автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Принципы построения и оптимизация цифровой обработки в системах бинокулярного технического зрения промышленных телеманипуляторов

На правах рукописи

ГУЛИНА Татьяна Ивановна

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ В СИСТЕМАХ БИНОКУЛЯРНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕЛЕМАНИПУЛЯТОРОВ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009

003468152

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные системы управления» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) - МАДИ(ГТУ)

Научный доктор технических наук, доцент

руководитель: Волков Николай Николаевич профессор кафедры

«АСУ» МАДИ(ГТУ)

Официальные доктор технических наук, профессор

оппоненты: Суворов Дмитрий Наумович, профессор

Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) -МАДИ(ГТУ), г.Москва

доктор технических наук, доцент

Опадчий Юрий Федорович, профессор Московского

авиационного технологического института -

Российского государственного технологического

университета им. К.Э. Циолковского

(МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского), г.Москва

Ведущая организация: Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана), г.Москва.

Защита состоится "_"__2009 г. в 1С00 на заседании диссертационного

совета Д.212.126.05 Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) по адресу: 125319, ГСПА-47, Москва, Ленинградский пр., д.64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ(ГТУ) Автореферат разослан "_"__2009 г.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять в адрес совета института.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

¡И ¡/с Михайлова Н.В.

Актуальность работы. Повышение эффективности функционирования промышленных роботов может быть достигнуто за счет оптимизации цифровой обработки, применяемый в процессе захвата и извлечения каких либо устройств, то есть решения классической обратной задачи робототехники. Наиболее узким местом при решении задачи захватывания является измерение параметров, определяющих пространственную ориентацию объекта и «в частности» наиболее сложной части этой задачи - определение угловой ориентации осей системы координат (СК) схвата. Используя в робототехнической системе бинокулярную систему технического зрения (СТЗ) и соответствующий вычислительный комплекс, реализующей информационно-вычислительные функции формирования управляющих воздействий на исполнительные устройства в сочленениях телеманипулятора, т.е. решение собственно задачи манипулирования, а также значений координат углового положения осей СК объекта в соответствии с данными, снимаемыми с плоских изображений объекта, формируемых в каждом из каналов бинокулярной СТЗ. Проблема измерения параметров ориентации объекта в процессе его схватывания является достаточно сложной и может быть решена автоматически с помощью активной системы измерения, т.е. при наличии подсветки объекта, либо традиционно вручную путем манипулирования на основе информации получаемой с экрана, что впрочем, требует и одновременной угловой ориентации схвата при манипулировании.

В данной работе предлагается метод автоматизированного манипулирования на основе тесного человеко-машинного взаимодействия, то есть традиционно применяемого ручного манипулирования схватом, реализуемого оператором по одному или двум плоским изображениям объекта, формируемым телекамерами в канале СТЗ, с целью совмещения начала СК схвата и объекта и полностью автоматической угловой ориентации осей СК схвата, реализуемой системой на основе информации, получаемой от пассивной бинокулярной СТЗ.

Таким образом, предлагаемая диссертационная работа, связанная с использованием в процессе традиционного телеманипулирсвания рационального совмещения ручного пространственного манипулирования и автоматической угловой ориентации схвата по данным, получаемыми от информационно - управляемой бинокулярной СТЗ, является весьма важной и актуальной.

Цель работы: состоит из решения проблем автоматизации, и повышения эффективности функционирования современных телеманипуляторов за счет принципа построения и оптимизации процесса цифровой обработки подсистем

вторичной обработки в каналах измерения параметров угловой ориентации объектов манипулирования (применения бинокулярных СТЗ).

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены основные задачи:

1. Обоснование возможностей независимого управления роботом в каналах пространственной и угловой ориентации схвата. Позволяющие при решении обратной задачи кинематики робота без изменений существующих принципов и способа ручного пространственного телеманипулирования охватом полностью.

2. Автоматизация процессов угловой ориентации телеманипулятора, на основе бинокулярной СТЗ, решив, таким образом, задачу правильного схватывания объектов.

3. Распараллеливания процессов вторичной цифровой обработки в угловом канале ориентации схвата телеманипулятора за счет представления алгоритмического обеспечения (АО) в матричном виде.

4. Оптимизация цифровой мультипроцессорной обработки в информационно-управляющей системе телеманипулировакия бинокулярной СТЗ.

Научная новизна

1. Разработано матричное АО для бинокулярной СТЗ в угломерном канале телеманипулятора, что позволяет полностью автоматизировать процесс угловой ориентации схвата при телеманипулировании.

2. Разработана модель, предложен метод и решена задача оценки допустимой разрешающей способности светочувствительной матрицы - бинокулярной СТЗ з зависимости от допустимых погрешностей позиционирования схвата телеманипулятора.

3. Предложен критерий и произведена оптимизация структуры распараллеленной цифровой вторичной МП-обработки в реальном времени для бинокулярной СТЗ промышленного телеманипулятора, позволяющий максимизировать число процессоров в МП при обеспечении максимальной равномерности загрузки модулей-ЦП.

4. Разработана функциональная модель имитатора первичной цифровой обработки в бинокулярной СТЗ и произведено обоснование адекватности функциональной модели вторичной цифровой обработки.

Достоверность и обоснованность результатов диссертации. Результаты, полученные автором в рамках диссертации, проверены моделированием работы бинокулярной СТЗ при формировании данных об угловом положении объекта

схватывания. Точность восстановления объемного изображения объекта по его двум плоским изображениям в канале СТЗ и точность схватывания удовлетворяют существующим требованиям по точности, что подтверждает работоспособность предложенного матричного АО для информационно-вычислительного канала бинокулярной СТЗ телеманипулятора.

Основные положения, выносимые на защиту:

• концепция иерархической организации вычислительного процесса бинокулярной СТЗ, сформирована на основе систематизации общеизвестных принципов позволяет реализовать модульность АО комплекса вторичной обработки, а также его АО в бинокулярной СТЗ;

• метод многокритериальной оптимизации вычислительных структур и процессов распараллеленной цифровой обработки, позволяющая максимально эффективную её организацию в информационно-управляющей системе телеманипулирования с бинокулярной СТЗ и предлагающая использование компонент цифровой обработки, построенных на электронно-компонентной базе с минимальным быстродействием;

• модульное матричное АО в угломерном канале бинокулярной СТЗ для промышленного телеманипулятора, позволяющее полностью автоматизировать процесс угловой ориентации схвата робота в процессе ручного телеманипулирования;

• комплекс структурных моделей компонент угломерной системы и результаты предварительного проектирования бинокулярной СТЗ, реализованные на базе современной среды методно-ориентированного программирования.

Апробация и практическая ценность. Содержание разделов всей диссертации было доложено и получено одобрение:

• на семинарах кафедры АСУ в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете);

» на 64-й - 66-й научно-методических конференциях МАДИ(ГТУ) и V Межвузовской конференции РосНОУ;

Результаты диссертации открывают новые возможности для использования автоматизации производственных процессов, а также в зонах повышенного риска, опасных средах и чрезвычайных ситуациях.

Полная автоматизация процесса угловой ориентации схвата, полученная на основе применения бинокулярной СТЗ, позволяет значительно упростить процессы "ручного" телеманипулирования.

Предложенный в диссертации подход может оказаться полезным при формировании оценок потенциальных возможностей производственных систем, вновь создаваемых, закупаемых за рубежом, или организуемых на базе промышленных предприятий. Разработанные методы прошли апробацию и внедрены для практического применения на предприятиях ООО «ТФТ Спецтехноком», ООО «Тринар Интер»

Область исследования: (в соответствии с паспортом специальности 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность и строительство)):

• теоретические основы, методы и алгоритмы интеллектуализации решения прикладных задач при построении АСУ широкого назначения (п.13 паспорта);

• использование методов автоматизированного проектирования для повышения эффективности разработки и модернизации АСУ (п. 15 паспорта);

• методы планирования и оптимизации отладки, сопровождения, модификации и эксплуатации функциональных и обеспечивающих подсистем АСУТП, АСУП, АСТПП и др. включающие задачи управления качеством, финансами, персоналом (п.9 паспорта).

Личный вклад автора. Автором работы предложены:

• геометрия распознавания объемного изображения объекта схватывания по двум его плоским изображениям, представление этих картин совокупностями простейших кинематических связей, позволяющие сформировать матричное АО функционирования бинокулярной СТЗ в угломерном канале системы ручного промышленного телеманипулятора;

• на основе разработанной имитационной модели произведено обоснование работоспособности АО бинокулярной СТЗ;

• предложена и апробирована методика формирования требований к разрешающей способности светочувствительных видеодатчиков в зависимости от общих требований по точности позиционирования схвата телеманипулятора;

• теоретически обоснован мультипликативный (комплексный) критерий оптимизации структур и процессов распараллеленной цифровой МП-обработки.

