OPRACOWANIE UKŁADU DO AUTONOMICZNEGO WYZNACZANIE TORU JAZDY BEZZAŁOGOWEGO POJAZDU LĄDOWEGO 1

Transkrypt

1 OPRACOWANIE UKŁADU DO AUTONOMICZNEGO WYZNACZANIE TORU JAZDY BEZZAŁOGOWEGO POJAZDU LĄDOWEGO 1 Andrzej TYPIAK Instytut Budowy Maszyn, Wydział Mechaniczny Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, Poska te. (22) , e-mai typiak@wme.wat.edu.p Streszczenie. W referacie przedstawiono strukturę systemu autonomiczneo wyznaczania trasy przejazdu Bezzałooweo Pojazdu Lądoweo. Opisano zadania łównych jeo układów ze szczónym uwzędnieniem systemu rozpoznania otoczenia. Następnie zaprezentowano wyniki badań doświadczanych zastosowania damierza aseroweo do tworzenia mapy otoczenia pojazdu. Słowa kuczowe: pojazd autonomiczny, damierz aserowy, rozpoznanie otoczenia. STUDY OF SYSTEM FOR AUTONOMOUS DETERMINING A PATH OF UNMANNED GROUND VEHICLE Summary. This paper presents a structure of an autonomous system for determinin a path of an Unmanned Ground Vehice. The main tasks of its eements with a specia emphasis on surroundins reconition system are bein described. Next, research resuts of usin a aser teemeter for creatin of vehice surroundin s map are bein presented. Key words: autonomous vehice, aser teemeter, surroundins reconize. 1. WPROWADZENIE Nieuchronna informatyzacja poa waki wynikająca z założeń proramu Future Combat System (FCS) z jednej strony a rosnące zarożenie działaniami terrorystycznymi z druiej, wymusza rozwój pojazdów i maszyn reaizujących swe zadanie bez bezpośrednieo udziału człowieka. Szeroką prezentację wyzwań z tej rupy wieokrotnie przedstawiano w 1 Praca naukowa finansowana ze środków Komitetu Badań Naukowych w atach jako projekt badawczy

2 iteraturze [2,6,7,8,9], natomiast w aspekcie naukowym probematyka ta jest rozwijana w konferencyjnych pubikacjach zarówno krajowych jak i zaranicznych [1,3,4,5]. Jednakże, wszystkie przedstawione rozwiązania naeży ciąe uważać za demonstratory technooii ub prototypy doświadczane. Wyjątek stanowią mobine, zdanie sterowane roboty interwencyjno-rozpoznawcze stosowane przez służby bezpieczeństwa (poicja, antyterroryści, ochrona portów otniczych). Ich działania naeży okreśić jako reaizację ściśe okreśonych zadań, składających się ze stosunkowo prostych czynności przy jednoczesnym dobrym ub bardzo dobrym rozpoznaniu otoczenia i pełnej wymianie informacji pomiędzy robotem a stanowiskiem sterowania. Przyszłe zadania i warunki działania da bezzałoowych (zdanie sterowanych ub autonomicznych) maszyn i pojazdów, daeko wybieają poza aktuane możiwości technooiczne. 2. SYSTEMU AUTONOMICZNEGO WYBORU TRASY DLA BEZZAŁOGOWEGO POLAZDU LĄDOWEGO W Instytucie Budowy Maszyn są prowadzone prace nad opracowaniem układu zdaneo sterowania pojazdem, wyposażonym w eementy autonomiczności. Da zapewnienia zachowań autonomicznych opracowano, na podstawie badań własnych i studiów iteraturowych [8,9,10] koncepcję systemu zapewniająceo autonomiczne działanie BPL. Strukturę funkcjonaną i powiązania łównych eementów systemu przeznaczoneo do autonomiczneo wyznaczania trasy przejazdu BPL przedstawiono na rys. 1. Jeo zadaniem jest wypracowanie - na podstawie otrzymanych zadań i danych o otoczeniu - poeceń da układu sterowania pojazdem. Wszystkie eementy opracowaneo systemu - z wyjątkiem czujników - są układami proramowymi zaimpementowanymi w jednostce sterującej o dużej mocy obiczeniowej. Układ postrzeania pobiera dane z czujników rozpoznania otoczenia i tworzy obraz otoczenia pojazdu zwany mapą otoczenia. Zawartość mapy musi być wystarczająca do zapewnienia osiąnięcia przez pojazd założoneo ceu. W skład układu wchodzą moduły oproramowania o różnych poziomach przetwarzania. Od funkcji sementacji cech w obrazie za pomocą zaeżności eometrycznych, wyodrębniania koorów itp. (niski poziom przetwarzania) do kasyfikacji obiektów (najwyższy poziom przetwarzania). Układ postrzeania powinien mieć możiwość doboru czujników i parametrów ich pracy w ceu optymaizacji swoich obiczeń, oraz reaizacji poeceń z układów panowania i działania dotyczących szczeółoweo rozpoznania wybraneo obszaru ub kierunku w terenie.

