КОМПОНЕНТЫ И РЕШЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ РОБОТОВ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ часть 1 (3)

Александр БАРСУКОВ
МОСКВА

Продолжение.

7. Чудовища

Турист у озера Лох-Несс спрашивает местного жителя:

• А когда же из озера показывается этот знаменитый дракон?
• Обычно после пятого стакана, сэр.

Глядя на птиц, трудно поверить, что их перья – это чешуя динозавров, видоизменившаяся, когда тем понадобилось защититься от холода. Но вот бурная деятельность человечества снова создала на планете «горячие точки» даже в своих домах, поэтому вновь понадобились динозавры.

В Японии разработан робот-динозавр Banryu (рис. 1.22), который способен определить, что в дом проник злоумышленник, или обнаружить задымление. Он начинает подавать сигналы тревоги, напоминающие вой, либо звонить по мобильному телефону. Владелец, предупрежденный о происшествии, может воспользоваться средствами удаленного управления Banryu (также при помощи мобильного телефона). Помимо этого, можно наблюдать за тем, что происходит в доме, просматривая изображения, посылаемые с видеокамер, установленных на роботе. Впрочем, двигается робот медленно, поэтому преследовать грабителей, как настоящая собака, он не сможет. Он способен передвигаться со скоростью 15 м/мин и преодолевать препятствия высотой 10 см. Распознаёт речь и изображения, оснащен инфракрасными и ультразвуковыми приборами, датчиками температуры и наличия дыма.

Вапгуи имеет громкоговоритель, при помощи которого владелец робота может вступить в разговор с теми, кто находится в зоне слышимости Banryu. Телефонная связь и другие средства удаленного взаимодействия поддерживаются на базе действующей в Японии системы персональной связи стандарта PHS. Internet-соединения не используются по соображениям безопасности. Banryu имеет три режима работы; режим «удаленного управления», при котором он управляется по мобильному телефону, режим «охраны», в котором робот следит за домом, а также режим «домашнего животного», в котором робот ведет себя как собака. В этом режиме он может выполнять команду «сидеть» или «дай лапу».

Змея, может, и не чудовище в буквальном смысле слова, но робот на её основе может получиться очень устрашающим для забравшегося в дом грабителя. Перспективна в этом смысле российская модель змеевидного робота «Змеелок-1» на рис. 1.23. Её назначение — исследование и отработка конструкции и алгоритмов управления мобильного автономного многоцелевого змеевидного робота. Среди возможных применений:
— перемещение по разнородным поверхностям, внутри щелей и каналов, а также в жидкости;

— выполнение манипуляционных действий в  экстремальных условиях.

В состав конструкции входят:

• 16 опорных корпусов, последовательно соединенных активными двухстепенными ортогональными универсальными шарнирами;
• минителекамера;
• пульт управления на базе ПК

Основные технические характеристики:

• однородная мультимодульная мехатронная система;
• число степеней свободы – 30;
• общая длина, мм – 1120;
• масса, кг – 3;
• режимы управления:

программный;

раздельный, по каждой степени свободы;

бегущая волна;

• тип шарниров – электромеханические;
• управляющий интерфейс — RS-232;
• внутренний межмодульный интерфейс — UART.

На демонстрационных показах этот робот пока лишь схематично напоминает змею, но технологии изготовления оболочек в мире активно развиваются. На рис. 1.24 показано, как агрессивного робота-змею можно замаскировать под змею-игрушку, множество которых уже есть в продаже.

8. Роботы «двойного применения»

Спрашивайте в книжных магазинах практическое руководство по рукопашному бою. Эта книга поможет вам ответить на многие вопросы, в частности: «Эй, пацан, ты с какого района?», «Закурить не найдется?» и самый популярный – «Ты чё сказал?».

Боевой робот – это не просто пулемёт на радиоуправляемом тракторе. Он – вершина роботостроения и обязан уметь многое: найти укрытие, спрятаться, мимикрировать (принять окраску и форму окружающих предметов), впасть в анабиоз и ждать. То есть, вобрать в себя множество качеств от животных.