Методы исследования. Положения диссертации базируются на теоретических положениях матричного исчисления, сферической тригонометрии, теории оптимизации, теории моделирования, теории ошибок, теории многоуровневых иерархических систем.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 14 статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация'состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Работа изложена на 227 страницах машинописного текста, включающего 3 приложения, в том числе 35 рисунков и таблиц, библиографический список из 78 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту, приводится краткое содержание каждой из глав.

В первой главе произведен обзор состояния проблемы исследований современных СТЗ для промышленных робототехнических комплексов. Выявлены недостатки при применении существующих роботов р СТЗ для автоматизации производственно технологических процессов.

СТЗ - эффективное средство очувствления роботов и в частности СТЗ, построенных на основе модульной организации ее информационного обеспечения. Разработки в этом направлении часто встречают принципиальные сложности из-за недопустимо низкой организации вторичной цифровой обработки в СТЗ. Создание эффективного алгоритмического обеспечения на базе модульной организации является принципиальным для кардинального повышения общей эффективности работы роботов и, в частности, для решения задачи автоматизации телеманипулирования.

Построение современной СТЗ должно производиться на основе современных принципов её организации. Поэтому в обзоре произведена систематизация (в виде концепции) хорошо известных и широко применяемых принципов организации вычислительного процесса СТЗ для современных производственных робототехнических комплексов и телеманипуляторов. Структурная иерархия реализована на основе предварительной систематизации общих аспектов формирования концепций системной организации: системного подхода, принципов формирования концепций, классификации иерархии принципов, оптимизации концептуальной декомпозиции. Разработанная в обзоре 3-х уровневая иерархия принципов организации цифровой обработки (рис. 1).

Максимум информации (до 80%), поступающей из внешней среды обеспечивают СТЗ, но при этом необходимость восприятия 3-мерных изображений объектов схватывания требует построения технических систем на бинокулярной

основе.

Верхний: обшие принципы (стратегия) организации цифровой обработки в производственных РТК и телемаявпуля торах

Средний: собственные принципы (координация)цифровой обработки в системах очуствления интеллектуальных телеманипуляторов

Принцип полной сопрягаемого» компанент цифровой обработки Принцип комплексирования процессов цифровой обработки Принцип модульности организации обработки Принцип максимума автономности компанент цифровой обработки Принцип максимума эффективности цифровой обработки Принцип минимальной достаточности уровня организации компанент Принцип максимума сбалансированности компанент обработки Нижний: частные принципы (управление) организации алгоритмического обеспечения обработки в системе очуствления теяеманикуляторов

Принцип оперативно перераспределения вычислительной нагрузки Принцип струетур.чого единства средства и обеспечения Принцип единства и максимума специализации основных компанент обработки Принцип единст ва и максимальной равномерности распределения вычислительного пространства

Принцип единства математического аппарата Принцип максимальной компактности Принцип максимального удобства реализации Принцип максимальной распараллелейности структуры обработки

Рис. 1 Концепция организации вычислительного процесса в бинокулярных СТЗ «ля промышленных робототехшмеских комплексов и телеманипуляторов.

Теория, робототехнкческих комплексов и, в частности анализ особенностей решения обратной задачи кинематики управления роботом позволила обосновать возможность значительного упрощения процесса ручного телеманипулирования за счет полной автоматизации процессов угловой ориентации схватов приводящей к значительному упрощению процесса ручного телеманипулирования (рис.2).

В условиях жестких ограничений на вычислительный ресурс, используемой злектронно-компонентной базы и требований по точности самого процесса телеманипулирования цифровая обработка может быть решена на основе оптимальной структуризации, как процессов распараллеленной обработки, так и средств, организующих такую обработку и, в частности, управляющих модульных мультипроцессоров (многоядерных процессоров).

Значительного повышения потенциального параллелизма используемого АО бинокулярных СТЗ можно достичь на основе перевода на матричный уровень используемых функциональных моделей, что может быть реализовано на основе позиционного метода простейших кинематических связей (ПКС), широко применяемого для решения классов задач угловой ориентации и сферической тригонометрии.

В обзоре произведена систематизация существующих структурных моделей оценки реализуемости основных компонент, а также используемых информационные технологии для современных СТЗ, причем их полная взаимная

сопрягаемость дает возможность проведения комплексного обоснования эффективности визирования уже на предварительных стадиях и этапах проектирования бинокулярных СТЗ.

Рис.2 Общая структура организации телеманипулйтора При значительных объемах обработки в реальном времени, а также жестких

ограничениях на вычислительный ресурс используемой электронно-компонентной

базы и требований по качеству функционирования может быть сформирован

современный подход к разработке АО для информационно - управляющих систем и,

в частности, для канала вторичной цифровой обработки бинокулярной СТЗ

автоматизированного телеманипулятора в последовательности:

• альтернативная, структуризация и метрология распараллеленных управляющих алгоритмов цифровой обработки;

• модернизация существующих и разработка новых критериев оптимизации структур цифровой обработки;

• на базе современных компьютерных сред инженерного анализа оптимальное распараллеливание структуры АО цифровой обработки и архитектуры мультисистемы предложенной для использования.

Основными результатами аналитического обзора являются:

• на основе известных и широко применяемых принципов систематизирована 3-х уровневая иерархическая концепция организации вычислительного процесса

для бинокулярных СТЗ современных производственных тепемантуляторов;

• произведена постановка задачи современного телеманипулирования с использованием СТЗ, построенных на бинокулярной основе, в рамках которой:

• обоснована структура современного телеманипулятора со встроенной бинокулярной СТЗ;

• произведена систематизация общих и частных требований по качеству функционирования современной СТЗ и её компонент;

• сформирован комплекс полностью взаимосопрягаемых структурных моделей компонент, сред и информационных технологий в системах бинокулярной телевидеообработки;

• обоснована необходимость модернизации АО бинокулярных СТЗ на модульной матричной основе, а, кроме того, оптимизации структуры распараллеленной вторичной обработки в бинокулярной СТЗ и используемого в ней мультипроцессорного вычислительного комплекса,

• обоснована возможность формулирования гибкой предварительной САПР и проведения экспериментальных исследований реализуемости бинокулярной СТЗ, что делает возможным создание автоматизированного комплекса реализующего предварительное проектирование бинокулярной СТЗ, как современной производственной информационно-вычислительной системы.

Во второй главе диссертации проведена разработка и обоснование адекватности функциональной модели вторичной обработки информации в угломерном канале бинокулярной СТЗ промышленного телеманипулятора.

В основу разработки положен модульный принцип построения вычислительного процесса в СТЗ, позволяющий за счет четкой дифференциации функций отдельных компонент, введения блока вторичной обработки создать предпосылки для существенного сокращения объема вычислений в модуле первичной обработки и удобства эксплуатации всей СТЗ достигаемых за счет:

• исключения косвенных методов определения параметров пространственной ориентации объекта, разработанных и традиционно используемых в рамках класса задач распознавания образов;

• перевода модуля первичной обработки целиком на решение традиционных задач распознавания и идентификации образов (например, перехода от полутоновой к бинарной обработке и применению простейших средств подсветки объекта вплоть до естественной);

» перехода к формированию простейшей четырехточечной модели объекта

(построению плоских изображений СК, жестко связанных с объектом визирования).

I

Модуль 2

а,(у)=а»(у.к(у2)-»у

I

Модуль 3

К, (¿V., )= ^ (V. + Л'С., К(чО->лч'„

II («„.У„«¥„.)„„

Рис. 4. Общая структура модульного матричного АО цифровой обработки в цикле реального времени для блока уг.тометрии бинокулярной СТЗ.

На основе сформированной в главе общей кинематической картины восстановления объемного изображения объекта (рис.3), разработано базовое матричное модульное АО (рис 4), реализованное на основе выбранного в

аналитическом обзоре метода ПКС, для вторичной цифровой обработки данных для бинокулярной СТЗ в угломерном канале промышленного телеманипулятора.

Рис. 5. Структура имитатора первичной цифровой обработки в бинокулярной СТЗ.

