Регистрация трехмерного образа сцены в режиме реального времени с использованием структурированной лазерной подсветки

шее их удовлетворительное совпадение. Максимальная погрешность составила величину порядка 0,5 % от полного магнитного потока в сердечнике трансформатора. Показано, что применение

классического метода пространственных интегральных уравнений для решения той же задачи приводит к недопустимо высоким ошибкам при сравнимых затратах вычислительных ресурсов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Курбатов, П.А. Численный расчет электромагнитных полей [Текст] / П.А. Курбатов, С.А. Аринчин,— М.: Энергоатомиздат, 1984.

2. Справочник по магнитным и электрическим свойствам горячекатаной стали [Текст].— М.: Изд-во Госкомстата, 1971.

3. Важнов, С.А. Применение пространственных интегральных уравнений для расчета магнитного поля и потоков рассеяния трансформатора с шихтованным ферромагнитным сердечником [Текст] / С.А. Важнов, А.Г. Калимов // Изв. РАН.

Энергетика,- 2009,- С. 27-35.

4. Демирчян, К.С. Теоретические основы электротехники [Текст] / К.С. Демирчян, J1.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, B.J1. Чечурин,— СПб.: Питер, 2003.

5. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике [Текст] / О. Зенкевич,— М.: Мир, 1975.

6. Cendes, Z. Vector Finite Elements for Electromagnetic Field Computation [Текст| / Z. Cendes // IEEE Trans, on Magnetics.— 1991. Vol. 27. N° 5,— P. 3958-3966.

УДК 004.89:004.045

Н.А. Грязнов, Д.А. Кочкарев, А.И. Модягын, С.М. Панталеев

РЕГИСТРАЦИЯ ТРЕХМЕРНОГО ОБРАЗА СЦЕНЫ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТРУКТУРИРОВАННОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПОДСВЕТКИ

Автоматизация и роботизация любых динамических процессов, в частности функционирования автономных мобильных платформ и космических манипуляторов, базируется на эффективности сбора информации об окружающей среде. Для корректного представления робототехнических систем об окружающем пространстве необходимо зарегистрировать трехмерный портрет сцены с четким определением границ объектов и их разделением на движущиеся и стационарные .

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

измерить двумерное угловое распределение дальности до препятствия;

провести сшивку границ объектов по признаку резкого изменения дальности;

осуществить векторизацию изображения за счет выделения объектов по замкнутости границ с присвоением номера и свойств (угловые габариты, форма границ, форма поверхности и т. д.).

Кроме того, для быстрого и адекватного реагирования на изменения в окружающей среде робототехническим системам необходимо получать не только достоверные, но и своевременные данные. В связи с этим одним из основных требований, предъявляемых к современным средствам сбора информации, является их функционирование в режиме реального времени. При этом желательно, чтобы сбор данных об окружающей среде осуществлялся независимо от освещенности рабочей зоны — как в условиях яркого освещения, так и при полном отсутствии источников света.

Механические методы измерения координат за счет определения расстояний не подходят для создания систем реального времени из-за их громоздкости, низкого быстродействия и отсутствия универсальности. Смена объекта исследований при использовании таких методов, как правило, требует полной перестройки схемы измерений.

Радиотехнические методы определения координат имеют ключевой недостаток, связанный с разрешающей способностью и, как следствие, высокой погрешностью измерения. Наиболее перспективными и универсальными, на наш взгляд, являются оптические методы построения трехмерного портрета сцены.

Существуют два основных оптических подхода к проблеме воспроизведения объемного образа рабочей зоны. Первый [1] базируется на использовании лазерного излучения, импульсного или модулированного, и измерении времени задержки между сигналами зондирующего и отраженного излучений.

На сегодняшний день лазерные сканирующие дальномеры, построенные по времяпролет-ному принципу, — самые прецизионные системы дистанционного осязания.

