РАЗВИТИЕ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ АВТОНОМНОСТИ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Опыт применения робототехнических комплексов (далее – РТК) пожарными и спасательными подразделениями при ликвидации последствий ЧС, и другими специальными и силовыми подразделениями наряду с новыми вызовами и угрозами в области национальной безопасности, диктует и определяет наиболее важные направления дальнейшего совершенствования и развития «безлюдных» технологий. В настоящее время по сути РТК – это машина, которая дистанционно управляется человеком, и не соответствует общепринятым определениям о роботе. Робот (чешский robot, от robota — подневольный труд) — автоматическое устройство с антропоморфным (человекоподобным) поведением, которое частично или полностью выполняет функции человека при взаимодействии с окружающим миром [1].

В первую очередь РТК специального назначения наиболее востребованы для решения следующих задач: поиск опасных веществ, пожаротушение, контейнирование радиоактивных материалов, специальные работы при обращении с опасными грузами, работа с взрывоопасными предметами.

Особенности и специфика применения РТК специального назначения обусловлены рядом существенных условий: малые радиусы действия технологического оборудования (от нескольких миллиметров до десятков метров, т.е. работа манипулятором, подача тушащих веществ и т.п.); низкая динамичность движения шасси (до 5÷10 км/ч); высокая точность позиционирования технологического оборудования (при взятии проб грунта, контейнировании опасных грузов и т.п.); работа в условиях плохого приема или отсутствия сигналов (применение РТК внутри зданий, сооружений, завалов, шахт и т.д.).

Наиболее важной функцией автономности:

- на функциональном уровне является реализация возможности вывода РТК на рубеж оптимального и эффективного применения технологического оборудования (по мощности теплового потока определяется наиболее интенсивный источник излучения, по уровню ɣ-излучения – наиболее мощный радиоактивный источник);

- на технологическом уровне обязательным элементом автономности является функция обхода препятствия, движение по заранее выбранному маршруту, возвращение в точку уверенного приема сигналов управления при потере связи.

Для развития автономности РТК необходимо создавать системы технического зрения (далее – СТЗ).

Основная задача СТЗ при реализации автономности РТК пожаротушения – это устойчивая работа в условиях задымления пространства по выявлению максимального очага горения на фоне очагов пожаров и формирование достаточного сигнала для автоматического удержания направления на максимальный очаг горения. При этом СТЗ является основным органом в контуре системы управления (обеспечение данными исполнительные механизмы - в частности лафетный ствол, подающий тушащие вещества в очаг горения). Оператор при необходимости может вмешаться в процесс пожаротушения, проходящий в автономном режиме [2].

Так, например, к СТЗ РТК пожаротушения предъявляются следующие основные технические требования: матрица фотоприемного устройства формата не менее 320×240 элементов; работа в видимом диапазоне с распознаванием фигуры стоящего человека на дальности не менее 300 м; работа в ИК ближнего диапазона с распознаванием фигуры стоящего человека на дальности не менее 200 м.

Основная доля информации поступает в СТЗ путем приема и обработки отраженного от объектов излучения электромагнитных волн. Для их приема в оптическом диапазоне обычно применяют видеокамеры. Наряду с хорошо известным достоинством данных устройств, таким как разрешающая способность, они все же не обеспечивают нас необходимым объемом информации, имеют низкую помехозащищенность. С помощью обычных видеокамер очень трудно или невозможно оценить дистанцию до объекта и его истинные размеры. Это обусловлено тем, что отраженные электромагнитные колебания некогерентные и выделить «допплеровское» изменение частоты невозможно. Работа видеокамер невозможна при отсутствии света, и сильно затруднена в тумане, дыме или огне.

Возможность использования ближнего ИК-диапазона для получения изображений в условиях тумана, задымленности и запыленности обусловлена относительно невысоким рассеянием излучения указанного диапазона на частицах с размерами, характерными для частиц, образующих туман, дым и пыль. Указанное явление в какой-то степени аналогично рассеянию солнечного света в атмосфере: в видимом диапазоне длинноволновое излучение в атмосфере рассеивается слабее коротковолнового.

Матрицы на InGaAs могут работать с относительно недорогими термоэлектронными охладителями и поэтому могут иметь относительно низкую стоимость и хорошие весогабаритные характеристики. Средний ИК-диапазон является тепловизионным, поэтому изображение может получаться в полной темноте, почему тепловизоры иногда называют приборами ночного видения.

Для расширения возможностей технического зрения переходят в инфракрасный диапазон и применяют специальные приборы, более известные как тепловизоры. Их принцип действия основан на преобразовании инфракрасного излучения в электрический сигнал, который усиливается и воспроизводится на экране монитора. Все тепловизоры действуют на основе фиксирования разницы температуры у объектов, и конвертации полученных данных в изображение, которое способен увидеть человеческий глаз. Современные тепловизоры способны заметить едва уловимый перепад температур (объект-фон), который составляет 0,05 – 0,1 К. Тепловизор может даже при пониженной прозрачности атмосферы, то есть при дожде, пыли, снегопаде и сильной дыме, обеспечить в любое время суток большую дальность видения. Основные рабочие диапазоны тепловизионной аппаратуры охватывают следующие области длин волн: 8÷14 мкм – область далекого ИК излучения и 3÷5,5 мкм – среднего ИК. Именно в этих областях приземные слои атмосферы прозрачны для ИК излучения, а излучательная способность наблюдаемых объектов с температурой от минус 50 ºС до плюс 500 ºС максимальна. Детекторы тепловизоров, работающие в диапазонах 3-3,5 мкм и 8-14 мкм имеют максимальную чувствительность и рабочий диапазон температур. Особую актуальность в последние годы приобрели так называемые много спектральные тепловизионные системы. Они сочетают в себе высокую чувствительность обычных тепловизоров с крайне высокой помехозащищенностью, возможностью работы в очень жестких температурных и фоновых условиях. Основным и главным недостатком тепловизоров является большая цена, так как 90 % стоимости прибора составляет его основные элементы, такие как матрица и объектив. Для создания систем управления необходима разработка специализированных систем многоспектрального технического зрения с учетом специфики отраслей их применения. С одной стороны, это видеонаблюдение в условиях слабой освещенности, запыленности, задымления, тумана, распознавание теплового излучения объектов при наличии температурных помех при пожаре. С другой стороны, это распознавание образов и неионизирующий контроль.

Российский рынок роботизированных технологий пока очень молод и находится в начальной стадии развития. Поэтому необходимо развивать автономность робототехнических комплексов, которые можно будет применять не только в РТК специального назначения, но и в так называемых общепромышленных и бытовых роботах [3].

Преимущества от перехода на роботизированные технологии неизбежно выведут многие наши предприятия на новый технологический уровень, повысят качество выпускаемой ими продукции, производительность и гибкость производственных процессов.

Список литературы:

1. Современный толковый словарь русского языка Т.Ф. Ефремовой.
2. С.Е. Симанов, С.Г. Цариченко, Е.В. Павлов, С.С. Воевода Направления реализации функций автономности в робототехнике специального назначения ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2016.
3. С.Г. Цариченко, М.В. Савин, И.А. Пеньков и др. Отчет о НИР «Сопровождение – РТС», ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2015.