Устройства цифровой обработки видеосигнала в реальном времени для управления движением транспортного робота

Актуальность. Глобальный технологический скачок, произошедший за последние десятилетия, привел к резкому увеличению числа роботизированных технологических процессов. Одним из важнейших компонентов любого технологического процесса является транспортная система. В связи с этим, актуальность приобрела задача построения систем управления движением транспортных роботов, способных работать в условиях искусственно подготовленной среды.

Доказано, что человек максимальное количество информации получает с помощью глаз, т. е. наиболее информативным является визуальный поток. Поэтому наибольшее развитие за последние годы получили системы технического зрения (СТЗ).

Существенным отличием СТЗ транспортных роботов, используемых в условиях искусственно подготовленной среды, является то, что информационная область, предназначенная для их работы, содержит меньшее количество информативных признаков, чем при работе в естественных условиях, и при этом информация, заданная в данных признаках, максимальна.

Такой подход является одним из наиболее выгодных с точки зрения компромисса между затратами на подготовку среды функционирования робота и затратами на синтез СТЗ робота под конкретный технологический цикл. Наиболее адекватным по этому критерию является разработка минимального набора искусственных максимально контрастных признаков, несущих необходимую и достаточную информацию и легко распознаваемых СТЗ транспортного робота.

Процесс функционирования СТЗ разделяется на квантование и бинаризацию видеоинформации, ее предварительную обработку, ввод видеоинформации в ЭВМ, определение информативных признаков изображения и выдачу на основании обработки полученных цифровых кодов требуемой информации в зависимости от назначения СТЗ (управляющее воздействие, измерительная информация, диагноз и т. д.). Исходя из перечисленных функций основными устройствами СТЗ являются датчик оптической информации (ДОИ), устройство аналоговой обработки видеосигнала (УАОВ) и устройство цифровой обработки видеосигнала (УЦОВ).

Одной из важнейших является задача выделения информативного признака, или совокупности таковых признаков, отслеживание изменений данных признаков и обработка цифрового видеосигнала соответствующего этим признакам с помощью УЦОВ.

В УЦОВ должны рационально сочетаться аппаратные и программные методы обработки, что позволит создать высокоэффективные и быстродействующие УЦОВ, отвечающие следующим требованиям:

— обеспечение достоверности при слежении за объектами в информационном поле;

— простота конструкции;

— надежность в эксплуатации;

— простота перенастраивания;

— функционирование в реальном масштабе времени.

Одним из факторов сдерживающих развитие систем технического зрения является сложность алгоритмов цифровой обработки видеосигнала следствием которой являются большие аппаратные и временные затраты на реализацию УЦОВ.

На данный момент разработки как отечественных, так и иностранных исследователей сосредоточены на разработке алгоритмов позволяющих сократить аппаратные и временные затраты в устройствах цифровой обработки видеоинформации реализующих алгоритмы цифровой обработки видеосигнала [1−4].

В настоящее время отсутствуют завершенные научно-исследовательские работы и проекты УЦОВ, с комплексным рассмотрением и разработкой алгоритмов и технических средств, способных минимизировать аппаратные и временные затраты на цифровую обработку видеосигнала.

Перспективное направление в подобных разработках — структурный синтез УЦОВ, реализующих аппаратно-ориентированные алгоритмы цифровой обработки видеосигнала, работающих в составе систем управления движением транспортных роботов.

По мере увеличения степени интеграции элементной базы расширяются функциональные возможности и повышается производительность УЦОВ за счет аппаратно-программной или полностью аппаратной обработки сигналов. Разработка новых процедур и алгоритмов синтеза УЦОВ необходима для сокращения аппаратных, а как следствие и временных затрат, на реализацию УЦОВ для малогабаритных переносных и бортовых СТЗ, СТЗ миниатюрных транспортных роботов, а также транспортных роботов двойного назначения.

Научно-технической задачей диссертационной работы является снижение временных затрат на обработку цифрового видеосигнала и аппаратной сложности устройств цифровой обработки видеосигнала.