Основное преимущество радарных методов определения дальности до объектов заключается в слабой зависимости точности измерения расстояния от дальности. Уровень отраженного сигнала при этом уменьшается пропорционального квадрату расстояния, что предполагает использование приемников с большим динамическим диапазоном. Требуемая точность измерения расстояния в 2 см определяет допустимую погрешность измерения временной задержки 120 пс. Это означает, что полоса частот приемника и приемного усилителя при импульсном лазерном излучении должна составлять 10 ГГц, а длительность импульса лазерного излучения не должна превышать 100 пс.

В принципе, несмотря на высокие технические сложности, эта задача на сегодняшний день вполне разрешима. При помощи амплитудной модуляции непрерывного излучения можно попытаться упростить задачу, снизив частоту модуляции до нескольких сотен мегагерц. Но ключевой проблемой в этом случае остается относительно низкое быстродействие, связанное с необходимостью формирования прецизионной двумерной развертки в широком поле зрения (доступном на сегодняшний день исключительно для механических сканирующих устройств).

Учитывая тот факт, что сканирующая система должна работать одновременно на передающий и приемный тракт, размеры поворачиваемого зеркала нельзя выбирать малыми для обеспечения минимального момента инерции,

так как этом случае падает эффективность сбора диффузно рассеянного излучения, что требует повышения мощности зондирующего излучения для обеспечения заданного уровня точности измерений. Но повышение мощности зондирующего излучения еще сильнее обостряет проблему безопасности для органов зрения обслуживающего персонала.

Другая проблема использования лазерных дальномеров в ближней зоне связана с подавлением диффузного рассеяния сигнала на оптических элементах приемно-передающего тракта. Даже зеркально отражающие поверхности из-за микрошероховатостей имеют коэффициенты диффузного отражения порядка А уж пропускающие поверхности (линзы, окна) имеют остаточное отражение после просветления на уровне нескольких десятых процента. При использовании импульсного излучения можно применять временное разделение сигналов с выключением чувствительности приемника на временной интервал мертвой зоны (в нашем случае величина мертвой зоны 1—2 м). Однако включение чувствительности приемника за единицы наносекунд представляет собой достаточно серьезную техническую проблему.

В случае амплитудной модуляции непрерывного излучения можно попытаться сбалансировать все отражения, т. е. настроить при-емно-передающий тракт таким образом, чтобы в отсутствие отражающих объектов в рабочей зоне сигнал биений равнялся нулю. Однако это, с одной стороны, требует разработки специальной оптической схемы тракта с наличием элемента с малой и переменной отражательной способностью, а с другой,— не обеспечивает надежности измерений из-за высокой вероятности температурного дрейфа расстояний в тракте. Другой вариант решения проблемы засветки от оптических элементов — использование раздельных приемного и передающего трактов.

В этом случае ключевой проблемой становится синхронизация сканирования и обеспечение надежного перекрытия поля зрения приемной системы с областью подсветки. При этом опять возникает проблема быстродействия механических сканирующих устройств. Учитывая тот факт, что требуемая точность измерения составляет 2 см, а предельная дальность 20 м, количество точек измерения по одной координате долж-

но быть порядка 1000. Или порядка 1 ООО ООО точек при двумерном сканировании. При движении объекта со скоростью 0,5—1 м/с он проходит расстояние в 2 см за 20—40 мс. Ни одна сканирующая механическая система не способна обеспечить за такой временной интервал сканирование даже хотя бы десятка линий, не говоря уже о тысячи.

Высокая сложность и стоимость лазерных дальномеров препятствуют широкому применению в сервисной и персональной робототехнике. Большие массогабаритные параметры препятствуют оснащению автономных мобильных платформ, а наличие движущихся деталей ска-наторов существенно ограничивают условия и области применения.