Сформулирован метод "последовательного прогона" для обоснования адекватности (правильности) разработанной эталонной функциональной модели (АО) восстановления объемного изображения объекта по двум плоским, что потребовало разработки модели имитатора канала первичной обработки в бинокулярной СТЗ (рис.5). В главе произведена экспериментальная проверка правильности (адекватности) функциональной модели (АО) вторичной цифровой обработки в канале углометрии бинокулярной СТЗ. Адекватность доказана по совпадению результатов углометрии с соответствующими параметрами реальной угловой ориентации объекта визирования. Основными результатами второй главы диссертации являются: • разработано матричное модульное АО для вторичной цифровой обработки

данных бинокулярной СТЗ в угломерном канале производственного телеманипулятора, позволяющее:

• существенно упростить общий «ручной» алгоритм манипулирования за счет автоматизации процессов угловой ориентации исполнительного органа телеманипулятора;

• существенно упростить модуль первичной обработки в угломерном канале бинокулярной СТЗ, реализующий четырехточечные модели объекта визирования на двух его плоских изображениях;

• сформулирован метод "последовательного прогона" для обоснования адекватности разработанной модульной функциональной модели (АО) восстановления объемного изображения объекта по двум плоским, что потребовало разработку модели имитатора канала первичной обработки в бинокулярной СТЗ, которая была также реализована в модульном матричном виде на основе вь(бранного в аналитическом обзоре метода ИКС; » экспериментально проверена правильность (адекватность) функциональной цифровой обработки в канале углометрии бинокулярной СТЗ. ТРЕТЬЯ ГЛАВА диссертации посвящена оптимизации структуры вычислительного процесса при восстановлении объемного изображения объекта схватывания (в канале углометрии), а также мультисистем вторичной цифровой обработки для промышленных телеманипуляторов.

Практической ценностью разработанного в главе 2 модульного матричного АО является возможность организации цифровой обработки на матричном уровне, что предполагает применение мультипроцессоров (многоядерных процессоров), либо последовательной (однопроцессорной) обработки - применения в случае сопроцессоров с аппаратной реализацией действий над массивами (векторной организацией центрального процессора).

Целью главы является формирование достаточно простого и эффективного функционала оптимизации структур распараллеленной мультипроцессорной обработки, а также реализация процедуры последовательного перебора альтернатив с целью выбора оптимальной структуры мультипроцессорного комплекса углометрии бинокулярной СТЗ

Оптимизация мультипроцессоров производится на основе

с

мультипликативного критерия вида: 1МП 3,, ' (3.1)

1-1

где л, - факторы эффективности цифровой обработки. При этом для оптимизации

предг.агались:

• Фактор расширения структуры: (3.2)

• Фактор укорочения структуры: (3.3) . Фактор увеличения загрузки мультисистемы: л, = К1„5М1 = К1„!1,Ш.Ш1-к,(3.4)

где К,

1

>№•«, И V ¡у

ЭТ«ПО«/вйр >Г»П1>»'ОЙр

N.

(3.5)

Матричная организация АО для блока углометрии бинокулярной СТЗ, разработанная в главе 2 , предполагает возможность распараллеливания операций перемножения массивов элементарных разворотов (матриц Эйлера) и, следовательно, позволяет представить вычислительный процесс внутри каждого из модулей в виде структуры, данной на рис 6., где операции распараллеленного перемножения массивов могут быть организованны неоднозначно на основе одной из четырех, предложенных в главе альтернатив: 9-ти процессорной, 3-х процессорной, однопроцессорной, однопроцессорной - векторной.

Рис. 6. Яруснопараллельная форма модуля распараллеленного АО сформированного по методу ПКС Инструментальным средством оптимизации структуры распараллеленной цифровой обработки и числа процессоров вычислительного МП-комплекса являлась среда структурного моделирования Ма^сас* 14. По результатам последовательного перебора альтернатив оптимальным является 3-х процессорный МП-комплекс углометрии.

Для 3-х процессорной реализации операции перемножения массивов 3X3

(матриц Эйлера) в главе разработана вычислительная структура (ЯПФ) с идеально равномерной алгоритмической загрузкой по этапам (рис.7), что позволяет максимизировать общий коэффициент загрузки модулей-ЦП мультисистемы.

Рис. 7 3-х процессорная ЯПФ операции перемножения матриц Эйлера Основными результатами третьей главы являются:

• разработан комплексный критерий, где частные аспекты показали противоречивость влияния (Мпр0ц) на эффективность процесса распараллеленной цифровой обработки, а значит - целесообразность проведения оптимизации;

• произведен выбор структур-альтернатив для модуля функциональной модели канала вторичной обработки (углометрии) в бинокулярной СТЗ;

« оптимизация произведена методом "последовательного перебора" альтернатив; в результате обоснована оптимальность 3-х процессорной (3-х ядерной) организации встроенной мультисистемы обработки в канале углометрии бинокулярной СТЗ;

• по результатам оптимизации цифровой МП-обработки в канале углометрии обеспечивается достаточно высокий, усредненный по модулю обработки уровень алгоритмической загрузки (к;,гршг =0.875). Это делает 3-х

процессорную МП-углометрию в бинокулярной СТЗ промышленного телеманипулятора принципиально более предпочтительной по быстродействию применяемой ЭКБ по сравнению с последовательной организацией цифровой обработки.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА диссертации посвящена анализу погрешностей, возникающих при оценке параметров угловой ориентации объекта визирования, а так же цифровой обработки в бинокулярной СТЗ. Основными источниками погрешностей углометрии является:

• первичная обработка аналоговой видеоинформации, снимаемой с элементов разрешения светочувствительной матрицы (СЧМ) видеосистемы составляющие Двр ДискР; А«« иР временной и амплитудной дискретизации в аналого-цифровой преобразователь, соответственно;

• вычислительные погрешности в компонентах первичной и вторичной обработки изображения объекта схватывания - составляющие Лвич перв и Аш,„ „юр (в работе предварительно приняты: равными и Дгвыч =2

• погрешности Двкстр из-за дискретности СЧМ бинокулярной видеосистемы, определяющие разрешающую способность угловой ориентации охвата.

Оценка предельно допустимого разрешения 1)Р1г,ри / доп по протяженности в СЧМ производится, исходя из возможности восприятия на экране видеомонитора (СЧМ) с общей требуемой точностью Л„гж некоторого достаточно мелкого фрагмента объекта визирования.

Тогда используемый алгоритм предварительной оценки допустимого разрешения СЧМ имеет традиционный вид:

V

д = ¿у = А- Ли

А. Ау

г

(4.1) Д„

№

■*нястр

"2(2"'"'" -t)

^выч^атор ^выч ¡^ебр

-colsHo0p кмтр

->Л„

Аабш —^инстр "^"^коур "'"^врднекр "

4

(4.6)

-*вр дискр 1

-oÇ/mfn

■h'

^ов/шм ]

(4.2)

(4.3)

(4.4)

(4.5) (4.7)

N„

Эр/стрск

^эр/строк (4.8) N3p/CTpoK - ОР1прод/доп LC4M -

>ЬР1„

1 ирод/доп»

(4.9)

где А„бщ - общая относительная погрешность угловой ориентации объекта, трансформированная на плоскость его визирования (ОХэкрУзкр);

L ^об/mia

_^счм об. 1 ^счм

-17- относительные продольные размеры плоского изображения на экране монитора самого объекта и его характерных фрагментов, соответственно; !Чг0б / - предельно допустимые продольные размеры характерных фрагментов объекта, измеренных в пикселях СЧМ, бинокулярной СТЗ телеманипулятора.

Каждое из трех рассогласований (элемента массива Д), измеряемых на плоскости экрана монитора (СЧМ) формируется независимо от других из триады, поэтому их общее влияние предварительно оценивалось путем энергетического (квадратичного) суммирования при формировании составляющей Динст с помощью соотношения (4.2).

Предварительная оценка допустимого разрешения ВР1„рм /до„ становиться возможной после предварительного формирования массива А трансформации параметров допустимой дискретности Дч/,До,Ду угловой ориентации объекта (схвата) в их плоские оценки Л.,у>1, экспонируемые на экран монитора (СЧМ).

Исходная геометрия общей взаимосвязи исходных параметров и их трансформаций показаны на рис. В, где а и р - координаты ориентации бинокулярной СТЗ относительно СК опорной ОХ„„У0„20„, выбираемые исходя из удобства восприятия объекта, известные параметры; (у, V, у)0в*м - координаты угловой ориентации объекта и схвата, соответственно.

