Дипломная (вкр): Система технического зрения для управления мобильным роботом

Система технического зрения для управления мобильным роботом

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Система технического зрения для управления мобильным роботом

Уфа - 2011

Оглавление

Введение

Глава 1. Информационные системы мобильных роботов и технологии их разработки

1.1 Роль и место информационно-измерительных систем в составе роботов

1.2 Системы технического зрения производства СССР и России

1.3 Дескриптивный подход к обработке, анализу и распознаванию изображений И.Б. Гуревича и В.В. Яшиной

1.4 Модифицированные дескриптивные алгебры изображений Исхакова

Выводы по первой главе

Глава 2. Разработка системы технического зрения мобильного робота для пространственной ориентации в комнате

2.1 Требования к СТЗ и разработка концепции АИС

2.2 Техническое задание на проектирование системы технического зрения

2.3 Технический проект системы технического зрения мобильного робота

2.3 Разработка системы технического зрения для ориентации мобильного робота в комнате

Выводы по второй главе8

Заключение

Литература

Введение

Информационно-измерительные системы для робототехнических систем являются той неотъемлемой частью, которая играет очень важную роль, а именно позволяет взаимодействовать в информационном плане с внешней средой. Ясно, что она по-своему составу неоднородна и состоит из разных датчиков, которые также по-разному вносят свой вклад в перцепцию окружающего мира. При этом наибольшую работу делает система технического зрения (СТЗ), фиксируя не менее 70-76% информации.

По-своему строению и принципам функционирования СТЗ отличаются от остальных датчиков информационно-измерительных систем. В современном мире датчики робототехнических систем детально изучены, а исследования в этой сфере направлены на улучшение их функциональности за счет расширения рабочего диапазона технических параметров. Исследования же СТЗ коренным образом отличаются от выше упомянутых систем. Это связано с модальностью той информации, которую призвана фиксировать СТЗ. Как, например, в случае с естественным языком, считается, что многозначность или полисемия является его центральным недостатком. В изображениях же так же присутствуют подобные «минусы», важным из числа которых является субъективность восприятия зафиксированных данных. Не меньшую проблему создает отсутствие универсальной модели любого объекта наблюдения, описывающей одновременно все его аспекты. Если же такая модель существовала, распознаванию бы можно было свести простому сопоставлению двух подобных изображений и ответить на вопрос «Какой из аспектов мы наблюдаем для текущего объекта?». К сожалению, ни один и этих проблем даже частично не разрешены. Они же являются фундаментальными проблемами не только искусственного интеллекта и информатики, но ряда смежных наук: когнитивная психология, нейрофизиология, геометрия и т.п.

Однако вернемся к проблеме, которая планируется разрешить в рамках исследований дипломного проекта, что обуславливает ее актуальность. Эта проблема заключается в творческом подходе к созданию СТЗ. В области информационно-измерительных систем создание каждого СТЗ требует творческого подхода. Тем самым, уже в корне, не обсуждается проблема автоматического проектирования и реализации таких систем. Впервые эта идея была предложена А.Р. Исхаковым в целой серии изданных работ по модифицированным дескриптивным алгебрам изображений. Эти работы построены на основе научных работ академика Ю.И. Журавлева и его школы по дескриптивному подходу к обработке, анализу и пониманию изображений. В дипломном проекте планируется проведение работ по проектированию и реализации программного обеспечения, направленного на создание редактора СТЗ. Также предполагается применение этого редактора в разработке системы технического зрения мобильного робота для ориентации в комнате.

Объектом исследования дипломного проекта является система технического зрения для мобильного робота.

Предмет исследований заключается в возможности использования трехуровневой архитектуры для решения задачи ориентации мобильного робота в комнате с помощью СТЗ.

Предлагаемая технология к разрешению актуальной проблемы предметной области основана на использовании алгебраического подхода к обработке , анализу и распознаванию изображений. Ее новизна заключается в:

·  решении задачи ориентации робота с использованием модифицированных дескриптивных алгебр изображений А.Р. Исхакова

·        проектировании программного обеспечения автоматизирующего процесс создания СТЗ

·        реализации редактора СТЗ в среде технических вычислений MATLAB.

Таким образом, основная цель дипломного проекта формулируется следующим образом: спроектировать и реализовать в среде MATLAB программное обеспечение для автоматического создания СТЗ мобильных роботов в модифицированных дескриптивных алгебрах изображений, а также решить задачу автоматической ориентации мобильного робота в комнате на основе решенного в этом ПО системы технического зрения.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих задач:

·  изучить зарубежный и отечественный опыт создания систем технического зрения

·        детально исследовать возможности математических аппаратов дескриптивных алгебр изображений, дескриптивных алгебр изображений с одним кольцом и модифицированных дескриптивных алгебр изображений

·        разработать концепцию решения задачи, архитектуры разрабатываемой СТЗ и сформулировать требования к его функционированию

·        разработать проект программного обеспечения для редактирования математических моделей СТЗ

·        реализовать ПО редактора СТЗ в среде MATLAB и решить задачу ориентации робота в комнате.