Считается, что животное примитивнее человека. Но замечено, что когда человек является по совокупности моральных качеств животным, у него больше шансов на выживание в экстремальной ситуации: он более автономен. Автономность робота – это, во многом, его примитивность: то есть малое энергопотребление, мимимум сложных систем, а значит, минимум задач. Точнее, одна задача – победить. Отсюда обилие спортивных соревнований среди роботов. Очень хорошо: спорт – полезен. Правда, хорошо известно, что многие бывшие спортсмены на основе своей физподготовки становятся бандитами и убийцами. Поэтому надо предвидеть: как бы чрезмерное усовершенствование мобильных роботов тоже не обернулось милицейскими сводками. Ведь на спортивных киберсостязаниях приветствуются как раз качества «двойного назначения». То есть, хорошо бы организаторы соревнований помимо призовых целей ставили перед собой и задачи внедрения конструкций в народное хозяйство – чтобы направить процесс изначально в мирное русло.

Вот образец таких двойных технологий. Одно из важнейших направлений исследований – научить роботов анабиозу. Анабиоз – это состояние организма, при котором жизненные процессы резко замедляются, что способствует выживанию его в неблагоприятных условиях температуры, влажности и др. Распространён у животных, растений и микроорганизмов. По причине последнего нижеприведённый пример можно назвать классическим, так как показателен профиль авторского коллектива.

В рамках салона «Архимед-2005» Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН представил проект «Серия разработок-изобретений в области радиоэлектроники для обеспечения безопасности работ на морозе. (Новый высокоэффективный химический источник электрического тока. Электрический взрыватель для взрывных работ. Специальное средство радиосвязи)». Источник тока содержит: корпус, анодную (литий) и катодную (сера) массы с токовыводами «-» и «+», термоактивируемый твёрдый электролит (алюмосиликатное стекло); снабжен пиротехническим нагревателем для термоактивирования твёрдого электролита. Возможные применения – обеспечение электропитанием различных автономных электрозапускающих устройств на морозе (дизельных двигателей, авиамоторов и др.), а также введение в действие изделий длительного хранения с постоянной готовностью к эксплуатации (электрические взрыватели боеприпасов и т. п.). Повышенные надёжность и срок годности обусловлены минимизацией саморазряда по причине ничтожной электронной составляющей электрического тока.

В области электропитания есть другой пример достижения длительной автономности – солнечные батареи. Подводный робот, например, может долго в автономном режиме нести боевое дежурство, всплывая время от времени на подзарядку солнечных батарей. Сможет ли он, однако, достичь таких сроков функционирования, как рыбы (для справки: карп живёт 150 лет, щука – 250, лосось – до 100 лет)? Возраст вещи ведь определяется не временем, а материалом, из которого она изготовлена.

Ведь что беспокоит в связи с вышеизложенным? Так или иначе, но роботы-рыбы стремительно совершенствуются и можно не сомневаться, что будут позиционироваться своими разработчиками, в том числе, и для разведывательно-диверсионных применений и затем будут охотно продаваться фирмами-изготовителями кому угодно. Просчитывали ли это аналитики «Газпрома», когда принималось решение о прокладке газопровода по дну Балтийского моря, особенно, учитывая его политическую роль? Взглянем на рис. 1.25, где изображен наземный нефтепровод, охраняемый вышеупомянутой системой Sentri. Акустические и другие сенсоры обеспечивают фиксацию локализованной информации о голосах людей возле нефтепровода, подтягивании шлангов, потере давления через отверстие, функционировании генератора и электроприборов, работы дизельных грузовых автомобилей, появлении в непосредственной близости взрывчатых веществ. А как это обеспечить под водой, причем не просто обнаружить, но и предотвратить? Ответ один: необходимо интенсивно развивать отечественную подводную робототехнику.

9. Братья по разуму

— Ты слышал, полицмейстер приказал, чтобы все полицейские выходили на дежурство с собакой?

— А зачем?

— Он сказал, что ум хорошо, а два — лучше!

9.1. Роботы-переводчики со звериного 

Все знают, что карась любит, когда его жарят в сметане. Но никто еще ни разу не слышал это от самого карася.

Характерная особенность сказок – отсутствие реакции удивления у главного героя на то, что с ним говорят птицы, звери, рыбы, вещи. Но сегодня задача в том, чтобы действительно научиться понимать соседей по планете – хотя бы на том уровне, на котором они понимают друг друга (рис. 1.26).

