Определение координат точки в системе наблюдения на базе TV-модулей Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Киселев Владимир Дмитриевич, д-р техн. наук, проф., kiselevvd@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

METHODS AND ALGORITHMS OF THE SOLUTION OF PROBLEMS OF INTEGER SQUARE PROGRAMMIRO-VANIYA ON THE BASIS OF LINEARIZA TION OF CRITERION

FUNCTION

V.D. Kiselev

The effective methods of the decision of the general of tasks and TsKP and problem of TsKP with Boolean variables based by N of linearization of criterion function with use of the theory of a duality are considered.

Key words: integer square programming, theory of a duality, criterion function.

Kiselev Vladimir Dmitrievich, doctor of technical science, professor, kise-levvd@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 681.3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ ТОЧКИ В СИСТЕМЕ НАБЛЮДЕНИЯ НА БАЗЕ ТУ-МОДУЛЕЙ

А. А. Горшков, А.Ю. Андросов, В.В. Семигорелов, А. А. Аршакян

Сформированы пространственные системы координат, в которых размещаются 1У-модули распределенной системы наблюдения. Получены системы выражений для пересчета одних пространственных координат в другие, позволяющие определить статические и динамические параметры распределенной информационно-измерительной системы на базе !У-модулей.

Ключевые слова: гШ-модуль, распределенные системы, система координат.

Распределенные информационно-измерительные системы, в которых конечным звеном, потребляющим видеоинформацию, является человек-оператор, выполняющий функции наблюдения сцены и принятия решения о возникновении на ней нештатных ситуаций, в настоящее время широко применяются в различных областях народного хозяйства, в частности в промышленных системах контроля технологических процессов [1, 2, 3].

Разработка, внедрение и промышленная эксплуатация распределенных информационно-измерительных систем на базе ТУ-модулей связана с определенными материальными затратами. Указанные затраты напрямую зависят от объема информации, передаваемой на пункт наблюдения: увеличение потребного количества информации приводит к увеличению чис-

ла датчиков первичной информации - ТУ-модулей. Это, в свою очередь, приводит к необходимости подведения к ТУ-модулям электропитания, сигналов управления и отведения от модулей видеосигналов. Особенно усугубляется ситуация, если видеосистема работает вне помещения круглосуточно. В этом случае к проблемам коммуникаций добавляется проблема подогрева/охлаждения ТУ-модулей и проблема расширения статического диапазона освещенности охраняемого объекта [4].

Все это приводит к необходимости предварительных расчетов информационно-измерительных систем, в которых необходимо обеспечивать информативность не хуже заданной при минимальной стоимости, или стоимость не выше заданной при оптимальной информативности.

Одним из аспектов разработки распределенной информационно-измерительной системы на базе ТУ-модулей является привязка технических решений к объектам, размещаемым на сцене. При этом формируются следующие системы координат [5].

1) Абсолютная, или земная система координат Охух, связанная, например, с цифровой картой местности, или с планом охраняемой территории. Если при распределении ТУ-модулей идет привязка к геодезическим координатам, то ось Ох направлена на север. При привязке ТУ-модулей к плану охраняемой территории, направление оси Ох зависит от разработчика и выбирается исходя из снижения объема проектных вычислений. В данной системе ось Ох - направлена вертикально вверх, оси Ох и Оу образуют горизонтальную плоскость, а направление оси Оу дополняет систему Охух до правой системы координат.

2) Промежуточная система координат О'пхпуп2п, связанная с п-м

ТУ-модулем, в которой центр Оп совпадает с центром входного зрачка

объектива п-го ТУ-модуля, а оси Опх'п, Опу'п и ОпХ п коллинеарны осям Ох, Оу и Ог, соответственно, и имеют с указанными осями одинаковые направления [6].

3) Система координат Опхпуп2п, связанная с п-м ТУ-модулем, центр которой совпадает с центром промежуточной системы координат, ось Опх п совпадает с главной оптической осью п-й ТУ-камеры, ось Опу'п лежит в горизонтальной плоскости, а ось Опг п дополняет систему Опхпуп2п до правой системы координат.

4) Система координат опУп%п, связанная с фотоэлектронным преобразователем. Данная система образует плоскость, ортогональную главной оптической оси. С учетом того, что объектив ТУ-модуля оборачивает изображение сцены , оси опУп и оп2„ будут коллинеарны осям О пу'п и О п, соответственно, и иметь с ними противоположные направления. В тех случаях, когда фотоэлектронный преобразователь будет рассматриваться отдельно, при обозначении данной системы координат будет опускаться ин-

декс п.

Кроме того, в ряде случаев используется цилиндрическая система координат, в которой задается пространственное положение вектора в виде углов: азимута у и места $. В данной системе координат формируется пространственная ориентация п-го ТУ-модуля (у, $п) [7, 8].

