CC BY
30
УДК 681.783.33
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА НАВИГАЦИИ, ОРИЕНТАЦИИ И КОНТРОЛЯ ДЛЯ ОПТИКО-ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ НАГОЛОВНЫХ ДИСПЛЕЕВ НАБЛЮДАТЕЛЕЙ
Евгений Владимирович Власов
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-59-40, e-mail: [email protected]
Владимир Иванович Патерикин
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, тел. (383)306-59-40, e-mail: [email protected]
Анализируются основные вопросы решения задач автономной навигации и методов оценки движения наблюдателя в реальном времени. Параметры движения базируются на показаниях пакета сенсоров инерциального измерительного устройства, размещенного в наго-ловном шлеме с дисплеями. Кроме него в состав модулей автономной навигации входят 3D камера, средства ГЛОНАСС/GPS и GSM-модуль.
Ключевые слова: инерциальная навигация, информационная система, наголовный дисплей.
INDIVIDUAL MEANS OF NAVIGATION, ORIENTATION AND CONTROL FOR HEAD-MOUNTED DISPLAYS OPTICAL-INFORMATION SYSTEM
Evgenii V. Vlasov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., junior researcher, tel. (383)306-59-40, e-mail: [email protected]
Vladimir I. Paterikin
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., tel. (383)306-59-40, e-mail: [email protected]
The main problems for solving the tasks of autonomous navigation and methods of motion estimation for the observer in real time are analyzed. Motion parameters are based on the indications of a kit of sensors of inertial measurement device, located in Head-Mounted Displays. In addition the autonomous navigation module includes a 3D camera, GLONASS / GPS and GSM modules.
Key words: inertial navigation, information system, Head-Mounted Display.
Тенденция развития индивидуальных средств навигации, ориентации и контроля за движениями человека диктуется все более массовым их применением в таких областях человеческой деятельности как спорт, медицина, интерактивные компьютерные игры и военные задачи. К мобильным навигационным средствам военного назначения и их тактико-техническим и массогабаритным характеристикам предъявляются особые требования [1].
Специфика данного типа информационных систем, заключается в жесткой привязке блока датчиков системы ориентации к осям объекта и является осно-
вой формирования дополнительных требований в первую очередь к чувствительным элементам независимо от их типа. Точная оценка перемещения устройства в трехмерном пространстве необходима при решении задачи создания дополненной реальности, где оценка перемещения и ориентации наблюдателя необходима для корректного отображения виртуальных объектов относительно него. Для решения подобных задач используют методы автономной навигации или одометрии, основанные на использовании показаний датчиков, закрепленных непосредственно на движущемся объекте - в нашем случае - это шлем с системой в составе инерциального измерительного устройства, навигационной системы ГЛОНАСС/GPS, GSM-модуля и наголовных дисплеев.
Инерциальное измерительное устройство (ИИУ) состоит из трех микроэлектромеханических (МЭМС) сенсоров: гироскопа, акселерометра и магнитометра. Для получения ориентации устройства на основе показаний этих трех датчиков используется техника слияния датчиков sensor fusion [2]. Для определения линейного перемещения используется метод визуальной одометрии для стереокамеры. Этот метод заключается в анализе последовательности кадров, получаемой с камеры в реальном времени, и определении параметров движения этой камеры по движению изображений, наблюдаемых ей объектов. Ориентация, получаемая с помощью ИИУ, используется для увеличения точности результатов визуальной одометрии [3].
В соответствии с поставленной задачей и результатами проведенного анализа методов и средств построения мобильных навигационных устройств нами разрабатывается малогабаритная навигационная система в наголовном исполнении. В ее состав входят два взаимодополняющих функциональных устройства: нашлемная инерциальная навигационная система, навигационная система ГЛОНАСС/GPS и GSM-модуль.
