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

Раздел «Состав и содержание работ по созданию системы»

Раздел «Порядок контроля и приемки системы»

Дипломный проект и ПО СТЗО МР проходят две предзащиты, проверку антиплагиата, норму-контроль и устную защиту содержания работы (презентация проекта) при комиссии по защите ВКР на стороне заказчика.

Раздел «Требования к документированию»

ПО СТЗО МР должен быть обеспечен руководством пользователя (оператора системы) в электронной форме согласно ГОСТ 34.201.

2.3 Технический проект системы технического зрения мобильного робота

Раздел «Пояснительная записка»

Основанием для разработок официально являются: учебный план, приказ на дипломный проект и задание на разработку (табл. 2.2). Разработчик: Тухватуллин Артур Шамилевич, студент 55 группы ИПОИТ, специальность: информационные системы и технологии. Технически СТЗО МР состоит из:

1. аналоговой камеры наблюдения 208С с беспроводной передачей и ресивера с набором блоков питания, которая устанавливается на платформе МР;

2.      внутреннего ТВ-тюнера Aver Media, соединенного с ресивером камеры наблюдения через разъемы типа «тюлпан-тюльпан», что позволяет передавать видео и аудио сигналы на компьютер;

.        модуля bluetooth для передачи команд МР.

Себестоимость продукта складывается из цен на выше перечисленные технические продукты.

Раздел «Функциональная и организационная структура системы»

Согласно построенной концепции для решения задачи в §2.1 «Требования к СТЗ и разработка концепции АИС» СТЗО МР имеет простейшую архитектуру, состав которой образуют: камера наблюдения, ресивер, ТВ-тюнер, низкий уровень СТЗ, средний уровень СТЗ, верхний уровень СТЗ, bluetooth-модуль. Все перечисленные составляющие, за исключением низкого, среднего и верхнего уровней СТЗ, представлены в аппаратной форме. Аппаратная часть СТЗ является заменяемой, при условии соответствия к требованиям из табл. 2.1 Технический проект описывает программную часть СТЗ, состоящую из низкого, среднего и верхнего уровней СТЗ. Топологически, эти структурные элементы расположены и связаны линейно. Между ними отсутствуют обратные связи, что усложнит не только архитектуру, но и сможет увеличить возможности СТЗ, наделив его способностью к эволюции. Низкий, средний и верхний уровни СТЗ направлены на решение прикладных задач. До начала их решения необходимо решить технические задачи: получение информации о доступных камерах, получение информации о выбранной камере, включение и отключение камеры, захват изображения с выбранной камеры, формирование библиотеки изображений для обработки и анализа. Дополнительно также вводятся операции формирования модели СТЗ и проверка ее функционирования. Методологические задачи перечислены в разделе «Требования к системе» из §2.2 «Материалы технического задания на проектирование системы технического зрения».

Структурная и функциональная схема однозначно описывают состав и принципы работы СТЗО МР. На рис. 2.2 приведена контекстная диаграмма СТЗ. Входными данными в диаграмме являются изображения, захваченные камерой наблюдения. Система использует управляющие параметры и механизмы и преобразовывает входные данные в выходной результат. В роли механизмов выбраны методы обработки и анализа изображений. Каждый из этих методов имеет свои настроечные характеристики, которые и будут являться управляющими. Так как МДАИ в составе своего аппарата содержит преобразования только двух видов (процедурные и параметрические), в контекстной диаграмме были выделены два вида механизмов и соответствующих им управляющих параметров. В дальнейшей контекстная диаграмма подлежит декомпозиции (рис. 2.3). Результатом декомпозиции является диаграмма A0. В дальнейшем каждая ее составляющая будут декомпозированы: нижний уровень СТЗ - в A1 (рис. 2.4), средний уровень СТЗ - в А2 (рис. 2.5), верхний уровень СТЗ - в А3 (рис. 2.6).

Рис. 2.2. Контекстная диаграмма СТЗО МР.

Рис. 2.3. Диаграмма A0 СТЗО МР.

Рис. 2.4. Диаграмма А1 нижнего уровня СТЗО МР.

Рис. 2.5. Диаграмма А2 среднего уровня СТЗО МР.

Рис. 2.6 Диаграмма А3 верхнего уровня СТЗО МР

Раздел «Постановка задач и алгоритмы решения»

Выбранная архитектура СТЗ МО выбрана с учетом на то, что МР может функционировать в среде близкой к экстремальным и подвергать к риску не только робототехническую платформу, но и аппаратуру информационно-измерительной системы. При критических значениях термодинамических показателей, некоторые камеры могут прийти в нерабочее состояние. С целью исключения дизъфункциональности, платформа может быть оборудована дополнительными камерами наблюдения, которые ПО СТЗ МР будет также поддерживать. Пространственное отчуждение СТЗ от платформы МР преследует экономическую выгоду, а именно, исключается риск потери информационно-измерительной подсистемы МР.

Задачи нижнего уровня СТЗ:

1. Организационно-экономическая сущность. Наименование: задачи низкого уровня СТЗ. Цель решения: уменьшить влияние шумов негативных факторов внешней среды и увеличить показатели информационной емкости изображений. Для достижения поставленной цели надо решить следующие задачи в указанном порядке: фильтрация, препарирование, восстановление изображений. Эти задачи решаются на следующем этапе после захвата изображений с камер.

2.      Экономико-математическая модель задачи в аппарате МДАИ:

3. Входная оперативная информация: цветные изображения  разрешенности 480х640.

4.      Нормативно-справочная информация: литература по модифицированным дескриптивным алгебрам изображений и цифровой обработке и анализу изображений.