Глава 1. Информационные системы мобильных роботов и технологии их разработки

.1 Роль и место информационно-измерительных систем в составе роботов

В работе [Юревич, 2005] отечественного исследователя Е.И. Юревича приведена обобщенная функциональная схема робота (рис. 1.1). Согласно этой функциональной схеме информационно-управляющей системе любого очуствленного робота отводится центральная роль.

Рис. 1.1 Обобщенная функциональная схема робота

Она позволяет выполнять две основные задачи:

1. обработка прямых управляющих сигналов от оператора при дистанционном управлении;

2.      обработка информации, поступаемой от сенсорной системы по обратной связи.

Известно, что роботы изначально были придуманы для копирования человека с целью автоматизации его деятельности. Поэтому обратимся к другой схеме - общей функциональной схеме управления движениями человека. Эта схема рассмотрена в той же самой работе (рис. 1.2) [юревич, 2005].

Как видно на рис. 1.2 у человека, аналогично роботу, блок обработки сенсорной информации расположен на стратегическом уровне. Это однозначно говорит о централизованном управлении всей человеческой системой. Так как данная работа не ставит целью подробный системный анализ функциональных схем роботов и людей, приведем всего лишь их краткую характеристику.

Рис. 1.2 Общая функциональная схема управления движениями человека

Проведем краткий сравнительный анализ функциональных схем роботов и людей, хотя нужно отметить, что вторая схема, как раз и обусловило появление первой. Информационно-управляющая система роботов направлена на обработку сенсорной информации. На рис. 1.1 приведена укрупненная схема роботов, поэтому не наблюдается деление сенсорной системы на внешние и внутренние рецепторы. Системы технического зрения, которые будут исследованы в пределах данной работы, являются частным случаем внешних рецепторов, предназначенных для получения информации об окружающей внешней среде. Порядка 85-92% информации робот получает именно через системы технического зрения []. Эта информация у роботов используется для синхронизации внутренней информационной модели с реальной обстановкой в окружающей среды. Задачи стратегического и тактического уровней также решаются у роботов. На рис. 1.1 они объединены в информационно-управляющую систему.

Ясно, что детальное исследование строения человеческого зрения и его функциональности является первоочередной актуальной задачей в робототехнике и мехатронике. Вообще нужно говорить про размывание четких границ между этими направлениями исследований, ибо сейчас наблюдается тенденция предпочтения именно очуствленных интеллектуальных роботов простым мехатронным системам, хотя последние и занимают большую долю в парке технических систем этого направления (рис. 1.3) [Юревич, 2007]. Миниатюризация и интеллектуализация являются основными направлениями развития подобных технических систем. Интеллектуализация роботов проводится не только на стратегическом уровне, но и на тактическом и исполнительном. Например, известны случаи применения интеллектуальных нейросетевых и нечетких ПИД регуляторов. Это означает, что интеллектуализация роботов идет не только по вертикали в их структурно-функциональной схеме, но и по горизонтальным уровням. Последнее означает, что любая отдельная подсистема в данной схеме может быть реализована с применением интеллектуальных технологий. Поэтому одним из используемых подходов в разработке математической модели системы технического зрения для пространственной ориентации мобильного робота является описание ее функциональной схемы на базе модифицированных дескриптивных алгебр изображений А.Р. Исхакова в пространстве состояний изображений.

Рис. 1.3 Хронология развития  робототехнических технических систем

Вернемся к руслу нашей работы и рассмотрим системы технического зрения в срезе их современного состояния с целью детализации блока обработки сенсорной информации. Как видно на рис. 1.4 в интеллектуальные роботы функционируют согласно централизованному принципу измерения параметров внешней среды и построению и выполнению распределенного алгоритма решения задач для достижения глобальной цели.

В своей работе «Управление роботами и робототехническими системами» Е.И. Юревич отмечает, что задача проектирования и разработки мобильной подсистемы в настоящее время не относится к числу задач робототехники. Было бы ошибочным исключить проектирование и разработку ходового комплекса мобильного робота из перечня задач робототехники. Наоборот, повышение технических и ходовых качеств любой мобильной платформы за счет ее интеллектуализации должна рассматриваться в рамках изучения дисциплин по теоретической и прикладной робототехники в ВУЗах.

