Наука и технологии России

Вход Регистрация

«Технические» глаза — удобные, легкие, дешевые

Учёные Центрального НИИ Робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК) разрабатывают компактный лазерно-телевизионный дальномер, позволяющий с высокой точностью и оперативностью определять расстояния до ближайших объектов. Главные преимущества разработки: универсальность и дешевизна прибора. Справка STRF:
В 2007-2008 годах учёные ЦНИИ РТК выполняли госконтракт по теме «Исследование методов повышения надежности стыковки космических аппаратов на базе уникального стенда «Испытательная установка для исследования сложных космических объектов в условиях имитации невесомости» (КИС РТК).
начальник лаборатории интегральной сенсорики ЦНИИ РТК Николай Грязнов Николай Грязнов: «Мы шли по пути минимизации, снижения энергетических затрат и удешевления лазерных дальномеров. Это будет очень дешёвый прибор: 300-350 долларов, зарубежные аналоги стоят сотни тысяч

Работы по созданию лазерной подсветки в институте начались около четырёх лет назад, проводились поисковые исследования, испытывались разные лазеры и телекамеры. В настоящее время учёные лаборатории интегральной сенсорики ЦНИИ РТК разрабатывают объектно-ориентированные методы технического зрения. Лазерно-телевизионный дальномер будет готов к концу этого года, его испытания запланированы на 2010-й год. Проект финансируется Федеральным агентством по науке и инновациям: в среднем по 3 миллиона рублей в год.

Потребность в разрабатываемых приборах трудно переоценить, поскольку они открывают возможности для появления новых классов мобильных роботов. Особенно это важно в тех сферах деятельности, где работа связана с опасностью для жизни или здоровья человека, например, при дорожном строительстве или проведении высотных монтажных операций, в прокатных станах и доменных печах для контроля безопасности процессов. Любые манипуляторы типа подъёмных кранов или крупногабаритные станки типа кузнечных прессов также повысят надёжность и безопасность своей работы при использовании оперативных сенсорных устройств.

Объёмы производства лазерно-телевизионных дальномеров через 5—10 лет эксперты оценивают в десятки тысяч приборов в год. Это тот объем рынка, о котором можно говорить всерьез.

Вместо глаза — камера и лазер

В отличие от зрения технического, человек воспринимает окружение не как поточечную картину, а как совокупность объектов, раскладывая информацию на понятные ему образы — стол, стена, дверь и т. д. Современные средства преобразования видеосигнала не позволяют производить автоматическое разделение воспринимаемой информации на объекты из-за высоких требований к объёму памяти и скоростям обработки. Но если использовать специальные устройства, например структурированную лазерную подсветку, то можно добиться именно такого восприятия.

«Структурированную подсветку классически используют для получения информации о дальности до предметов и их форме, — рассказывает начальник лаборатории интегральной сенсорики ЦНИИ РТК Николай Грязнов. — У человека зрение стереометрическое: одну и ту же точку пространства он видит одновременно под двумя разными углами. Анализируя изображение, полученное каждым глазом, мозг «достраивает» треугольник, по которому и определяет расстояние до точки (метод триангуляции — от лат. треугольник). В нашей системе вместо одного глаза используется телекамера, вместо другого — лазерная подсветка. Нам хорошо известно смещение — база этой стереометрической пары, а также угол, под которым падает луч генератора лазерной линии. Зная эти величины и определив третий угол с помощью телекамеры, можно вычислить расстояние до точки. Используя несколько генераторов линий на одном кадре можно получить почти полностью заполненное трёхмерное изображение».

Метод технического зрения на базе структурированной лазерной подсветки намного эффективнее, чем методы сканирования лазерных дальномеров, которые ко всему прочему дорогие, капризные и чувствительные к сложным внешним условиям

Метод технического зрения на базе структурированной лазерной подсветки намного эффективнее, чем методы сканирования существующих лазерных дальномеров, которые дороги, капризны и чувствительны к сложным внешним условиям, отмечает Николай Грязнов. Разрабатываемые в Институте робототехники устройства отличаются целым комплексом преимуществ.