Это нужно для того, чтобы по поведению животных лучше ориентироваться в этом незнакомом мире и даже извлекать практическую пользу. Например, сообщалось, что охотники цепляют мобильные телефоны на шею собак, чтобы по лаю определить какую дичь они гонят и где (устройство оснащено системой глобального позиционирования GPS).

Но есть более существенная проблема. Японцы, постоянно живущие под угрозой землетрясения и не имеющие оснований полностью доверять прогнозам сейсмологов, вспомнили о способностях животных предвидеть землетрясения и занялись проблемой компьютерного перевода  со звериного языка на человеческий — как известно, первым достижением такого  рода стал переводчик с собачьего. Это программа, позволяющая в какой-то степени понимать значение звуков, издаваемых собакой. Возможно, что расшифровка звуков агрессивного оттенка поможет защитить человека от нападения злых собак — при помощи спецсредств, вмонтированных в тех же безобидных киберсобачек. Это пример того, как аудиотехнология подстраховывает видеотехнологию, поскольку на основе одних только визуальных  шаблонов невозможно однозначно отличить агрессивное поведение от неагрессивного. Так и в мире людей всё неуловимо: например, является игра азартной или нет, можно определить только по выражению лиц играющих.

На планете с другой цивилизацией мартышка может выглядеть куда человекообразнее человека

Многие животные ведут стадный образ жизни. Особой сложностью организации отличаются стада обезьян. Поза, жест, мимика, голосовая и другие реакции (а они проявляются раздельно или в различных комбинациях) полны значения и являются недвусмысленными рычагами управления стадным поведением, подчиняя действия каждой обезьяны интересам стада. Наблюдение за животными, выросшими в изоляции от себе подобных, позволяет говорить о врожденности этой системы взаимоотношений животных (так называемой коммуникативной системы).

Существует гипотеза об автоматизме средств стадного общения. Если оставить в стороне все иные проявления общения животных в стаде и остановиться только на голосовых реакциях, то дело выглядит таким образом: определенная ситуация обязательно порождает соответствующий голосовой сигнал. Иначе говоря, роль самого животного здесь сводится почти к нулю, то есть на определенные ситуации оно должно и определенным образом реагировать.

Наблюдения, которые ведутся за подростками шимпанзе и взрослыми капуцинами, показали, что как осведомленность обезьяны о конкретной пище, так и степень ее аппетита активно влияют на характер голосовых сигналов. Например, шимпанзе, никогда не пробовавший помидора, будет молча его рассматривать, играть с ним, даже брезгливо его раздавить, но не станет есть и тем более издавать те характерные звуки, которые обычно издают шимпанзе при виде пищи (на языке исследователей — «пищевой» звук). Однако, увидев, что его сородичи с аппетитом поглощают этот овощ, шимпанзе в подражание им довольно скоро включит его в свое меню.

Привыкнув к вкусу помидора, шимпанзе во время еды однажды произнесет обычный пищевой звук «ах-ах». Потом наступит день, когда только вид принесенных помидоров будет вызывать у обезьяны громкое аханье — условная голосовая реакция выработалась. По мере того как в разгар лета помидоры становятся обычной пищей, количество пищевых звуков пойдет на убыль и, в конце концов, они совсем исчезнут.

Как выглядела бы описанная экспериментальная модель в условиях африканских джунглей? Представим большую группу шимпанзе – самки с детёнышами, чуть в стороне самцы, медленно бредут среди густой травы, кустарников и раскидистых деревьев. По дороге, не торопясь, они срывают приглянувшиеся листья, травинки, молодые побеги, стручки, грызут кору на некоторых деревьях. Малыши пробуют почти все, что едят взрослые. Еда идет полным ходом, но никаких пищевых звуков — слышно только чавканье. Вдруг взрослая, с проседью, обезьяна, окруженная вертлявым потомством, внимательно вгляделась в густой колючий кустарник, издала приглушенное «ах-ах-ах» и стала осторожно пробираться к невысокому дереву. Аккуратно забравшись в его крону, она выбрала нужную ветку, на конце которой висят гроздья матово-оранжевых плодов. Ее аханье стало гораздо громче, а потом, когда первая горсть плодов оказалась во рту, оно переросло в прерывистое повизгивание. У остальных не остаётся сомнений: седая обнаружила что-то вкусное и нужно поторапливаться, пока другие не расхватали. И как бы уже предвкушая лакомство, шимпанзе по дороге к дереву издают пищевые сигналы.

