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

Определение: совокупность дескриптивных алгебр изображений , элементы основных множеств которых содержательно одинаковы, а переход между ними осуществляется процедурным преобразованием , называется пространством состояний изображений (ПСИ) и обозначается , т.е.

,

где

Рис. 1.20 Карта исследований в МДАИ алгебр бинарных реализаций

Ясно, что ПСИ является частным случаем ПФИ. Каждое МДАИ состоит из реализаций изображений только одного вида. Отдельные МДАИ соединяются процедурными преобразованиями, которые позволяют менять вид реализаций, например операция конвертирования цветных изображений в полутоновые реализации моделирует переход из алгебры цветных реализаций (АЦР) в алгебру бинарных реализаций (АБР). Как утверждает А.Р. Исхаков, такие смены алгебр влекут потери информации в реализациях, но упрощают их оценивание, что позволяет быстро решать задачи анализа изображений. Автором были получены также и оценки размеров ПСИ:

,

где  - количество взаимно различных элементов множества/

Становится понятным, что применение любого алгоритма поиска того или иного состояния приведет к «пространственному взрыву» экспоненциальной сложности. Это означает, что персональные компьютеры потенциально не могут работать в ПСИ. Моделирование систем технического зрения в ПСИ возможно провести с применением только высокопроизводительных вычислительных систем или облачных технологий. Несмотря на кажущийся непреодолимым препятствие, данное ограничение не является существенным. Возможно, при проведении более глубоких исследований строения и природа ПСИ, экспоненциальную проблему в построении математических моделей СТЗ можно будет решить.

Выводы по первой главе

Системы технического зрения в современном мире находят очень большое применение. Все больше и больше сегментов промышленности, социальной среды, области экстремальных ситуаций решают свои проблемы за счет автоматизации процессов, которые раньше управлялись людьми. Сложные автоматические или автоматизированные механизмы развиваются от мехатронной формы к роботизированному. Тем самым возникает необходимость в построении различных видов, типов и форм систем технического зрения. В настоящее время СТЗ требуют творческого подхода к их созданию. Благодаря алгебраическому подходу появилась возможность их автоматической генерации в форме математических моделей. В первой главе дипломного проекта были рассмотрены различные работы и проанализированы существующего подходы к созданию систем технического зрения. Достаточно подробно исследованы математические аппараты дескриптивных алгебр изображений и модифицированных дескриптивных алгебр изображений. Последний аппарат будет использован в качестве математического обеспечения в техническом проекте. Во второй главе планируется спроектировать архитектуру системы технического зрения мобильного робота для ориентации в комнате.

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

2.1 Требования к СТЗ и разработка концепции АИС

Система технического зрения является комплексом аппаратного и программного обеспечения. Так как в ходе исследований по дипломному проекту не предполагается проектирование или разработка ее аппаратной части, то в дальнейшем речь будет идти только про АИС СТЗ. Разрабатываемое СТЗ будем основывать на классической трехуровневой архитектуре (рис. 2.1):

·  нижний уровень СТЗ - подсистема, направленная на решение задач выбора подходящей аппаратуры (например, доступной камеры наблюдения); подготовка оборудования к работе; захват цветных изображений сцены наблюдения; фильтрация шумов на захваченном изображении; восстановление изображения, при необходимости;

·        средний уровень СТЗ - подсистема, предназначенная для сегментации изображения на области интереса; измерение выделенных ранее признаков; составление в апостериори описаний областей интереса;

·        верхний уровень СТЗ - подсистема, направленная на решение задач распознавания областей интереса и принятие решений на результатах распознавания.

После перечисления требований к СТЗ становится понятным, что она может быть реализована не на базе мобильного робота, а отдельно на другой вычислительной машине. Территориально эта машина может быть расположена на удаленном расстоянии от самой робототехнической платформы. Используемая аналоговая камера обеспечивает стабильную передачу цветного видео и звука на расстоянии не более 300 м при прямой видимости. Однако учитывая, что после принятия решения управляющая команда возвращается мобильному роботу по bluetooth каналу, который может обеспечить всего лишь дальность до 100 м, ставим окончательное ограничение на стабильную управляющую связь до 100 м.

Рис. 2.1 Архитектура СТЗ и ее связь с мобильным роботом

Таким образом, эти требования можно свести в одну таблицу (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Технические показатели оборудования и ПО СТЗ МР

2.2 Техническое задание на проектирование системы технического зрения

Раздел «Общие сведения»

1. Система технического зрения мобильного робота для пространственной ориентации в комнате. Условное обозначение: СТЗО МР.

. шифр темы или шифр (номер) договора

. Разработчик: Тухватуллин Артур Шамилевич, студент 55 группы ИПОИТ, специальность: информационные системы и технологии

Заказчик:

Полное наименование - федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы»

Краткое наименование - ФГБОУ ВПО «БГПУ им. М. Акмуллы»

РБ, 450000, г. Уфа, ул. Октябрьской революции, 3а

тел.: 272-58-05, 273-02-32

ИНН 0274035573

КПП 027401001

ОКАТО 80401000000

ОГРН 1020202554778

ОКОПФ 81

ОКВЭД 80.30.1

(УФК по Республике Башкортостан ФГБОУ ВПО «БГПУ им. М. Акмуллы»

л/с 20016X54020)

Р/с 40501810500002000002 в ГРКЦ НБ РБ г. Уфы

БИК 048073001

КБК 00000000000000000130 предоставление платных образовательных услуг

4. Перечень документов для разработок

Таблица 2.2

Список документов на разработку

. Плановые сроки начала и окончания работы по созданию системы

6. разработка дипломного проекта и программного обеспечения, соответствующего этому проекту, не подлежит стороннему финансированию.