Как и ранее, в главе 2, алгоритмы независимого определения каждого из элементов массива Д, как зависимости от исходных рассогласований Д% Ди, Ду формировались в диссертации после представления исходной геометрии (рис. 8) совокупностью ПКС и последующей группировки элементов этих соотношений в виде общего массива А:

-с и0б я(е0б + л>0(!) / с>1„5 с(е0б + 1)0«)/с роб 0

А = «об / (^К-,-,5 СТ)„б) 0 сдоб)1

_ -вУобГОоб/сСоб -С7„б / С5„6

Экспериментальная оценка предельно допустимой разрешающей способности ОР!Прод_доп производилась в диссертации по алгоритму (4.1-4.10) с использованием инструментальной среды моделирования Ма!Ьсас! 14 для максимальных значений ракурсов а=р=30° общей ориентации видеосистемы бинокулярной СТЗ относительно опорной СК ОХог,Уоп2оп промышленного телеманипулятора и значений Дф=Ди=Ду=1.5° - предельно допустимых погрешностей углевого совмещения осей СК схвата и объекта, еще различимые на экране монитора. Полученная количественная оценка предельно допустимого разрешения СЧМ видеосистемы бинокулярной СТЗ при этом составила 0р|пред>300 пике/дюйм.

УгмПР

Рис. 8. Исходная геометрия взаимосвязи погрешностей схватывания объекта к их дискретных изображений на экране монитора

Основными результатами четвертой главы являются:

• сформирован общий алгоритм анализа предельно допустимого разрешения СЧМ видеосистемы бинокулярной СТЗ в зависимости от требований по точности углометрии в процессе телеманипулирования;

• на основе анализа общей геометрии взаимной угловой ориентации СК объекта визирования и охвата телеманипулятора произведен функциональный переход (сформирован массив А) к плоскому изображению её (общей геометрии) на экране монитора (плоскости СЧМ) - реальной форме дискретного представления визуальной информации для оператора, реализующего процесс ручного телеманипулирования;

• реализована количественная оценка предельно допустимого разрешения СЧМ, полученные результаты допускают значительное снижение стоимости аппаратных средств видеосистемы, используемой в составе бинокулярной СТЗ.

ПЯТАЯ ГЛАВА диссертации (экспериментальная) включает предварительное проектирование бинокулярной СТЗ промышленного телеманипулятора, как информационно-измерительной угломерной системы телевидеообработки. Предварительное проектирование, как структурный анализ бинокулярной СТЗ

целиком строится на результатах, полученных в предыдущих главах, и реализует моделирование, спланированное в аналитическом обзоре 1 главы.

Цель предварительного проектирования - формирование оценок реализуемости компонент, сред и информационных технологий углометрии для бинокулярной СТЗ промышленного телеманипулятора (рис.9). Обоснование производится путем сравнительного анализа принадлежности комплекса основных характеристик бинокулярной СТЗ к областям реальных значений для их ресурса, допустимого в практике функционирования современных комплексов и их компонент ввода/вывода, обмена и обработки данных.

Алгаркэа санленгшхн »лмитая нмх

Дгму.т»тя-[ тек;Сиро*»

,юв +

иьдмргча.

Алгоритм

Речуги, г. тепегбр:

» %7Ьл> )

1 Ум сор: Ялсг) Метод яомектщигы

Ш

<1(ВК>

> л.а г-1

сод

Рис. 9 Структура мультисистемы телеобработки данных реального времени в бинокулярной СТЗ

Для организации математического моделирования канала (рис 9) углометрии бинокулярной СТЗ и её компонент в главе, на основе сопряжения структурных моделей компонент основных информационных сред, разработана предварительная САПР, в рамках которой: • разработана её структура (дерево решений),

« сформирован законченный алгоритм оценки реализуемости предельно допустимых значений главных характеристик системы, определяющих её ресурс:

• быстродействия используемой электроннокомпонентной базой вычислительного комплекса (Пма^оп) канала углометрии в бинокулярной СТЗ;

• мощности (РПрд_чи;оп), потребляемой передающим цифровым радиоадаптером от автономного источника энергосбережения промышленного

телеманипулятора;

• общей латентности (Твз_обЩ_Лол) ~ периода формирования результатов в тракте телевидеообработки канала углометрии, а также периодичности выдачи этих результатов (ТВол<га_доп);

• оценки принципиальной реализуемости распараллеленного процесса цифровой обработки в канале углометрии на базе мультипроцессора.

В качестве инструментального средства предварительного проектирования системы телевидеообработки, как и ранее была использована среда моделирования (\zlathcad 14. Главным удобством предварительного проектирования явилось его реализация на верхнем, прикладном уровне в стандарте 130/081.

Полученные количественные оценки, всесторонне определяющие потенциальные возможности и эффективность функционирования СТЗ, систематизированные в таблице 1, показали возможность аппаратной реализации бинокулярной СТЗ на базе используемых в настоящее время в промышленности аппаратного обеспечение с минимально допустимыми ресурсом и стоимостью.

Таблица 1

Название | Обозначение | Ед. измерения! Значения

1 Общие параметры системы

Общая допустимая погрешность телеобработки Аобщ 0.05

Коэф. мультиплексирования Кущ 4.704-10

Скорость появления ошибочного бита ВЕН 0.01

Погреши, направленной юстировки 6с рад 0.087

Общая латентность системы Tfij общ доп С 0.03

Количество каналов системы Йкан 2

Уровень конвеерности процессов обработки Z, 1.53

Козф. загрузки по алгоритму ■^•заго 8 л г 0.875

Общее затухание в канале I Д0б„, дБ 78.937

2 Система ввода-вывода

Диаметр СЧМ Е^счм м 10.036

Разрешающая способность СЧМ по горизонтали и по вертикали DPIrop_Bepv эр/м 1.969-10"

Частота смены кадра на экране fpereH кадр кадр/сек 10

Разрешающая способность СЧМ DPI эр/м2 3.875-108

Длина СЧМ ^счм м 0.028

Ширака СЧМ - ^ СЧМ м 0.021

Площадь СЧМ Sc44 м2 6.07-10"4

Количество элементов разрешения в кадре ^эр кялр эр/кадр 2.352-105

Количество элементов разрешения в строке ^эп строк эр/строк 560

Минимальный размер объекта с требуемой четкостью границ на экране монитора зр 5

Минимальная длина объекта с требуемой четкостью границ на зкране монитора м 2.845-10'4

Длина информ. части кодовой комбинации бит 4

Название Обозначение Ед. измерения Значения

для в вода одного пикселя на экран

Сост. погр. цифр, код-ия из-за квантования по уровню Акв^ур 0.049

Сост.погрешности из-за временной дискретизации Авр_дискр 7.972-ИГ*

3 Система обработки данных

Количество запросов в КЭШ-ОП запр/цикл 1-Ю3

Разрядность процессора ^эаио 32

Часть объема КЭШ зап/опуст данными 02 бит 1.104-104

Число блоков данных при вып. запросов к ОП и блок 2

Количество процессов ^ООГ.Ц 3

Длина запрошенного информ. слова I сл бит/запр 32

Ширина системного интерфейса ^лик бит/т.обмена 16

Секционирование 2-го слоя р 4

Коэффициент заполнения памяти и 0.5

Паспортный параметр сист. платы 4

Общий объем обработки Нобш кор.оп/цикл 4.742-10* |

Составляющая коэф. загрузки системы 1 К-зигр сна 1 0.235

Составляющая коэф. загрузки системы 2 и 3 сип 23 0.52 1

Коэффициент общей загрузки сист. сист 0.122 !

Коэффициент загрузки кзагр 0.107

Относительная погрешность получ. числ. результатов ^выч 1.603-10"л

Максимальная доступная производительность Пщах_Д0П кор.оп/цикл 1.159-10'

Номинальная производительность Пнон кор.оп/цикл 3.475-106

Эффективная производительность Пэфф кор.оп/цикл 1.27-10"

Требуемая производительность ТСтреб кор.оп/цикл ! 1.733-106

Полная производительность П|?ОЛЙ кор.оп/цикл ) ХЛЗЗ-Ю6

Номинальная интенсивность запросов ^»ноч запр/сек ! 2.981-Ш5

Эффективная интенсивность запросов ^Офф запр/сек 9.747-105

Максимальная интенсивность запросов *"МЯ1СС запр/сех 3.12-106

Общая интенсивность запросов к областям памяти к запр/сек 7.31-106

Латентноеть ОП тЕб сех/запр 1.5-10"8

Длительность этапа торможения с 8.682-10"4

Длительность этапа работы модуля ЦП с Ином "^ком с 1.04-103

Время вып. ед-го запроса Т] сек/залр 3.205-10'7

Такт передачи блока информ. слова с 3.452-10"7

Такт процессора т с 8.63-10""

Длительность цикла обработки в канале Тц об» с 1.368-5

Период вывода результатов обработки Тво ДИСК 2011 с 9.845-103

Мин.возможная длительность тайм-слота Тт С.1 1 С 2.090-10"8

¿Система передачи данных

"0"Протяженность радиоканала кан М 1 500

Предельно допустимый ресурс энергопотребления передающего информ канала 1*прд_ср_доп Вт 98.23