В общем случае п-й ТУ-модуль устанавливается с возвышением на уровень г2п, продольным смещением, равным гхп, и боковым смещением, равным Гул, относительно земной системы координат хОух (рис. 1). В системе наблюдается точка К с декартовыми координатами хк, ук, хк, для которой в земной системе координат хОух известны сферические координаты: угол азимута у угол места $и расстояние от центра координат р. ТУ-модуль со связанной с ним системой координат хпОпуп2п имеет возможность поворота в точке Оп относительно системы координат х/пОпу/п1/п на углы азимута камеры у и места камеры $п [2].

Пересчет сферических координат в декартовы координаты земной системы Охух производится по зависимостям:

хк ' соб$СОБУ

Ук = Р СОБ . (1)

V хк ч Бт $ у

Обратный пересчет из декартовых координат в сферические осуществляется по зависимостям:

2 2 2 p = V хк + Ук + zk ;

y = arctg

Ук

х

(2)

J= arctg

к

22 хк + Ук

В системе X nOny'nz п точка K имеет координаты

(X Л л nK ( cos Jcosy^ f \ r xn

упк =р cos Jsiny - r yn • (3)

/ V znK У V sin J у r V' zn У

Как следует из конструкции купольной системы, поворот системы координат хпОпуп2п относительно системы Х пОпу'п2 п производится в такой последовательности: сначала ТУ-модуль поворачивается в азимутальной плоскости на угол у, а затем, развернутый по азимуту модуль, поворачивается по углу места г?п. Это можно рассматривать и как поворот системы х'пОпу'п2 п относительно системы хпОпуп2п последовательно на углы -у и -

Перейдем в точку Оп. Единичные векторы хп, уп, гп, связанные с осями ОпХ п, Опу п, Оп2 п, соответственно, имеют следующие проекции на

оси ОпХп, ОпУп, Оп2п:

COS axy

VC0S axz у

r cos Jn cos yn Л - cos Jn sin y - sin J

(cos ayx ^ (sin yn"

cos ayy = cos Уп ; (4)

Vcos ayz у V 0 У

'cos cos azy

Vcos azz у

rsinJn cos упЛ sin Jn sin yn cos J

где (cos axx ,cos axy ,cos axz) - направляющие косинусы оси xn в системе x'nOny'nz'n; (cos ayx ,cos ayy ,cos ayz) - направляющие косинусы оси yn в системе х'nOny nz п, (cos azx ,cos azy ,cos azz) - направляющие косинусы оси zn в

системе X nOny nz п.

Между направляющими косинусами существуют следующие соотношения:

2 I 2 I 2 1

cos ахх + cos axy + cos axz = 1; 415

n

2,2,2 1 cos ayx + cos ayy + cos ayz = 1;

222 cos azx + cos azy + cos azz = 1;

cos 0Xx • cos azx + cos axy • cos ay + cos axz • cos azz = 0; (5)

cos axx • cos ayx + cos axy • cos ayy + cos axz • cos ayz = 0; cos cyx ' cos azx + cos ayy • cos azy + cos ayz • cos azz = 0. Из (3) и (4) и (5) могут быть получены координаты точки К в системе координат xnOnynzn\

x

nK

У nK V ZnK J

sin yn sin Jn cosyn cosyn sin Jn sin yn 0 cosJ

p

r cosficosy^ cos Jsiny sin J

f \

r,„

yn

r

V zn J

(6)

(7)

f cos Jn cos yn - cos Jn sin y

V - sin Jn

где y, J, p - соответственно углы азимута, места и длина вектора, проведенного из центра земной системы координат xOyz в точку К; y, Jn - углы азимута и места поворота TV-модуля и связанной с ним системы координат xnOnynzn относительно земной системы координат; rxn, ryn, rzn - смещение центра системы координат xnOnynzn, связанной с TV-модулем относительно центра xOyz земной системы координат[1,6]. Раскрытие (6) дает:

xnK = (p cos J cos y - rxn )cos Jn cos y + (p cos J sin y - ryn )sin yn +

+ (p sin J - rzn )sin Jn cos yn;

ynK = -(p cos J cos y - rxn )cos Jn sin y + (p cos J sin y - ryn )cos yn +

+ (p sin J - rzn) sin Jn sin yn;

znK = -(p cos J cos y - rxn )sin Jn + (p sin J - rzn )cos Jn ,

где xnk, ynk, znk - декартовы координаты точки К в системе координат xnO-

nynzn.

Таким образом, получены зависимости для пересчета координат из одной системы в другую, позволяющие определить статические и динамические параметры распределенной информационно-измерительной системы на базе TV-модулей [8].

Список литературы

1. Ларкин Е.В., Котов В.В., Котова Н.А. Система технического зрения робота с панорамным обзором // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.2. Ч. 2, 2009. С. 161 - 166.