Следовательно, не любая пища, а редкая, вкусная и потому ценная дает толчок к специфической голосовой реакции.

О том, что дельфины разумны, мы судим по свидетельствам тонувших людей, которых дельфины подталкивали к берегу. Но мы никогда не услышим свидетельств утопающих, которых дельфины толкали от берега.

Существует предположение, что якобы дружелюбные пощелкивания дельфинов отнюдь не средство общения, как хотелось бы считать многим, и не речь, а выстрелы из «охотничьего ружья» — звукового. Дельфины оглушают ими свои жертвы.

Кен Мартен, сотрудник американской природозащитной организации,  утверждает, что зарегистрировал серию низкочастотных звуковых сигналов, которые дельфины издавали, догоняя селедку. Ранее исследователь обратил внимание, что, приближаясь к добыче, дельфины издают резкие низкочастотные шумы — именно те, которые рыбы слышат лучше всего. И высказал предположение, что звуки предназначены повредить слуховой аппарат рыб: «селёдка полностью теряет ориентацию и становится легкой добычей».

В ходе дальнейших экспериментов Мартен искусственно воспроизвел звуки дельфинов. И показал, как они воздействуют на селедок. От пощелкиваний низкой частоты рыбы либо начинают плавать по кругу, либо замирают на месте, либо погибают. «Звуковые колебания нарушают их привычную манеру поведения в косяке», — говорит исследователь.

А Дениз Херцинг из Атлантического университета Флориды обнаружила доказательства, что дельфины могут варьировать свою стратегию. В Атлантике она записала «голоса» пятнистых дельфинов. Они щелкали на средней частоте, разыскивая добычу на песчаном дне. Угри выпрыгивали из песка, потом либо полностью замирали, либо двигались, как в ступоре, давая дельфинам возможность спокойно себя схватить.

Из зоопарка сбежал слон. Звонок в зоопарк на следующий день.

— Слышите вы, у меня на лужайке перед домом стоит огромная серая крыса и рвет хвостом траву!

— Мы сейчас за ней приедем. А что она делает с этой травой?

— Ну, вы мне не поверите!!!

Посмотрим, как можно, обобщив народные приметы, установить датчики (мобильные либо стационарные) в животном мире и, получая их показания при помощи мобильной связи, робот будет делать прогнозы погоды – табл. 1.3.

Таблица 1.3

Из табл. 1.3 видно, что датчики могут быть максимально унифицированы, а основной труд придется затратить на составление всё тех же аудио- и визуальных шаблонов для распознавания поведения животных.

9.2. Патенты природы – роботостроителям

Дерево на мысе Канаверал. На ветке сидят вороны. Беседуют:

— Взлетит!

— Не взлетит!

Американская ракета взлетает — и тут же взрывается.

— Это ты накаркала!

— Служу Советскому Союзу!

В мире насекомых химическое оружие — явление обычное. Большой жук-разбойник Playmeurus может несколько раз подряд выстрелить струей ослепляющей жидкости. Дальность действия его оружия достигает 30 см при высокой точности попадания. Кузнечик Dituophorus, если его тронуть, защищает себя отвратительной пенистой жидкостью коричневого цвета. Жук-бомбардир если его потревожить, выстрелит зарядом высоколетучей жидкости, и при этом отчетливо будет слышен хлопок.

Энтомологи считали, что жук Stenus передвигается как реактивный самолет в том смысле, что он испускает из задней части брюшка реактивную струю жидкости и таким образом получает импульс для скольжения по поверхности заводи или пруда, где он обитает. Оказалось, правильнее сравнить этого жука с игрушечной лодкой, двигателем  которой  служит кусочек камфары (камфара уменьшает поверхностное натяжение воды в районе кормы, и лодочка движется вперед). Будучи атакован другим скользящим по воде насекомым, жук испускает струю жидкости и устремляется наутек со скоростью около 1 м/с, а его преследователь оказывается в зоне, где поверхностное натяжение воды понижено, и начинает тонуть под действием собственного веса.