Просто, надёжно, дёшево

Для космоса и любых мобильных систем важно, чтобы система сбора информации не загружала центральный процессор (мозг робота) лишней информацией. Структурированную подсветку учёные ЦНИИ РТК считают очень удобной, потому что она безопасна для зрения и не обнаруживается глазом (в инфракрасном свете множество линий не заметно). Другой важный фактор связан с массой системы: она должна быть лёгкой. Её размещают на мобильные средства, у которых полезной нагрузки хватает и без дополнительных устройств, поэтому тяжёлые «глаза» не очень удобны. Разрабатываемая в ЦНИИ РТК система будет весить меньше килограмма.

Стенд для исследования возможности структурированной лазерной подсветки На этом стенде учёные исследуют возможности структурированной лазерной подсветки

Ещё одно важное преимущество — малое энергопотребление. Лазерная подсветка используется только в момент экспозиции кадра, а в остальное время она будет выключена. Иными словами, реализуется идея импульсной подсветки. В результате, несмотря на высокую пиковую мощность, которая излучается лазерами, потребление в целом будет на низком уровне, равном потреблению миниатюрной телевизионной камеры.

«Ключевая идея, которая реализуется в нашем методе, заключается в том, чтобы разделить функции по сбору информации и её обработке, — отмечает Николай Грязнов. — Если процессор, который управляет системой и является по сути мозгом робототехнической системы, наделить ещё и функцией по обработке и анализу изображения, то он будет перегружен. Поэтому мы хотим интеллектуализировать саму измерительную систему, чтобы технические „глаза“ не только видели, но и предварительно обрабатывали информацию и выдавали центральному процессору по запросу только те сведения, которые ему нужны. Для сравнения: когда вы бежите и перепрыгиваете через барьер, вас в этот момент не интересует цвет этого барьера, вы оцениваете только его высоту. Здесь ситуация аналогичная: в зависимости от того, какую задачу решает процессор, он будет запрашивать только ту информацию, которая в данный момент необходима. Для этого мы принципиально хотим изменить отношение к восприятию изображения».

Если сравнивать систему ЦНИИ РТК со стереометрической парой двух камер, то она не проигрывает последней ни по цене, ни по энергеэффективности, зато выигрывает в однозначности решения. При рассмотрении одной и той же картинки при помощи двух разнесённых камер, сложно найти соответствующие друг другу точки на двух изображениях в случаях, когда изображение слабо контрастно (гладкая белая стена) или очень сильно текстурировано (например, трава). Поэтому приходится затрачивать ресурсы процессора измерительной системы, что затрудняет проведение измерений в реальном времени. А система со структурированной подсветкой за счёт однозначности своих ответов в данном случае существенно выигрывает.

Учёные планируют строить систему на лазерных диодах — дешёвых, компактных и серийно выпускаемых. «Мы шли по пути минимизации, снижения энергетических затрат и удешевления, — подчёркивает Николай Грязнов. — Дешевизна конструкции абсолютная, цена компонентов — копеечная, и в этом одно из главных преимуществ. Сделанная нами система подсветки будет стоить, если говорить о комплектующих, в районе 150 долларов, а с учётом труда разработчиков — 300—350 долларов. Это будет очень дешёвый прибор (зарубежные лазерные сканирующие дальномеры стоят сотни тысяч)». Для космоса и любых мобильных систем важно, чтобы система сбора информации не загружала центральный процессор (мозг робота) лишней информацией. Поэтому учёные ЦНИИ РТК хотят, чтобы технические «глаза» не только видели, но и предварительно обрабатывали информацию, выдавая по запросу процессора только те сведения, которые ему нужны

Космическая точность

Данная аппаратура, использующая методы структурированной лазерной подсветки, пригодна для решения задач космического характера. Первые испытания в этом направлении проводились в 2007—2008 годах, когда учёные разрабатывали лазерно-телевизионную систему для стыковки космических объектов. Современные системы базируются на радиочастотных способах, которые хорошо работают на больших расстояниях — километр, несколько сот метров, а в пределах десяти метров перестают функционировать. Когда сближаются два космических аппарата, в ближней зоне зачастую приходится достыковывать их практически вручную.

Созданная в ЦНИИ РТК система работает на расстоянии от 15—20 метров до единиц сантиметров. Погрешность метода триангуляции меняется с расстоянием: чем ближе — тем точнее. Однако в данном случае не так важно знать дистанцию с точностью до 10 метров на километре, сколько до сантиметра на метрах. Во время стыковки надо рассчитать скорость так, чтобы она была как можно ближе к нулю. Чем точнее известна скорость, тем точнее можно рассчитать режим сближения, тем меньше будет скорость в момент соприкосновения и слабее столкновение. В космосе, когда аппараты стыкуются, происходит жёсткий удар, приводящий к сбоям, а подчас и к неисправностям.

