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 (13 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
4.9 (826 отзывов)
4.3 (248 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
4.8 (17 отзывов)
4.8 (1033 отзыва)
4.5 (80 отзывов)
5 (8 отзывов)