У рыбы-брызгуна выбрызгивание  воды происходит, когда рыба резко закрывает жаберные крышки. У брызгуна в верхней части рта (в нёбе) есть продольное углубление, которое превращается в узкий канал, когда брызгун прижимает к нему свой мясистый  язык. Через этот канал и проталкивается струя воды. Брызгун охотится на насекомых, сидящих на расположенной над водой растительности. «Стрельба» из подводного положения связана с той трудностью, что свет в воде преломляется. Казалось бы, брызгун должен ошибиться в определении местоположение добычи. Однако он стремится свести до минимума влияние преломления света, подплывая почти под самую добычу. Преломление света с уменьшением угла падения тоже уменьшается. Когда свет падает перпендикулярно к поверхности воды, преломления нет. Так что, выбирая правильную позицию, брызгун как бы избавляет себя от лишних «расчетов», связанных с необходимостью вводить поправку на преломление света.

Брызгун плывет сначала в положении, близком к горизонтальному, затем резким движением становится почти вертикально. Таким образом рыба уменьшает расхождение между линией наблюдения (штриховая линия на рис. 1.27) и линией «выстрела». «Стреляет» он всегда изо всех сил, независимо от удаленности добычи. Некоторые капли летят на 4,5 м (при этом длина самой рыбки не превышает 18 см). А так как сбить насекомое с первого попадания не всегда удается, брызгун дает до семи «залпов» подряд.

Хотя у брызгунов хорошее зрение, они часто не различают, что добыча, а что — нет. В их представлении добыча — все, что движется. Поэтому брызгун может выстрелить в глаз человека, склонившегося над аквариумом.

Производители автомобилей будущего будут равняться на саранчу. Как известно, эти особи обладают уникальным свойством: летать роями и при этом избегать столкновений. Ученые выяснили, что мозг саранчи содержит так называемый лобулярный детектор движения, который реагирует на любой приближающийся объект. Эксперимент над саранчой выглядел так: насекомых закрепили в пластилин, подключили к мозгу электрические датчики и заставили смотреть наиболее динамичные эпизоды из «Звездных войн». У саранчи возник естественный для нее рефлекс — улететь от опасности, что датчики и зафиксировали. Сообщается, что ученые из Цюриха уже изобрели машину, повторяющую реакцию саранчи.

Мух любят не только за их высокие лётные качества. Любой человек, наслаждавшийся видом мухи на своей котлете и потом вдавивший её туда, знает, что крылья её при необычайной тонкости весьма прочны, к тому же эластичны и упруги. Такими свойствами крыльев насекомые обязаны своей крови. Их крылья буквально пронизаны кровью, выражаясь точнее, гемолимфой — так называется жидкость, выполняющая у насекомых функции крови. Крылья насекомых покрыты сетью жилок (рис. 1.28). Когда насекомое освобождается из куколки, его крылья представляют собой мягкие сморщенные листочки, на которых никуда не улетишь. Пускается в ход кровь. Под большим давлением она нагнетается в тончайшие трубочки, пронизывающие листики-крылышки и очень быстро там затвердевает. Теперь крылья превратились в упругие и жесткие армированные пластинки и могут преодолевать сопротивление воздуха. У насекомых по переднему краю крыла проходит особо мощная жилка, в которую накачивается больше всего крови. На нее падает максимальная нагрузка при полете.

Известен опыт с цыплятами, которые, словно простейшие роботы, безошибочно отличают силуэт летящей утки от силуэта ястреба, еще не повстречав тех в своей жизни. Но наследственная способность к «распознаванию образов», заложенная в цыплятах эволюцией, говорит им: длинная шея утки – против длинного хвоста ястреба, а короткий утиный хвост – против короткой ястребиной шеи. Главное для цыплёнка в том, что именно у «объекта» находится впереди: короткий выступ или длинный. И когда над птичьим двором на проволоке проводили модель ястреба, цыплята прятались, а если эту же модель пускали задом наперёд, не реагировали. Но ястреб не может летать хвостом вперёд, а утку можно превратить в боевую машину: планер типа «летающее крыло» летит длинным фюзеляжем вперёд как раз по схеме «утка» — его крыло имеет обратную стреловидность, концы крыльев имеют положительную закрутку и выполняют роль несущего стабилизатора. «Летающее крыло» хорошо парит в восходящих потоках и поэтому на соревнованиях таким моделям, имеющим резиномотор, приходилось даже специально ограничивать продолжительность полёта.