Диссертационная работа выполнялась в рамках тем: — 2.95 (№ гос. регистрации 1 970 002 558) «Адаптивная оптико-электронная система для контроля изделий микрои радиоэлектроники» ;

— 1.11.98 (№ гос. регистрации 1 980 006 840) «Исследование принципов алгоритмического конструирования высокоточных оптических датчиков на базе приборов с зарядовой связью» .

Целью работы является разработка аппаратно-ориентированных алгоритмов обработки цифрового видеосигнала, позволяющих сократить временные и аппаратные затраты в устройствах цифровой обработки видеосигнала систем управления движением транспортного робота.

Основные задачи в соответствии с целью работы:

— анализ устройств цифровой обработки видеосигнала, современных методов и алгоритмов синтеза УЦОВопределение требований к характеристикам и структурно-функциональной организации УЦОВ систем управления движением транспортных роботов в современных условиях;

— разработка аппаратно-ориентированных алгоритмов работы УЦОВ для аппаратных вычислений управляющих воздействий в реальном времени;

— разработка теоретико-множественной модели УЦОВ и их компонентов;

— создание на основе теоретико-множественной модели УЦОВ процедуры синтеза УЦОВ и алгоритма ее реализации;

— синтез структурно-функциональных схем УЦОВ систем управления движением транспортных роботов со сниженными временными затратами для выполнения аппаратно-ориентированных алгоритмов обработки цифровой видеоинформации и анализ аппаратной сложности реализации этих алгоритмов;

— экспериментальные исследования УЦОВ для подтверждения соответствия полученных результатов заданным алгоритмам обработки цифрового видеосигнала.

Методы исследования. В процессе выполнения работы применялись теория проектирования ЭВМ, теория автоматического управления, аналитические и экспериментальные методы исследований, а также аппарат матричной алгебры, математического и схемотехнического моделирования с применением ПЭВМ.

Научная новизна работы:

1. Разработаны аппаратно-ориентированные однопроходные алгоритмы вычисления в реальном времени величин управляющих воздействий путем цифровой обработки видеосигнала, позволяющие формировать управляющие воздействия за один период сканирования информационной области путем выполнения набора типовых действий, что позволяет снизить аппаратные затраты для их реализации.

2. Разработана теоретико-множественная модель УЦОВ, позволяющая описывать компоненты УЦОВ, сложные функционально завершенные блоки УЦОВ и УЦОВ в целом, использование которой существенно упрощает процедуру формализованного описания УЦОВ.

3. На основе теоретико-множественной модели УЦОВ предложена процедура структурного синтеза УЦОВ позволяющая синтезировать структуры УЦОВ обеспечивающие снижение временных затрат на выполнение аппаратно-ориентированных алгоритмов вычислений величин управляющих воздействий.

Практическая ценность состоит в том, что реализация предлагаемой процедуры синтеза СТЗ позволяет создать комплекс управляющих малогабаритных переносных и бортовых СТЗ для систем управления транспортным роботом. Разработаны различные варианты аппаратно-ориентированных алгоритмов для работы УЦОВ в режиме реального времени. С помощью разработанной процедуры синтеза УЦОВ получены четыре различных варианта УЦОВ с минимальным числом компонентов для работы с различными светоконтрастными трассами и соответствующими им алгоритмами обработки цифрового видеосигнала.

Результаты проведенных в диссертационной работе теоретических исследований доведены до уровня инженерных формул и алгоритмов, что позволяет их использовать для синтеза УЦОВ. Оригинальность предложенных технических решений защищена патентом РФ [5].

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы на ОАО «Белинфогаз» при создании устройства автоматической регистрации и отслеживания параметров магистральных газопроводов и внедрены в учебный процесс на кафедре вычислительной техники Курского Государственного Технического Университета.

Акты внедрения прилагаются к материалам диссертации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительные оценки на: III международной конференции «Распознавание — 97» (Курск, 1997 г.) — X Российской НТК «Материалы и упрочняющие технологии — 2003» (Курск, 2003 г.) — VI международной конференции «Распознавание — 2003» (Курск, 2003 г.) — Всероссийской конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии (Москва, РУДН, 2004) — XVI НТК с участием зарубежных специалистов, «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Судак, 2004 г.) — научно-технических семинарах кафедры вычислительной техники КурскГТУ в течение 19 972 004 гг.