3 Układ nawiacji przeznaczony jest do wyznaczania aktuaneo położenia i orientacji pojazdu we współrzędnych eodezyjnych. Powinien też dokonywać konwersji danych z czujników, z układu współrzędnych pojazdu do współrzędnych obanych. Układ nawiacji powinien bazować na różnorodnych układach pomiarowych: GPS, akceerometria, odometria itp., wyznaczając położenie na ich podstawie niezaeżnie ub łącznie, w oparciu o metody fitracji i areacji informacji. Nawiacja w oparciu o znaczniki pomiarowe będąca najefektywniejszą ze stosowanych metod - może być wykorzystywana w sytuacji, dy będą one moły być jednoznacznie okaizowane przez system postrzeania. Rys. 1. Struktura systemu autonomiczneo wyznaczania trasy pojazdu bezzałooweo Układ panowania trasy powinien posiadać budowę hierarchiczną. Moduł panowania misji będzie wyznaczał ce, następnie moduł panowania trasy bazując na mapie a priori i dodatkowych danych będzie wyznaczał trasę, która powinna być cykicznie sprawdzana podczas przejazdu pojazdu przez moduł nadzorowania. Na podstawie informacji z układów nawiacji i mapy otoczenia moduł panowania misji będzie mół dokonywać wyboru rodzaju wykorzystywanych czujników rozpoznania otoczenia i ustaać parametry ich działania. Układ działania przeznaczony jest do enerowania synałów da układu sterowania pojazdem. Jeo zadaniem będzie przeprowadzanie anaizy synałów odbieranych z układów postrzeania, panowania i mapy otoczenia i na podstawie aorytmów zachowań pojazdu wypracowywanie poeceń da sterownika pojazdu. Ponadto będzie on zawierał aorytmy taktyki i techniki okreśonych zachowań pojazdu w zaeżności od rodzaju wykonywaneo zadania. Występujące w opisanych układach podsystemy romadzenia wiedzy są przeznaczone do poprawy działania aorytmów sterujących poprzez zdobywanie przez system

4 doświadczenia. Będą one nakierowane na takie przypadki zachowań, które nie zostaną przewidziane podczas opracowywania systemu. Gromadzenie wiedzy (nauka) nie będzie układem wyodrębnionym w systemie ecz będzie stanowić interaną część poszczeónych układów. 3. DOBÓR CZUJNIKÓW DLA UKŁADU ROZPOZNANIA OTOCZENIA Jednym z podstawowych czynników prawidłoweo wykonania zadania przez układ postrzeania jest właściwy dobór czujników rozpoznania otoczenia. Przy ich doborze naeży uwzędnić następujące prawidłowości: 1. Nie istnieje jeden uniwersany czujnik naeży dokonać doboru wieoeementoweo czujnika oparteo o różne metody pomiarowe, umożiwiająceo zastosowanie metodyki pomiaru najkorzystniejszej da danych warunków wykonywania pomiaru. 2. Dobór czujników o pokrywających się możiwościach zapewni redundantność systemu, zwiększając dopuszczaną toerancję błędu pomiaroweo, oraz zwiększy wymaany stosunek synał/szum poprzez wykorzystanie danych z kiku czujników. 3. Minimaizacja iczby rodzajów stosowanych czujników ułatwi ich obsłuę i opracowywanie wyników pomiarów. Korzystnym rozwiązaniem może być stosowanie czujników dających szerokie spektrum informacji. Naeży natomiast oraniczać iczbę czujników przystosowanych do wykonywania specjaizowanych pomiarów w specyficznych warunkach. Do najpowszechniej stosowanych czujników umożiwiających okaizowanie obiektów w otoczeniu pojazdów mobinych naeżą między innymi: skanery aserowe 3-D, kamery video (w tym zestawy stereowizyjne) i termane oraz radary mikrofaowe. Najdoodniejszym narzędziem do tworzenia trójwymiarowych map terenu jest skaner aserowy 3-D. Jednakże ze wzędu na wysoką cenę, nie jest powszechnie stosowany. Podejmowane są natomiast próby wykorzystania skanowania terenu damierzem aserowym 2-D do wyznaczania odełości obiektów od pojazdu, a następnie okreśenia możiwości przestrzenneo zobrazowania otoczenia [4,10]. W ceu sprawdzenia możiwości zastosowania damierza aseroweo 2-D do okaizowania przeszkód w otoczeniu pojazdu, przeprowadzono jeo badania aboratoryjne i terenowe. Do badań wykorzystano damierz LMS 211 firmy SICK (rys. 2). W czasie badań mierzono: szybkość transmisji, stabiność pomiarów w czasie oraz zdoność wyznaczania wymiarów przedmiotów o różnych kształtach [3,11].

