Исследование алгоритма комплексирования информационно-измерительной системы на основе полусферического оптико-электронного преобразователя

ПРИКЛАДНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ПРИБОРЫ

УДК 535.08; 681.78

ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ПОЛУСФЕРИЧЕСКОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

А.В. Овчинников, Ч.Х. Фан

Приведены результаты натурных экспериментальных исследований алгоритма комплексирования информации информационно - измерительной системы на основе одометрической системы и полусферического оптико-электронного преобразователя.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, система технического зрения, полусферический оптико-электронный преобразователь, навигация подвижных объектов.

Управление автономными подвижными объектами, такими как промышленный транспорт, бытовые роботы, основано на постоянной оценке текущих навигационных параметров (координат и ориентации) объекта с максимально возможной точностью при воздействии различного рода шумов и помех. В большинстве случаев на подобных подвижных объектах в качестве основного источника информации о навигационных параметрах используются одометрические системы счисления пути, которые характеризуются невысокой точностью измерений и накапливаемыми во времени ошибками.

В последнее время все больший интерес представляет разработка навигационных систем на основе широкоугольных систем технического зрения (СТЗ). Одним из перспективных широкоугольных преобразователей для СТЗ является полусферический оптико-электронный преобразователь (ПСОЭП), состоящий из фотоэлектронного преобразователя и полусферического зеркального отражателя, обеспечивающий круговой обзор

50

окружающего пространства в реальном масштабе времени [1]. Однако сложные характеристики информации, формируемой ПСОЭП, затрудняют его практическое использование в СТЗ [1, 2] и требуют решения таких дополнительных задач, как:

- разработка новых алгоритмов, методов и методик обработки информации от ПСОЭП для определения местоположения подвижного объекта на основе естественных ориентиров;

- разработка алгоритмов комплексирования информации от СТЗ на основе ПСОЭП и одометрических систем.

Авторами в работах [2, 3] предложены варианты решения указанных задач и приведены результаты вычислительных экспериментов.

Целью данной работы являлись апробация предложенных авторами алгоритмов и оценка их эффективности на основе натурных экспериментов.

Экспериментальные исследования были проведены на основе базы данных FS2HSC, созданной в лаборатории Амстердамского университета с поддержкой европейского проекта COGNIRON. Данная база данных принята эталоном для проверки алгоритмов работы СТЗ различного назначения (например, распознавание образов, локализация и т.д.). База данных была сформирована информационно-измерительными системами (ИИС) различного назначения, установленными на подвижном объекте Nomad Scout, изображенном на рис. 1.

Рис. 1. Подвижный объект Nomad Scout с установленными ИИС

ИИС включают в себя [4] :

- ПСОЭП с частотой 7,5 кадров/с;

- сканирующий лазерный дальномер SICK со следующими параметрами: угол обзора 1800, разрешающая способность по углу и дальности 0,50 и 10 мм, соответственно систематическая погрешность 15 мм, статистическая погрешность 5 мм, период сканирования 0,286 с;

51

- одометрическую систему с частотой измерений 12 изм./с;

- ультразвуковую систему, состоящую из 16 ультразвуковых дальномеров, захватывающую сферическое пространство вокруг подвижного объекта.

В ходе экспериментальных исследований подвижный объект Nomad Scout перемещался по зданиям с линейной скоростью 0,2.. .0,5 м/с и угловой скоростью до 20 град/с. Окружающая среда, в которой перемещался объект Nomad Scout, характеризуется изменением освещенности, присутствием статичных и динамических препятствий. Расстояние, пройденное подвижным объектом, составляет примерно 80 м, время движения 300 с.

Ошибки установленной одометрической системы по линейной и угловой скоростям составляют 0,015 м/с и 0,75 град/с соответственно [5, 6]. ПСОЭП, установленный на подвижном объекте, используется для ком-плексирования измерений с данными, полученными от одометрической системы подвижного объекта Nomad Scout. Ошибка измерения азимутальных углов ПСОЭП составляет 10 (определена на основе ошибки выделения характерных объектов (вертикальных линий) на изображениях, составляющей 1 пиксель).

В ходе движения были получены 2000 изображений с ПСОЭП. Примеры изображений, сформированных ПСОЭП, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Примеры изображений, сформированных ПСОЭП

Точная траектория движения подвижного объекта Nomad Scout неизвестна, но известна траектория, полученная с помощью сканирующего лазерного дальномера SICK. Метод для определения параметров движения на основе сканирующего лазерного дальномера в настоящее время является самым точным [7, 8], что позволяет принять данную траекторию за эталон при проверке точности предложенных алгоритмов.

На рис. 3 показаны три траектории, оцененные сканирующим лазерным дальномером SICK, одометрической системой и комплексной ИИС на основе ПСОЭП и одометрической системы.

Как видно, комплексная ИИС корректирует возрастающую ошибку измерения координат подвижного объекта, что в результате повышает точность оценки траектории (рис. 3, линия 3). Неопределенность измерения координат вертикальных линий в большинстве случаев незначительна и составляет менее 0,05 м. В некоторых случаях неопределенность оценки достигает 0,4 м, что связано с малым временем наблюдения вертикальных линий.

