авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка алгоритмов поиска и обследования искусственных протяженных объектов с помощью автономного необитаемого подводного аппарата

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Павин Александр Михайлович

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ПОИСКА И ОБСЛЕДОВАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ АВТОНОМНОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА

Специальность: 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Владивосток – 2010

Работа выполнена в лаборатории систем управления Института проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН

Научный руководитель: кандидат технических наук

Инзарцев Александр Вячеславович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Ащепков Леонид Тимофеевич

кандидат технических наук, доцент

Москаленко Юрий Сергеевич

Ведущая организация: Институт динамики систем и теории управления Сибирского отделения РАН,

(г. Иркутск)

Защита состоится «25» июня 2010 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 005.007.01 в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН по адресу: 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института автоматики и процессов управления ДВО РАН

Автореферат разослан «21» мая 2010 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 005.007.01,

к.т.н. А.В. Лебедев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Задача периодического обследования (инспекции) подводных коммуникаций с течением времени становится всё более острой, что связано с возрастающим количеством коммуникационных линий и их длиной. Примером может служить инспекция подводных трубопроводов и кабелей (далее искусственных протяженных объектов) на предмет повреждений или наличия посторонних предметов. Задача инспекции включает в себя: поиск протяженного объекта, его отслеживание (с ведением фото-документирования), акустическую съемку окрестности объекта и контроль состояния параметров окружающей среды (для трубопроводов). Обычно для этих целей применяют надводные суда, водолазов, буксируемые и телеуправляемые подводные аппараты, однако возможность использования этих средств часто ограничена и ведет к увеличению стоимости инспекционных работ. Перспективным решением задачи инспекции подводных коммуникационных линий большой протяженности является применение автономного необитаемого подводного аппараты (АНПА) в качестве «интеллектуального носителя» обзорно-поисковой аппаратуры регистрирующей состояние искусственного протяженного объекта (ИПО). Благодаря возможности длительного пребывания под водой, дальности действия, маневренности и относительно низкой стоимости работ, применение АНПА позволяет в сжатые сроки произвести инспекцию всей трассы залегания подводных коммуникаций.

Первые разработки, касающиеся возможности применения АНПА для отслеживания ИПО относятся к 80-90 годам прошлого столетия (Агеев М.Д., Kato N., Asakawa K. и др.). На данный момент можно говорить о хорошей проработанности задачи идентификации подводных кабелей на фотоизображениях (Щербатюк А.Ф., Желтов С.Ю., Ito Y., Ura T., Conte G., Ortiz A., Oliver G. и др.). Достаточно давно ведутся исследования по обнаружению металлосодержащих ИПО на основе электромагнитной информации (Кукарских А.К., Kojima J., Asakawa K. и др.). На сегодняшний день в печати встречается информация о трех аппаратах, способных проводить инспекцию протяженных объектов: японский Aqua Explorer 2000; французский Alistar 3000 и российский MT-98. Первый из них предназначен для отслеживания подводных кабелей, содержащих запитанные токонесущие проводники. Принцип действия сенсорных устройств этого АНПА не позволяет обнаруживать трубопроводы, информационные (не запитанные) кабели и кабели с обрывом. Область назначения второго аппарата – инспекция подводных трубопроводов (первые упоминания об испытаниях содержатся в работах 2007 года). Известно, что аппарат оснащен телевизионной, эхолокационной и электромагнитной системами, однако о методах идентификации ИПО и управлении АНПА информации крайне мало. В России разработки в данной области ведутся в Институте проблем морских технологий (ИПМТ ДВО РАН) [1,2]. Практический опыт применения подводных аппаратов показывает, что имеется ряд трудностей, связанных с автоматической инспекцией ИПО. Нерешенной остается задача автоматического обнаружения тонких протяженных объектов (кабелей) на снимках гидролокатора бокового обзора. Существует необходимость в повышении точности и надежности обнаружения металлосодержащих протяженных объектов по данным электромагнитных сенсорных устройств и крупногабаритных ИПО (трубопроводов, траншей) по данным многолучевой эхолокационной системы. Кроме того, в случае наличия нескольких разнородных систем обнаружения возникают вопросы совместной обработки данных и формирования управления АНПА в условиях неточной и постоянно изменяющейся информации. Таким образом, задача разработки алгоритмов поиска и обследования ИПО с помощью АНПА является актуальной.



