и цифровой обработки изображений».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.

1. Научно-техническая конференция, посвященная 50-летию кафедры
систем автоматического управления ТулГУ. - Тула: ТулГУ, 2006.

  1. III Общероссийская научно-практическая конференция «Современные информационные технологии, методы и средства создания и использования единого российского страхового фонда документации». - Тула: ФГУП «НИИ репрографии», 2006.

  2. Всероссийская научно-техническая конференция СУЭТО-4. «Системы управления электротехническими объектами». - Тула: ТулГУ, 2007.

  3. XXV Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула: ТулГУ, 2007.

  4. X Научно-практическая конференция Тульского артиллерийского инженерного инстиута. - Тула: ТАИИ, 2007.

7. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ - 2005,2006,2007 гг.

По теме диссертации опубликовано 11 статей, включенных в список литературы, в том числе: 8 материалов докладов на всероссийских конференциях, 2 статьи опубликованы в сборнике, рекомендованном ВАК РФ.

Краткое содержание работы

В первой главе дана классификация СТЗ, расположенных на подвижном основании, определено место в этой классификации СТЗ МКР, построены математические модели самого общего вида, описывающие механическое воздействие дороги на МКР, движение СТЗ, установленной на подвижную платформу МКР в пространстве, формирование факсимильной цифровой модели изображения трехмерной сцены; завершается глава выбором метода исследования и постановкой задачи на исследование.

Вторая глава посвящена разработке методов оценки параметров перемещения линии визирования в пространстве, при этом разработаны математические модели и передаточные функции, описывающие колебания МКР по вертикальной линейной, продольной и поперечной угловым координатам, проведен качественный анализ спектральных характеристик колебания при случайном воздействии дороги и получены выражения для максимальных скоростей перемещения линии визирования по соответствующим координатам в пространстве.

В третьей главе получены основные соотношения, связывающие пространственное движение платформы с установленной СТЗ с изображением, формируемым объективом на плоскости расположения фоточувствительных элементов ФПЗС, получены пространственные импульсные отклики и пространственные передаточные функции среды распространения света, объектива и матричного ФПЗС для неподвижного изображения, а также пространственная передаточная функция ФПЗС для изображения, перемещающегося относительно входной апертуры фоточувствительного элемента в момент накопления заряда, показана связь динамической апертуры со скоростью движения ФПЗС относительно изображения и временем накопления заряда.

В четвертой главе получены зависимости, определяющие «смаз» изображения при известных колебаниях платформы относительно сцены, проведен анализ типового демпфера и получены условия, обеспечивающие оптимальное подавление колебаний на заданных частотах; предложены две конструкции демпферов, которые могут быть применены в СТЗ МКР, а также разработана общая методика проектирования демпфированных СТЗ МКР.

В заключении сделаны выводы по работе в целом.

Подобные работы
Тихонравов Александр Владимирович
Разработка информационно-измерительных и управляющих систем координатно-измерительных машин и измерительных роботов
Жеребятьев Константин Викторович
Информационно-измерительная система для определения параметров калибровки манипуляторов универсальных промышленных роботов
Ставров Сергей Геннадьевич
Информационно-измерительная система контроля состояния пузырькового парожидкостного потока методом технического зрения
Кузьмин Сергей Алексендрович
Организация вычислительного процесса обработки изображений в системе технического зрения робота на базе микроЭВМ
Баранов Дмитрий Николаевич
Разработка интеллектуальной системы управления мобильными роботами на основе следящей системы технического зрения и нечёткой логики
Матвеенко Владимир Иванович
Система технического зрения на основе ПЭС телекамеры и микро-ЭВМ "Электроника-60М" для очувствления промышленных роботов
Таржанов Иван Владимирович
Повышение точности позиционирования манипуляционной системы робота путем уменьшения ускорений второго порядка
Кузьмин Дмитрий Васильевич
Автоматизация вывода уравнений динамики исполнительных систем роботов на основе метода связных графов
Ифанов Андрей Владимирович
Структура и управление манипуляционных систем технологических роботов при лазерной резке объемных объектов
Писаренко Сергей Николаевич
Разработка и исследование экстраполирующих сетей нейропроцессорных систем управления мобильных роботов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net