2. Основы построения информационно-измерительных систем: Пособие по системной интеграции / Н.А. Виноградов [и др.]. Под ред. В.Г.Свиридова. М.: Изд-во МЭИ, 2004. 268 с.

3. Ларкин Е.В., Горшков А. А. Расчет наблюдаемой площади в системе с множеством видеокамер // Фундаментальные проблемы техники и технологии. ГУ УНПК, Орел. № 4. С. 150 - 154.

4. Ларкин Е.В., Тюханов М.Е. Оптимизация размещения камер наблюдения при охране объектов // XXVII Научная сессия, посвященная

416

Дню радио. Тула: НТО РЭС им. А.С. Попова, 2009. С. 73 - 76.

5. Ориентация и навигация подвижных объектов: Современные информационные технологии / Б.С. Алешин [и др.]. // ред. Б.С. Алешина, К.К. Веремеенко, А.И. Черноморского. М.: Физматлит, 2006. 424 с.

6. Ларкин Е.В., Аршакян А. А. Оценка координат точечных источников сигналов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 3 - 10.

7. Ларкин Е.В., Будков С.А. Определение пространственного положения рабочего органа // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 10. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 197 - 203.

8. Ларкин Е.В., Аршакян А.А. Наблюдение целей в информационно-измерительных системах // Сборник научных трудов Шестой Всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими объектами «СУЭТО-6» Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 222 - 225.

Горшков Алексей Анатольевич, асп., elarkin@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Андросов Алексей Юрьевич, асп., elarkin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Семигорелов Виктор Владимирович, канд. техн. наук, доц., elarkin@,mailru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Аршакян Александр Агабегович канд. техн. наук, докторант, elarkin@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DETERMINA TION OF POINT CO-ORDINA TES IN THE VISION SYSTEM,

BASED ON TV-MODULUS

А.А. Gorshkov, A. Y. Androsov, V. V. Semigorelov

In article are considered spatial coordinate systems in which TV-modulus of distributed vision system are placed. Systems of expressions for recalculation of one spatial coordinates to others, allowing to determine a static and dynamic parameters of the distributed vision system on the base of TV-modulus, are received.

Key words: The TV-module, the distributed vision systems, co-ordinates.

Gorshkov Alexey Anatolievich, postgraduate, elarkin@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Androsov Alexey Yurievich, postgraduate, elarkin@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Semigorelov Viktor Vladimirovich, candidate of technical science, docent, elar-kin@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Arshakyan Alexander Agabegovich, candidate of technical science, postgraduate, elarkinamail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 681.3

РАЗМЕЩЕНИЕ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ НА МАНИПУЛЯТОРЕ МОБИЛЬНОГО РОБОТА

А.Ю. Андросов, А.А. Горшков, Ю.И. Луцков

Исследуется вопрос появления динамических аберраций при наблюдении сцены ТУ-модулем, размещенным на манипуляторе мобильного робота. Получены зависимости для перемещения главной оптической оси ТУ-модуля в пространстве при работе манипуляторов. Показано, что в ТУ-модуля разных типов возможны аберрации типа «смаза» и типа искажения формы. Величины аберраций связаны с параметрами сканирования сцены и скоростью перемещения манипулятора.

Ключевые слова: мобильный робот, манипулятор, ТУ-модуль, угол места, угол азимута, угловая скорость. аберрации, сканирование, «смаз».

Мобильные роботы, выполняющие те или иные функции, в настоящее время используются достаточно широко [1, 2, 3, 4]. В России роботы подобного класса используются в антитеррористической деятельности, в частности для разминирования объектов. Роботы-саперы выполняют достаточно сложные операции: подрывают заряды, вскрывают автомобили, проводят анализ содержимого подозрительных пакетов и т.п. Обнаружение, идентификация и обезвреживание зарядов предъявляют повышенные требования к точности воспроизведения наблюдаемой сцены системой технического зрения и точности наведения исполнительного органа (манипулятора) на объект. В связи с этим в мобильных роботах применяются технические решения, позволяющие повысить жесткость манипулятора [1, 2, 3, 4], а ТУ-модуль СТЗ размещается на самом манипуляторе.

Размещение ТУ-модуля на манипуляторе приводит к значительным скоростям пространственного перемещения главной оптической оси модуля относительно наблюдаемого предмета, что в свою очередь требует оценки динамических аберраций при проектировании манипулятора, поскольку любые динамические аберрации при сканировании сцены влияют на точность передачи информации [5, 6].

Манипулятор робота с повышенной жесткостью может быть представлен в виде следующих крупных узлов (рис. 1): штанги 1 и коромысла 2, на которое жестко крепится ТУ-модуль 3. Штанга 1 в шарнире О имеет две степени свободы, по углам азимута у и места Ф. Коромысло 2 относи-