.        Информация, хранимая для связи с другими задачами: полученные результаты  (полутоновые изображения) являются исходными данными для задач среднего уровня СТЗ.

.        Алгоритм решения задачи: математическая модель описывает алгоритм решения задачи.

.        Контрольный пример:

, где

Задачи среднего уровня СТЗ:

1. Организационно-экономическая сущность. Наименование: задачи среднего уровня СТЗ. Цель решения: получение описание примитивов (области интереса) сцены наблюдения. Для достижения поставленной цели надо решить следующие задачи в указанном порядке: морфологическая обработка бинарных изображений, сегментация областей интереса, вычисление признаков для областей интереса, построение образов областей интереса. Эти задачи решаются на следующем этапе после предобработки захваченных изображений.

2.      Экономико-математическая модель задачи в аппарате МДАИ:

3. Входная оперативная информация: полутоновые изображения  разрешенности 480х640.

4.      Нормативно-справочная информация: литература по модифицированным дескриптивным алгебрам изображений и цифровой обработке и анализу изображений.

.        Информация, хранимая для связи с другими задачами: полученные результаты  (бинарные изображения) и семантико-контекстная информация об изображении  являются исходными данными для задач верхнего уровня СТЗ.

.        Алгоритм решения задачи: математическая модель описывает алгоритм решения задачи.

.        Контрольный пример:

, где

Задачи верхнего уровня СТЗ:

1. Организационно-экономическая сущность. Наименование: задачи верхнего уровня СТЗ. Цель решения: применяя известный метод классификации решить задачу распознавания по описаниям бластей интереса. Для достижения поставленной цели надо решить следующие задачи в указанном порядке: на основании признаков образов областей интереса вычислить признаки взаимоотношений между ними, используя рабочий алфавит признаков провести классификацию образов (использовать нейронную сеть), подготовить результаты классификации для отправки МР. Эти задачи решаются на следующем этапе после решения задач среднего уровня СТЗ.

2.      Экономико-математическая модель задачи в аппарате МДАИ:

3. Входная оперативная информация: множество образов для объектов сцены наблюдения.

4.      Нормативно-справочная информация: теории распознавания образов, теории нейронных сетей.

.        Информация, хранимая для связи с другими задачами: множество образов, результаты распознавания.

.        Алгоритм решения задачи: математическая модель описывает алгоритм решения задачи.

.        Контрольный пример: например, домик

Раздел «Организация информационной базы»

Информационная база о разрабатываемой системе будет состоять только из руководства оператора, согласно ГОСТ 19.505-79. «ЕСПД. Руководство оператора. Требования к содержанию и оформлению». Электронный вариант документации будет связан с ПО СТЗО МР через пункт «Помощь» в пункте главного меню «Моделирование». Привязка осуществляется командой загрузки load в формате pdf.

Раздел «Система математического обеспечения»

Математическое обеспечение проекта полностью базируется на математическом обеспечении модифицированных дескриптивных алгебр изображений, которое опирается, в свою очередь, не теорию цифровой обработки и анализа изображений и теорию распознавания образов. Интерфейс ПО СТЗО МР состоит из 5 пунктов: «Камера», «Нижний уровень», «Средний уровень», «Верхний уровень» и «Моделирование». Каждый из этих пунктов меню объединяет операции свои типичные операции. При использовании той или иной операции, система запоминает выбранный метод и его параметры. Процедура разработки СТЗ представляет варьирования метода каждого этапа и параметров этих методов, в результате чего синтезируется математическая модель СТЗО МР.

Для программирования GUI приложения была выбрана среда технических вычислений Matlab с модулями Image Processing toolbox и Image Acquisition Toolbox. Наличие этих трех составляющих выделяет Matlab среди всех остальных инструментариев. К числу последних можно отнести: OpenCV, LabView IMAQ Vision. Основным преимуществом Matlab является возможность генерации выполняемого кода на языке C++ и библиотеки уже разработанных программ для стандартных методов обработки и анализа изображений: фильтрация, препарирование, сегментация, морфологические операции, конвертирование и т.п. Специфика перечисленных операций описана в справочнике команд этих модулей Matlab. Рекомендуется источник: Дьяконов В., Абраменко И. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник.- Питер, 2002. - 608 с.: ил.

Раздел «Принцип построения комплекса технических средств»

Технологический процесс обработки данных описан в структурной и функциональной схеме СТЗ. Как уже отмечалось, для решения задачи ориентации МР в комнате достаточно использовать трехуровневую архитектуру СТЗ для однопроцессорных вычислительных систем. Технологически процедура обработки изображений представляет последовательное преобразование исходных изображений с контролем потери информации при их упрощении на каждом уровне. Схема сборки МР и СТЗО МР приведена в разделе «Назначение и цели создания системы». Согласно схеме IDEF0, разрабатываемое ПО позволяет построить любую систему технического зрения для решения любых задач МР. Группировка подобных операций в отдельные пункты меню повышает дружелюбность интерфейса и поддерживает понимание оператора о месте отдельных операций в структуре СТЗ, а также об их предназначении. ПО СТЗ позволяет автоматизировать процедуру написания программы СТЗ путем выбора вида операции и их настроечных параметров.

Раздел «расчет экономической эффективности системы»

Расчет полной стоимости СТЗО МР формируется из стоимостей: оборудования, работы по проектированию и работы по реализации проекта в среде Matlab.

Таблица 2.4

Расчет стоимости работ на проектирование и реализацию СТЗО МР в среде Matlab