– тема исследования Международного научно-учебного центра информационных технологий и систем НАН и МОН Украины. Авторами разрабатывается ПО, объединяющее задачи он-лайн управления и офф-лайн моделирования действий робототехнической системы. Используются 3D модели робота и окружающей его среды, модельные представления реакций локационных сенсоров и восприятия телекамеры. Интерфейс оператора построен на сочетании модельных и реальных данных о функционировании робота, поступающих по радиосети. Описанный подход был применён для управления мобильным роботом ER1 фирмы Evolution Robotics (см. «ТКТ» № 10 за 2003 г. – прим. ред.).

Управление роботами в он-лайн режиме с использованием виртуальных трёхмерных моделей робота и его рабочего пространства позволяет создать удобную среду управления как виртуальной моделью, так и реальным роботом. Применение 3D геометрии при моделировании кинематики манипуляционных роботов и планировании их траекторий в среде с препятствиями позволило разработать в отделе робототехнических систем Института кибернетики им. В. П. Глушкова НАН Украины программный пакет офф-лайн моделирования действий робота. Была разработана алгоритмическая база математического представления твердотельных объектов и генерации их пространственных изображений. Согласно принятому подходу, объекты среды функционирования робота и самого робота как геометрические тела аппроксимируются выпуклыми непересекающимися многогранниками, заданными своими вершинами. Для компактного описания моделей подвижных тел разработаны универсальные структуры данных, в основе которых лежит представление выпуклых многогранников рёберными списками с двойными связями, а пространственное положение тел задаётся матрицами специального вида. На этих же структурах реализованы процессы компьютерной генерации изображений трёхмерных сцен, включающие механизмы трансформации 3D данных в 2D с определением перекрытий и коэффициентов освещенности.

Апробированные практикой структуры данных и процедуры их обработки в упомянутом пакете программ обеспечивают скорость генерации изображений, достаточную для постановки задач в он-лайн режиме. Описываемая работа опирается именно на эти программные модули и проводится в рамках ГНТП Украины «Образный компьютер», одна из задач которой – разработка кибернетической системы, функционально оперирующей зрительными, слуховыми и иными образами при анализе сцен и сложных ситуаций, планировании движений и т. д.

Основное окно интерфейса во время сеанса управления ER1 разбито на 5 блоков:

- главный вид модели сцены, где в произвольном, удобном пользователю ракурсе отображаются робот и окружающая его среда;

- вид сверху, дающий дополнительную визуальную информацию об относительном положении робота, причем изображение его модели всегда находится в центре окна;

- окно, содержащее модельное изображение сцены, воспринимаемое телекамерой, жестко связанной с роботом;

- окно для кадров реальной телекамеры робота;

- зона панелей управления.

Среди возможностей ПО;

- конструктор/редактор моделей сцен;

- режим модельного управления и планирования траекторий;

- планирование заданий с визуальным контролем возможных конечных положений робота и библиотекой алгоритмов самопрограммирования некоторого набора его действий;

- режим управления реальным роботом по радиосети.

Для последнего режима реализован сетевой обмен в технологии «клиент-сервер». Функцию сервера выполняет программное приложение на бортовом компьютере, непосредственно связанном с системой управления нижнего уровня. Для ER1 это ноутбук, на который поступают данные от системы управления двигателями колёс и манипулятора, веб-камеры и трёх активных ИК-сенсоров.

С точки зрения управляемого движения мобильный робот с манипуляторами представляет собой сложную систему твёрдых тел. Источниками информации о внешней среде служат локационные сенсоры и телекамеры. В исследовании принят подход максимального использования пространственных моделей различных элементов управляемого робота, включая органы его «очувствления».

Рассмотрим модель восприятия сцены телекамерой. Окно модельного восприятия телекамеры содержит изображение сцены, построенное с учетом положения, ориентации и масштабируемых параметров установленной на роботе телекамеры. При этом использована математическая модель идеальной оптической системы. Изображение сцены строится по правилам центрального проектирования.

Данное окно позволяет наблюдать, какой визуальной информацией при движении робота может располагать система интеллектуального управления и что может видеть оператор-супервизор на мониторе при текущем положении робота. Такая модель даёт возможность оценить степень информативности визуальных данных, опробовать различные значения параметров оптической системы до того, как они будут применены при установке реальной телекамеры. Например, подобрать масштабируемые параметры объектива, выбрать оптимальные углы поворотов и наклона камеры, а также точку её крепления на корпусе робота. Для этого имеется доступ к редактированию параметров модели камеры.

Если пространственная модель рабочей среды робота достаточно точная, то модельное изображение воспринимаемой телекамерой сцены может быть использовано в алгоритмах управления движением робота с визуальной обратной связью. При отработке роботом заранее спланированной траектории рассогласование изображений реальной и модельной камер несёт информацию об отклонении робота от программного движения. Алгоритм сравнения и анализа модельных и реальных кадров служит источником корректирующих сигналов для системы управления движением.

Удалённое управление роботом ER1 осуществляется по беспроводной сети IEEE 802.11b. Класс таких сетей Wi-Fi предназначен для работы в диапазоне 2,4-2,5 ГГц ISM. В нём используется модуляция радиоволн DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) и поддерживается шифрование WEP. В помещении радиус действия существенно зависит от толщины и конфигурации стен, а на качество передачи данных оказывают влияние другие устройства, использующие тот же частотный диапазон. Максимальная скорость передачи данных 11 Mbps. В автоматическом режиме скорость передачи варьируется в зависимости от уровня интерференции, шумов и силы сигнала. Если во время сеанса радиоуправления происходят изменения параметров функционирования сети, то на время, занимаемое этим процессом, связь с роботом прерывается.

Во время движения робота основную часть потока команд составляет опрос данных сенсоров и одометрии по принципу «запрос-ответ». Задержка ответа на запрос о текущем состоянии сенсора или координат робота не превышает 60 мс. Отдельные команды на движение и управление не требуют обязательного ответа и занимают менее 5% всего трафика команд.

Источник визуальной информации о среде функционирования ER1 – установленная на нём веб-камера: устройства этого типа ориентированы на сетевую передачу видеоинформации в реальном времени. Опыт эксплуатации этих устройств показал, что скорость передачи и качество изображения достаточны для эффективного применения алгоритмов распознавания визуальных образов: например, на основе алгоритмов анализа изображений реализован поиск роботом «знакомых» ему объектов и определение их положения, что позволяет уточнять модель окружающей среды.

Программа-сервер занимается первичным сбором видеоданных от веб-камеры, которые затем передаются клиенту в виде отдельного потока данных по UDP-протоколу. Этот протокол выбран из соображений скорости и отказа от излишних транзакций: пересчетов контрольных сумм, проверки времени «жизни» и повторных доставок утраченных пакетов (если пакет утрачен при пересылке, нет смысла тратить ресурсы на пересылку «устаревшего» изображения). Частота передачи – 10 кадр/с. Для минимизации объёмов передаваемых данных используется JPEG-компрессия. Общий размер потока данных через радиосеть в он-лайн режиме управления роботом менее 200 кБайт/с, то есть, около 15% всего возможного трафика. При этом поток передаваемого видео превышает поток текстовых команд более чем в 100 раз. (По материалам фестиваля «Мобильные роботы»)  А. Барсуков, журнал "ТКТ", № 9, 2004 г.