Методические основы создания тяжелых роботизированных комплексов специального назначения

This paper describes problems of machine vision system design andpossible ways of theirsolution, contains comparative analysis of video information compression methods, machine vision software development and debugadvices, preliminary design results.

Key words: machine vision, videostream, compression, codec, digital signal processor, visualization, QNX, ffmpeg, x264.

Barhotkin Vyacheslav Alexandrovich, doctor of technical sciences, deputy director, bva@miee.ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University "MIET",

Rudenko Pavel Alekseevich, postgraduate, rudenko.pavel.a@gmail.com, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University,

Tugay Nikolay Aleksandrovich, engineer, rudenko.pavel. a @gmail. com, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University,

Terentev Aleksey Igorevich, candidate of technical science, senior researcher, terentev@olvs.miee.ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University

УДК 623.4.01

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ РОБОТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

С.Б. Симонов, В.Ф. Петров, Д.Н. Корольков, В.В. Беляев

Рассмотрены вопросы создания роботизированных дистанционно-управляемых машин специального назначения на базе существующих экипажных образцов бронетанковой техники. Предложена методика построения роботизированных безэкипажных объектов бронетанковой техники. Рассмотрен опыт создания системы дистанционного управления для тяжёлого роботизированного комплекса пожаротушения и спасательных робот.

Ключевые слова: система дистанционного управления, роботизация, безэкипажная машина, бронетанковая техника, специальная техника, пожарная машина.

Создание тяжелых роботов специального назначения возможно путём роботизации существующих экипажных образцов бронетанковой техники (БТТ). Для этого экипажный образец оснащается комплектом специализированной аппаратуры, которая вместе с пультом оператора образует систему безэкипажного управления (СБУ) и обеспечивает дистанционное или программное решение задач образцом БТТ.

Разработанный таким способом роботизированный комплекс имеет целый ряд преимуществ по сравнению со специализированными мобиль-

237

ными роботами:

- достигается сокращение времени и стоимости создания робота, так как за основу берётся готовый образец БТТ и аппаратура СБУ унифицирована для ряда базовых шасси;

- роботизированный комплекс может управляться как в экипажном режиме (штатный режим управления), так и в безэкипажных режимах дистанционного или программного управления;

- роботизированный комплекс внешне мало отличим от экипажного нероботизированного образца, что расширяет тактические возможности его применения.

Роботизация образцов БТТ позволяет не только переводить их в класс дистанционно-управляемых безэкипажных машин, но и создавать новые специализированные роботизированные комплексы с новыми функциональными возможностями [1]. Примером такого технического решения является специальная пожарная машина

Специальная пожарная машина предназначена для тушения пожаров и аварийно-спасательных работ на арсеналах, складах и базах хранения взрывоопасных веществ, расчистки проходов к очагам пожаров, прокладки противопожарных полос при лесных пожарах. Машина разработана на основе узлов и агрегатов танков Т-80 и Т-72 и имеет уникальные характеристики. СПМ имеет запас хода 250 км и позволяет подавать огнегасящую жидкость на расстояние 100 метров с производительностью 100 литров в секунду. Полная снаряженная масса машины с бронезащитой составляет 60 тонн, включая 25 тонн огнегасящего состава.

Оснащение СПМ системой безэкипажного управления позволило в короткие сроки преобразовать её в роботизированный комплекс пожаротушения, который позволяет решать возложенные на СПМ задачи в безэкипажном режиме. Оператор управляет машиной с помощью пульта дистанционного управления, находясь на расстоянии до 3 км от машины (рис 1, б).

Система безэкипажного управления для СПМ разработана в соответствии с предлагаемой методикой, которая включает в себя 4 этапа.

На первом этапе определяется круг решаемых объектом БТТ задач в безэкипажном режиме управления. Проводиться декомпозиция каждой задачи на элементарные управляющие воздействия (операции), такие как «нажатие педали тормоза», «замыкание цепи» и др.

В СПМ общими задачами являются: управление движением, управление отвалом, управление лафетным стволом, управление задвижками и насосом подачи воды. Автоматизированное выполнение этих операций достигается управлением имеющимися или дополнительно устанавливае-

мыми исполнительными механизмами - электромагнитными клапанами, гидро- и электроприводами; а так же формированием и коммутацией управляющих сигналов в электрических цепях штатного оборудования БТТ.

а б

Рис. 1. Роботизированный комплекс пожаротушения: а - специальная пожарная машина; б - пульт дистанционного управления

Далее уточняются параметры объекта БТТ, которые контролируются оператором или системой безэкипажного управления в ходе выполнения задач. Проведенный анализ позволяет определить номенклатуру управляющих сигналов, состав исполнительных механизмов и датчиков, перечень измеряемых сигналов для формирования данных телеметрии.

Затем формулируются требования к системе технического зрения, достаточные для обеспечения управления по телевизионному сигналу. Уточняется количество видеокамер и других источников технического зрения, их размещение на объекте БТТ, требования к техническим характеристикам, количество одновременно обрабатываемых видеосигналов. Проведенный анализ позволяет определить характеристики видеопотоков, сформулировать требования к системе видеообработки и пропускной способности радиоканалов связи.

Система технического зрения СПМ включает в себя 5 видеокамер, предназначенных для кругового обзора местности при движении в режиме дистанционного управления.

На втором этапе проводится разработка структурной схемы системы безэкипажного управления объекта БТТ. На основе анализа, проведенного на первом этапе, определяется состав аппаратуры СБУ, требова-

ния к отдельным её блокам, интерфейсам связи между ними.

Также на втором этапе определяются габаритные размеры блоков, их расположение в БТТ; формулируются требования к пульту управления.

В структурной схеме системы безэкипажного управления объектом БТТ можно выделить следующие компоненты:

- исполнительные механизмы;

- аппаратура управления исполнительного уровня - отвечает за программное (по электронным сигналам) исполнение элементарных операций, а так же за контроль состояния отдельных подсистем БТТ;

- аппаратура, обеспечивающая автономное решение отдельных задач (интеллектуальный уровень);

- аппаратура, обеспечивающая информационное взаимодействие между отдельными вычислительными блоками и связь между пунктом управления и объектом БТТ (коммуникационный уровень);

- аппаратура системы технического зрения и навигации (информационный уровень);

- аппаратура, обеспечивающая человеко-машинный интерфейс управления безэкипажным объектом БТТ;

- аппаратура энергообеспечения.

Разработанная для СПМ структурная схема СБУ приведена на рис. 2. В частном случае, некоторые вычислители могут решать задачи аппаратуры различных уровней, например, блок обработки информации в РТК МС решает одновременно задачи информационного и коммуникационного уровня.

На третьем этапе в соответствии со структурной схемой разрабатываются специализированные вычислительные блоки, информационное, алгоритмическое и программное обеспечение.

Программно-алгоритмическое обеспечение СБУ рассредоточено в многомашинной распределенной вычислительной сети с динамически изменяемыми характеристиками радиоканалов связи, поэтому общесистемной задачей для его построения является организация информационного обмена в структуре роботизированного комплекса. В процессе информационного обмена необходимо обеспечить адаптивную передачу информации в соответствии с техническими особенностями аппаратуры передачи данных, текущей пропускной способностью основного и резервного (при наличии) радиоканалов связи и приоритетами информационных потоков.

Для решения коммуникационной задачи в роботизированных объектах БТТ предлагается использовать асинхронный обмен сообщениями произвольного размера между приложениями, распределенными в вычислительной системе.

Рис. 2. Обобщенная структурная схема СБУ для РТК МС

В СПМ специальное программное обеспечение обеспечивает информационное взаимодействие в соответствии с моделью распределённых систем на основе событий [2]. Программный комплекс обеспечивает обработку информационных потоков в соответствии с их приоритетами; маршрутизацию на основе динамической оценки пропускной способности радиоканалов связи, оценку времени передачи каждого сообщения.

На заключительном этапе проводятся испытания роботизированного комплекса. В ходе испытаний проверяются его функциональные возможности и эффективность решения задач.

Для определения коэффициента эффективности решения отдельной задачи роботизированным объектом БТТ определяются оценки её

решения (М > 1 ). Большее значение оценки * должно соответствовать лучшему результату выполнения задачи.

Для задач, решение которых возможно в экипажном режиме управления, оценивается коэффициент эффективности их выполнения в безэкипажном режиме:

! М 1ДУ

Кэф = м£ 1 •

1 -1

1 241

где 7ДУ- оценка решения задачи, полученная при безэкипажном режиме управлении объектом БТТ; JdY - оценка решения задачи, полученная при экипажном управлении объектом БТТ.

Экспериментальная оценка приводилась в ходе подготовки к демонстрационным показам комплекса пожаротушения на выставке вооружений и военной техники Russian Arms Expo 2013. Оценка эффективности проведена по времени выполнения следующего множества задач на демонстрационной трассе:

- движение по дороге с маневром (поворот);

- расчистка завала;

- тушение возгорания;

- выход на конечную позицию.

Оценка проводилась 10 раз для экипажного и 10 раз для дистанционного режима управления. Среднее время решения приведенных задач в экипажном режиме составляет 208 секунд. В безэкипажном режиме среднее время выполнение тех же действий занимает 225 секунд. Таким образом, Кэф составляет 0.92, что является высоким показателем.

Предложенная методика создания роботизированных безэкипажных объектов бронетанковой техники раскрывает общий подход к построению роботизированных комплексов на основе существующих объектов БТТ. Методика была успешно апробирована при создании экспериментальных образцов в рамках НИР, выполненных по заказу Министерства Обороны РФ [3]:

- дистанционно-управляемый танк Т-72Б;

- дистанционно-управляемый многоцелевой тягач легкобронированный;

- роботизированный комплекс медицинской службы.

Список литературы

1. Корчак В.Ю., Рубцов И.В., Рябов А.В.. Состояние и перспективы развития наземных робототехнических комплексов военного и специального назначения // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. Вып. 3.

2. Muhl G. , Fiege L. , Pietzuch P. Distributed Event-Based Systems. Springer-Verlag GmbH. 2006.

3. Методика построения роботизированных безэкипажных объектов наземного базирования / В.И. Комченков [и др.] // Известия Южного федерального университета. Технические науки. Тематический выпуск. Перспективные системы и задачи управления. 2013. №3. С. 25-30.

Симонов Сергей Борисович, канд. техн. наук, ведущий инженер-программист, s.b.simonov@gmail. com, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,

Петров Владимир Федорович, канд. техн. наук, зам. директора, pvf@olvs.miee.ru, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,

Корольков Дмитрий Николаевич, ведущий инженер, Россия, Москва, Зеленоград, s. b. simonov@gmail. com, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,

Беляев Владимир Владимирович, первый заместитель генерального конструктора, s. b. simonov@gmail. com, Россия, Омск, ОАО «Омский завод транспортного машиностроения»

METHODICAL BASICS OF CONSTRUCTING HEA VY ROBOTIC SYSTEMS

FOR SPECIAL PURPOSE

S.B. Simonov, V.F. Petrov, D.N. Korolkov, V. V. Belyaev

The problems of constructing special purpose remote-controlled robotic vehicles based on existing manned armored vehicles are considered. The methodical bases of robotic unmanned armored vehicles construction are proposed. The experience of creating heavy remote controlled robotic system for fire- extinguishing and rescue is considered.

Key words: remote-controlled system, robot-based application, unmanned vehicles, armored vehicles, special purpose vehicles, fire engineering.

Simonov Sergey Borisovich, candidate of technical science, senior software engineer, s. b. simonov@gmail. com, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University "MIET",

Petrov Vladimir Fedorovich, candidate of technical science, deputy director, pvf@olvs.miee. ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University "MIET ",

Korolkov Dmitry Nikolaevich, leading electric engineer, s. b. simonov@gmail. com , Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University "MIET ",

Belyaev Vladimir Vladimirovich, deputy general designer, s.b.simonov@gmail.com, Russia, Omsk, Omsk transport machinery plant