Цель и основные задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка алгоритмов поиска и обследования искусственных подводных протяженных объектов средствами автономного необитаемого подводного аппарата. Для достижения указанной цели в работе определены следующие задачи:

  1. Разработка алгоритмов идентификации протяженных объектов с использованием дальнодействующих и близкодействующих средств обнаружения.
  2. Разработка алгоритмов интегральной обработки данных от сенсорных устройств АНПА различной природы для вычисления параметров инспектируемого ИПО.
  3. Разработка алгоритмов управления подводным аппаратом для осуществления инспекции протяженных объектов.
  4. Реализация и оценка характеристик предлагаемых решений в опытных и экспериментальных образцах АНПА.

Методы исследования базируются на применении аппарата теории распознавания образов, принятия решений, управления и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  • впервые предложен алгоритм распознавания тонких протяженных объектов (кабелей) по данным гидролокатора бокового обзора, работающий в режиме реального времени на борту АНПА;
  • разработан новый алгоритм идентификации крупногабаритных ИПО (трубопроводы, траншеи) по данным многолучевой эхолокационной системы, позволяющий обнаруживать объект инспекции не зависимо от направления движения АНПА по отношению к объекту;
  • получены аналитические выражения, позволяющие использовать для обнаружения металлосодержащих ИПО электромагнитный искатель АНПА с неортогональной антенной системой;
  • разработан алгоритм интегральной обработки информации, использующий текущие и накопленные данные разнородных сенсорных устройств АНПА для вычисления параметров ИПО;
  • предложен новый алгоритм управления АНПА, позволяющий производить инспекцию подводных коммуникаций в автономном режиме с использованием всех имеющихся на борту систем распознавания ИПО.

На защиту выносятся следующие положения:

  • алгоритмы распознавания протяженных объектов;
  • алгоритм интегральной обработки информации от разнородных сенсорных устройств АНПА для вычисления параметров ИПО;
  • алгоритм управления АНПА во время инспекции ИПО;
  • реализация разработанных алгоритмов на борту АНПА.

Практическая ценность работы заключается в разработке и реализации на борту АНПА алгоритмов распознавания, интегральной оценки данных и управления. Использование предлагаемых алгоритмов позволяет решить задачу инспекции подводных протяженных объектов средствами АНПА. Полученные в работе результаты основаны на опыте создания в ИПМТ ДВО РАН обследовательских и обзорно-поисковых аппаратов. Работа выполнялась в рамках НИР «Разработка технологии создания интеллектуальных подводных роботов на основе реконфигурируемых системных архитектур и высокоточных методов навигации и управления» № гос. регистрации 01.2006 06513», Гособоронзаказа, а также при поддержке грантов РФФИ и ДВО РАН: №06-08-07118-з, №07-08-00596-а, №08-08-08043-з, №09-08-08016-з, №06-11-04-03-002, №06-111-А-01-010, №09-II-СО-3-001, №09-I-ОЭММПУ-08, №09-III-А-01-006.

Достоверность исследований обеспечивается обоснованием выбора применяемых методов распознавания, интегральной оценки данных и управления АНПА, на основе проверенных результатов теоретических и экспериментальных исследований. Правильность выбранных подходов подтверждается результатами моделирования, морскими испытаниями и опытной эксплуатацией подводных аппаратов.

Реализация результатов работы. Алгоритмы идентификации протяженных объектов, интегральной обработки данных и управления АНПА были реализованы, прошли испытания и опытную эксплуатацию в составе систем управления аппаратов МТ-98 и TSL.