Мощность импульса цифрового информ р * прд к*в Вт 982.301

Название Обозначение Ед. измерения Значения

оадиосигнала

Чувствительность радиоприемника МшРс ф пом Вт 1.255-1Й"5

Общий коэффициент использования канала Куг л обга 1,417'Ю"6

Информационная составляющая коэффициента использования Кнсп_иаф 0.667

Физическая составляющая коэффициента использования Кисп^фяз 2.126-10"

Минимальный коэф./тум МшКц ,„ 16.99

Коэф.сигнал/шум на входе приемника Кс ш вк прм дБ 13.996

Сост.затухания из-за ограничения по широкополосности канала Й2 дБ 10.955

Сост. затухания из-за рассеивания энергии 8з дБ 67.982

Разрядность АЦП Ваыя дБ 4

Требуемая информационная пропускная способность интерфейса ПСтреб_инф дБ 406.304

Пропускная способность радиоканала ПСдоп 1.494-10"

Такт обмена Тслад бит/с 6.639-10"*

Время передачи одного кадра Ткало бит/с 9.845-10"л

Время ввода сообщения в интерфейс Тсоабш с/ бит 3.375•10",,

Скорость распространения сигнала в канале С З'Ю"

Время распространения бита информации в ханале Траспр С 1.667-Ю"6

Скважность н м/с 10

Направленность иыф. сигнала передатчика Вшах Прл с 1.571

Направленность инф. сигнала приемника От ах 1И>М 1.571

Площадь приемной антенны ®ирм рад 0.5

Ширина полосы пропускания радиоканала А^п 0 К8Н рад 12.5-108

Ширина полосы пропускания канала Дсо „ м2 | 8.452-10'

Коэффициент повторения рад/с ! 1

Коэффициент служебной информации Kf.1V"« рад/с 0.667

Длина кодовой комбинации по Хеммингу 6

Длина служебной части блока сообщения Ь/служ бл 2

Длина блока сообщения ^блок 4

Кол-во передаваемых блоков сообщений 1

Длительность излучаемого радиоимпульса с 6.693-10"1"

Постоянная времени радиоканала ^р »сан с 8-10*

Основными результатами пятой главы являются: • разработка предварительной информационно - измерительной системы телевидеообработки в канале углометрии, как комплекса всаимосопрягаемых моделей структурного анализа принципиальной реализуемости углометрии на базе бинокулярной СТЗ, является экспериментальным подтверждением свойств полноты аналитических моделей компонент, сред и применяемых информационных технологий, а так же возможности их использования в рамках других предметных областей.

-23-

Основные результаты диссертации:

1. на основе общепринятых принципов организации процессов цифровой обработки предложена концепция организации бинокулярной СТЗ современного промышленного телеманипулятора;

2. произведена систематизация комплекса основных характеристик сред, средств и используемых информационных технологий для бинокулярной СТЗ основной результат предварительных стадий и этапов её проектирования и основа ТЗ разработки её компанент на последующих этапах;

3. с целью автоматизации процессов угловой ориентации схвата телеманипулятора разработано матричное АО для комплекса вторичной обработки в канале углометрии бинокулярной СТЗ, что позволяет значительно расширить возможности выбора средств цифровой обработки и значительно упростить процесс ручного телеманипулирования,'

4. разработан мультипликативный критерий оптимизации структур ярусно параллельной формы цифровой обработки и соответствующего многопроцессорного вычислительного комплекса и произведена оптимитизация распараллеленного алгоритма углометрии бинокулярной СТЗ промышленного телеманипулятора;

5. разработана и опробована методика выбора разрешающей способности для СЧМ СТЗ телеманипулятора, позволяющие реализовать взаимосвязь требований по точности схватывания объектов и их объемного визирования;

6. на основе структурного моделирования процессов и аппаратных средств вторичной цифровой телеобработки в угломерных каналах бинокулярных СТЗ предложен подход к разработке предварительной САПР бинокулярной СТЗ и произведен экспериментальный анализ реализуемости основных требований по ресурсу системы для информационных технологий реального времени.

Приложение содержит: метод простейших кинематических связей, комплекс

структурного моделирования основных сред информационно-управляющих систем,

документы об использовании результатов работы внедрения.

Публикации по теме диссертации.

1. Гулина, Т.И. Оптимизация структур распараллеленной цифровой обработки в информационно-управляющих системах реального времени /Гулина Т.И., Волков А.Н., Волков H.H., Лизунова С.С.// Сборник научных трудов МАДИ (ГГУ) «Автоматизация управления предприятиями промышленности и транспортного комплекса», М., 2006, с. 24-33

-242. Гулина, Т.Н. Структурное моделирование информационно-управляющих систем телеобработки данных реального времени /Гулина Т.И., Лизунова С.С., Волков H.H./ Межвузовский сборник научных трудов «Теория и практика информационных технологий», М., 2006, с. 45-56)

3. Гулина, Т.И. Мультипликативные критерии для комплексной оптимизации структур распараллеленной цифровой обработки в сосредоточенных информационно-управляющих АСОИУ / Гулина Т.Н., Волков А.Н., Волков H.H., Лизунова C.C.II МАДИ (ГТУ) - М., 2006. - 19 с. - Библиогр.:4 назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 11.01.2007 № 6-В2007)

4. Гулина, Т.Н. Организация цифровой обработки информационно-управляющих системах с протяженными информационными каналами, подверженными воздействию помех /Гулина Т.И., Лизунова С.С., Волков H.H.// МАДИ (ГТУ) - М., 2006. - 13 с. - Библиогр.: 5 назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 28.12.2006 № 1630-В2006

5. Гулина. Т.И. Предварительный анализ эффективности алгоритмических методов борьбы с помехами в информационных каналах распределенных АСОиУ /Гулика Т.И., Волков H.H.// МАДИ (ГТУ) - М„ 2007. -19 с. - Библиогр.: 5 назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 13.03.2007 № 251-В2007

6. Гулина, Т.И. Структурные моделирование и анализ процессов и технологий информационного обмена в физических интерфейсах систем телеобработки данных/ Гулина Т.И., Волков H.H.// МАДИ (ГТУ) - М., 2007. - 21 с. - Библиогр.: 4 назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 13.03.2007 № 249-В2007

7. Гулина, Т.И. Винеровская фильтрация помех в угломерных каналах с бинокулярными СТЗ для современных интеллектуальных промышленных телеманипуляторов / Гулина Т.И., Волков H.H.// МАДИ (ГТУ) - М., 2007. - 12 с. -Библиогр.:4 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 13.03.2007 №250-В2007

8. Гулина, Т.И. Современная концепция и организация систем технического зрения для автоматизации процессов интеллектуального телеманипулирования (аналитический обзор состояния проблемы) / Гулина Т.И., Волков H.H., Макарова СШ МАДИ (ГТУ) - М., 2007. - 88 с. - Библиогр,: 50 назв. - Рус. - Дел. в ВИНИТИ 13.06.2007 №629-В2007

9. Гулина, Т.И. Системная организация и предварительный анализ требований к компонентам видеосистемы бинокулярной СТЗ интеллектуального телеманипулятора/ Гулина Т.И., Волков H.H.// МАДИ (ГТУ) - М., 2008. -10 с.-Библиогр.: 4 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 17.06.2008 №511-В2008

10.Гулина, Т.И. Системная организация и модульное матричное АО обработки данных бинокулярной СТЗ для интеллектуальных телеманипуляторов / Гулина Т.И., Волков H.H.// МАДИ (ГТУ) - М., 2008. - 15 с. - Библиогр..' 8 назв. - Рус. -Деп. в ВИНИТИ 17.06.2008 №513-В2008

11. Гулина, Т.И. Принципиальные основы организации цифровой обработки в системах технического зрения интеллектуальных промышленных телеманипуляторов / Гулина Т.И., Волков H.H., Волков А.Н// МАДИ (ГТУ) - М„ 2008. - 9 с. - Библиогр.: 4 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 17.06.2008 №512-62008

12. Гулина, Т.И. Предварительная оценка эффективности функционирования современных АЛУ и сопроцессоров встроенных информационно-управляющих систем/ Гулина Т.И., Лизунова С.С., Волков H.H.// МАДИ (ГТУ) - М„ 2008. -12 с.-Бибпиогр.: 3 назв. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 17.06.2008 №510-В2008

13. Гулина, Т.И. Концепция организации вычислительного процесса для бинокулярного зрения интеллектуальных промышленных роботов и телеманипуляторов I Гулика Т.И., Лизунова С.С., Волков H.H., Волков А.Н.// Вестник МАДИ (ГТУ) выпуск 3(14); - М„ 2008. - с. 74-77.

