СРЕДСТВА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ АВТОНОМНОЕ ДВИЖЕНИЕ НАЗЕМНЫХ РТК

СРЕДСТВА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ АВТОНОМНОЕ ДВИЖЕНИЕ

НАЗЕМНЫХ РТК

А.В. Калинин, В.П. Носков, И.В. Рубцов

Все существующие наземные РТК оснащаются системами дистанционного управле­ния, которым присущи принципиальные недостатки: непрерывное участие человека; огра­ниченный радиус действия; возможность эффективного применения противником средств противодействия и уничтожения, в следствии постоянной работы радиоканала. Передача функций, выполняемых оператором, бортовой системе управления движением позволяет исключить или минимизировать время работы радиоканала и тем самым устранить от­меченные недостатки. В статье описаны подсистемы автономного управления движени­ем роботизированного танка и результаты их испытания в реальных условия. Наибольшее внимание уделено системам технического зрения.

Система автономно управления движением; система технического зрения; навига­ционная система; картографическая база данных.

Основные принципы построения системы управления, обеспечивающей раз­личные варианты и режимы движения мобильных робототехнических комплексов, ее обобщенный аппаратный и алгоритмический состав приведены в [1]. В настоя­щей статье описываются результаты разработки и испытания в составе роботизи­рованного танка Т-72Б (рис. 1) созданных к настоящему времени программно­аппаратных средств управления автономным движением.

Рис. 1. Роботизированный танк Т-72Б

Подсистема нижнего уровня управления представляет собой комплекс программно-аппаратных средств, предназначенный для непосредственного управ­ления движением роботизированного танка в автоматическом, дистанционном, полуавтоматическом и ручном режимах. Автоматический режим используется при организации без экипажных автономного и дистанционно-управляемого движе­ния, а также - для подстраховки в экипажном варианте. В последнем случае воз­можно управление машиной без участия экипажа (например, дистанционное управление выводом машины с поля боя при поражении экипажа). Полуавтомати­ческий режим позволяет осуществлять движение объекта под управлением чело- века-оператора, как с места механика-водителя, так и с места командира с переда­чей ряда функций, выполняемых в штатном режиме механиком-водителем, на сис­тему управления (например, оптимальное автоматическое переключение передач). Управляющие воздействия оператора предаются подсистеме через рукоятку (джойстик) (рис. 2), позволяющей реализовать достаточный для обеспечения дви­жения набор сервисных возможностей комплекса. При разработке алгоритмов и программ нижнего уровня управления были учтены логика и приемы вождения опытных механиков-водителей.

Рис. 2. Рукоятка управления движением

Испытания, которые проводились на типовых трассах, используемых при ос­воении техники вождения танка, показали, что разработанные программно­аппаратные средства позволяют достаточно быстро освоить эффективное управле­ние машиной операторам, не прошедшим специальной подготовки.

Подсистема дистанционного управления движением была сопряжена с объектом управления и испытана в реальных условиях. В данную подсистему вхо­дят пульт оператора (рис. 3), состоящий из двух компьютеров, трех дисплеев, ра­диомодема, приемника телевизионного сигнала, органов управления (многофунк­циональные рукоятки, кнопки, а также клавиатура компьютера) и выносных ан­тенн, и бортовое оборудование в составе радиомодема и передатчика телевизион­ного сигнала. Кроме того, при дистанционном управлении использовались борто­вые ресурсы общего назначения, это: телекамеры, ЭВМ верхнего уровня управле­ния и подсистема нижнего уровня управления движением.

В дистанционном режиме управления используются обзорно-поисковая СТЗ, система дневного и ночного видения и система стеровидения, размещенные на башне танка (рис. 4).

Обзорно-поисковая СТЗ выполнена в защищенном варианте - видеокамера установлена в защитном кожухе неподвижно. Круговой обзор осуществляется за счет кругового вращения призмы над камерой вокруг ее оптической оси. Возни­кающий при этом поворот изображения компенсируется электронным способом с помощью бортового вычислителя. Такой подход упрощает механическую часть системы, исключает необходимость использовать вращающееся контактное уст­ройство (ВКУ) для передачи видеосигнала. С помощью специальных алгоритмов изображения «склеиваются» в единую круговую панораму (рис. 5).