5 Jednym z czynników decydujących o możiwości stosowania skanera do sterowania pojazdem w czasie rzeczywistym jest szybkość transmisji danych pomiarowych. Przy skanowaniu terenu w zakresie 180º, z rozdzieczością co 1º czas skanowania wynosi 13,3 ms, ramka synału ma dłuość 372 bitów i maksymany czas jej transmisji wynosi 7,4 ms. Pozwaa to na prawidłową i niezakłóconą transmisję danych ze wszystkich wykonanych pomiarów. a) b) Rys. 2. Skaner aserowy LMS 211: a - widok oóny; b - zasada wykonywania pomiarów Badania terenowe prowadzone były w ceu wyznaczenia przestrzenneo obrazu otoczenia pojazdu z zamontowanym damierzem aserowym. Skanowanie terenu wykonano za pomocą damierza, zamontowaneo pojeździe pochyoneo pod stałym kątem do poziomu β = 150. Jako teren badań wybrano wjazd do wnętrza arażu wraz z przyełym terenem. Pojazd przemieszczał się od punktu A (rys. 3a) na odełość 40 m w łąb arażu, wyniki pomiarów rejestrowano co 1m. W ceu otrzymania przestrzennej wizuaizacji otoczenia pojazdu przetworzono - otrzymane w wyniku skanowania - współrzędne obiektów z układu związaneo z damierzem aserowym do współrzędnych w układzie obanym (rys. 4) dzie: = ( x, y, z ) T = ( x, y, z ) T = T (1) współrzędne obiektów w układzie eodezyjnym, współrzędne obiektów we współrzędnych damierza aseroweo, T macierz transformacji układu współrzędnych damierza do obaneo układu współrzędnych.

6 Współrzędne eodezyjne obiektów zarejestrowanych przez damierz wyznaczano na podstawie zaeżności x y z cosϕ cosα + t sinϑ + s + m = cosφ sinα + sinφ sinϕ cosα p sinφ + r cosφ t sinφ cosϑ + n sinφ cosα cosφ sinϕ cosα + p cosφ + r sinφ + t cosφ cosϑ + o dzie: zmierzona odełość obiektu od damierza; α kąt pomiędzy wiązką aserową a osią x. (2) Rys. 3. Badania wyznaczania położenia obiektów w otoczeniu przemieszczająceo się pojazdu: a widok terenu badań; b obraz otoczenia wyznaczony na podstawie danych z damierza aseroweo; 1 drzewo; 2 okno; 3 przeszkoda wewnątrz arażu; 4 okno; 5 przęsło mostu; 6 brama; 7 krzewy; A punkt rozpoczęcia pomiarów; D trasa po której przemieszczał się pojazd z damierzem Rys. 4. Schemat transformacji współrzędnych damierza do obaneo układu współrzędnych