У рыбы движителями служат плавники, прежде всего хвостовой плавник. Строение хвостового плавника зависит от места, где обитает рыба, от особенностей добывания корма и других экологических признаков. У рыб, которые ведут сравнительно малоподвижный образ жизни, плавник, как правило, однолопастный, он имеет вид цельной пластинки, У рыб, способных развивать значительные скорости, плавник имеет две лопасти. Выемка между лопастями хвостового плавника играет важную роль: при высоких скоростях она как бы уничтожает ту часть плавника, на которой могли бы возникать вредные вихри. Для рыб, которые находят пищу на морском дне, а потому часто движутся по дуге вверх или вниз, характерно, что лопасти их хвостового плавника сохраняют самостоятельность — каждая из лопастей может работать независимо.

Наблюдения за рыбой смаридой проводились в лабораторном канале размерами 4 × 0,5 м. Прозрачные стенки канала позволили вести синхронную киносъемку двумя камерами, расположенными сверху и сбоку. Съемка показала, что плавник смариды, как веер, раскрывается то в большей, то в меньшей степени в зависимости от скорости плавания (смарида способна развивать скорость до 140 см/с).

При скоростях сравнительно небольших, когда рыба в секунду проходит расстояние, равное длине ее тела (12-13 см), размах хвостового плавника тоже не очень велик: он составляет 20% от длины туловища рыбы. Если рыба достигает крейсерской скорости, размах плавника увеличивается, он становится равным 30% от длины тела. (Крейсерской называется скорость продолжительного и экономичного с точки зрения расходуемой энергии плавания; для большинства рыб это такая скорость, когда в секунду они проходят расстояние втрое большее длины тела.) При крейсерской скорости хвостовой плавник имеет максимальную выемку, поэтому, несмотря на возросшую скорость и связанную с этим турбулентность, рыбе удается предотвратить образование вихрей. Когда скорость делается больше крейсерской, плавник-веер «складывается», размах его уменьшается.

Чем больше скорость, тем быстрее приходится рыбе двигать плавником, при высоких скоростях приходится сжимать плавник, чтобы обеспечить ему большую жесткость. Плавник раскрыт максимально на старте, когда рыба рывком набирает скорость. В этот момент выемка между лопастями почти сглаживается.

Исключительно по запаху узнают друг друга муравьи одного и того же вида. Если обмакнуть «своего» муравья в экстракт из «чужих» муравьев, то сотоварищи убьют несчастного. Шмели, жуки и отчасти термиты выделяют специальные пахучие вещества, которыми метят свои дороги. Комаров, мошек, москитов и других кровососущих привлекают незначительные скопления углекислого газа, которые человек и крупные млекопитающие выделяют при дыхании. Влекут их и следы паров пока еще неизвестных науке веществ — «факторов крови», которые испаряются через кожу (любопытно, что притягательная сила этих неизвестных «факторов крови» у женщин выше, чем у мужчин).

«Объемный запах». Насекомые способны, не прикасаясь к предмету, а лишь поводя возле его поверхности усиками, составить по запаху полное представление о его форме. Эту особенность насекомых ученые называют топохимическим чувством.

Обонятельные способности крыс одни из самых совершенных в животном мире, при этом крысы могут проникать в полости, куда собакам не пробраться. Исследователи из университета штата Нью-Йорк и Флоридского университета придумали, как управлять поведением грызунов с дистанции в несколько сотен метров. Для этого используются вживленные в мозг крысы электроды, с помощью которых после проведения «электродного тренинга» можно направлять животных по определенному маршруту и нацеливать их на распознавание определенных запахов. «Бортовой» видеодатчик позволяет контролировать поведение грызунов.

