Аспирант Фомин М.Н.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Метод построения трехмерной модели окружения с использованием лазерного дальномера.

·    

В современном мире активно развивается робототехника. Появляется большое число различных роботов, обладающих определенным набором функциональных возможностей. При работах на опасной местности или в труднодоступной среде возникает необходимость применения роботов, способных функционировать автономно. Для функционирования таких роботов актуальной проблемой является ориентирование в пространстве и взаимодействие с объектами окружения. Одним из решений данной проблемы служит построение роботом модели окружения в виртуальном пространстве. В данной статье будет рассмотрен метод построения виртуальной трехмерной модели окружения с использованием лазерного дальномера.

Для взаимодействия с окружением робот оснащается цифровой видеокамерой и лазерным дальномером. Данные, полученные с камеры, используются в качестве текстуры при построении трехмерной модели, а измерения, сделанные лазерным дальномером, используется в качестве ее вершин. Но при использовании лазерного дальномера, работающего по принципу радара и сканирующего плоскость в диапазоне от 0° до 180°, возникает необходимость дополнительного преобразования измерений [1].

Вначале измерения с дальномера подвергаются алгоритму развертки, в результате работы которого появляется возможность выявить соответствие измерений с дальномера к изображению на кадре видео-потока. Так как трехмерная модель строится в своей системе координат, измерения приводятся к этой системе. Уже имея координаты точек трехмерной модели в пространстве, необходимо определить последовательность их соединения для правильного отображения этой модели. Текстура для участка модели имеет свои относительные координаты, для которых также необходимо определить соответствие вершин трехмерной модели. Определив для вершин все эти параметры, получаем возможность построения модели.

Для отображения и построения трехмерной модели окружения рассмотрена возможность использования технологии DirectX [2]. На рисунке 1 приведены результаты построения упрощенной трехмерной модели с использованием технологии DirectX по данным, полученным с одного лазерного дальномера.

Рисунок. 1 Иллюстрация работы метода построения 3D-модели.

При использовании двух дальномеров для получения расстояния до объектов окружения измерения дополняются координатами, которые определяют положение объектов окружения, расположенных на нескольких плоскостях. Это достигается тем, что один дальномер сканирует плоскость в горизонтальном положении, а второй в вертикальном. Объединив полученные измерения, получаем единую трехмерную модель окружения мобильного робототехнического комплекса. Алгоритм построения моделей для каждой из плоскостей, совпадает с алгоритмом построения модели окружения, полученной для робототехнического комплекса с одним установленным дальномером. Иллюстрация построения трехмерной модели окружения робототехнического комплекса по данным, полученным с нескольких дальномеров, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Построение трехмерной модели окружения при использовании двух дальномеров.

Каждая полученная модель окружения робототехнического комплекса является кластером для построения трехмерной карты, которая состоит из матрицы таких кластеров. При прохождении робототехнического комплекса по исследуемой местности данные об окружении обновляются и заносятся в элементы матрицы. В соответствии с позиционированием робототехнического комплекса координаты трехмерной карты масштабируются и определяется положение робототехнического комплекса в виртуальном трехмерном пространстве. На рисунке 3 приведена иллюстрация построения трехмерной карты окружения робототехнического комплекса.

Рисунок 3. Принцип построения трехмерной карты окружения.

Вывод: предложенный метод построения трехмерной модели окружения требует небольших затрат на оборудование (цифровая видеокамера и два лазерных дальномера); при этом он обеспечивает достаточно высокую точность измерения и построения, которая позволяет робототехническому комплексу эффективно взаимодействовать с объектами окружения. Исходя из этого, рассмотренный метод в последствии может найти широкое применение в робототехнике.

Литература:

1. Ультразвуковое измерение дальности на MSP430. Интернет-ресурс: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/micros/msp430/slaa136a.htm

2. DirectX: продвинутая анимация / Адамс Д. – М.:КУДИЦ-Образ, 2004.