Рис. 3. Общий вид пульта дистанционного управления: 1, 2, 3 - мониторы СТЗ управления движением и оружием, отображения местоположения объекта управления на электронно-цифровой карте и камеры кругового обзора пульта управления соответственно; 4, 5, 6 - многофункциональные рукоятки управления движением (или оружием), переключения скоростей и камеры кругового обзора пульта управления соответственно

Рис. 4. Размещение средств видеонаблюдения на объекте управления: 1 - обзорно-поисковая СТЗ; 2,-система дневного и ночного видения; 3 - система стеровидения.

Рис. 5. Круговая панорама обзорно-поисковой СТЗ

Обзорно-поисковая СТЗ работает в комплексе с другими средствами видео­наблюдения, позволяющими оператору дистанционного управления выбрать лю­бую автоматически обнаруженную цель для более детального рассмотрения ее природы, и затем, в случае необходимости, дать команду на наведение оружия. В итоге цель попадает в поле зрения прицела, также оборудованного видеокаме­рой. Таким образом, автоматизированная обзорно-поисковая СТЗ оказывает по­мощь оператору в обнаружении, выборе цели и выдаче целеуказания.

В состав СТЗ дистанционного управления движением входят два оптико­электронных модуля для работы в дневных и ночных условиях, оснащенные сис­темой очистки и обогрева входной оптики, закрепленные на двухкоординатном опорно-поворотном устройстве (рис. 4).

Оператором в качестве видео-контрольного устройства может использовать­ся шлем виртуальной реальности (рис. 6), который при своей компактности обес­печивает заполнение изображением всего поля зрения и удобное наведение видео­камер поворотом головы (благодаря датчикам, встроенным в шлем). В результате возникает иллюзия присутствия на объекте управления.

Рис. 6. Шлем виртуальной реальности

Динамика и точность приводов опорно-поворотного устройства достаточны, чтобы направление видеокамер было согласовано с положением головы.

Еще одно преимущество применения шлема виртуальной реальности при дистанционном управлении движением - возможность создания эффекта объемно­го изображения при использовании стереопары. Использование стереопары потре­бовало добавления привода конвергенции (рис. 7), который сводит видеокамеры в одну точку, совмещая поле зрения двух изображений.

Рис. 7. Применение стереопары

Компоновка привода горизонтального наведения опорно-поворотного уст­ройства позволяет устанавливать более одного модуля СТЗ на общей оси, таким образом, чтобы не было взаимного перекрытия зон обзора у нескольких операто­ров, одновременно и независимо друг от друга выполняющих различные задачи в режиме дистанционного управления. Например, в компоновке, приведенной на рис. 4, верхний модуль (2) используется для обзора окружающего пространства, ориентирования на местности и выдачи целеуказания, а нижний стереомодуль (3) для управления движением в ближней зоне. Все варианты приводов имеют встро­енное ВКУ, которое снимает ограничения на угол поворота по азимуту.

В режиме дистанционного управления предусмотрены средства осуществле­ния телеметрии, позволяющие как предавать вектора состояния объекта на пульт дистанционного управления, так и фиксировать их в виде электронных протоколов для последующего анализа выполненных заездов.

Результаты испытаний в условиях полигона показали, что зона уверенного управления составляет:

- 3 км при прямой видимости;

- 1-1.5 км в условиях затенения.

Автономная система управления движением (АСУД) в настоящее время реализована в виде отдельных аппаратных блоков и программных модулей, интег­рированных в информационно управляющую систему роботизированного танка (рис. 8). Проведены испытания АСУД в различных условиях внешней среды (бе­тонные и грунтовые дороги, бездорожье).

Одним из основных режимов автономного движения является режим про­граммного движения. АСУД в данном режиме должна обеспечивать автоматиче­скую отработку маршрутного задания, которое может быть представлено в виде ломанной линии на цифровой карте местности, при этом отдельные отрезки ло­манной могут быть взвешены скоростями их прохождения.

Рис. 8. Блоки АСУД на объекте управления

Для автоматической отработки маршрутного задания АСУД имеет в своем составе:

 картографическую базу данных, позволяющую задавать и корректировать маршрутное задание;

 навигационную систему, позволяющую получать текущие значения широ­ты, долготы, курса и скорости объекта управления;

 подсистему нижнего уровня управления, обеспечивающую отработку базово­го набора команд (разгон, торможение, прохождение заданного отрезка пути, останов, поддержание заданных скорости, курса и радиуса поворота).