Публикации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 10 печатных работах. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем разработаны: в [6,7,13] аппаратно-ориентированные алгоритмы обработки цифрового видеосигнала, в [8,10,12] - процедура и алгоритм синтеза структур УЦОВ систем управления движением транспортного робота, в [9,11] -структурно-функциональная организация УЦОВ. Также по результатам исследований получено положительное решение на патентную заявку [14] и свидетельство Российской Федерации о регистрации программы для ПЭВМ [15].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 107 наименований, и приложений, изложена на 135 страницах и поясняется 37 рисунками и 5 таблицами. На защиту выносятся:

Выводы.

1. Разработаны структурно-функциональные схемы УЦОВ, соответствующие аппаратно-ориентированным алгоритмам цифровой обработки видеосигнала и синтезированным структурам УЦОВ, позволяющие аппаратно выполнять обработку цифрового видеосигнала путем выполнения набора типовых действий, что привело к существенному снижению временных затрат на обработку.

2. Выведены аналитическим способом формулы расчета погрешности работы УЦОВ и вероятности отклонения значений управляющих воздействий в зависимости от зашумленности информационной области СТЗ, которые позволяют провести априорный расчет указанных параметров.

3. Проведены экспериментальные исследования с целью подтверждения соответствия характеристик УЦОВ синтезированных с помощью разработанной процедуры, требуемым алгоритмам цифровой обработки видеосигнала, анализ которых показал что разработанные УЦОВ адекватно обрабатывают количественные характеристики светоконтрастной трассы и их изменения, а также позволяют сократить временные и аппаратные затраты на обработку цифрового видеосигнала на 20% по сравнению с известными отечественными и зарубежными аналогами.

Заключение

.

На основе проведенного анализа алгоритмов цифровой обработки видеосигнала показано, что их существенным недостатком являются высокие аппаратные затраты на реализацию в связи с преимущественно программной обработкой видеосигнала.

Сравнительный анализ существующих ДОИ показал, что наименьший объем видеоинформации без потери адекватности дает ДОИ на основе ЛФЗС.

Анализ современных подходов к структурному синтезу УЦОВ показал, что их основным недостатком является отсутствие комплексного подхода к преобразованиям характеристик в процессе работы УЦОВ.

В соответствии с целью данной работы получены следующие результаты:

1. Разработаны аппаратно-ориентированные алгоритмы обработки цифрового видеосигнала за время, не превышающее период строчного импульса видеосигнала, в которых уменьшено число действий, требуемых для выработки управляющих сигналов, что позволяет снизить аппаратные затраты для их реализации и как следствие время необходимое для обработки видеосигнала.

2. Разработана теоретико-множественная модель УЦОВ системы управления движением транспортного робота, которая позволяет существенно упростить процесс формализованного описания устройств цифровой обработки видеосигнала основанных на разработанных алгоритмах цифровой обработки видеосигнала.

3. Разработаны процедура и алгоритм синтеза УЦОВ системы управления движением транспортного робота, позволяющие на основе теоретикомножественной модели УЦОВ синтезировать структуры УЦОВ, а также задавать дополнительные характеристики, определяющие выбор варианта структуры УЦОВ.

4. С помощью разработанного алгоритма синтезированы структуры четырех вариантов УЦОВ систем управления движением транспортного робота, соответствующие разным светоконтрастным трассам и алгоритмам обработки цифрового видеосигнала. Разработаны структурно-функциональные и принципиальные схемы УЦОВ, реализующие алгоритмы цифровой обработки видеосигнала в реальном времени и не требующие больших аппаратных затрат (достаточно одной микросхемы ПЛИС ХС4003РС84).

5. В результате проведенных экспериментальных исследований показано, что разработанные устройства цифровой обработки видеосигнала в составе УЦОВ имеют снижение аппаратных и временных затрат на реализацию алгоритмов цифровой обработки видеосигнала порядка 20%.