«Испытательная установка для исследования сложных космических объектов в условиях имитации невесомости» Проект по стыковке космических аппаратов проводился на базе уникального стенда института «Испытательная установка для исследования сложных космических объектов в условиях имитации невесомости»

Разрабатываемый дальномер можно будет использовать для трёхмерных измерений различных крупногабаритных конструкций в космосе. «Это весьма актуальная задача, — отмечает Николай Грязнов. — Поскольку практически всё, что можно было делать на Земле и выводить в космос, уже сделали, а средства доставки ограничены габаритами обтекателя ракеты-носителя: вывести туда что-то очень крупное проблематично. Такие конструкции приходится собирать прямо в космосе, а для этого требуется вооружать роботов-сборщиков средствами измерения. Разработанная нами система идеально подходит для решения этой задачи».

Николай Грязнов напоминает о проблеме, с которой столкнулись в Центре управления полётами в октябре 2006 года, когда одна из антенн системы «Курс» то ли не сложилась, то ли датчик не сработал. И специалисты на Земле гадали: стыковать корабли или нет: если бы антенна оказалась в зоне стыковки, то не удалось бы успешно завершить операцию. Прошло 18 часов, прежде чем решили попробовать, и получилось удачно, оказалось — датчик неисправен. Работа фактически шла вслепую. Метод же структурированной лазерной подсветки позволяет определить наличие посторонних предметов в зоне стыковки. То есть в данном случае вопрос касается безопасности и надёжности.

Преимущество метода технического зрения заключается в том, что оно не зависит от наличия внешней освещённости. В космосе очень контрастное изображение, там нет рассеивающей атмосферы, поэтому то, что освещеноа Солнцем, видно слишком ярко, а то, что в тени, не видно совсем.

«Мы можем избавиться от лишнего света, — комментирует Николай Грязнов. — Солнце в данном случае является помехой, поэтому нужно использовать фильтры, которые будут пропускать излучение только нашей подсветки. Эта когерентная подсветка — узкоспектральная, поэтому позволяет „отстроиться“ от солнечного света».

Готовим в серию

Лазерно-телевизионный дальномер должен быть готов в конце этого — начале следующего года. Практические испытания на мобильных системах планируется провести в 2010 году. И здесь потребуется не разработка, она уже проведена, а доведение конструкторами системы в целом до стадии её практического использования. Надо будет решать возникающие по ходу проблемы, что-то улучшать. Кроме того, потребуется работа электронщиков, которые будут формировать импульсы, менять освещённость по команде центрального процессора.

Систему планируется испытать на одной из мобильных технических систем, производимых в Институте робототехники. Следующим этапом станет опытно-конструкторская разработка серийных образцов системы, проведение испытаний и внедрение в производство.

Разрабатываемый в ЦНИИ РТК дальномер можно будет использовать для трёхмерных измерений крупногабаритных конструкций в космосе. Это актуальная задача, поскольку средства доставки ограничены габаритами обтекателя ракеты-носителя. Такие конструкции приходится собирать прямо в космосе, а для этого требуется вооружать роботов средствами измерения

Эту задачу, как отмечает Николай Грязнов, ни один институт не в состоянии решить самостоятельно. Он может выпустить малую партию (для этого в ЦНИИ РТК имеется опытное производство). Чтобы запустить серийную продукцию, необходимо организовать кооперацию с промышленной компанией, ориентированной на ее выпуск. Проще всего это осуществить в тесном взаимодействии с малым предприятием, обладающим высокими темпами перестройки производственных циклов.

И все же, если для манипуляционных роботов и систем контроля разрабатываемые активные системы технического зрения являются желательными, то для мобильных автономных систем насущно необходимыми. Недостаточная сенсорная вооруженность является на сегодняшний день одним из главных сдерживающих факторов интеллектуализации транспортных средств. Работа сотрудников Института робототехники и технической кибернетики нацелена на решение этой крайне актуальной задачи.

РЕЙТИНГ

5.00
голосов: 1

Галереи

ЦНИИРТК

Санкт-Петербургский институт робототехники и технической кибернетики. 14 мая 2009 года

9 фото

Обсуждение