Апробация результатов работы. Основные научные и практические результаты работы были представлены на 8 конференциях, из которых 3 зарубежных и 5 российских:

  • Зарубежные конференции и симпозиумы: 1) Шестой международный симпозиум по подводным технологиям, г. Уси, Китай, 2009 г., [2]. 2) Международная конференция «Океаны’08», г. Кобе, Япония, 2008 г., [8,12]. 3) Международная конференция «Океаны’06», г. Бостон, США, 2006 г., [6,15] (доклад [6] был удостоен III места на конкурсе аспирантских работ).
  • Российские конференции и школы-семинары: 1) Третья всероссийская научно-техническая конференция «Технические проблемы освоения мирового океана», Владивосток, 2009 г., [3]. 2) VIII школа-семинар молодых ученых «Математическое моделирование и информационные технологии», Иркутск, 2006 г., [5]. 3) Международная научно-техническая конференция «Технические проблемы освоения мирового океана», Владивосток, 2007 г., [11]. 4) Международная научно-техническая конференция «Технические проблемы освоения мирового океана», Владивосток, 2005 г., [14]. 5) Международная конференция по подводным технологиям, С-Петербург, 2009 г., [17].

Публикация результатов работы. По результатам исследований было опубликовано 17 печатных работ (3 работы размещены в журналах из списка, рекомендованного ВАК [4,9,16]). Большинство результатов исследований легли в основу главы “AUV Application for Inspection of Underwater Communications” книги [1].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, списка условных обозначений, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание излагается на 160 страницах, в том числе 54 иллюстрации и 5 таблиц. Объем приложений составляет 19 страниц и включает 12 иллюстраций и 3 таблицы. Список литературы содержит 114 наименований. Последние разделы глав 2-5 и приложение содержат результаты моделирования, натурных экспериментов, постобработки реальных данных и результаты опытной эксплуатации АНПА.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность направления исследований, формируется цель и ставятся задачи, характеризуется научная новизна и практическая ценность работы.

В главе 1 приводится обзор существующих методов инспекции искусственных протяжных объектов, дается классификация и характеристики ИПО, описываются цели и задачи инспекции, а также существующие средства обнаружения протяженных объектов.

По своему назначению подводные коммуникации делятся на трубопроводы, информационные или силовые линии связи (которые включают запитанные и не запитанные кабели, а также оптоволоконные линии) и траншеи (предназначенные для прокладки трубопроводов и кабелей). Указанные объекты обладают различными геометрическими, оптическими и электромагнитными характеристиками, а также характеризуются разными способами прокладки (лежащие на поверхности, полностью или частично зарытые). В зависимости от назначения ИПО существуют общие и специфические цели и задачи инспекции. К общим целям относятся: уточнение координат объекта инспекции; обнаружение повреждений и посторонних объектов, как на самом объекте, так и в его окрестности. В дополнение для кабелей и трубопроводов необходимо обнаружение подвижек, провисов и промоин объекта; а также регистрация утечек транспортируемых веществ (только для трубопроводов). Можно выделить следующие задачи, которые должен решать АНПА в процессе инспекции: 1) поиск протяженного объекта; 2) отслеживание ИПО с ведением фото-документирования; 3) контроль состояния параметров окружающей среды на всем протяжении залегания и обследование опасных мест (для трубопроводов); 4) съемка окрестности ИПО. Анализ существующих решений задачи инспекции ИПО показывает, что необходима разработка: 1) алгоритмов обнаружения тонких протяженных объектов на акустических снимках гидролокатора бокового обзора; 2) алгоритмов идентификации крупногабаритных ИПО по данным дальномерной эхолокационной информации АНПА; 3) алгоритма определения параметров (координат) инспектируемого объекта на основе интегральной обработки данных от разных систем распознавания АНПА, поскольку ни одно средство распознавания ИПО не дает гарантированный результат; 4) алгоритмов управления АНПА, для достижения всех целей инспекции протяженного объекта. Кроме того, необходимо усовершенствование метода распознавания металлосодержащих протяженных объектов по данным электромагнитного искателя для повышения точности и надежности детектирования объекта инспекции. Решению перечисленных задач посвящены следующие главы диссертации.





В главе 2 решается задача применения гидролокатора бокового обзора (ГБО) в качестве средства идентификации подводных протяженных объектов (кабелей и трубопроводов). Перспективность использования ГБО заключается в его высокой разрешающей способности и большом радиусе действия.