Второй [2] оптический подход базируется на широко используемом в природе стереоскопическом эффекте, когда пространственный разнос органов зрения у животных и человека позволяет осуществлять оценку дальности до предмета по триангуляционному принципу Стереометрические телевизионные методы не требуют затрат на дополнительное освещение в дневных условиях и обладают хорошим быстродействием, но имеют значительную погрешность измерения расстояния. Самый же серьезный их недостаток с позиций автоматизации вычислений — сложность однозначной идентификации общих точек в двух изображениях сцены с различных ракурсов.

Типичный пример неоднозначности восстановления расстояния до объекта приведен на рис. 1, на котором продемонстрированы два случая — корректного и некорректного измерения расстояния. Если в случае ровной стены ее крайние точки, видимые разнесенными камерами, совпадают, то измерение дает корректное значение расстояния до стены. Если же в случае выпуклой формы объекта камеры принимают за границы объекта разные его точки, то расстояние определяется неправильно (в данном примере определяется расстояние до точек пересечения прямых лучей от камер, то есть существенно ближе, чем в реальности). Часто проблемы возникают из-за наличия бликующих поверхностей, чрезмерной освещенности отдельных областей или слабого текстурирования поверхности, что не позволяет выделить на ней реперные точки. Все это приводит к возникновению неопределен-

Рис. 1. Иллюстрация некорректности определения расстояния до края объекта методом триангуляции при сложной форме объекта

ностей, не позволяющих однозначно восстановить трехмерный портрет сцены.

Вариант, позволяющий избежать неоднозначности восстановления портрета и достижения требуемого быстродействия, на наш взгляд, заключается в комбинации пассивных и активных средств. В работе [3] для ускорения процедуры восстановления трехмерного образа сцены было предложено использовать пространственно-временную структурированную подсветку в сочетании с одной или двумя телевизионными камерами. С целью увеличения объемов информационных потоков и снижения требований к датчикам угловых скоростей предлагалось использовать несколько (от 5 до 10) генераторов лазерных линий подсветки. Необходимо отметить, что такая система не позволяет достичь требуемой скорости съемки кадров.

Для построения системы формометрии реального времени с учетом скорости человеческой реакции частота регистрации сцены должна быть не меньше 20 Гц. При этом для получения достаточного углового разрешения трехмерного изображения необходимо использовать большое количество (не менее 40—50) линий лазерной подсветки. Принимающая видеокамера, таким образом, должна снимать кадры с частотой 800 кадров в секунду Подобная скорость видеосъемки обеспечивается, в частности, промышленной

скоростной видеокамерой Baumer (Германия) HXC40NIR. Она позволяет снимать с указанной скоростью при разрешении 2000x500 пикселей.

Для лазерной подсветки можно использовать полупроводниковый лазер или светодиод мощностью от 100 мВт до 1 Вт с рабочей длиной волны в диапазоне 800—850 нм. Для генерации подсветки можно использовать лазер Z50M18B-F-830 компании Z-Laser (Германия) с насадками, формирующими на выходе лазера либо прямую линию, либо несколько прямых, параллельных относительно друг друга линий.

Заметим, что для уклонения от неопределенности в один момент времени должна быть включена только одна линия подсветки и для получения 40 линий необходимо использовать либо механическое, либо электронное сканирование.

При механическом сканировании принцип действия измерительного комплекса может заключаться в использовании одного лазерного излучателя с веерной расходимостью луча, формируемой при помощи цилиндрического зеркального элемента оптического передающего тракта. Такой подход позволяет получить относительно дешевую систему формометрии, которая вполне пригодна для использования в наземных условиях.

Система с электронным сканированием включает в себя 40 лазерных диодов, расположенных под углом относительно друг друга. Такая система дороже механического варианта, но имеет ряд достоинств: отсутствие движущихся

механических деталей, компактность и возможность разрабатывать различные интеллектуальные алгоритмы управления системой формометрии. Например, она позволяет управлять мощностью лазерных излучателей либо в случае простой композиции сцены, которая допускает однозначное определение порядкового номера линии подсветки, для увеличения скорости работы системы включать не по одному, а по несколько лазерных излучателей одновременно.

