Ученые построили математическую модель зрения насекомых для мобильных роботов

16.04.2022

Команда ученых из Южно-Уральского государственного университета создала математическую модель сложного глаза насекомых, позже она будет использована для создания прототипа устройства на основе технологии компьютерного зрения. В дальнейшем с применением этих разработок возможно создание умных мобильных роботов для доставки лекарств людям, у которых нет возможности сходить в аптеку самостоятельно. Исследование было опубликовано в высокорейтинговом научном журнале Mathematics (Top-10 Web of Science).

Разработки устройств с использованием компьютерного зрения – это очень актуальная и быстро развивающаяся область научных исследований. Китайские ученые, например, уже активно применяют подобные устройства на беспилотниках. Младший научный сотрудник кафедры системного программирования Артем Старков под руководством доктора физико-математических наук, профессора Леонида Соколинского создал уникальную двумерную математическую модель сложного зрения.

Новая математическая модель, созданная в ЮУрГУ, позволит решать сложные задачи навигации автономных мобильных роботов на земле и в воздухе. Идея ее создания вдохновлена ​​составным глазом насекомого, состоящим из омматидиев, крошечных независимых фоторецептивных единиц.

«Глаза насекомого имеют принципиально иное строение, чем человеческие глаза. Там нет движущихся частей, и мухе, например, чтобы четко увидеть статичный объект, нужно повернуться, потому что ее глаза реагируют на движение. Наша модель первая и пока единственная, которая описывает плоскостное бинокулярное зрение сложного глаза, при этом делает возможным измерение расстояния и азимута до окружающих объектов. Видеосенсоры, похожие на сложные глаза насекомых, представляют собой многообещающую альтернативу цифровым камерам. Такие видеосенсоры не имеют движущихся частей и не требуют какого-либо управления», — поясняет Леонид Соколинский. 

Модель обеспечивает необходимое и достаточное условие видимости объекта каждым омматидием. На этой основе составляется алгоритм генерации обучающего набора данных для создания двух глубоких нейронных сетей: первая обнаруживает расстояние, а вторая определяет азимут объекта. Результаты экспериментов показали, что предложенный метод может эффективно и точно определять данные параметры.

Эти и другие исследования позволят создавать роботов, способных работать автономно, без участия человека. Их можно будет применять на земле и в воздухе, где они смогут самостоятельно ориентироваться и достигать пункта назначения, обходя препятствия.

«Мы живем в мире, где технологии служат людям, обеспечивая их комфорт и безопасность. Представьте, как робот доставляет лекарства больному человеку, который не может покинуть дом. На подоконнике установлен специальный бокс, который открывается роботом со стороны улицы, а человеком из дома. Робот оставляет там необходимый человеку набор медикаментов, делая его жизнь немного лучше, немного дольше. Это и есть задача науки», — говорит Леонид Соколинский.   

В ближайшее время совместно с кафедрой оптоинформатики планируется создание прототипа устройства с использованием разработанной технологии.

Исследование реализуется в рамках стратегического проекта «Интеллектуальное производство». Данный проект входит в число приоритетных направлений программы «Приоритет 2030».

Южно-Уральский государственный университет – это университет цифровых трансформаций, где ведутся инновационные исследования по большинству приоритетных направлений развития науки и техники. В соответствии со стратегией научно-технологического развития РФ университет сфокусирован на развитии крупных научных междисциплинарных проектов в области цифровой индустрии, материаловедения и экологии. В 2021 году ЮУрГУ победил в конкурсе по программе «Приоритет 2030». Вуз выполняет функции регионального проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (УМНОЦ).