На рис. 9 приведена временная диаграмма курсового угла при отработке маршрутного задания - движение по прямой, по кругу, затем снова по прямой об­ратным курсом (здесь 0 и 360 градусов - одна и та же курсовая координата).

После проведения испытаний выполнена оценка качества отработки базового набора команд (включающего пуск-останов двигателя, управление газом, пере­ключение передач, выполнение поворотов на заданный угол, поддержание задан­ной скорости и курсового угла, прохождение заданного отрезка пути) и маршрут­ного задания (табл. 1).

Рис. 9. Диаграмма курсового угла при отработке маршрута

Таблица 1 Оценка качества отработки команд и маршрутного задания Время ввода маршрутного задания, мин менее 3 Точность определения текущих координат, м ± 3 Отклонение фактической траектории от заданной, м <3 Время задержки выполнения команды, с < 0.7 Точность поворота, град. ± 1 Точность удержания курсового угла, град. ± 1 Диапазон используемых передач 1^5 Допустимая скорость объекта управления, км/час до 40

Режим программного движения может быть использован для решения широ­кого круга задач, таки как: автоматический возврат по ранее пройденной траекто­рии, прохождение отдельных опасных зон в режиме “молчания”, а также для отра­ботки локальных траекторий, автоматически построенных по данным бортовых систем объемного зрения, навигации и картографии.

Поставщиком основного объема необходимой для обеспечения автономного движения информации является СТЗ. Требования, предъявляемые к СТЗ, обеспе­чивающих автономные режимы движения, сформулированы в [1-3]. Там же опи­саны методы использования таких СТЗ и алгоритмы их функционирования.

Для обработки и анализа дальнометрической информации используется ЭВМ с соответствующим прикладным программным обеспечением, которое состоит из следующих программных модулей:

- модуль восстановления и анализа геометрии внешней среды;

- модуль классификации внешней среды по критерию проходимости;

- модуль планирования траектории движения.

Модуль восстановления и анализа геометрии, используя дальнометрическое изображение внешней среды, поступающее от 3D-сенсора, и информацию об уг­ловых и линейных положениях корпуса объекта управления, формирует геометри­ческую модель внешней среды.

Модуль классификации выполняет анализ полученной геометрической моде­ли с учетом кинематических и динамических характеристик объекта управления и классифицирует отдельные участки внешней среды по критерию их проходимости в диапазоне возможных скоростей. В результате работы данного модуля формиру­ется модель проблемной среды в виде дискретных участков плоскости перемеще­ний с приписанными им соответствующими признаками.

Модуль планирования траекторий движения, используя модель проблемной среды, навигационные данные и маршрутное задание, строит безопасную целена­правленную траекторию движения. В качестве навигационных данных здесь ис­пользуются курсовой угол и линейные координаты (широта и долгота) объекта управления на поверхности перемещения, поставляемые GPS-приемником. Мар­шрутное задание представляет собой координаты последовательности точек по­верхности перемещений, которые должен посетить объект управления.

В настоящее время созданы СТЗ дальней зоны обзора, ближней зоны обзора и кругового обзора на базе промышленно выпускаемых сканирующих лазерных дальномеров, соответственно LMS 291 (2D-лазерный сенсор), UTM-30LX (2D- лазерный сенсор) и HDL-32E LiDAR (3D-лазерный сенсор). Для первых двух были созданы следящие приводы, обеспечивающие сканирование по углу возвышения.

Расположение сканирующего лазерного дальномера дальней зоны (СЛД ДЗ) на объекте управления показано на рис. 8, а зона обзора на рис. 10 (здесь Sоб. и S3 - соответственно глубина обзора и длина тормозного пути, значения которых зависят от скорости движения объекта управления).

Рис. 10. Зона обзора СТЗ дальней зоны

В зависимости от скорости движения выбирались различные законы управ­ления сканатором по углу возвышения, обеспечивающие упреждающий обзор с учетом возможного пути торможения. На рис. 11 приведен закон управления ска­натором по углу возвышения для скорости движения 40 км/час.