14. Гулина, Т.И. Разработка и предварительный анализ алгоритмов цифрового управления для систем энергообеспечения автономных научно-производственных комплексов /Гуяинэ Т.И., Т.И., Лизунова С .С., Волков H.H.// Вестник МАДИ (ГТУ) выпуск 4 (15); - М„ 2008. - с. 100-108.

Подписано в печать 8 апреля 2009 г. Формат 60x84x16 Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 21 "Техполиграфцентр" Россия, 125319, г. Москва, ул. Усиевича, д. 8а. Тел/факс: 8(499) 152-17-71 Тел.: 8-916-191-08-51

Введение. Основные характеристики диссертации.

1. Концепция организации, аналитический обзор проблем построения современных СТЗ.для робототехнических комплексов и постановка задачи современного телеманипулирования.Л

1.1. Общие особенности организации СТЗ.

1.1.1 Концепция-организации вычислительного процесса в бинокулярных СТЗ для промышленных РТК и телеман ипу ляторов.1.

Г.Г-2 Классификация современньгх: СТЗ;.:.

1.1.3 Теоретические основы управления манипуляционными роботом и обоснование возможностей. автоматизации процессов; ручного телеманипулирования на основе СТЗ.

1.2. Функциональная-организация бинокулярных СТЗ.

1.2.1 Последовательность.первичной обработки информации в бинокулярных СТЗ и обоснование модульности ее организации

1.2.2 Общие требования по качеству функционирования пассивной бинокулярной СТЗздля телеманипуляторов .;.:.44;

1.3. Основные направления и средства организации анализа эффективности процессов вторичной цифровой обработки в бйнокулярныхСТЗ^телеманипуляторови.;.!.;.49^

1.3и. Математическиеосновы.и методььорганизации АО в угломерных каналах бинокулярных СТЗ;.;.49?

1.3.2 Основные пути повышения эффективности управляющего АО в канале у глометрии телеманипулятора: структурные, аппаратные и программные средства реализациищифровой: обработки.;.;.

1.3.3 Средства обеспечения проведения анализа эффективности: функционирования бинокулярных СТЗ для телеманипуляторов

1.4. Понятие и предварительная оценка вычислительных погрешностей мультисистем сосредоточенной цифровой обработки.

2. Разработка модульного матричного АО вторичной обработки данных в каналах бинокулярных СТЗ промышленных телеманипуляторов

2.1. Разработка АО в канале у глометрии бинокулярной СТЗ;.

2.1.1 . Геометрия функционирования-одноканальной СТЗ и обоснование принципиальной, невозможности, восстановления^ объемной картины угловой ориентации объекта в одноканальном СТЗ^.;.;.:.;.

2.1.2.ГеометрияфункционированиябинокулярнойСТЗи обоснование условия объемности восприятия объекта в бинокулярной СТЗ;;.,.„.„.;.;.

2.1.3. Обоснование минимальной достаточности исходной информации в тракте обработки данных бинокулярной СТЗ и решение многовариантной задачи определения угловой ориентации СК, связанной с объектом.

2.2. Разработка геометрической имитационной модели объекта первичной обработки информации в бинокулярной СТЗ.

2.3. Обоснование адекватности функциональной модели вторичной цифровой обработки в бинокулярной СТЗ.

2.3.1 Техническое задание.

2.3.2. Анализ адекватности модели угломерного канала.

Основные результаты второй главы.

3. Оптимизация структур восстановления объемного изображения объекта схватывания и мультисистем вторичной цифровой обработки для промышленных телеманипуляторов.

3.1.Обоснование комплексного мультипликативного критерия для оптимизации структур распараллеленной цифровой вторичной обработки в бинокулярной СТЗ телеманипулятора.

3.1.1.Основные аспекты и мультипликативный функционал оптимизации мультипроцессоров с оценкой алгоритмических потерь.

3.2. Структуризация и метрология модульного матричного АО цифрового канала углометрии объекта визирования в бинокулярной СТЗ телеманипулятора.

3.2.2 Метрология модульного матричного АО.

3.3. Оптимизация структуры распараллеленной обработки мультипроцессора канала углометрии объекта визирования.

3.3.1. Техническое задание.

3.3.2. Оптимитизация структур распараллеленной обработки.

Основные результаты третьей главы.

4. Синтез кинематики формирования и анализ инструментальных погрешностей телеманипулирования и разрешающей способностей оптических датчиков информации бинокулярных СТЗ.

4.1. Постановка задачи анализа предельного разрешения СЧМ цифровых телекамер бинокулярной СТЗ.

4.2. Разработка и исследование модели оценки погрешностей манипулирования ПР на основе графической информации, формируемой на экране телеоператора.

4.3 Экспериментальный анализ требуемого разрешения СЧМ приемных телекамер бинокулярной СТЗ.

4.3.1. Техническое задание.

4.3.2. Экспериментальная оценка допустимого разрешения приемных СЧМ бинокулярной СТЗ.

Основные результаты четвертой главы:.

5. Анализ ресурса цифровой обработки и обоснование реализуемости процессов вторичной цифровой обработки в каналах бинокулярных СТЗ телеманипуляторов (структурное моделирование информационно-управляющих систем телеобработки данных).

5.1. Постановка задачи экспериментального анализа диссертации

5.2. Структурное моделирование информационно-управляющих систем телеобработки данных реального времени.

5.2.1 .Особенности организации и анализ эффективности функционирования мультисистем телеобработки данных в режимах реального и с разделением времени.

5.2.2.Структурная модель системы телеобработки данных с цифровыми информационными каналами.

5.3. Предварительная САПР канала углометрии объекта визирования в бинокулярной СТЗ.

5.3.1. Техническое задание.

5.3.3 Предварительная САПР системы телеобработки в комплексе ручного телёманипулятора (алгоритм анализа).

5.3.4 Эксперементальное обоснование реализуемости системы телевидеообработки телеманипулятора с бинокулярной СТЗ.

Основные результаты пятой главы:.

Актуальность работы. Повышение эффективности функционирования промышленных роботов может быть достигнуто за счет оптимизации цифровой обработки, применяемый в процессе захвата и извлечения каких либо устройств, то есть решения классической обратной задачи робототехники. Наиболее узким местом при решении задачи захватывания является измерение параметров, определяющих пространственную ориентацию объекта и «в частности» наиболее сложной части этой задачи — определение угловой ориентации осей системы координат (СК) схвата. Используя' в робототехнической системе бинокулярную систему технического зрения (СТЗ) и соответствующий вычислительный комплекс, реализующей информационно-вычислительные функции формирования управляющих воздействий на исполнительные устройства в сочленениях телеманипулятора, т.е. решение собственно задачи манипулирования, а также значений координат углового положения осей СК объекта в соответствии с данными, снимаемыми с плоских изображений объекта, формируемых в каждом из каналов бинокулярной СТЗ. Проблема измерения параметров ориентации объекта в процессе его схватывания является достаточно сложной и может быть решена автоматически с помощью активной системы измерения, т.е. при наличии подсветки объекта, либо традиционно вручную путем манипулирования на основе информации получаемой с экрана, что впрочем, требует и одновременной угловой ориентации схвата при манипулировании.

В данной работе предлагается метод автоматизированного манипулирования на основе тесного человеко-машинного взаимодействия, то есть традиционно применяемого ручного манипулирования схватом, реализуемого оператором по одному или двум плоским изображениям объекта, формируемым телекамерами в канале СТЗ, с целью совмещения начала СК схвата и объекта и полностью автоматической угловой ориентации осей СК схвата, реализуемой системой на основе информации, получаемой от пассивной бинокулярной СТЗ.

Таким образом, предлагаемая диссертационная^ работа, связанная, с использованием в процессе традиционного телеманипулирования рационального совмещения ручного пространственного манипулирования и автоматической угловой ориентации схвата по данным; получаемыми от информационно - управляемой бинокулярной СТЗ, является весьма важной и актуальной.

Цель работы:- состоит из решения проблем автоматизации, и I повышения эффективности функционирования современных телеманипуляторов за счет принципа построения и оптимизации процесса 1 цифровой обработки^ подсистем« вторичной обработки в каналах измерения параметров угловой- ориентации объектов манипулирования (применения бинокулярных СТЗ).

Для достижения указанной цели в работе* поставлены и* решены основные задачи:

1. Обоснование возможностей независимого управления» роботом в каналах пространственной' и угловой ориентации- схвата. Позволяющие при решении обратной задачи кинематики робота без изменений существующих принципов и способа ручного пространственного телеманипулирования схватом полностью.

2. Автоматизация процессов угловой ориентации телеманипулятора, на основе бинокулярной СТЗ, решив, таким образом, задачу правильного схватывания объектов.