Для достижения поставленной цели осуществляется решение следующих задач:
1. Разработка алгоритма получения параметров стереокамеры и реализация алгоритмов визуальной одометрии и алгоритмов, используемых на промежуточных этапах обработки видеопотока: выбор точек на кадре для обработки, вычисление диспаритета и оптического потока для выбранных точек.
2. Разработка алгоритма фильтрации и объединения показаний сенсоров ИИУ определения ориентации объекта в трехмерном пространстве, в том числе для увеличения точности визуальной одометрии.
Использование двух физически различных методов измерения положения объектов (инерциальных и радиотехнических) и применение методов комплексной обработки информации, так называемого метода «sensor fusion» -слияния данных, что позволяет обеспечить визуализацию и регистрацию не только изменение угловых координат объекта, но и изменение линейных координат объекта [3].
Рассмотрим состав и функциональное назначение основных устройств (модулей) наголовной навигационной системы.
1. Модуль инерциальной навигационной системы (ИНС)
Компактность и доступность микроэлектромеханических инерциальных датчиков сделали возможным построение миниатюрных навигационных систем, определяющих необходимое навигационное решение - координаты, углы ориентации, параметры движения.
В качестве примера современной комбинированной трехосной системы ИНС можно привести устройство фирмы Phidget Inc. "PhidgetSpatial Precision 3/3/3", имеющее в своем составе 3-осный компас, 3-осный гироскоп и 3-осный акселерометр (это один из множества вариантов аналогичных устройств, имеющихся на мировом рынке) [4].
По отдельности ни один из них не может решить задачу определения ориентации объекта в трехмерном пространстве, поэтому системы ИНС всегда строятся из комбинации датчиков, с применением необходимых вычислительных алгоритмов, позволяющих соединить сильные стороны каждого из датчиков для устранения недостатков. Для получения ориентации устройства на основе показаний этих трех датчиков предполагается использование ПО фирм-разработчиков встраиваемых ИНС и ПО с использованием техники интеграции сенсорных данных «sensor fusion». Указанное базовое направление определяет и тенденции развития технологий инерциальных чувствительных элементов, так как чувствительный элемент должен быть максимально адаптирован к условиям применения в бесплатформенной системе. Специфика данного типа систем, заключающаяся в жесткой привязке блока чувствительных элементов к осям объекта, то есть замене физической платформы математической, является основой формирования дополнительных требований в первую очередь к гироскопическим чувствительным элементам независимо от их типа.
Первая задача - стабилизация ориентации - довольно успешно решается гироскопами, но их показания не стабильны со временем. Для коррекции дрейфа применяется акселерометр, с помощью которого можно определить курсо-вертикаль. Показания акселерометра остаются неизменными при вращении объекта вокруг вертикальной оси, поэтому ИНС нужен магнитометр, который поможет определить ориентацию по странам света.
Вторая задача - определение координат. Акселерометр в комбинации с гироскопом может определить линейные горизонтальные ускорения, однако здесь также есть две проблемы: значительный по величине вектор земного притяжения, на фоне которого измеряются текущие девиации, и отсутствие привязок для коррекции.
Таким образом, определение координат на местности в достаточно длительном временном отрезке перемещения объекта требует применения дополнительных мер, например, навигационных устройств на базе ГЛОНАСС/GPS-сенсоров, а также, возможно, других корректирующих средств.
2. Модуль спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС/GPS
Интегрирование инерциальной информации и информации от внешнего
источника позволяет обеспечить приемлемую точность определения навигационных параметров при относительно низкой точности самих инерциальных
чувствительных элементов. Применение одометрического устройства в сочетании с приемником спутниковой навигационной системы позволяет снизить требования к точности применяемых инерциальных чувствительных элементов, а также упростить навигационную систему, сократив количество входящих в ее состав элементов.