Шведские исследователи из университета Лунд изучили карибскую медузу Tripedalia cystophora, и обнаружили,  что у этого «животнорастения» весьма сложная визуальная система. У этой медузы нет мозга как такового, но её основная нервная система имеет внушительный «зрительный аппарат»: в общей сложности 24 глаза. Правда, 16 глаз являются просто пигментными микроуглублениями, служащими для определения наличия светового излучения, зато остальные 8 имеют довольно сложные линзы. Исследователи полагают, что сложная оптическая система нужна медузе как для ориентирования (глаза расположены со всех сторон тела медузы и значительно расширяют поле зрения), так и для поиска добычи — она живёт в тёмных водах и питается, прежде всего, планктоном.

Посмотрим теперь, как добиться эффекта, достигаемого животными за счёт их организмов, при помощи современных электронных средств.

10. Прогнозирование управления приводами в видеокомпьютерной системе сопровождения объектов

(По материалам доклада Рязанской государственной радиотехнической академии на VII Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение»)

При построении видеокомпьютерных систем сопровождения объектов (ВКСС) актуальной остается задача повышения точности слежения за подвижными объектами при высоких скоростях и ускорениях изменения направления на объект, обусловленных в основном наличием качки носителя следящей системы. Задача сопровождения объектов усложняется возможностью временного пропадания информации об отслеживаемом объекте в результате закрытия его различными фоновыми образованиями. В докладе рассмотрен один из возможных путей прогнозирования управления приводами следящей системы, направленный на увеличение точности прогноза, используемый как при нормальной работе системы, так и при пропадании информации об объекте. Функциональная схема ВКСС, включающей видеокомпьютерное устройство (ВКУ) и приводы управления движением платформы с видеодатчиком (ВД), показана на рис. 1.29.

Рассмотрим случай, когда платформа с видеодатчиком, закрепленная в двухосном или трехосном карданном подвесе, установлена на подвижном носителе (корабле, летательном аппарате, наземном носителе и т. п.). При отсутствии управления приводами платформы последняя вместе с носителем подвержена угловым колебаниям, определяемым такими понятиями, как крен. тангаж, рыскание, имеющим место при маневрировании носителя платформы, волнении на воде, изменении состояния воздушных потоков, неровности поверхности земли. Вызываемые перечисленными факторами угловые колебания могут иметь составляющие с частотами, доходящими до 1-1,5 Гц. Наличие таких составляющих в угловой траектории направления на отслеживаемый объект практически делает невозможным проведение операции прогнозирования траектории на относительно длительные интервалы времени из-за большой погрешности такого прогноза. Положение усугубляется тем, что, как правило, платформа подвержена высокочастотным вибрациям, требующим применения статистического прогнозирования по достаточно длительным временным отрезкам траектории движения. Будем в дальнейшем считать, что движения в пространстве центров тяжести носителя платформы и отслеживаемого объекта определяют медленно меняющуюся составляющую траектории углового изменения направления на объект, то есть маневрирование носителя и объекта отсутствует.

Рассмотрим три системы координат (рис. 1.30). Оξηζ — неподвижно ориентированная относительно горизонта система координат. Точка О расположена в центре массы носителя платформы с ВД. Оси ориентированы относительно некоторого начального положения носителя, причем плоскость Оξη параллельна плоскости горизонта. ОXYZ — неподвижная система координат относительно носителя с центром в точке О, расположение осей которой определяется расположением в пространстве строительных осей носителя. При отсутствии эволюции носителя система координат ОXYZ совпадает с Оξηζ. Подвижная система координат OUVW с центром в точке О привязана к платформе с ВД, ось ОV совпадает с оптической осью видеодатчика.

Информацию об угловых положениях отслеживаемого объекта в системе координат OUVW можно получить путем обработки изображения, формируемого видеодатчиком, на предмет определения отклонения центра объекта на изображении от центра изображения видеодатчика. На основе этой информации формируется управление приводами платформы в системе координат OXYZ . Рассмотрим направление на объект, например, по азимуту φ(t), что не уменьшает общности суждений. В системе координат Оξηζ функция φ(t) обычно имеет вид полинома степени п = 1…2 или тригонометрической функции, например, φ(t) = агсtаn(t). Управление приводами карданного подвеса осуществляется в системе координат OXYZ. При эволюциях носителя направление на объект по азимуту Ψ(t) в системе координат OXYZ, будет отличаться от φ(t) в системе координат Оξηζ. Если причиной эволюции являются вибрации или качка, то направление на объект в системе координат OXYZ будет носить колебательный характер. Такой характер изменения направления на объект уменьшает точность сопровождения объектов ВКСС по сравнению с режимом, когда отсутствуют эволюции носителя платформы с ВД.

