Ахиллесовой пятой существующих устройств управления роботами является обработка пространственных сцен, окружающих робота. Как правило, реальные пространственные сцены, в котором должен функционировать автономный робот, отличаются исключительно высокой геометрической сложностью и изменчивостью во времени. Обработка таких сцен даже при использовании мощной традиционной стационарной вычислительной техники приводит к недопустимо большим затратам машинного времени. При этом проявляется чрезвычайно сильная зависимость между временем обработки сцен и геометрической сложностью обрабатываемых сцен. В то же время от скорости и качества анализа окружающей обстановки в значительной степени зависит безопасность робота и диапазон сферы его функциональной применимости.
Разрабатываемое устройство (УУАР) вобрало в себя как преимущества традиционных способов обработки сцен (возможность использования богатого, наработанного ранее математического аппарата, высокое качество выполняемой обработки) так и преимущества нейросетей (глубокое распараллеливание процесса обработки). В отличие от традиционной вычислительной техники данное устройство позволяет предложить новые более эффективные алгоритмы обработки сцен и изображений. Эти алгоритмы компактны, содержат небольшое число команд, время их выполнения не зависит от геометрической сложности обрабатываемых объектов.
Основные процедуры обработки сцен и необходимость в их глубоком распараллеливании
Процесс адаптации робота внутри окружающей пространственной сцены включает в себя:
1. сбор сенсорной информации, в которой содержатся сведения о геометрической форме окружающих объектов и их положении в пространстве;
2. выделение этой геометрической информации из общего массива собранных данных и построение (на ее основе) геометрических моделей окружающих объектов;
3. выявление геометрических особенностей окружающих объектов и особенностей их положения в пространстве;
4. использование выявленных особенностей для планирования действий робота, направленных на решение стратегической целевой задачи, стоящей перед роботом.
С точки зрения затрат машинного времени наиболее трудоемкой частью являются синтез и анализ геометрических моделей объектов, образующих эти реальные сцены.
Алгоритмы решения геометрических задач (входящих в качестве подзадач в более крупные задачи, связанные с распознаванием, координацией и навигацией) содержат в себе типовые укрупненные процедуры, использующие геометрические модели объектов в качестве своих операндов. К числу таких процедур относятся:
- теоретико-множественные операции над моделями объектов;
- анализ моделей объектов на пересекаемость;
- геометрические преобразования (поворот, перенос, сжатие);
- операции вычисления объема (площади);
- определение положения модели объекта (или ее частей) в пространстве.
Доля каждого из этих видов процедур в алгоритмах решения задач обработки сцен не постоянна и зависит как от типа решаемой задачи так и от выбранного метода решения. Однако, все эти процедуры объединяет то, что затраты времени на их выполнение с помощью традиционной вычислительной техники чрезвычайно сильно зависят от сложности геометрической формы обрабатываемых объектов, а при обработке реальных пространственных сцен общие затраты на выполнение указанных видов процедур составляют основную часть от общих затрат машинного времени на выполнение всего алгоритма анализа сцены.
Эффективным средством повышения скорости выполнения указанных процедур могло бы стать глубокое распараллеливании процесса их выполнения.
В настоящее время для целей скоростного анализа и синтеза двухмерных и трехмерных сцен, содержащих объекты произвольной геометрической формы, наибольшее применение нашел метод моделирования многогранниками (многоугольниками). Однако этот метод моделирования не может обеспечить предельной степени распараллеливания основных процедур обработки сцен, содержащих объекты произвольной геометрической формы (поскольку такое предельное распараллеливание достигается только на битовом уровне описания геометрических моделей). Именно применением моделей-многогранников объясняется чрезвычайно сильная зависимость времени анализа и синтеза сцен от сложности геометрической формы объектов.
Главной особенностью разрабатываемого УУАР является использование в нем только пиксельных геометрических моделей (см. рис) на всех этапах обработки сцен и изображений, начиная с предварительной обработки изображений и заканчивая анализом и синтезом геометрических моделей. Пиксельный метод моделирования позволяет предельно (на битовом уровне) распараллелить основные процедуры обработки сцен (теоретико-множественные операции, геометрические преобразования, анализ объектов на пересекаемость, вычисление объемов и площадей).
Особенности обработки в УУАР геометрической информации
Структурно УУАР состоит из устройства обработки 2D и 3D изображений (УОДТИ), контроллеров сенсорных матриц (СМ) и контроллеров сервоприводов (см. рис. 1).
В УОДТИ в отличие от традиционных вычислительных систем адресуемыми единицами-операндами в устройстве являются не только двоичные арифметические числа, но также и бинарные трехмерные изображения формата 9х9х9 и бинарные двухмерные изображения формата 27 х 27 (рис.2).
В УОДТИ аппаратно реализованы следующие операции и процедуры над адресуемыми бинарными изображениями:
- теоретико-множественные операции;
- плоские и пространственные повороты вокруг центра бинарного изображения;
- однонаправленные переносы;
- вычисление объема одноцветного содержимого,
- формирование кода заполнения бинарного изображения.
За одну машинную команду обрабатывается один бинарный фрагмент 9х9х9 или один бинарный фрагмент 27х27. Изображения большего разрешения (т.н. составные изображения) обрабатываются последовательно фрагмент за фрагментом (рис.3). Полутоновые изображения представляются в виде нескольких бинарных изображений того же формата и размерности. Например, 256-уровневый полутоновой фрагмент 36х36х36 представляется в виде 64 256-уровневых фрагментов 9х9х9, каждый из которых представляется в виде 8 бинарных (разрядных) изображений 9х9х9.
Особенности архитектуры УОДТИ
Основным вычислительным ядром УОДТИ является блок обработки изображений (БОИ) - система взаимосвязанных плоских и пространственных матриц различного назначения с большим числом внутренних проводных связей. Главным компонентом БОИ является процессорная матрица формата 9х9х9. Каждый процессорный элемент матрицы 9х9х9 является однобитовым, содержит собственную одноразрядную локальную память, одноразрядное АЛУ и взаимно-однозначно соответствует кубику-пикселю 1х1х1 трехмерного изображения 9х9х9 или квадратику 1х1 двухмерного изображения 27х27. Процессорные элементы соединены между собой проводными связями, аппаратно реализующими т.н. дискретизирующие отображения, моделирующие геометрические преобразования переноса, поворота, сжатия. Помимо этого, внутри процессорной матрицы располагаются распределенный параллельный 729-входовый сумматор и распределенный параллельный 729-входовый формирователь кода заполнения бинарного изображения.
Функцию блока управления (БУ) устройства выполняет обычный универсальный однопроцессорный компьютер. Система команд устройства состоит из двух групп команд. Первую группу команд образует система команд самого БУ. Вторая группа команд (или макрокоманд) используется для организации высокопараллельной обработки 2D, 3D изображений внутри БОИ. Именно наличие второй группы команд позволяет организовать высокопараллельную обработку плоских и пространственных изображений, предложить новые, более эффективные алгоритмы такой обработки.
Группы тактильных датчиков робота, выполняющие функцию «кожи» робота, объединены в сенсорные матрицы формата 9 х 9, обладающие средствами для предварительной обработки тактильной информации непосредственно на месте ее съема. Оперативная настройка сенсорных матриц осуществляется УОДТИ. Сбор данных о состоянии сервоприводов и сенсорных датчиков производится независимо от работы УОДТИ с помощью сдвиговых регистров, размещенных в контроллерах сервоприводов и контроллерах сенсорных матриц. Устройство дополнительно комплектуется платой высокоскоростного ввода.
Конструкция УУАР
Модульный вариант УУАР показан на рис. 4. Устройство строится из нескольких плат. Процессорная матрица 9х9х9, распределенный параллельный 729-входовый сумматор, 729-входовый формирователь КЗБИ размещаются внутри одной ПЛИС. Окончательный выбор кристалла ПЛИС, окончательный выбор состава процессорной матрицы 9х9х9 и системы команд БОИ осуществляется на этапе конфигурирования данной ПЛИС.
Основные этапы разработки устройства и сроки их выполнения
1. Создание действующего макета УОДТИ и его базового ПО - 1 год.
2. Создание опытного образца УУАР и его базового ПО - 1 год.
3. Создание опытного образца автономного робота - 1 год.
Повторим
Разрабатываемое устройство (УУАР) вобрало в себя как преимущества традиционных способов обработки сцен (возможность использования богатого, наработанного ранее математического аппарата, высокое качество выполняемой обработки) так и преимущества нейросетей (глубокое распараллеливание процесса обработки). В отличие от традиционной вычислительной техники данное устройство позволяет предложить новые более эффективные алгоритмы обработки сцен и изображений. Эти алгоритмы компактны, содержат небольшое число команд, время их выполнения не зависит от геометрической сложности обрабатываемых объектов.
А разрабатываемое устройство управления автономным роботом позволяет значительно повысить эффективность "интеллектуальные способности" роботов и, соответственно, их эффективность.
Автор разработки ищет инвесторов и партнеров для реализации проекта.
Автор: Бимаков Валерий Александрович, robint@mail.ru