Рис. 3. Траектории, оцененные сканирующим лазерным дальномером SICK (линия 1), одометрической системой (линия 2) и комплексной ИИС (линия 3); «+» - вертикальные линии, эллипсы -неопределенность измерения координат вертикальных линий

Ошибки определения параметров движения с помощью одометрической системы и комплексной ИИС относительно измерений, полученных с помощью сканирующего лазерного дальномера SICK, показаны на рис. 4. Очевидно, что комплексная ИИС обеспечивает более низкие ошибки измерения координат подвижного объекта. Средние ошибки определения координат подвижного объекта по осям OX и OY с помощью одометрической системы составляют 0,085 м и 0,3 м соответственно. Для комплексной ИИС аналогичные ошибки существенно ниже и равны 0,026 и 0,031 м соответственно.

Таким образом, можно утверждать, что коррекция измерений одометрической системы измерениями ПСОЭП позволяет уменьшить суммарную ошибку на величину до 80 %. Кроме того, ошибка измерения комплексной ИИС является стабильной, что показывает эффективность работы алгоритма комплексирования измерений.

Средняя ошибка измерений комплексной ИИС за всё время движения (300 с) составляет 0,03 м. Это позволяет сделать вывод о том, что точность комплексной ИИС сравнима с точностью системы измерения параметров движения подвижного объекта на базе сканирующего лазерного дальномера.

Ошибки и линии утроенного СКО измерения координат подвижного объекта с помощью комплексной ИИС показаны на рис. 5.

Время б

Рис. 4. Ошибки измерения координат подвижного объекта с помощью одометрической системы (линия 1) и комплексной ИИС (линия 2): а - по Ох; б - по Оу

Очевидно, что большинство значений ошибки измерений координат подвижного объекта с помощью комплексной ИИС меньше утроенного СКО, что согласно правилу трех сигм показывает правильность работы алгоритма комплексирования измерений системы. Кроме того, неопределенность измерений координат подвижного объекта с помощью комплексной ИИС имеет установившейся режим, который находится в диапазоне 0,015 - 0,033 м, что говорит о возможности корректировать накапливающуюся ошибку одометрической системы.

54

а

Время

б

Рис. 5. Ошибки (1) и линии утроенного СКО (2) измерения координат подвижного объекта с помощью комплексной ИИС:

а - по ОХ; б - по ОУ

Таким образом, результаты натурных экспериментов подтвердили работоспособность разработанных авторами алгоритмов и позволяют сделать следующие выводы:

- точность измерений координат подвижного объекта с помощью комплексной ИИС увеличивается до 80 % по сравнению с системой на базе одометрической системы и сравнима с точностью системы на базе сканирующего лазерного дальномера;

- накапливающаяся ошибка одометрической системы корректируется измерениями ПСОЭП, и неопределенность измерений координат подвижного объекта становится стабильной.

Список литературы

1. Макарецкий Е.А., Овчинников А.В., Фан Ч.Х. Полусферические камеры прикладных телевизионных систем: получение и преобразование полусферических изображений // Компоненты и технологии. 2010. №9. С. 30 - 32.

2. Овчинников А.В., Фан Ч.Х. Алгоритм выделения характерных элементов на изображениях полусферических видеокамер // Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. № 1. С. 233 - 245.

3. Овчинников А.В., Фан Ч.Х. Определение навигационных параметров подвижных объектов на основе полусферического оптико-электронного преобразователя // Известия высших учебных заведений. ЭЛЕКТРОНИКА. 2015. Т. 20. №1. С. 91 - 99.

4. Nomad 200 Hardware Manual [Электронный ресурс]. URL: http://nomadic.sourceforge.net/production/manuals/hardware.ps.gz (дата обращения 14.10.2017).

5. Kok Seng Chong, Lindsay Kleeman. Accurate Odometry and Error Modelling for a Mobile Robot // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. 1997. Vol. 4. P. 2783 - 2788.

6. Neal Seegmiler. Vehicle Model Identification by Integrated Prediction Error Minimization / International Journal of Robotics Research. 2013. Vol. 32. P. 912 - 931.

7. Folkesson J., Jensfelt P., Christensen H.I. Vision SLAM in Measurement Subspace // Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2005. P. 30 - 35.

8. Zivkovic Z., Booij O., Krose B. From images to rooms // Robotic and Autonomous Systems. 2007. Vol. 55. P. 411 - 418.

Овчинников Александр Викторович, канд. техн. наук, доц., admin_telex@,mail. ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Фан Чан Данг Хоа, канд. техн. наук, проф., phdkhoa.dng@,gmail.com., Вьетнам, Ханой, Вьетнамский государственный университет

INVESTIGA TION OF THE ALGORITHM OF COMPLEXING THE INFORMA TION-MEASURING SYSTEM ON THE BASIS OF A SEMI-PHYSICAL OPTICAL-ELECTRONIC TRANSDUCER

A.V. Ovchinnikov, Phan Tran Dang Khoa

The results of full-scale experimental studies of the algorithm for integrating information from information and measurement systems based on the odometer system and a hemispherical opto-electronic converter are presented.

Key words: information-measuring system, technical vision system, hemispherical optoelectronic converter, navigation in-motion objects.

Ovchinnikov Alexandr Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, ad-min_telex@,mail. ru., Russia, Tula, Tula State University,

Khoa Dang Phan, candidate of technical sciences, professor, phdkhoa. dng@,gmail. com, Vietnam, Hanoi, Vietnam National University