Синтез законов управления подвижными объектами с использованием компьютерного зрения
В работе рассматриваются вопросы практической реализации закона управления мобильным роботом с визуальной обратной связью. Робот имеет две степени свободы на плоскости и жестко закрепленную на нем камеру. Задача состоит в позиционировании относительно определенного объекта с учетом внешнего возмущения. Управление осуществляется по схеме Image-based visual servo control, позволяющей использовать визуальную информацию в контуре обратной связи без применения триангуляции. Ключевые точки извлекаются при помощи двух алгоритмов: ORB и AKAZE. Для учета динамики робота синтезируется регулятор с многоцелевой структурой. Приведено описание программного комплекса виртуальной реальности для проверки алгоритмов компьютерного зрения, а так же представлены результаты испытаний системы управления в этой среде.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Глава 1. Разработка закона управления колесным роботом с ис-
пользованием алгоритмов компьютерного зрения . . . . . 6
Глава 2. Проверка закона управления в среде MatLab . . . . . . . . 8
Глава 3. Проектирование программного комплекса c элементами
виртуальной реальности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1. Gazebo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2. Robot Operating System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.3. Turtelbot3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.4. Выбор метода извлечения ключевых точек . . . . . . . . . . 12
3.5. Объединение выбранных частей в комплекс . . . . . . . . . 13
Глава 4. Тестирование программного комплекса . . . . . . . . . . . 14
Глава 5. Введение учета динамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.1. Модель робота с учетом динамики . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.2. Моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Современная промышленность движется по направлению полной ав-
томатизации производственного процесса. Одно из характерных решений
автоматизации — замена человека на робота. Неотъемлемой частью робота
является набор датчиков, наибольший потенциал среди которых имеет видео-
камера. В статье [1] описаны методы, позволяющие реализовывать управление
с визуальной обратной связью или Visual servo control (VS). Частный случай,
называемый Image-Based VS (IBVS), позволяет осуществлять управление без
триангуляции положения камеры. Такой метод может быть применен к зада-
чам следования в колонне и позиционирования в конкретной точке, которые
являются типичными в логистике промышленного склада.
Немаловажным фактором, характеризующим современные задачи авто-
матического управления, является повышение требований к динамике управ-
ляемого движения подвижного объекта в различных режимах работы. В част-
ности, нередко требуется обеспечение заданного поведения системы в слу-
чае наличия внешних возмущений различного характера. Таким образом,
при проектировании системы управления необходимо принимать во внима-
ние динамику управляемого объекта и выдвигаемые требования к качеству
управления.
Современный уровень развития компьютерных технологий позволяет
осуществлять проверку и анализ алгоритмов управления при помощи моде-
лирования на электронной вычислительной машине (ЭВМ), тем самым ис-
ключая из результатов ошибку, связанную с неидеальностью реальных управ-
ляемых объектов. В случае алгоритмов VS использование компьютерного
зрения накладывает на моделирующий комплекс требование о возможности
моделирования трехмерного пространства и получении его изображения с
виртуальной камеры.
Данная работа рассматривает вопросы управления с визуальной обрат-
ной связью мобильным роботом с двумя степенями свободы, а также вопросы
проверки полученных соотношений в среде виртуальной реальности.
Постановка задачи
Рассмотрим двухколесного робота с возможностью поворота на месте.
Камеру на роботе данного типа логично расположить таким образом, чтобы
ее оптическая ось совпадала с осью поступательной степени свободы робота.
Введем следующие системы координат. Пусть Ox∗ y ∗ z ∗ — неподвижная
система координат, связанная с Землей, Or xyz — система координат, соот-
ветствующая роботу, а Oc x0 y 0 z 0 — система координат камеры. Все системы
координат являются правыми.
Математическая модель кинематики колесного робота, движущегося
на плоскости, имеет вид
x˙∗ = v cos(φ),
y˙∗ = v sin(φ),
φ̇ = ω,
В ходе выполнения настоящей работы получены следующие результаты:
1. Разработан метод синтеза управления с многоцелевой структурой, обес-
печивающий позиционирование мобильного робота в положении с же-
лаемым изображением с камеры.
2. Разработан моделирующий комплекс виртуальной реальности, позво-
ляющий производить моделирование движения мобильного робота под
управлением с визуальной обратной связью с учетом динамики и внеш-
них возмущений.
3. Протестирован моделирующий комплекс и проведена численная про-
верка синтезированного закона управления. В ходе тестирования про-
ведено сравнение методов извлечения ключевых точек AKAZE и ORB.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (211 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
4.5 (330 отзывов)
5 (18 отзывов)
5 (49 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
4.8 (105 отзывов)
5 (158 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