Для данного закона управления для горизонтальной опорной поверхности S3 - 13 м, Sоб. -7 м, время обзора -0.3 с, за которое объект управления проходит ΔS-3 м. При этом на первом участке обзора при увеличении угла возвышения зона обзора удлиняется на AS, а на втором участке обзора при уменьшении угла возвышения сжимается на ΔS. На участках разгона-торможения сканатора объект управления также проходит не более ΔS, поэтому соседние зоны обзора взаимно пересекаются и, следовательно, геометрическая модель будет сформироваться в процессе движения без разрывов. При уменьшении скорости движения объекта управления глубина обзора Боб. увеличивается за счет уменьшения длины тормоз­ного пути Бт. (рис. 10).

Рис. 11. Закон управления сканатором по углу возвышения

Для определения угловых и линейных положений корпуса танка использованы:

- навигационный модуль угловых положений AHRS M2;

- штатный гиропалукомпас ГПК-59 со встроенным датчиком «вал-код»;

- GPS-приемник;

- счетчик пройденного пути.

На рис. 12, а,б показана трасса с препятствиями и ее геометрическая модель, автоматически построенная по серии 5 дальнометрических изображений, получен­ных на скорости 40 км/ч на участке длинной 45 м.

а                                  б 

Рис. 12. Формирование геометрической модели: а — трасса с препятствиями; б - геометрическая модель трассы

На рис. 13 показаны результат работы подсистем формирования модели про­блемной среды и планирования локальной траектории по данным СТЗ дальней зоны обзора.

Рис. 13. Формирование модели проблемной среды и локальной траектории: а — объезд препятствия с лева; б - движение по дороге с поворотом

СТЗ ближней зоны обзора приведена на рис. 14. На приводе сканирования по углу возвышения закреплены 2D-лазерный сенсор и видео камера, что позволяет получать дальнометрические и видео изображения внешней среды. СТЗ ближней зоны формирует геометрическую модель и модель проблемной среды для манев­рирования на малых скоростях в условиях городской застройки. Результат работы СТЗ ближней зоны обзора приведен на рис. 15. Здесь в верхней части рисунка приведено видеоизображение внешней среды и ее геометрическая модель, в ниж­ней части - модель проблемной среды (выполнено распознавание препятствий и разрешенных для движения участков) и безопасная траектория движения.

Рис. 14. СТЗ ближней зоны обзора

Для введения и отработки маршрутного задания АСУД имеет в своем составе картографическую базу данных о среде передвижения. Картографическая база данных содержит цифровую карту местности и сформированный на ее основе граф возможных путей (рис. 16).

Рис. 15. Результат работы СТЗ ближней зоны обзора и, подсистемы планирования траектории движения

Рис. 16. Картографическая база данных среды передвижения

Заключение. 

Проведенные экспериментальные исследования позволили на­строить разработанную аппаратно-приборную часть и отладить соответствующие алгоритмы и программы основных подсистем и модулей в составе реальных объ­ектов управления в реальных средах функционирования, что является важным этапом в решении задач и проблем роботизации наземной техники. Полученные результаты находят свое практическое применение в различных отраслях народно­го хозяйства. Например, в настоящее время по заказу МЧС РФ выполняется ОКР по созданию комплекта программно-аппаратных средств, обеспечивающих авто­матический возврат дистанционно-управляемого мобильного пожарного робота в точку старта или в зону уверенного радиообмена при потере радиосвязи между пультом и объектом управления. В рамках этой же ОКР выполняется модерниза­ция пульта дистанционного управления, заключающаяся в том, что оператору бу­дет предоставлена виртуальная объемная модель рабочей зоны, оперативно фор­мируемая по данным бортовых систем объекта управления.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кутузов А.Н., Лапшов В.С., Носков В.П., Рубцов И.В. Опыт разработки и создания авто­номного интеллектуального робототехнического комплекса на базе серийного танка Т-72: Науч.-технич. сборник Оборонная техника. - 2000. - № 1-2. - С. 15-18.

2. Буйволов Г.А., Носков В.П. и др. Аппаратно-алгоритмические средства формирования моде­ли проблемной среды в условиях пересеченной местности: Сб. научн. тр. Управление дви­жением и техническое зрение автономных транспортных роботов. - 1989. - С. 61-69.

3. Кузин Ю.Р., Носков А.В., Носков В.П. Разработка и исследование СТЗ для обеспечения автономного движения: Науч.-технич. сборник Оборонная техника. - 2001. - С. 34-39.