Среди российских разработок большой интерес представляют устройства, построенные на основе двухсистемных ГЛОНАСС/GPS-приемников. Примером такого устройства может быть мобильный навигационный терминал МНТ-001, разработанный в ФГУП «НИИМА «Прогресс» на основе двухсистемного устройства ГЛОНАСС/GPS-приемника российского производства ГАЛС-П [5]. Мобильный терминал передает информацию о координатах и скорости подвижного объекта, состоянии контрольных датчиков, установленных на системах и устройствах, а также аналитическую (статистическую) информацию по передвижению объекта.
Интерфейс и программная часть ИНС позволит производить обмен информацией с внешними источниками данных с помощью модуля связи GSM. GSM представляет собой модульную подсистему, имеющую возможность оснащения специализированными чипами или комбинацией устройств на их основе, обеспечивающими устойчивый информационный обмен применительно к условиям применения системы ориентации. Типичный GSM-модуль состоит из радио-блока (приемопередатчик, усилитель и внешний радиочастотный интерфейс), процессора, памяти и ряда интерфейсов для интеграции в конечные устройства [6].
Структурная схема наголовной навигационной системы (ННС) представлена на рисунке.
Рис. Структурная схема наголовной навигационной системы
Спутниковая система позиционирования ГЛОНАСС/GPS с помощью радиотехнических методов обеспечивает измерение текущего значения линейных координат объекта относительно заданной базовой точки.
Работой модуля ГЛОНАСС/GPS управляет микроконтроллер МК1 -ATMEGA-128L - 11 (11 - здесь и далее цифрами обозначены блоки устройств, представленных на структурной схеме). МК1 принимает, обрабатывает и хранит информацию от навигационного приемника ГЛОНАСС/GPS - 6; ведет обмен информацией с центром оперативного управления через GSM/GPRS-модем - 5. С помощью мультиплексора 4 микроконтроллер МК1 управляет выбором SIM-карт, вставленных в считыватели - 7 и - 8. Микроконтроллер МК1 можно подключать к внешнему ПК для программирования параметров работы и выдачи навигационной информации. Подключение выполняется с помощью преобразователя уровней TT.n/RS-232 - 12 и порт ввода-вывода - 13. Через порт ввода-вывода - 16 можно подключить программатор и обновить ПО микроконтроллера. Напряжение питания подается в устройство - 14 и через него на стабилизатор напряжения 3,3 В - 15. Напряжение 4,5 В необходимо для работы сотового модема - 5, остальные компоненты напряжением питания 3,3 В обеспечивает стабилизатор TPS76833QD - 15. В состав модуля ИНС входят: микроконтроллер МК2, магнитометр - 17, датчик температуры - 18, подключенный к МК2 через его канал АЦП - 19, датчики ускорения - 20 и датчики гироскопа - 22. Через порт ввода-вывода - 21 осуществляется связь модуля ИНС с внешним компьютером.
Таким образом, рассмотрены особенности построения и функционирования, состав, структура и принцип действия наголовной навигационной системы. Разработана структурная схема устройства, алгоритмы взаимодействия модулей и требования к разработке соответствующего ПО, что позволит осуществить визуализацию и регистрацию параметров движения человека с привязкой к местности вместе с объектами дополненной реальности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Размышления о войнах и оружии будущего [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://academcity.org/, http://bmpd.livejoumal.com.
2. Разработка метода одометрии на основе МЭМС сенсоров и анализа видеопотока [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// http://www.inf.tsu.ru/library/DiplomaWorks/ CompS cience/2014/.
3. Устройства измерения, сбора и обработки сигналов в информационно-управляющих комплексах // Тезисы докладов 1-й Всероссийской научно-практической конференции. Ульяновск, 6-10 сентября 2011 г.
4. 1044_0 - PhidgetSpatial Precision 3/3/3 High Resolution [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.phidgets. com/products.php?product_i d=1044.
5. Мобильный навигационный терминал ГЛОНАСС/GPS/GSM МНТ-001 // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2008. - № 3.
6. GSM-модули, области применения и производители // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2012 - № 7 (00121).
© Е. В. Власов, В. И. Патерикин, 2017