3. Распараллеливания процессов вторичной цифровой обработки^ угловом канале ориентации схвата телеманипулятора за счет представления алгоритмического обеспечения (АО)-в матричном виде.

4. Оптимизация цифровой мультипроцессорной обработки- в информационно-управляющей системе телеманипулирования бинокулярной СТЗ.

Научная новизна

1. Разработано матричное АО для бинокулярной СТЗ в угломерном канале телеманипулятора, что позволяет полностью автоматизировать процесс угловой ориентации схвата при телеманипулировании.

2. Разработана модель, предложен метод и решена задача оценки допустимой разрешающей способности светочувствительной матрицы -бинокулярной СТЗ в зависимости от допустимых погрешностей позиционирования схвата телеманипулятора.

3. Предложен критерий и произведена оптимизация структуры распараллеленной цифровой вторичной МП-обработки в реальном времени для бинокулярной СТЗ промышленного телеманипулятора, позволяющий максимизировать число процессоров в МП при обеспечении максимальной равномерности загрузки модулей-ЦП.

4. Разработана функциональная модель имитатора первичной цифровой обработки в бинокулярной СТЗ и произведено обоснование адекватности функциональной модели вторичной цифровой обработки.

Достоверность и обоснованность результатов диссертации. Результаты, полученные автором в рамках диссертации, проверены моделированием работы бинокулярной СТЗ при формировании данных об угловом положении объекта схватывания. Точность восстановления объемного изображения объекта по его двум плоским изображениям в канале СТЗ и точность схватывания удовлетворяют существующим требованиям по точности, что подтверждает работоспособность предложенного матричного АО для информационно-вычислительного канала бинокулярной СТЗ телеманипулятора.

Основные положения, выносимые на защиту:

• концепция иерархической организации вычислительного процесса бинокулярной СТЗ, сформирована на основе систематизации общеизвестных принципов позволяет реализовать модульность АО комплекса вторичной обработки, а также его АО в бинокулярной СТЗ;

• метод многокритериальной оптимизации вычислительных структур и процессов; распараллеленной цифровой обработки, позволяющая максимально эффективную ее организацию в информационно-управляющей системе телеманипулирования с бинокулярной СТЗ? и предлагающая- использование компонент цифровой1 обработки, построенных на электронно-компонентной базе с минимальным быстродействием;

• модульное матричное А0 ■ в угломерном канале' бинокулярной: СТЗ для промышленного, телеманипулятора, . позволяющее полностью автоматизировать процесс угловой; ориентации схвата робота в процессе ручного телеманипулирования;: . .

• комплекс структурных моделей компонент угломерной системы и результаты предварительного проектирования* бинокулярной СТЗ; реализованные на*; базе современной среды методно-ориентированного программирования.

Апробация^ и практическая ценность. Содержание, разделов всей! диссертации было доложено и получено одобрение:

• на семинарах кафедры АСУ в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете);

• на 64-й - 66-й научно-методических конференциях МАДИ(ГТУ) и V

Межвузовской конференции РосНОУ;

Результаты- диссертации открывают новые возможности для использования автоматизации производственных процессов, а также в зонах повышенного риска, опасных средах и чрезвычайных ситуациях.

Полная: автоматизация процесса, угловой ориентации' схвата, полученная на основе применения бинокулярной СТЗ, позволяет значительно упростить процессы "ручного" телеманипулирования.

Предложенный в диссертации : подход может оказаться полезным8 при формировании^ оценок, потенциальных возможностей: производственных систем, вновь создаваемых, закупаемых за рубежом, или организуемых на базе промышленных предприятий. Разработанные: методы прошли

• V ■ • Д 8: апробацию и внедрены для практического применения на предприятиях ООО-«ТФТ Спецтехноком», ООО «Тринар Интер»

Область исследования: (в соответствии с паспортом- специальности 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность и строительство)):

- теоретические основы, методы и алгоритмы интеллектуализации решения прикладных задач при построении АСУ широкого назначения*(п. 13 паспорта);

- использование методов автоматизированного проектирования- для повышения эффективности разработки и модернизации АСУ (п.15 паспорта);

- методы, планирования и оптимизации отладки, сопровождения, модификации и эксплуатации функциональных и обеспечивающих подсистем» АСУТП, АСУП, АСТПП и. др. включающие1 задачи управления -качеством, финансами, персоналом (п.9 паспорта).

Личный* вклад автора. Автором работы предложены:

• геометрия распознавания объемного изображения объекта схватывания» по -двум его- плоским изображениям; представление этих картин совокупностями простейших кинематических связей, позволяющие сформировать матричное АО функционирования бинокулярной СТЗ в угломерном канале системы ручного промышленного телеманипулятора;

• на основе разработанной имитационной модели произведено обоснование работоспособности АО бинокулярной СТЗ;

• предложена и апробирована методика формирования^ требований к разрешающей способности светочувствительных видеодатчиков в зависимости? от общих требований по точности позиционирования схвата телеманипулятора;

• теоретически обоснован мультипликативный (комплексный) критерий' оптимизации структур и процессов распараллеленной цифровой МП-обработки.

Методы исследования. Положения диссертации базируются на теоретических положениях матричного исчисления, сферической тригонометрии, теории оптимизации, теории моделирования, теории ошибок, теории многоуровневых иерархических систем.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 14 статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений.

Основные результаты пятой главы:

На основе аналитического сопряжения базовых моделей основных информационных сред сформирована комплексная структурная модель информационно-вычислительной системы телеобработки данных.

Возможность выполнения требований по качеству функционирования такой АСОИУ проверена для наиболее тяжело реализуемой 1Т-технологии реального времени.

Количественные результаты анализа получены в среде методно-ориентированного программирования Ма&сас!, что показало практическое удобство ее использования- для структурного моделирования АСОИУ на предварительных этапах проектирования (ТЗ, НИР). Исследования включали:

- исследование реализуемости предложенного во второй главе АО для канала телевидиообработки, что потребовало: формирование структурных моделей информационных радио каналов, подверженных воздействию внешних электро-магнитных помех большой интенсивности (в том числе - поставщиков) и включающих алгоритмические методы ЗИ

- разработка математического и алгоритмического обеспечения (САПР) телевидеообработки, построенный на основе сопряжения структурных моделей информационных сред ввода, обмена и обработки, а также для используемых информационных технологий, что позволило получить допустимые области для основных технических характеристик этих сред в их тесной взаимосвязи.

Заключение и основные результаты диссертации:

1. На основе общепринятых принципов организации процессов цифровой обработки предложена концепция организации бинокулярной СТЗ современного промышленного телеманипулятора.

2. Произведена систематизация комплекса основных характеристик сред, средств и используемых информационных технологий для бинокулярной СТЗ основной результат предварительных стадий и этапов её проектирования и основа ТЗ разработки её компанент на последующих этапах.

3. С целью автоматизации процессов угловой ориентации схвата телеманипулятора разработано матричное АО для комплекса вторичной обработки в. канале углометрии бинокулярной СТЗ, что позволяет значительно расширить возможности выбора средств цифровой обработки и значительно упростить процесс ручного телеманипулирования.

4. Разработан мультипликативный критерий оптимизации структур ЯПФ цифровой обработки и соответствующего многопроцессорного вычислительного комплекса и произведена оптимитизация распараллеленного алгоритма углометрии бинокулярной СТЗ промышленного телеманипулятора.

5. Разработана и опробована методика выбора разрешающей способности для СЧМ СТЗ телеманипулятора, позволяющие реализовать взаимосвязь требований по точности схватывания объектов и их объемного визирования.

6. На основе структурного моделирования процессов и аппаратных средств вторичной цифровой телеобработки в угломерных каналах бинокулярных СТЗ предложен подход к разработке матиматического и алгоритмического обеспечения САПР бинокулярной СТЗ и произведен экспериментальный анализ реализуемости основных требований по ресурсу системы для информационных технологий реального времени.

1. АсфалЬгР: Роботы и автоматизация производства, -М.: Машиностроение, 1989.-448с.:илл.

2. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники/ч. 1 Линейныеiэлектрические цепи.-Л.:Энергия,1966.-320с.:ил

3. Батраков, A.C. Телевизионные системы./ Батраков. A.C., Лепуновский A.B.// Л.: МО, 1984 - 192 с. илл.

4. Блейхут Р. Теория и практика кодов, контролирубщих ошибки:Пер. а англ.-М.:Мир, 1986.-576с.:ил.

5. Волков, H.H. Матричный метод стандартных кинематических связей при разработке алгоритмов управления в системах угловой ориентации/ Волков H.H., Волков А.Н.// 1АС"97 II Международный Аэрокосмический конгресс.- М., сентябрь 1997. Сб. тезисов.- 50 с.

