Российская система телеприсутствия с защитой видеопотока для управления мобильными роботами

• 
• российский мобильный робот Инженер

Мобильные роботы Сервосила управляются посредством системы телеприсутствия с применением очком виртуальной реальности. Яркий солнечный свет затрудняет работу в полевых условиях с традиционными переносными пультами управления на основе ноутбуков или планшетов.

Поэтому, при проектированиии комплексной системы управления компания Сервосила отказалась от традиционного подхода и создала систему телеприсутствия, которая не требует подключения монитора. Все операции проводятся через очки виртуальной реальности. Внешний монитор можно подключать опционально, для организации совместной работы двух операторов в стационарных условиях. Новая система значительно меньше по массе, не затрудняет движения оператора, позволяет оператору свободно ходить, управляя роботом.

«Кошмарный» сценарий — это когда твой вооруженный пулеметом робот вдруг начинает подчиняться командам врага и разворачивает пулемет в другую сторону.

Менее кошмарный, но реалистичный сценарий, — это когда враг может шпионить за тобой, глядя через камеры твоего же мобильного робота, перехватывая радиоканал.

Ведь передача видеопотока по радиоканалу — это одна из ахиллесовых пят российской мобильной робототехники, особенно в малом и среднем классе мобильных роботов. Не секрет, что на большинстве мобильных роботов российского производства малого класса в качестве радиоканала для передачи видео стоят либо китайские ТВ-передатчики, либо беспроводная сеть WIFI. И то и другое решение совершенно не годится для применения в условиях возможного радиоперехвата или активных помех.

Использование радиоканала с ППРЧ (псевдослучайная перестройка частоты) — это современный способ создания относительно помехозащищенного радиоканала и с пропусной способностью, достаточной для передачи видеопотока. Проблема возникает в том, что пропускная способность имеющихся на рынке ППРЧ радиоканалов значительно уступает пропускной способности WIFI, иногда в десятки или даже сотни раз. Это значительно затрудняет передачу видеопотока по таких радиоканалам из-за их низкой пропускной способности.

Решение проблемы передачи видео при относительно низкой пропускной способности радиоканала — в применении специальных алгоритмов сжатия видеопотока.

• Сжатие видео «на лету» перед отравкой в ППРЧ радиоканал значительно снижает объем передаваемых видеоданных, как раз в десятки или сотни раз.
• Сжатие видео может быть совмещенно с шифрованием канала, что обеспечивает устойчивость мобильного робототехнического комплекса (МРТК) к попыткам перехвата управления.
• Сжатие видео может производиться отдельным вычислителем, который находится между камерами робота и ППРЧ радиоканалом.

Дополнительно к этому мобильная робототехника накладывает особые требования на систему видеосжатия:

• Во-первых, пакеты с данными в радиоканале могут «теряться». Многие традиционные алгоритмы сжатия могут терять целые кадры или даже цепочки кадров при потере любого из отдельных пакетов в одном из кадров. Это очень нежелательно при дистанционном управлении мобильным роботов, особенно при движении робота на больших скоростях в сложной обстановке.
• Во-вторых, многие традиционные алгоритмы с большим коэффициентом сжатия оптимизированы для видео «с головой на фоне стены». Т. е. алгоритмы хорошо сжимают видео с одним двигающимся объектом на статическом фоне. Если же попытаться сжать видео с бортовой камеры мобильного робота, то такие алгоритмы значительно теряют эффективность сжатия.
• В-третьих, сжатие видео «на лету» — это задача с высокими требованиеми к производительности вычислителей. Многие традиционные алгоритмы сжатия видео оптимизированы на быстрый просмотр (т.е. разжатие видео), а сжатие происходит с большими вычислительными затратами. Ведь большинство алгоритмов сжатия видео расчитаны на сжатие видеофильмов; там сжатие происходит только один раз, и «можно подождать». В мобильной робототехнике такие методы не подходят.
• В-четвертых, система сжатия видео и система бортового машинного зрения робота — во многом похожие системы, очень часто с дублирующими функциями в конвейере обработки видеокадров. Для оптимального использования скудных бортовых вычислительных ресуров робота желательно минимизировать дублирование одинаковых вычислений в обоих подсистемах.

Все эти особенности приводят к необходимости создания специальных алгоритмов видеосжатия, оптимизированных для применения в мобильных роботах.

Компания Сервосила разработала и отладила такую программное обеспечение для сжатия видеоизображения в процессе создания мобильного робота «Инженер», которая удовлетворяет описанным выше требованиям. Программная система работает с различными доступными на рынке ППРЧ радиоканалами.

Программное обеспечение, работающее на бортовом вычислителе в голове робота «Инженер» сжимает видео и по ППРЧ радиоканалу передает видеопоток в пакетном видео на станцию управления. Программное обеспечение на вычислителе станции управления разжимает видео, и выводит его для просмотра оператором в очки виртуальной реальности или внешний монитор. В процессе разработки и отладки данной системы, компания Сервосила накопила значительный опыт оптимизации алгоритвов обработки видео на борту мобильных роботов. Данная программное обеспечение коммерчески доступно от компании Сервосила.