Информационно-измерительная система

Структура информационно-измерительной системы интеллектуального мобильного робота RAD

Для этого случая структурная схема информационно-измерительной системы интеллектуального мобильного робота (ИМР) представлена на рисунке.

Информационно-измерительная система состоит из двух основных частей: система технического зрения (СТЗ) и система обобщения сенсорной информации.

СТЗ включает в свой состав блок "ввод изображения", блок "Предварительная обработка", блок "обнаружение образов", блок "Обнаружения препятствий" и блок "Визуальная обратная связь". В состав системы обобщения сенсорной информации входят "кинематическая и динамическая модель робота", "Блок сравнения", "Блок формирования целевой точки" и "Блок формирования карты местности".

Система технического зрения

Блок "Ввод видеоизображения" обеспечивает последовательный захват кадров из телевизионного сигнала.

При ограниченных вычислительных ресурсах важно, во-первых, выбрать минимальный допустимый размер видеоизображения в пикселях, а во-вторых, для его хранения в памяти организовать структуру данных, которая бы обеспечивала максимально быстрый доступ к пикселям.

При этом следует выполнять следующие требования (эти требования носят эвристический характер и сформулированы на основе опыта автора):

1. Для хранения видеоизображения необходимо использовать одномерный однобайтовый массив данных, в формате 256 оттенков серого. Массив имеет размерность WxH (W - длина изображения [пикс.]; H - высота изображения [пикс.]).
2. Для доступа к группе последовательных пикселей изображения следует избегать операций вычисления эффективного адреса каждого пикселя, заданного координатами x, y. (в двухмерных массивах эта операция производится в неявном виде при обращении к элементу массива). Вместо этого необходимо один раз сформировать переменную-указатель на какой-либо базовый пиксель изображения (обычно на пиксель 0:0), а затем использовать операторы увеличения или уменьшения переменной-указателя. В этом случае скорость доступа к ячейке памяти можно повысить с 18 до 5 машинных тактов (для процессоров 80x86).

Видеоизображение, захватываемое с камеры, может обладать цифровыми и аналоговыми шумами, а также подвержено искажениям, связанным с аберрацией объекта телекамеры. Эти негативные особенности видеоизображения проявляются тем больше, чем меньше массогабаритные характеристики телекамеры.

Для устранения аберрации обычно используют объективы со сложной оптической системой. Применение таких объективов для мини-роботов не всегда возможно из-за их массогабаритных характеристик. Поэтому для устранения этих аберрации целесообразно использовать специальное алгоритмическое обеспечение, которое реализуется в блоке "Предварительная обработка".

В процессе предварительной подготовки над видеоизображением производятся следующие операции:

• преобразование цветного изображения из формата RGB24 в черно-белое в формат Grayscale8 (подробнее...);
• цифровая коррекция аберрации объектива телекамеры (подробнее...);
• фильтрация видеоизображения (подробнее...).

Отметим, что решать этих задачи необходимо в реальном времени при наличии ограничений на вычислительные ресурсы.

Видеоизображение, полученное после предобработки, анализируется тремя независимыми блоками: блоком "обнаружение препятствий", блоком "визуальная обратная связь" и блоком "распознавание образов".

Блок "Обнаружения препятствий" решает задачу обнаружения и определения удаленности препятствий в видимой с бортовой телекамеры зоне. На выходе этого блока формируется локальная карта местности видимой зоны. Эти данные передаются в "блок формирования карты местности", где дополняются данными о расположении препятствий в невидимой зоне.

В мини-роботах задача обнаружения и определения удаленности препятствий должна решаться в реальном времени при ограниченных вычислительных ресурсах. Поэтому, с одной стороны, необходимо использовать быстродействующий алгоритм определения расстояния, способный работать в реальных условиях эксплуатации робота, а с другой стороны, необходима оптимальная организация структуры данных о расположения препятствий, которая бы обеспечивала требуемое быстродействие.

Блок "Визуальная обратная связь" решает задачу восстановления параметров движения наблюдателя, которые используются для формирования данных о параметрах движения ИМР.

Блок "Распознавание образов" обнаруживает на видеоизображении определенные объекты среды, распознает их и решает задачу слежения за заданным объектом. При решении задачи слежения за объектом блок формирует координаты объекта на рабочей сцене.

Рассмотрим специфику алгоритмов распознавания образов, применительно к задачам управления интеллектуальным мобильным роботом.

Во-первых, для повышения быстродействия данных алгоритмов нет необходимости на каждом такте расчета производить процедуру распознавания абсолютно всех образов, находящихся на видеоизображении. Достаточно реализовать процесс распознавания только одного образа, заданного каким-либо идентификатором (например, числовым).

Во-вторых, задача распознавания образов может подразделяться на две подзадачи:

• определение числа экземпляров заданного образа на видеоизображении.
• слежение за одним из экземпляров заданного образа.

В третьих, необходимо организовать процесс обучения новым образам и корректировки данных об уже обученных образах.

Решение этих задач требует, чтобы блок "распознавание образов" находился в тесном взаимодействии с системой управления поведением, которая должна не только получать информацию об обнаруженных объектах, но и с помощью специальных команд задавать различные режимы его работы (например, задавать идентификатор образа для слежения). Поэтому, кроме задачи непосредственного распознавания, необходимо решать обозначенный спектр смежных задач.

Система обобщения сенсорной информации

Блок "Кинематическая и динамическая модель ИМР" моделирует динамические процессы, проходящие в исполнительных элементах робота, и формирует на выходе параметры его эталонной модели.

"Блок сравнения" сравнивает параметры движения робота, получаемые от блока "визуальная обратная связь", с параметрами эталонной модели. По результатам этого сравнения блок выбирает и формирует на своем выходе наиболее достоверную информацию, которая используются многими подсистемами.

"Блок формирования локальной карты местности" решает задачу формирования цифровой карты местности на основе данных о расположении препятствий в видимой зоне. Для решения этой задачи необходима информация о параметрах движения робота. При реализации этих алгоритмов для интеллектуального мобильного мини-робота важно обеспечить их быстродействие.

На выходе данного блока формируются данные о локальной карте местности, которые используется системой управления движением ИМР. Кроме того, текущую локальную карту местности целесообразно отображать на панели управления роботом.

"Блок формирования целевой точки" решает задачу слежения за координатами целевой точки в системе координат робота. Целевая точка определяет те целевые координаты, в которые необходимо прибыть мобильному роботу. Для решения этой задачи используются данные о параметрах движения робота.

Текущая целевая точка может быть назначена двумя способами: оператором или системой управления поведением.