Одним из возможных способов увеличения точности сопровождения может быть следующий многоэтапный подход. Производится пересчет угловых координат объекта в декартовы координаты системы координат OUVW. Затем путем использования информации от датчиков углов поворота карданного подвеса полученные координаты пересчитываются в систему OXYZ применением линейного преобразования базисных векторов из одной системы координат в другую. На основе информации о параметрах качки носителя производится переход в систему координат Оξηζ. Таким образом, получаемое направление на объект по азимуту будет описываться некоторой функцией φ(t) с наложенной на нее высокочастотной преобразованной вибрационной составляющей. С учетом имеющего место в контуре управления значительного запаздывания τ (величина τ может достигать значения, равного времени между поступлением двух соседних кадров изображений с видеодатчика), обусловленного сложностью применяемых алгоритмов обработки изображений в ВКСС. решается задача статистического прогнозирования получаемой траектории в системе координат Оξηζ на величину τ. Затем полученный спрогнозированный отсчет траектории объекта пересчитывается из системы координат Оξηζ в систему координат носителя OXYZ для расчета требуемых угловых перемещений рамок карданного подвеса, отрабатываемых следящими приводами рамок с использованием информации с датчиком углов поворота этих рамок относительно своих осей. Введение блока прогноза позволяет увеличить точность слежения за объектом. В дополнение к этому возможно увеличение частоты квантования внутри следящего контура в несколько раз по отношению к частоте следования кадров изображений, что позволяет расширить полосу пропускания следящей системы, за счет прогнозирования координат объекта в промежуточные моменты времени. Расширение полосы пропускания следящего контура позволяет увеличить точность воспроизведения задающего воздействия.

Как отмечено ранее, в ВКСС по различным причинам возможно пропадание информации о положении объекта на изображении, что требует организации на время пропадания сигнала движения платформы с видеодатчиком по прогнозу. Прогнозирование направления на объект в системе координат Оξηζ осуществляется с большей точностью, так как координаты последовательности единичных векторов, определяющие угловую траекторию объекта свободны от составляющих колебаний, вызванных качкой носителя. Далее процедура вычисления задающих воздействий на следящие приводы карданного подвеса остается по сути такой же, что и описанная ранее.

Прогнозирование положения объекта в пространстве возможно и в системе координат OXYZ, однако, при отсутствии информации в течении более чем 1-2 кадра изображения ВД, ошибка прогнозирования становится значительной и не позволяет осуществлять движение по прогнозу с приемлемой точностью. Большая ошибка прогнозирования обусловлена наличием эволюций носителя, определяемых в основном качкой последнего.

Как уже отмечалось, траектория объекта может содержать высокочастотную вибрационную составляющую. Вибрация отдельных частей носителя возникает обычно при наличии работающего двигателя (машина, самолет), различных дисбалансах и технического несовершенства в устройствах крепления и подавления вибраций. Вибрации приводят к дополнительным ошибкам в слежении за объектом. Для компенсации подобных внешних воздействий на ВКСС возможно применение сглаживания координат объекта в системе координат OXYZ, однако, это приведет к запаздыванию в слежении за маневрирующим объектом, что недопустимо. Лучшим подходом для компенсации вибраций является рассмотренный выше подход формирования управляющих сигналов, то есть перевод формирования управления приводами карданного подвеса из системы координат OXYZ в Оξηζ. При этом следует учитывать то обстоятельство, что в системе координат OXYZ возможно перекрытие частотных спектров составляющих качки и вибрации, что делает невозможным выполнение операции полного разделения этих двух составляющих, в то время как в системе Оξηζ возможно эффективное уменьшения влияния вибрации в случае, если траектория движения объекта при отсутствии качки и вибраций носит низкочастотный характер, то есть частотный спектр такой траектории объекта практически не пересекается со спектром высокочастотных вибраций.

Продолжение следует

© РАДИОЛЮБИТЕЛЬ