Разработанный алгоритм распознавания протяженных объектов состоит из следующих основных этапов: предварительная обработка данных (фильтрация); построение акустической карты рельефа дна; выделение границ протяженного объекта и детектирование протяженного объекта на фоне дна. Гидроакустический снимок в сегда содержит шумы, которые связаны с погрешностью измерения амплитуды акустической волны. Анализ изображений ГБО показал, что для подавления шумов необходимо использовать фильтр, который не меняет значения точек на границе объектов (даже очень тонких), но избавляет изображение от локальных экстремумов. Распознавание протяженного объекта производится по акустической карте рельефа местности (рис. 1-а) с привязкой к абсолютным координатам. Карта генерируется путем расчета пространственных координат пикселей акустического изображения (с учетом счисленного местоположения АНПА, удаленности точек изображения от антенн ГБО и местоположения самих антенн на борту АНПА). Распознавание ИПО производится по его границам (полутоновым), которые в свою очередь определяются величиной и направлением градиента. Для оценки частных производных градиента предложено использовать оператор Щарра (Scharr), который, как показали эксперименты, дает лучший результат (в сравнении с операторами Собела и Превита) при определении направления градиента. Проекция акустического изображения ГБО на поверхность дна обладает неравномерной решеткой, поэтому расчет величины градиента производится с учетом скорости движения подводного робота и горизонтального смещения точек относительно АНПА. Кроме того, для выделения границ искомого ИПО используется априорная информация о направлении объекта инспекции и динамических характеристиках АНПА.

Рис. 1. Обработка гидроакустических снимков (приведён фрагмент выхода АНПА на протяженный объект): а) акустическая карта рельефа дна; б) карта вероятного местоположения распознанного объекта.

Идентификация протяженного объекта сводится к выделению наиболее выраженной прямой линии на карте границ объектов. Для поиска линий используется модификация преобразования Хафа (Hough). Оригинальное преобразование Хафа (часто применяется для выделения линии на фотоизображениях) представляет каждую линию на плоскости как вес в накопителе W,, где: – направление перпендикуляра к линии, – расстояние от линии до центра изображения, W, – матрица. В отличие от фотоизображений, снимки ГБО не появляются одномоментно (строки эхограммы поступают с периодом 0,1~0,2 с), а длина эхограммы может составлять сотни тысяч строк. Поэтому в преобразование Хафа были внесены следующие изменения:

  1. центр системы координат связан с неподвижной относительно грунта точкой (например, с акустическим маяком);
  2. для исключения ситуации выхода за пределы массива, используется циклический по столбцам накопитель W,;
  3. уменьшение веса обработанной информации и предотвращение переполнения в накопителе сделано с помощью экспоненциального затухания по времени t (что гарантирует больший вес для поступающих данных и исключает дополнительные переборные операции в массиве);
  4. угол представляет собой направление распознанной линии, т.к. оно необходимо системе управление АНПА для организации движения;
  5. для управления аппаратом требуется точное знание координат распознанного объекта (а каждой ячейке накопителя W, соответствует семейство прямых), поэтому введены два дополнительных накопителя усредненных координат искомого объекта X, и Y,.

При появлении новой строки ГБО в момент времени t значения в накопителях изменяются по следующему закону:

; (1)

, (2)

где W,, X, и Y, – значения накопителей в предыдущий (t-1) и текущий t моменты времени; K – коэффициент затухания; t – интервал времени до последнего обновления ячейки накопителя; wt,s – вес, равный яркости границ, если точка находится на линии с координатами [; ] и нулю – в противном случае; s – номер элемента в строке данных ГБО; S1 и S2 – границы области идентификации протяженного объекта на акустическом изображении; [xt,s; yt,s]T – абсолютные координаты пикселей изображения.

На рис. 1-б приведен фрагмент значений накопителя с привязкой к абсолютным координатам и соответствующий ему фрагмент акустической карты дна (рис. 1-а). Как видно из графиков местоположению кабеля на акустическом изображении соответствует максимум в накопителе W, (рис. 1-б, светлые участки) и верно распознанные координаты и направление протяженного объекта. Рис. 2 отражает графики изменений курса АНПА, направления распознанного объекта и дистанции от аппарата до идентифицированной прямой линии во время движения подводного робота параллельно ИПО. Можно видеть, что разброс значений при определении направления линии не превышает 1°, а погрешность определения дистанции составляет менее 0,2 м. Подобные данные могут быть использованы в контуре управления АНПА даже без применения дополнительной фильтрации.

Рис. 2. Результаты распознавания гидроакустических снимков во время движения АНПА вдоль протяженного объекта.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.