Использовать ее целесообразно только в экстремальных условиях, например в космосе для стыковки космических кораблей или монтажа ферменных конструкций либо для формирования системы телеосязания различных робототех-нических космических комплексов. Подобный подход позволяет решить первую задачу при построении систем эффективного сбора информации и перейти к решению второй задачи — векторизации полученных данных.

Что касается стратегии подхода к процессу оптимизации сбора визуальной информации, наиболее перспективной представляется тенденция разделения задач векторизации и идентификации не только на алгоритмическом, но и на аппаратном уровне. С целью высвобождения ресурсов центрального процессора для решения задач функционального назначения предварительную обработку по обоим каналам целесообразно вынести на отдельные процессоры, как это показано на рис. 2.

Рис. 2. Архитектура системы сбора и обработки координатной информации автономного робототехнического комплекса

Совместное использование пространственно-структурированной лазерной подсветки и разделения задач векторизации и идентификации позволит обеспечить самые высокие скорости обработки информационных потоков, что создаст предпосылки для реализации полноценных систем технического зрения реального времени.

Статья подготовлена в ходе выполнения работ по государственным контрактам на выполнение научно-исследовательских работ от 12 мая

2011 г. № 16.518.11.7054, от 29 апреля 2011 г. N° 16.552.11.7027 с Минобрнауки России, заключенным в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы» и по государственному контракту на выполнение научно-исследовательских работ от 27 мая 2010 г. N° П 1003 с Минобрнауки России, заключенного в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Межерис, Р. Лазерное дистанционное зондирование |Текст| / Р. Межерис,— М.: Мир, 1987,- 550 с.

2. Scharstein, D. A taxonomy and evaluation of dense two-frame stereo correspondence algorithms [Текст] / D. Scharstein, R. Szeliski // Technical report

MSR-TR-2001-81.— Microsoft Research.- 2001.

3. Грязнов, H.A. Структурированная лазерная подсветка для технологий трехмерного зрения ро-бототехнических средств [Текст] / Н.А. Грязнов, В.В. Кириченко, Е.В. Егоров // Оптический журнал,- 2007. Т. 74. № 8,- С. 37-43,

УДК532.529:536.24

H.H. Кортиков, М.В. Миронова

ТРЕХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ОХЛАЖДАЕМЫХ ПАРОМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИНЫ

Развитие паротурбостроения идет по пути создания мощных установок, рассчитанных на работу с высокими начальными параметрами пара (рис. 1) [1 — 3]. В процессе эксплуатации паровых турбин при сверхкритичных параметрах пара (СКПП) выявляется ряд проблем: образование трещин в элементах корпусов цилиндров высокого и среднего давления (ЦВД и ЦСД); рост остаточных прогибов роторов и коробление обойм концевых уплотнений ЦСД; износ гребней уплотнений и, как следствие, увеличение протечек; ограничения по скорости изменения параметров пара, что отрицательно отражается на маневренности.

Переход на суперсверхкритические параметры пара (ССКПП) делает актуальным применение системы принудительного парового охлаждения (СП ПО) наиболее горячих и напряженных деталей проточных частей паровых турбин (в ча-

стности, роторов), что позволяет продлить ресурс и повысить надежность работы турбоустановки.

Создание и внедрение СП ПО роторов требует решения ряда задач. К ним относятся: определение температуры и расхода омывающего ротор пара, обеспечивающих необходимое охлаждение металла ротора; определение оптимальных мест ввода охлаждающего пара, не вызывающих переохлаждения элементов турбины; проведение расчетов теплового состояния роторов в районе охлаждения, в том числе сравнительных — с охлаждением и без него; определение влияния охлаждения на термонапряжения роторов.

На рис. 2, а представлен эскиз двухпоточно-го цилиндра среднего давления (ЦСД) паротурбинной установки в районе первых двух ступеней с проточными частями правого и левого потока. По оси паровпуска через подводящий