Введение 3
Постановка задачи 4
Обзор литературы 5
Глава 1. Разработка закона управления колесным роботом с использованием 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
Современная промышленность движется по направлению полной автоматизации 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 задачам следования в колонне и позиционирования в конкретной точке, которые являются типичными в логистике промышленного склада.
Немаловажным фактором, характеризующим современные задачи автоматического управления, является повышение требований к динамике управляемого движения подвижного объекта в различных режимах работы. В частности, нередко требуется обеспечение заданного поведения системы в случае наличия внешних возмущений различного характера. Таким образом, при проектировании системы управления необходимо принимать во внимание динамику управляемого объекта и выдвигаемые требования к качеству управления.
Современный уровень развития компьютерных технологий позволяет осуществлять проверку и анализ алгоритмов управления при помощи моделирования на электронной вычислительной машине (ЭВМ), тем самым исключая из результатов ошибку, связанную с неидеальностью реальных управляемых 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 обратной 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, Orxyz — система координат, соответствующая роботу, а OcxJy!z'— система координат камеры. Все системы координат являются правыми.
Математическая модель кинематики колесного робота, движущегося на плоскости, имеет вид
х_ = v cos(^),
где v — продольная скорость робота, ! — угловая скорость робота, ф — угол между скоростью робота и осью Ox*.
Задача заключается в позиционировании робота относительно некоторого объекта, находящегося в области видимости камеры, на основе использования визуальной информации в контуре обратной связи. Также необходимо обеспечить ряд требований к динамике управляемого движения, в частности — устойчивость к влиянию внешнего постоянного возмущения. Для проверки синтезированных регуляторов необходимо спроектировать и реализовать комплекс виртуальной реальности.
Обзор литературы
Одна из первых работ об управлении с визуальной обратной связью [2] была написана в 1979 году, однако применение описанных методов к реальным задачам управления долгое время было затруднительным из-за вычислительной сложности задач компьютерного зрения. В статье [1] обобщаются существующие на тот момент подходы и на их основе синтезируются системы управления по скорости, а также оцениваются их качества.
Этот подход нашел развитие в работах [3] и [4], где были получены результаты для мобильных роботов, учитывающие динамику движения объекта управления. Однако решаемая авторами задача не позволяет воспользоваться современными методами компьютерного зрения и соответственно оценить влияние увеличения объемов обрабатываемых данных как на быстродействие системы, так и на ее точность.
В открытой литературе практически не встречаются работы, учитывающие динамику движения объектов управления при решении задач IBVS в различных трехмерных симуляционных комплексах.
В ходе выполнения настоящей работы получены следующие результаты:
1. Разработан метод синтеза управления с многоцелевой структурой, обеспечивающий позиционирование мобильного робота в положении с желаемым изображением с камеры.
2. Разработан моделирующий комплекс виртуальной реальности, позволяющий производить моделирование движения мобильного робота под управлением с визуальной обратной связью с учетом динамики и внешних возмущений.
3. Протестирован моделирующий комплекс и проведена численная проверка синтезированного закона управления. В ходе тестирования проведено сравнение методов извлечения ключевых точек AKAZE и ORB.