Рис. 1.4 Обобщенная структурно-функциональная схема интеллектуального управления роботом

Ярким примером тому является четырехногий робот с адаптивным управление BigDog [#"724634.files/image005.gif">

Рис. 1.5 Американский военный робот BigDog от Boston Dynamics

Согласно общедоступным документам (рис. 1.6) в Интернете робот наделен стереоскопической системой технического зрения, решая при этом две основные задачи [#"724634.files/image006.gif">

Рис. 1.6 Состав сенсорной системы BigDog и решаемые задачи

Обратимся в этих документах к программной архитектуре робота (рис. 1.7).

Рис. 1.7 Программная архитектура BigDog

Из рис. 1.6 ясно, что с применением СТЗ BigDog решаются задачи проприоцепции в пространстве - ощущение положения частей собственного тела относительно друг друга. Кроме того данные от СТЗ применяются на этапе оценки текущего положения и тела робота, а также подтверждения его пространственного расположения на карте местности и ориентации на этапе планирования действий (рис. 1.7). Измерение пути перемещения мобильного робота относительно предыдущего положения может быть произведено и другими способами и средствами [#"724634.files/image008.gif">

Рис. 1.8 Структурная схема СТЗ советского периода

На рис. 1.8 ДИ₁,…, ДИ_N - датчики изображения в основной цепи, ДИ_Д - дополнительный датчик изображения, ОМ - объект манипулирования, ОС - осветитель системы. Подобные СТЗ классифицировались по десяти принципам:

) логике действия;

) функциональному предназначению;

) автономности работы;

) дальности действия;

) методу получения изображений;

) числу используемых оптических датчиков;

) виду рабочей информации;

) способу пространственного размещения;

) методам обработки изображений;

) методам анализа изображений.

При проектировании и разработке любых СТЗ техническое задание должно содержать следующие требования: к способности решения различного уровня сложности функциональных задач; форме и размерам рабочей области; метрологические; к совместимости временных затрат с временными характеристиками технологических процессов при решении задач; программной и аппаратной совместимости СТЗ с системой управления (СУР); к удобству оперативного функционального расширения; устойчивости процессов управления; надежности СТЗ; конструктивно-технологические; эксплуатационные; эргономические; технико-экономические. При этом перечисленные требования не являются независимыми. Так, например, первое требования к «интеллекту» СТЗ влияет на конструктивно-технологические, временные, технико-экономические и т.п.

Для более ясного понимания опишем примерные процесс разработки технического задания СТЗ для решения задачи дипломного проекта. Состав такой задачи будет состоять из подзадачи классификации и определения ориентации неперекрывающихся объектов, перемещаемых на ленте транспортера. В таком случае, можно в качестве ДИ использовать матрицу дискретных датчиков оптической информации - камеру ПЗС (прибор с зарядовой связью). Такой выбор позволяет улучшить параметры надежности СТЗ и уменьшит время оперативной перестройки структуры всей СТЗ при необходимости. Требования к форме рабочей области формируются исходя из общих принципов:

1. фокальная плоскость датчика текущего изображения располагается параллельно одной из основных плоскостей или осей системы координат, что позволит: упростить процедуру обработки и анализа изображений, устранить перспективные искажения изображений;

2.      необходимо такое перемещение конвейера, которое обеспечивает минимизацию изменений размеров наблюдаемых деталей;

.        детали должно максимально контрастировать между собой и минимально перекрывать друг друга;

.        входной зрачок ДОИ максимально должен быть защищен от воздействия брызг красителей, стружки, охлаждающих смазочных и расплавленных веществ и т.д.;

.        СТЗ должна обладать возможность использования несколько ДОИ.

Требования к программной и аппаратной совместимости заключаются в следующем. При разработке структуры СТЗ используются рекомендованные Государственной системой промышленных приборов (ГСП) изделия. Они должны быть включены в систему промышленных приборов, средств вычислительной техники и автоматизации (ППСА). Стандарты ГСП должны быть включены в Единую систему стандартов приборостроения (ЕССП). При всем этом аппаратная совместимость включает: конструктивную совместимость, используемых разъемов, плат, модулей, стоек и других конструкций; энергетическую совместимость по напряжениям и токам; сигнальную совместимость по уровням аналоговых и цифровых сигналов; схемотехническую совместимость; информационную совместимость. Под программной совместимостью подразумевается совместимость: протоколов информационного обмена; способов кодирования изображений; интерфейсную; операциональную. Требования к устойчивости процессов управления формулируются в форме ограничений на выбор времени реакции  комплекса «СТЗ-СУР-привод» с целью исключения автоколебательных процессов: