Иванов А.М., доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, проректор
Шадрин С.С., кандидат технических наук, доцент Невзоров Д. В.
(Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ))
РАЗРАБОТКА ТРЕХМЕРНОГО СКАНИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ АВТОНОМНОГО КОЛЕСНОГО ТРАНСПОРТНОГО
СРЕДСТВА
Статья содержит материалы научного проекта по созданию объемного сканера местности на основе лазерного дальномера «Noptel CMP3-30», представлен механизм позиционирования лазера, описаны модуль контроля позиционирования и обработки данных, а также способ связи с программой подсистемы ИТС автоматизированного движения.
Ключевые слова: объемное сканирование, автоматизация рулевого управления, интеллектуальная транспортная система, автоматическое управление, автомобиль.
THE DEVELOPMENT OF 3D-SCANNER OF AUTONOMOUS WHEELED VEHICLE
COMPUTER VISION SYSTEM
The article contains materials of the research project of 3D-scanner from «Noptel CMP3-30» distance sensor creation, the laser positioning mechanism, positioning control module and data processing descriptions are presented, as well as the method of communication with the program of ITS subsystem of autonomous vehicle control.
Keywords: 3D-scanner, automated steering, intelligent transport system, autonomous vehicle control, road vehicle.
Введение
В настоящее время многие автопроизводители работают над созданием полноценной системы автоматического управления автомобиля [1]. В данных системах основную роль уделяют получению информации о происходящем вокруг автомобиля [2]. Для этого используют различные способы локации и систему технического зрения [3]. Одним из способов получения расстояния до объектов является лазерное сканирование. Так радар, состоящий из нескольких лазеров и системы подвижных зеркал, излучает импульсы и на основе полученного отражения вычисляет расстояние. Полученные данные синхронизируются с видео потоком технического зрения, и создается трёхмерная карта окружающего пространства с размерами.
Создание системы позиционирования лазерного луча
В качестве объекта исследования использовался лазерный дальномер «Noptel CMP3-30» (Рисунок 1), частота дискретизации которого составляла 4кГц, дальность измерения - до 90м.
Рис. 1. Лазерный дальномер «Noptel CMP3-30»
В качестве метода позиционирования был выбран наклон зеркальной поверхности в двух плоскостях. В качестве зеркального элемента (далее зеркало) был выбран сектор диска от накопителя на жёстких магнитных дисках, так как он имеет одну поверхность отражения (Рисунок 5). Наклон производился сервоприводом М0945 (усилие 12кг/см (6В), скорость отработки 0,22с/60град (4,8В), рабочее напряжение 4,8-7,2В) в вертикальной плоскости и сервоприводом М0908 (усилие 2,2 кг/см (6В), скорость отработки 0,1 с/60 град (4,8В), рабочее напряжение 4,8-6В) (Рисунок 2) в горизонтальной плоскости. М0945 закреплен непосредственно на корпусе дальномера и вращает М0908, который в свою очередь вращает зеркало. Для уменьшения усилия торможения при изменении направления движения зеркала в горизонтальной плоскости, обе стороны зеркала подтягиваются пружинами к смещенному от центра кронштейну. В горизонтальной плоскости зеркало двигается на 60 градусов, в вертикальной - на 45 градусов. За одну секунду луч проходит два раза окно сканирования.
Рис. 2. Сервоприводы М0945(слева) и М090Б (справа)
В качестве модуля управления сервоприводами и обработки информации использовалась отладочная плата 8ТМ32УЬБ18СОУЕКУ (Рисунок 3), на основе микроконтроллера 8ТМ32Б100КБ (128кб ПЗУ, 8кб ОЗУ, 8Р1, УАПП, тактовая частота 24МГц), имеющая встроенный отладчик.
Рис. 3. Плата 8ТМ32У1В18СОУЕКУ
В качестве метода слежения за углом наклона зеркала был выбран способ вычисления взаимного положения датчиков МРЦ-9250 (Рисунок 4) компании 1пуеп8епве, каждый из которых включает в себя 3-х осевой гироскоп, акселерометр и магнитометр, а также термометр для коррекции показаний. Один датчик закреплен на зеркале, второй - на корпусе радара. Каждый из датчиков связан с микроконтроллером по индивидуальному каналу 8Р1.
Рис. 4. Датчик движения MPU-9250
Вычислительный модуль получает данные от дальномера по каналу УАПП, сохраняет штамп времени приема, запрашивает у датчиков-гироскопов положение по 3-м осям, вычисляет угол наклона зеркала, проводит линейную интерполяцию по времени, вычисляя смещение зеркала за время передачи, далее вычисляет координаты и расстояние в двухмерной матрице, соответствующие окну сканирования, используя полученное расстояние как гипотенузу прямоугольного треугольника, перемещает зеркало дальше по циклу.
Связь с компьютером осуществляется по второму УАПП. Для этого был разработан протокол, позволяющий вести двухсторонний обмен информацией, а именно - получать данные всех датчиков с временным штампом, разделение пакетов на запрос, ответ, подтверждение. Каждый пакет содержит два байта «старт», байт назначения, штамп времени, длину байтов данных, два байта «конец», байт проверки «ХОЯ».
На Рисунке 5 показан внешний вид трехмерного сканера, состоящего из лазерного дальномера «Кор1е1 СМР3-30», сектора диска для зеркального элемента и системы управления.
Результаты и выводы
В процессе эксперимента был выбран оптимальный алгоритм перемещения позиционного зеркала, откалибрована программная синхронизация с координатами сканируемого окна, разработана концепция взаимодействия с подпрограммой ИТС автономного движения автомобиля.
Рис. 5. Внешний вид трехмерного сканера
Реализация сканера позволила с частотой два раза в секунду (2 Гц) получать дистанцию до любых объектов по ходу следования автомобиля с горизонтальным углом зрения 60 градусов и вертикальным углом зрения 45 градусов в радиусе 90 метров. Применение разработанного объемного сканирующего устройства, являющегося одним из элементов системы технического зрения, позволит улучшить восприятие окружающей обстановки автономно движущимся автотранспортным средством.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фадин, А.М. Методика оценки алгоритмов управления автомобиля в автоматическом режиме / А.М. Фадин, А.М. Иванов, С.С. Шадрин // Вестник МАДИ. - 2013. - Вып. 3(34). -С. 3-7.
2. Разработка системы автоматизированного движения в «пробках» городского транспортного средства / А.Р. Спинов, С.С. Шадрин, А.М. Иванов, А.Н. Солнцев // Вестник МАДИ. - 2014. - Вып. 3(38). - С. 106-112.
3. Иванов, А.М. Интеллектуальное транспортное средство. Адаптация подсистемы определения взаимного положения движущихся транспортных средств / А.М. Иванов, С.С. Шадрин, К.Е. Карпухин // Известия МГТУ МАМИ. - 2013. - №2(16), т.1. - С. 57-62.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.