VODENJE AVTONOMNEGA MOBILNEGA SISTEMA Z ROBOTSKO ROKO NA OSNOVI DIGITALNE SLIKE

Doctoral thesis Slovenian OPEN
ZDEŠAR, ANDREJ (2015)
  • Subject: vodenje na osnovi slike | dvoprostostno vodenje | prediktivno vodenje na osnovi modela pogreška | vodenje po trajektoriji | načrtovanje poti | strojni vid | sledenje značilk na sliki | vizualna odometrija | kalibracija kamere | homografija | visual servoing | 2 DOF control | error-model predictive control | trajectory tracking | path planning | machine vision | image-based feature tracking | visual odometry | camera calibration | homography

Delo obravnava načrtovanje in izvedbo vodenja mobilnega sistema s pristopom vodenja na osnovi slike (VOS). V ospredju obravnave je izdelava mobilnega sistema, ki lahko avtonomno opravi podano nalogo, pri čemer uporablja kamero kot osnovni senzor za zaznavanje okolja. V ta namen je bilo razvitih več podpornih sistemov — le-ti so predmet obravnave v doktorski disertaciji —, kot so: sistem za vodenje po trajektoriji na osnovi slike, sistem za načrtovanje poti na sliki in sistem za ocenjevanje stanj oz. lokalizacijo. Sistemi so bili izdelani predvsem za vodenje kolesnih mobilnih sistemov po trajektoriji, ki je eden izmed temeljnih problemov pri vodenju mobilnih sistemov. Določene uspešne izvedbe sistemov iz vodenja kolesnih mobilnih sistemov smo zasnovali tudi za vodenje robotske roke na osnovi slike. Pri izvedbi algoritmov vodenja smo se omejili na uporabo le ene kamere, pri čemer so bile naš predmet zanimanja predvsem nekanonične postavitve kamere v okolju. Sistem vodenja smo zasnovali tako, da lahko nalogo podamo neposredno na sliki. Zato smo regulirni zakon želeli izvesti po metodi direktnega vodenja na osnovi slike, kar pomeni, da je pogrešek v regulator definiran neposredno na sliki. Za problem sledenja trajektoriji smo predstavili izvedbo dvoprostostnega regulatorja s prediktivno regulacijo na osnovi modela sistema v povratni zanki. Prikazali smo postopek načrtovanja in možnosti optimizacije referenčne trajektorije z zlepki Bernstein-Bézierjevih parametričnih krivulj. Pri načrtovanju poti smo posebej obravnavali določene posebne primere, ko mobilni sistem doseže ničelno tangenčialno hitrost. Ker v takšnih primerih model sistema za izvedbo regulatorja postane nevodljiv, smo vpeljali model pomožnega pogreška, ki omogoča stabilno rešitev problema, čeprav smo pri tem morali sprejeti določene kompromise. Pri načrtovanju regulatorja za vodenje po trajektoriji se pojavi problem določevanja lege mobilnega sistema v okolju, zato smo se posvetiti tudi problemu izvedbe lokalizacije z uporabo slikovne informacije. Za potrebe izračuna Delo obravnava načrtovanje in izvedbo vodenja mobilnega sistema s pristopom vodenja na osnovi slike (VOS). V ospredju obravnave je izdelava mobilnega sistema, ki lahko avtonomno opravi podano nalogo, pri čemer uporablja kamero kot osnovni senzor za zaznavanje okolja. V ta namen je bilo razvitih več podpornih sistemov — le-ti so predmet obravnave v doktorski disertaciji —, kot so: sistem za vodenje po trajektoriji na osnovi slike, sistem za načrtovanje poti na sliki in sistem za ocenjevanje stanj oz. lokalizacijo. Sistemi so bili izdelani predvsem za vodenje kolesnih mobilnih sistemov po trajektoriji, ki je eden izmed temeljnih problemov pri vodenju mobilnih sistemov. Določene uspešne izvedbe sistemov iz vodenja kolesnih mobilnih sistemov smo zasnovali tudi za vodenje robotske roke na osnovi slike. Pri izvedbi algoritmov vodenja smo se omejili na uporabo le ene kamere, pri čemer so bile naš predmet zanimanja predvsem nekanonične postavitve kamere v okolju. Sistem vodenja smo zasnovali tako, da lahko nalogo podamo neposredno na sliki. Zato smo regulirni zakon želeli izvesti po metodi direktnega vodenja na osnovi slike, kar pomeni, da je pogrešek v regulator definiran neposredno na sliki. Za problem sledenja trajektoriji smo predstavili izvedbo dvoprostostnega regulatorja s prediktivno regulacijo na osnovi modela sistema v povratni zanki. Prikazali smo postopek načrtovanja in možnosti optimizacije referenčne trajektorije z zlepki Bernstein-Bézierjevih parametričnih krivulj. Pri načrtovanju poti smo posebej obravnavali določene posebne primere, ko mobilni sistem doseže ničelno tangenčialno hitrost. Ker v takšnih primerih model sistema za izvedbo regulatorja postane nevodljiv, smo vpeljali model pomožnega pogreška, ki omogoča stabilno rešitev problema, čeprav smo pri tem morali sprejeti določene kompromise. Pri načrtovanju regulatorja za vodenje po trajektoriji se pojavi problem določevanja lege mobilnega sistema v okolju, zato smo se posvetiti tudi problemu izvedbe lokalizacije z uporabo slikovne informacije. Za potrebe izračuna pogreška in ocenjevanja lege smo uporabili opis slik z redkimi lokalnimi značilkami, ki omogočajo strnjen in učinkovit zapis slikovne vsebine. V delu je prikazana tudi možnost izvedbe kalibracije sistema VOS s kamero na osnovi gibanja, ki ne zahteva posebnega prirejanja okolja le za namen kalibracije. Veliko predlaganih pristopov temelji na obravnavi in uporabi posebnih lastnosti perspektivicne projekcije ravnine. Predlagane rešitve smo eksperimentalno preizkusili tako v simulacijskem okolju kot tudi na realnih sistemih.
Share - Bookmark