7 Następnie wykonano mapę wysokościową zarejestrowanych obiektów. Mapę tą utworzono dokonując podziału badaneo terenu na i x j obszarów o wymiarach 25 mm na 25 mm a następnie wyszukując obiekty o największej wysokości w anaizowanym obszarze zodnie z zaeżnością h k + 1 z ( i, = h dy ( i, w k + 1 n k z k + 1 n k h ( i, pozostaych przypadkach (3) dzie: z współrzędna pionowa punktu wyznaczona na podstawie pomiarów, h k ( i, k +1 n przyjęta wysokość przeszkody w obszarze i,j w k-tym kroku obiczeniowym, h k + 1 ( i, przyjęta wysokość przeszkody w obszarze i,j w k +1 kroku obiczeniowym. Anaizowanemu obszarowi przypisywano wysokość h równą maksymanej wartości współrzędnej pionowej z pośród wszystkich punktów zarejestrowanych w anaizowanym obszarze. Na rys. 3b przedstawiony jest obraz badaneo terenu otrzymany na podstawie przetworzenia danych ze skanowania terenu damierzem aserowym, zamontowanym na pojeździe przemieszczającym się od punktu A do wnętrza arażu. Prezentowany obraz otrzymano w wyniku rzutowania w kierunku pionowym do podłoża punktów otrzymanych na podstawie zaeżności (3). Przeprowadzone badania wykazały, że skanowanie damierzem przemieszczającym się w badanym terenie umożiwia otrzymanie obrazu zawierająceo informacje o obiektach nie widocznyc z punktu rozpoczynania pomiarów. Ponadto metodą tą można zarejestrować położenie eementów niewidocznych da oddaoneo obserwatora. 4. PODSUMOWANIE Przedstawiona w referacie struktura systemu autonomiczneo wyznaczania trasy da bezzałoowych pojazdów ądowych umożiwi równoełe prowadzenie prac anaitycznych i doświadczanych nad ich rozwojem co może przyspieszyć jeo pełne opracowanie. Eementem warunkującym reaizację autonomiczneo sterowania pojazdami jest całościowe opracowanie wzajemnych powiązań i zaeżności między poszczeónymi jeo eementami. Wyniki przeprowadzonych badań doświadczanych wyznaczania położenia obiektów za pomocą damierza aseroweo wykazały, że teo rodzaju czujniki moą być wykorzystane do budowy efektywneo systemu wykrywania i okaizowania obiektów w przestrzeni działania

8 pojazdu. Przyjęta metoda zobrazowania poprzez pionowe rzutowanie najwyższych punktów z anaizowaneo obszaru nie odzwiercieda zróżnicowania obiektów w płaszczyźnie poziomej i nie można otrzymanych obrazów nazywać mapami pastycznymi. Można ich jednak z powodzeniem używać do wizuaizacji otoczenia, jednoznaczneo okaizowania obiektów w terenie i okreśenia ich wysokości. Umożiwia to wytyczenie mobinych korytarzy da autonomiczneo panowania toru jazdy pojazdu bezzałooweo. Literatura 1. Bartnicki A., Kuczmarski F., Typiak A., Wrona J.: Desin contro and power transmission unit for unmanned round vehices (UGV) 8th Internationa Conference on Methods and Modes in Automation and Robotics. Szczecin Kobuch K.: Czy możiwy jest europejski FCS. RAPORT Wojsko Technika Obronność, Nr 6/ Konopka S., Kuczmarski F., Typiak A.: Lokaizowanie przeszkód w otoczeniu zdanie sterowanej maszyny inżynieryjnej. Transport Przemysłowy, Nr 4/ Konopka S., Kuczmarski F., Siemiątkowska B.,Typiak A.: A contro system and a system of surroundins reconition for remote controed vehices. Biuetyn Wojskowej Akademii Technicznej, Nr 8-9/ Kuczmarski F., Siemiątkowska B., Typiak A.: A Muti-eement System of Surroundin Reconition and Objects Locaization for Unmanned Ground Vehices. 20 th Internationa Symposium on Automation and Robotics in Construction Eindhovend, Hoand September Likowski M., Łuczak W., Zaoa S.: Armia czasów wojny i transformacji, RAPORT Wojsko Technika Obronność, Nr 11 / Łuczak W.: Sekrety francuskieo FCS, RAPORT Wojsko Technika Obronność, Nr 10/ Out Front in Harm s Way. The US Unmanned Ground Vehices Proramme. Miitary Technooy, Nr 12/ Racin Towards Robotics: Sina AFCEA s Internationa Journa, May Technooy Deveopment for Army Unmanned Ground Vehices. The Nationa Academy of Sciences, USA Teerams for Operatin/Confiurin the LMS 2xx Laser Measurement Systems. SICK AG Auto Ident Ident Nimburer Strasse 11, Reute, Germany.