6. Волков, H.H. Структурное моделирование и анализ вычислительного ресурса мультипроцессора:/ Волков H.H., Волков А.Н., Лизунова C.C.II СБ. Автоматизация управления предприятиями промышленности транспортного комплекса; МАДИ (ГТУ) М., 2006. - с. 34-46.

7. Волков, H.H. Информационные технологии организации и анализ эффективности функционирования компонент и среды цифровой обработки в АСОИУ /Волков H.H., Лизунова С.СЛ РГСУ М:, 2006. -200 с. - Библиогр.: 19 назв. - Рус. Деп. в ВИНИТИ 14.06.2006 № 789-В2006

8. Войчинский, A.M. Гибкие автоматизированные производства. Управление технологичностью РЭАУ Войчинский A.M., Диденко- Н.И., Лузин В.П.//-М.:Радио и связь, 1987-272с.:илл.

9. Виллерс Ф. (Automatix Inc., USA) Современные методы использования анализаторов изображения для управления роботами в промышленности / Техническое зрение роботов/ пер. с англ. М.: Машиностроение, 1987. с. 148-156.

10. Герман Ж.-П. и др, (Renault,Fr) Использование методов распознавания образов в условиях промышленного производства /Техническое зрение роботов/ пер. с англ. М: Машиностроение, 1987. с. 245-254.

11. Гулина, Т.И. Структурное моделирование информационно-управляющей системы телеобработки данных реального времени;/ Гулина Т.И., Лизунова С.С., Волков Н.НУ/ в межвуз. Сборн. Теория и практика информационных технологий; МАДИ (ГТУ) М., 2006. - с. 45-57.

12. Джонс М. X. Электроника практический курс — «Постмаркет», 1999 год.- 527 с.

13. Дружинин, В.В. Системотехника. / Дружинин В.В., Конторов Д.С. // М: Радио и связь, 1985.

14. Инисимов, Б.В. Распознавание и цифровая обработка изображений/ Инисимов Б.В., Курганов В.Д., Злобин В.К.// М.: Высшая школа, 1983.295 е.: илл.

15. Кузьмин С.А. Методы определения ориентации объектов в системе технического зрения /Измерения, контроль, автоматизация/. 1986. Вып2(58). С.37-46.

16. Мотикис А.Д.-М. Элементы теории математических моделей Физмат, 1994.-192с.: ил.

17. Комо, М. Интеллектуальный робот-сборщик /Техническое зрение роботов/ Комо- М., Хорино X., Исобэ М.//: пер с англ. М.: Машиностроение, 1987 с.184-192.

18. Карлайсл, С. Рот Система технического зрения Puma /Vs-ЮО/ Техническое зрение роботов/ Карлайсл, С. Рот (Unimation Inc.); ДЖ.Глисон, Л.Мак (Vfshine Intelinqence Inc)// пер. с англ. М. Машиностроение, 1987. с. 284-294.

19. Consigyt: An Adaptive Robotwich vision/ M.R. Vard, L.Rassol, S.W.Holland// Robotiec today. Summer 1979. pp.26-32.

20. Кудрявцев Е.М. Mathcad 2000 Pro. М.: ДМК Пресс 2001 - 576 с.:ил.

21. Колесниченко, О.В. Аппаратные средства PC / Колесниченко О.В., Шишигин И.В.// 4-е изд., перераб.и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2001. -1024 е.: ил.

22. Кирьянов Д.В. Mathcad 12 «БХВ-Петербург», 2005 год. - 557 стр.

23. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. /Корн Г., Корн Т.// 4-е изд.-М.: Наука, Физматлит, 1978.-832с.:илл.

24. Лазарева Д.Н. Международный светотехнический словарь, М.: Мир, 1985,-232 е.: илл.

25. Мошкин, В.Н. Техническое зрение роботов/ Мошкин В.Н., Петров A.A., Титов B.C., Якушенков'Ю.Г. под общей ред. Ю.Г. Якушенкова// М.: машиностроение, 1990 - 272с.: илл.

26. Мотикис А.Д.-М. Элементы теории математических моделей Физмат, 1994.-192с.: ил.

27. Максименков, A.B. Основы проектирования информационно-вычислительных систем и сетей ЭВМ./ Максименков A.B., Селезнев М.Л.// М.: Радио и связь, 1991.- 320с.: ил.

28. Мышкис А.Д. Элементы теории математических моделей. — М.': Физматлит, 1994. — 192 е.: ил.51 .Месарович, М. Теория иерархических многоуровневых систем- / Месарович М., Мако Д., Такахара И. II —Ш.: Мир, 1973. 344с.: илл.

29. Моисеев H.H. Математические задачи системного анализа — М.: Наука, 1981.-488с.: илл.

30. Hep, Г. Интеграция системы распознавания деталей промышленного робота /Техническое зрение роботов/ пер. с англ./ Hep Г., Мартини П.// -М.: Машиностроение, 1987. с. 83-94.

31. Олифер, В.Г. Сетевые операционные системы / Олифер В.Г., Олифер H.A. //- «Питер», 2005 год. 538 с.

32. Петров, A.A. Система технического зрения и адаптация промышленных роботов длЯ' работы с неориентированными деталями в гибких автоматизированных производствах /Проблемы создания ГАП./ Петров A.A., Кузин С.А., Тулекбаев В.Б.// М.: Наука, 1987. 199-207 с.

33. Пью А. Техническое зрение роботов М.: Машиностроение, 1987. 320с.: илл.

34. Петров A.A. Алгоритмическое обеспечение информационно-измерительных систем адаптивных роботов (алгоритмы технического зрения роботов) // Техническая кибернетика (итоги науки и техники ВИНИТИ).-М.: ВИНИТИ,1984, Вып.17. с251-294.

35. Прет У. Цифровая обработка изображений : Пер. с англ. М. Мир, 1982.-Кн.1, - 310с.: илл; Кн.2. - 473с.: илл.

36. Прет, У. Применение моделей стохастических структур для обработки изображений/ Прет У., Фожра О., Гагалович А.// ТИИЭР,- 1981- №5.-с 54

37. Ргос. 3-rd Int. Conf. Robot Vision and Sens. Contr., Cambridge, Mass., 1983, Bedford Amsterdam, 1983, p. 103-109.

38. Пью А. Робототехника второго поколения/ Техническое зрение роботов/ Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1987. 12-20 с.

39. Питерсон. У. Коды, исправляющие ошибки / Питерсон У., Уэлдон Э. // -М.:Мир, 1976.-5 84с.: илл.

40. Robot Sensor/vision , v.l Berlin, New York, pp.229-245

41. Советов Б.Я., Яковлев C.A. Моделировании систем: Учебн для Вузов.-М.: Высшая школа, 1985,271 с.:илл.

42. Сандерсон, A.C. Адаптивное визуальное управление роботами / Техническое зрение роботов/ пер. с англ. / Сандерсон A.C., Вейсе Л.И. (Carneqie-Mellon University, USA) //- M.: Машиностроение, 1987 с. 102112.

43. Werk stattstechnie,1984,v.74,№6,s.312.

44. Фукуната К. Введение в статистическую теорию распознавания образов -:Пер с англ. М.: Наука, 1979,-204с.: илл.

45. Хермен-Г. Восстановление изображений* по проекциям : пер. с англ.-М.: 1983,-349с.: илл.

46. Хорн Б.К. Зрение роботов: пер. с англ. М.: Мир, 1989, - 488 е.: ил.

47. Хьюкин, П.Ф. Система технического зрения* OMS /Техническое зрение роботов/ пер. с англ. / Хьюкин П.Ф., Фукс X. Дж. (BBS Brown, Boveri& CicAg, Germany)//- M.: Машиностроение, 1987. с. 227-284.

48. К.Хамахер, Э. Организация ЭВМ. / К.Хамахер, Э.Вранежич, С.Заки// 5-е изд, С.закл.-СПб.: Питер; Киев.: Издательская группа BHV.-848c.: илл. (серия ""классика computer science"").

49. Шахинпур M. Курс робототехники; пер. с англ. М.: Мир, 1990, - 527с.: ил.

50. Щука А. А. Электроника «БХВ-спб», 2005 год. - 800 с.

51. Эрглис К.Э. Интерфейсы открытых систем «Горячая линия - Телеком», 2001 год. - 256 с.

52. Яворский, Б.М. «Справочник по физике» / Яворский Б.М., Детлаф A.A., Лебедев А.К. //- «Оникс, Мир и образование», 2006 год. 1056 с.

53. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов.- М.: Сов. Радио, 1980. 3901.: илл.