. Порядок оформления и предъявления заказчику результатов работ по созданию системы

Таблица 2.3. Этапы проектирования и разработки системы

Раздел «Назначение и цели создания системы»

1. Назначение системы.

Разрабатываемая система технического зрения должна быть использована на мобильном роботе для поддержки подсистем исполнительного, тактического и стратегического уровней мобильного робота. Мобильный робот должен быть разработан на базе конструктора Lego Mindstorms NXT 2.0.

2. Цели создания системы

Технические показатели СТЗ МР приведены в табл. 2.1. В технологическом плане процедура подготовки МР и СТЗ МР должна предполагать прохождение следующих этапов:

a. сборка МР по схеме

b.      настройка bluetooth приемника МР.       инсталляция управляющего ПО на МР.         установка камеры наблюдения с автономным питанием на МР.         установка ТВ-тюнера на персональный или переносной компьютер.         инсталляция драйверов для ТВ-тюнера.         установка ресивера для камеры наблюдения и подключение его к ТВ-тюнеру.         инсталляция программного обеспечения СТЗ на компьютере.         подключение bluetooth передатчика.      инсталляция драйверов bluetooth передатчика на компьютере

К числу экономических показателей относятся себестоимость комплекта, состоящего из:

a. комплект видеонаблюдения: аналоговая камера с беспроводной передачей сигнала (1 шт.), набор автономного питания для камеры (1 шт.), ресивер (1 шт.), набор кабелей для соединения ресивера с ТВ-тюнером (1 шт.), блок питания для ресивера (1 шт.)

b.      внутренний или внешний ТВ-тюнер (1 шт.), установочный диск с ПО (1 шт.).         установочный диск с ПО СТЗ МР (1 шт.)

d.      bluetooth модуль (1 шт.), установочный диск с ПО для модуля (1 шт.)

Критерием оценки достижения цели является способность системы провести обработку и анализ захваченного платой кадра и выработать решение об управляющем сигнале мобильному роботу до захвата следующего кадра.

Раздел «Характеристики объекта автоматизации»

1. Автоматизируемым объектом является человек-оператор, дистанционно управляющий мобильным роботом. Операторное управление МР занимает много времени у оператора. В основном задача заключается в перемещении МР от начальной точки траектории до конечной точки. Процедуру этого перемещения можно полностью автоматизировать. Ситуацию в рабочей зоне может осложнить экстремальная обстановка среды.

2.      Условия эксплуатации камеры наблюдения и ПО СТЗ согласно ГОСТ Р ИСО 8756-2005.

Раздел «Требования к системе»

1. Программное обеспечение СТЗ должно быть разработано в среде Matlab и иметь простейший дружелюбный GUI интерфейс. Допускается использование функций модуля Image Procesing Toolbox. Система должна работать хотя бы с двумя камерами наблюдения. На выходе ПО СТЗ должно сформировать описание наблюдаемой сцены (состав). В состав СТЗ не включается подсистема принятия решения. ПО СТЗ используется одним оператором. Требования надежности СТЗ обусловлены высокой степенью распознавания сцены (не менее 80%). Каналы приема изображений и передачи описания сцены на аппаратном и программном уровнях не подлежат защите.

2.      Функции нижнего уровня СТЗ: определение доступной камеры, инициализация камеры, захват изображения, фильтрация, восстановление изображения, обработка цветных и полутоновых изображений, конвертирование цветных изображения в полутоновые изображения; Функции среднего уровня СТЗ: обработка полутоновых и бинарных изображений, конвертирование полутоновых изображений в бинарные, фильтрация полутоновых изображений, морфологическая обработка бинарных изображений, сегментация бинарных изображений;

Функции верхнего уровня СТЗ: выделение краев фигур на бинарном изображении, вычисление комплекса детерминированных признаков, составление описания сегментированных объектов интереса, классификация объектов сцены наблюдения по признаковому описанию.

3. В качестве математического обеспечения системы выбрать аппарат модифицированных дескриптивных алгебр изображений. Информационное обеспечение системы: от ТВ-тюнера в ПО СТЗО МР передаются цифровые сигналы, оцифрованные изображения в СТЗО МР представляются конечномерными матрицами форматов uint8, uint16, double, logic. Между bluetooth модулями ПО СТЗО МР и МР результаты распознавания передаются в форме целых чисел, кодирущих объекты интереса. Лингвистическое обеспечение системы представлено языком матричных вычислений Matlab. Программное обеспечение системы состоит из: среды моделирования и разработки Matlab с модулями Image Processing Toolbox, Image Acquisition Toolbox, Matlab GUI. Техническое обеспечение состоит из аналоговой видео камеры с беспроводной передачей 208С, ресивера, блоков питания для камеры и ресивера, внутреннего ТВ-тюнера Aver Media, модуля bluetooth Dongle 2.0. Метрологическое обеспечение: расстояние (м), линейные размеры (м), линейные углы (º), цвет (RGB), площади (м²).