Případ kamerové hlavice
17. 2. 2012
V tomto vydání populárně vědeckého magazínu „Port“ se vydáme pronásledovat zloděje mimořádné chemické látky. Pomůže k dopadení průmyslových špionů nový kamerový systém? Na Elektrotechnické fakultě ČVUT skupinka mladých vědců vyvinula systém zvaný SVÍCE, ve zkratce „systém vícestupňové stabilizace“. Jde o inerciální stabilizaci, kdy kamery drží směr pohledu, přestože jejich nosič, třeba bezpilotní letoun, se kymácí. Tento nový systém je postaven na unikátním konstrukčním uspořádání, kdy kombinuje jak klasický Newtonův pohybový zákon, tak i moderní přístupy z počítačového řízení. Tento systém umožní rychle najít lidi ztracené v pustině, umožní rovněž odhalit a dopadnout původce stále častějších přestupků na našich silnicích. Michael také ukáže, jak si vlastní „steadicam“ postavit doma v garáži.
Tento příběh začal za jedné červencové noci. Doktorka Portová, naše přední specialistka z oblasti organické chemie, právě dokončovala syntézu nové látky s mimořádnými vlastnostmi. Nebyla však jediná, koho obsah této zkumavky zcela zaujal. Také Portová patří k těm, co zcela přestanou vnímat svět kolem sebe, když se ponoří do své práce.
Michael: Máš to?
Filip: Myslíš tohle?
Michael: Jo, přesně to.
Filip: Co to je?
Michael: Uvnitř je tohle.
Filip: Je, jak´s to udělal?
Michael: Udělal co?
Filip: No jak jsi vytáhl tu molekulu.
Michael: Jo, myslíš tohle.
Filip: Jééé.
Michael: No tak to umí každý anglický a český vědec.
Filip: Dobře, ale co to je?
Michael: Uvidíš.
Předseda Akademie: Ano?
Portová: Tu zprávu jsem našla pozdě. Byli tu a vzali si to.
Předseda Akademie: To nevadí. Najdeme je a dostaneme to zpátky. Nasadili jsme na to nejlepší lidi z Akademie.
Michael: Napínavý začátek, že?
Filip: To všechno jenom proto, abychom vás uvedli do dnešního hlavního tématu.
Michael: To podstatné se odehrává uvnitř této budovy.
Filip: Budovy Vysokého učení technického v Praze na Karlově náměstí.
Michael: Totiž tady, na Elektrotechnické fakultě, skupinka mladých vědců vyvinula nový kamerový systém, který by zrovna mohl paní doktorce Portové a jejím kolegům pomoct. A to je ono. Jmenuje se Svíce.
Filip: Ve zkratce „systém vícestupňové stabilizace“. A pozor – je to kompletně Czech Made. Takže Michaele, žádný britský šmejd.
Michael: Jde o inerciální stabilizaci. Tedy kamery drží směr pohledu, přestože jejich nosič, třeba bezpilotní letoun, se kymácí.
Filip: A si pište, že se kymácí. Tento nový systém je postaven na unikátním konstrukčním uspořádání. Kombinuje jak klasický Newtonův pohybový zákon – toho týpka s těmi vlasy a jablkem na hlavě určitě znáte, tak i moderní přístupy z počítačového řízení.
Michael: And this is the team, developing it.
A vyvíjí jej tento tým.
Všude kolem nás se stále častěji odehrávají dramatické situace, při nichž je ohroženo lidské zdraví i životy. Lidé, ztracení v pustině, povodně, lesní požáry. Jak rychle a účinně najít a zachránit jejich oběti? Jak odhalovat a dopadnout původce stále častějších přestupků na našich silnicích? Systém vícestupňové inerciální stabilizace obrazu. Propojení důmyslné mechaniky a elektroniky do výjimečného pozorovacího přístroje.
Ing. Zdeněk Hurák, Ph. D., katedra řídicí techniky FEL ČVUT: Ty naše systémy umožňují nastavit úhel pohledu a zároveň jej udržet i přesto, že ten nosič, například bezpilotní letadlo, se kymácí, kolébá, vibruje.
Ing. Martin Řezáč, katedra řídicí techniky FEL ČVUT: Tak to je ta aktuální verze hlavice, se kterou provádíme experimenty na vrtulníku či na autě.
Co se vlastně skrývá pod ochranným aerodynamickým krytem? Největší optika patří infračervené kameře. Nad ní je videokamera pro viditelné světlo. Tato dvojice je součástí laserového dálkoměru a nejmenší optika patří laserovému ukazovátku.
Ing. Zdeněk Hurák, Ph.D., katedra řídicí techniky, FEL ČVUT v Praze: Zároveň tady můžete vidět to naše asi největší know-how. A sice máme tady celkem čtyři závěsy. Máme tady čtyři motory. Jeden motor otáčí tou kamerovou hlavicí okolo svislé osy, druhý motor okolo této osy. Oba dva jsou běžné servomotory s pásovou převodovkou. To ale neznamená, že bychom nemohli využít toho Newtonova triku. A proto tady uvnitř máme ještě další dva závěsy a další dva motory, jak vidíte.
Kamery uvnitř těchto dvou závěsů doslova plavou. Proto i zde platí onen Newtonův trik. V čem spočívá? V tom, že když se nosič hýbe, náklad chce zůstat v klidu a hýbat se odmítá.
Filip (jako Newton): Můj trik, říkali? Já, Sir Isaac Newton, tu nejsem na triky. Svůj život jsem zasvětil poctivé vědě. Především vědeckému pojednání o předmětech, které se pohybují.
Michael: Už od svého dětství Newtona zaujímalo, jak určit přesnou polohu a dráhu pohybujících se objektů.
Například planet, dělových koulí, …
Michael: … i tohoto jablíčka. Jak stanovit, jaké síly způsobují tyto pohyby.
Newton vyvinul vlastní matematický postup, zvaný kalkulus. Ten mu pomohl vypočítat rychlost a zrychlení objektů. Newtonův nový matematický pohled do pohybové mechaniky nakonec vedl k Newtonovým pohybovým zákonům.
Filip: A zde je jeden z těchto zákonů: Vezměme tento předmět. Chceme-li s ním pohnout, musíme na něj použít určitou sílu – takto. Tato síla je podle rovnice F= m.a z mého druhého pohybového zákona – závislá na hmotnosti tělesa. Čím je těleso těžší, tím větší silou na něj musíme působit. Tedy čím těžší těleso, tím větší setrvačnost.
Ing. Zdeněk Hurák, Ph.D., katedra řídicí techniky, FEL ČVUT v Praze: Těžká hmota – ta naše kamera – je v prostoru nějak orientovaná. A právě proto, že je těžká, to letadlo, když se všelijak kymácí, otáčí, ta naše kamera zůstává pořád orientovaná v tom svém původním směru.
Filip: A to je právě ten trik, o němž hovořili pánové z pražské techniky.
Michael: Ano, ano, ano. Newton má pravdu. Je to ten trik, co používají kluci z ČVUT. Těžší kamera se brání pohybu a její obraz je tedy stabilnější a klidnější. A jako „cherry on the cake“ mám pro vás připravený jednoduchý příklad, jak funguje ve skutečnosti Newtonův druhý pohybový zákon.
Pro tuto demonstraci si Michael připravil docela malé, vzduchové dělo. Čtvrtka trochu tvrdšího papíru stačí k výrobě nábojů. Stačí ji srolovat do úzké ruličky. A proti rozvinutí zajistit plastovou čepičkou. Druhý náboj však Michael doplňuje závažím. Jsou to dva proužky plastelíny.
Michael: Air pump. Watch here, we´ll fill in some air.
Vzduchová pumpa. Sledujte stupnici. Napumpujeme tam trochu vzduchu.
Inside here this is my air-pressured rocket launcher.
Zde uvnitř je můj raketomet na stlačený vzduch.
V tomto válci je teď vzduch pod tlakem dva bary. Postaru dvě atmosféry.
Michael: Here I’ve got my two rockets that have different masses. What I want to do, I want to fire these rockets to the other end of the room. I want to accelerate them. And the question for you at home is which rocket of these two, do you think, will fly further and faster.
Zde mám dvě rakety, které mají rozdílnou hmotnost. Teď chci tyto rakety vystřelit na opačný konec této místnosti. Chci je urychlit. Otázka pro vás doma je, která z těchto dvou raket podle vás poletí dál a rychleji.
Michael: Nabíjím první náboj. Lehkou raketu. A můj cíl je … Vlastně mám statečného dobrovolníka Filipa. Nazdar.
Filip (na kameru): Dobrý den.
Michael: Díky moc, fakt. OK, Filipe. Ty tam půjdeš a já na tebe budu mířit tímto, vystřelím a ty budeš zaznamenávat výsledky pokusu. OK?
Filip: Jo.
Michael: Tak Bůh s tebou. Tři, dva, jedna…Ready, Filip?
Filip: Zatracenej Newton.
Michael: Pal!
A naše televizní zkušebna se změnila v malou střelnici.
Filip: Daleko.
Michael: A teď druhý náboj – těžká raketa.
Zní to trochu zlověstně. Co od tohoto projektilu má Filip jako živý cíl očekávat?
Filip: To bylo slabý.
Michael: Tak – výsledky.
Filip: Lehká střela mě přeletěla.
Michael: Ano.
Filip: Letěla příliš vysoko a dál. A ta těžká – to je zvláštní, že doletěla jen na poloviční vzdálenost, než ta lehká. To nechápu.
Souvislost mezi hmotností a setrvačností však velice dobře prostudoval a využil minitým konstruktérů z Elektrotechnické fakulty ČVUT. Právě teď připravuje testování kamerové hlavice na střeše terénního vozu.
Jsme na letišti v Praze – Kbelích, v jedné z hal Vojenského technického ústavu letectva a protivzdušné obrany. Jeho specialisté na vývoji hlavice také spolupracovali. Tyto křivky dokazují, že senzory, sledující otáčení hlavice, jsou v pořádku.
Michael: Vzal jsi taky laboratorní deník?
Filip: Té Portové?
Michael: Hm.
Filip: Mám ho.
Michael: Potřebujeme podrobnosti té syntézy. Portová si dělá vždy pečlivé poznámky z pokusů.
Filip: Výborná chemička.
Michael: Yeah, yeah.
Filip: Škoda jen, že nepochopila skutečný význam své práce, co?
Filip: Bacha, sledují nás. Jeď!
Ano, právě na tomto místě vstupuje jedinečná kamerová hlavice do našeho příběhu. Pomocí ní teď budou pronásledovatelé sledovat auto lupičů, kteří zatím unikají s tajemnou látkou doktorky Portové.
Ing. Martin Řezáč, katedra řídicí techniky FEL ČVUT: Michaele, už teď sledujeme tvoji hlavu. A já teď můžu udělat letadlo, zahýbat.
Zatím jsme ještě nepředstavili další pozoruhodnou vlastnost kamerové hlavice. Dovede trvale sledovat určený objekt.
Ing. Martin Řezáč, katedra řídicí techniky FEL ČVUT: My tam máme, Michaele, algoritmus rozpoznávání a sledování obrazu, který nám dává souřadnice, pozice tvojí hlavy a my ji takhle dokážeme zamířit.
V řeči počítačových expertů se tomu říká analýza scény. Počítačový program, který analyzuje objekty před kamerou a vybrané dovede sledovat, vyvinuli specialisté z katedry kybernetiky Elektrotechnické fakulty ČVUT. Tým konstruktérů funkci programu testoval v obtížných serpentinách pod pražským Strahovem.
Michael: Jsou ještě tam?
Filip: Počkej … Dobrý. Setřásli jsme je.
Jsme na vojenském letišti na předměstí Pardubic. Zdejší technici připravují k letu vrtulník Mi-17. Půjde však o speciální, testovací let. Pro jeho potřebu se na vzpěru podvozku připevňuje anténa GPS. Je tu i náš tým z pražského ČVUT. Na palubu vrtulníku totiž instaluje svou inerciálně stabilizovanou kamerovou hlavici. Ta byla navržena především právě pro nasazení v letounech.
Ing. Martin Řezáč, katedra řídicí techniky FEL ČVUT: My tady těch kabelů máme moc hlavně proto, že chceme hodně diagnostikovat, takže budeme mít připojených více notebooků. Ale normálně by stačil jeden kabel s napájením a druhý pro ovládání.
Za chvíli začne opravdová zatěžkávací zkouška kamerového systému. Posuzovat se bude nejen samotný obraz videokamery, ale také stupeň její stabilizace při nepříznivých podmínkách silných vibrací a výrazných změn směru letu. Všechny důležité funkce hlavice se budou zaznamenávat pro pozdější vyhodnocení. V určeném bodě letu se zapíná druhá klíčová funkce hlavice – obrazové rozpoznání a sledování určeného objektu.
Na vzdálenost několika kilometrů se sledovala nejprve opatovická elektrárna a pak hrad na známé Kunětické hoře. Vzhledem ke vzdálenosti obou objektů jsou výsledky opravdu velmi dobré. Budou však stačit k tomu, aby zachytily i naše lupiče?
Filip: Poslyš, co vlastně tahle chemická látka umí?
Michael: Tato chemická látka může … Její unikátní vlastnosti …
Filip: Počkej, co je to? Slyším vrtulník!
Filip: Už po nás zase jdou. Jeď!
Filip: Teda, řeknu ti, stejně. Vem si, že ten vrtulník, jakou rychlostí lítá, jaký otřesy tam jsou, ty turbulence. To je neuvěřitelně stabilní obraz.
Michael: Ale víte, co? K tomu, abyste vy sami si postavili svůj vlastní steadicam, nepotřebujete žádnou Hi-Tec, super tec, super drahou techniku. Ne.
Filip: Dokonce ani vrtulník ne.
Michael: K sestavení vlastního inerčního stabilizačního systému stačí jen trocha vynalézavosti, což má každý vědec, a samozřejmě znalosti základů Newtonových zákonů.
Filip: A už jenom tatínkova dílna. Michaele …
Jak takový jednoduchý stabilizátor videokamery sestrojit? Sledujte. Potřebných součástí není mnoho. Jsou to většinou instalatérské díly. Samozřejmě až na malou videokameru. A držákem této kamery také začneme. Do jednoho ze tří zaslepovacích kloboučků nakapeme trochu oleje. To aby se nám snadněji vrtal otvor do jeho středu. Otvor je určen pro tento delší šroub. Na dno kloboučku položíme velkou podložku a na šroub ještě malou. Proti prokluzování. Na šroub nasuneme z druhé strany další podložku a našroubujeme matku. Celou sestavu jsme až pomocí svěráku pořádně dotáhli. Náš držák našroubujeme do otvoru na spodní straně kamery.
Filip: Funguje.
Michael: A teď druhá část sestavy – závaží.
I tentokrát začínáme dalším dlouhým šroubem a oběma podložkami. Úlohu stabilizující hmoty hraje toto pětikilové závaží z Michaelovy posilovny. Dlouhý šroub prostrčíme jeho středovým otvorem. Na něj spolu s podložkami nasadíme další zaslepovací klobouček a upevníme pomocí matky. K tomu, abychom závaží uchytili opravdu pevně, jsme museli znovu použít svěrák a veškerý náš důmysl. Podařilo se.
Na řadu přichází první ze dvou asi půlmetrových vodovodních trubek. Našroubujeme ji do kloboučku na závaží. Na její druhý konec našroubujeme rozbočku ve tvaru T. A v přímém pokračování pak kratší, asi patnácti centimetrovou trubku. Právě na její druhý konec uchytíme držák s kamerou. Druhou dlouhou trubku našroubujeme na volný otvor rozbočky. Konec trubky zaslepíme třetím kloboučkem. Hotovo.
Michael: Závaží u základny steadicamu zvyšuje setrvačnost celého systému a tím také stabilitu obrazu.
Filip: Náš steadicam.
Michael: No Hi – Tec.
Filip: No Hi – Tec, only trubka.
První srovnávací test našeho stabilizátoru. Nalevo je obraz z kamery, kterou Filip drží klasicky v ruce. Napravo obraz, pořízený pomocí stabilizátoru. I bez nezbytného tréninku je rozdíl výsledků patrný. Ano, Sire Isaacu, na svůj druhý pohybový zákon můžete být právem hrdý!
Ing. Zdeněk Hurák, Ph. D., katedra řídicí techniky FEL ČVUT: My samozřejmě nespoléháme jen na ten přírodní Newtonův zákon, ale vnucujeme si tady i své vlastní inženýrské zákony. Měříme nakonec i takovýmto malým senzorem.
Ve zkratce se mu říká MEMS. Jsou to mikroelektronické a také mikromechanické prvky, umístěné na společné podložce z plátku křemíku. V tomto případě jde o senzory pohybové. Pomocí MEMS se měří skutečná rychlost kamery, její pohyb. Počítačový systém hlavice naměřené údaje z MEMS zpracuje a pomocí čtveřice motorků vyrovnává pohyby hlavice tak, aby její kamery udržel v klidu.
Toto je vojenský průzkumný bezpilotní letoun Manta. Právě pro něj byla inerciální kamerová hlavice vyvinuta.
Filip: Její funkční vzorek, který jste viděli při testech na vozidle a vrtulníku, byl pro Mantu příliš velký. Proto vznikla tato menší a lehčí hlavice.
Umožňuje stabilní vidění a sledování cíle za letu ve dne i v noci.
Filip: Jarouši, co ten levej motor? Dobrý? Jo, tak můžeme …
Michael: As is often a case in science, somebody comes with a breakthrough in understanding, a new discovery, a new set of principles. After which other people, who understand those, find applications that serve us in our lives. Applications like this.
Jak se ve vědě často stává, někdo přijde s přelomem v chápání, s novým objevem, s novým souborem principů. A poté jiní lidé, kteří tyto principy pochopí, najdou jejich využití v našem životě. Třeba tohle využití.
V našem příběhu o kamerové hlavici a způsobech stabilizace polohy se vracíme do minulosti. Dokonce ještě daleko před první letouny.
Filip: Vítejte na palubě letounu Antonov 24. Ze všech těchto přístrojů – a je jich tady opravdu hodně – jsou pro mě důležité obzvláště dva: tento umělý horizont, pomáhá mi držet letoun ve stabilizované poloze. Úplně stejný přístroj je i tady, na místě druhého pilota. A potom – za mnou – tento kompas. Umělý horizont i kompas jsou založeny na principu gyroskopu.
Roku 1817 objevil německý profesor matematiky a astronomie, Johann Bohnenberger, efekt gyroskopu. Podstatou jeho „stroje“ byla těžká rotující koule. Skutečný gyroskop sestrojil o 35 let později Francouz Léon Foucault. Týž Foucault, jehož známé kyvadlo dokázalo, že se Země otáčí. Podstatou gyroskopu je rotující koule nebo disk, který udržuje svou polohu nezávisle na pohybech letadla nebo lodi, na které je upevněn.
Filip: Jaruško, kafíčko jsi mi udělala. Počkej, já jdu za tebou. Jéé, tobě to dneska sluší. Ťu ťu ťu…
Michael: Ale prosím vás, kdo řídí?
Filip: Co – řídí. Normálně, jako vždycky. Autopilot, ne?
Gyroskopy se staly základem pro nové přístroje, používané zpočátku hlavně ve vojenských letounech a plavidlech. Gyrokompasy, stabilizované ve všech třech osách, poháněly u evropských výrobců elektromotory, u amerických zase stlačený vzduch. Na gyroskopech byly založeny palubní přístroje, hlídající polohu letounu vůči pevné zemi – zatáčkoměry, umělé horizonty. Zpřesnit zaměření pohyblivých cílů z letícího letounu pomáhaly gyroskopické zaměřovače. Dnes slouží sofistikované gyroskopy i v kosmických sondách, kde se nemůže použít magnetické navádění.
Michael: A gyroscope determined artificial horizon and other devices aren’t just essential component for passenger airplanes, but also for this wonderful fighter aircraft like this one. You see, normally we use our eye sight and our bearing so the normal horizon along with the balancing mechanism inside our middle ears to judge whether we are standing still or upright or going to the left or going to the right. If however I’m flying above the clouds I can’t see any horizon at all, how do I determine whether I’m going up or down or turning to the left or to the right? Well, I use of course my gyroscopic artificial horizon. Helliho.
Umělý horizont a jiné přístroje založené na gyroskopu nejsou důležitým vybavením pouze pro dopravní letadla, ale také pro nádherné bojové letouny, jako je tento. Obvykle používáme náš zrak a běžnou polohu těla spolu s vestibulárním ústrojím středního ucha k tomu, abychom posoudili, zda stojíme, nebo jdeme přímo, doleva či doprava. Když však letím nad mraky, nevidím vůbec obzor. Jak určím, zda letím nahoru nebo dolů, doleva nebo doprava? Použiji samozřejmě svůj gyroskopický umělý horizont. Tak jdeme na to.
Z historie gyroskopů se vracíme do žhavé současnosti právě včas. Pronásledování lupičů vrcholí. Věříme, že Michael s Filipem se své dnešní role lupičů zhostili přesvědčivě.
Na inerciální kamerovou hlavici, kterou vyvinul tým z pražského ČVUT ve spolupráci se svými armádními kolegy, už čeká naše letectvo. Mohla by však sloužit i na vrtulnících naší policie a letecké záchranné služby.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough