Техническое зрение в мобильных роботах.
В ближайшие 3-5 лет эксперты в области робототехники прогнозируют резкий рост рынка мобильных роботов. Основными причинами развития рынка роботов станут: прорыв в области машинного зрения, снижение цен на интеллектуальные аппараты. На данный момент к покупателю данных комплексов можно отнести: военные компании и промышленность.
Университет Карнеги-Меллон (США) завершил работы над системой, позволяющей мобильному роботу ориентироваться в любых помещениях. Данный комплекс состоит из двух цифровых камер и интегрированный в компьютерный мозг робота 3D матрицы. Определить расстояние от камер до объекта можно при помощи смещения изображений, полученных каждой камерой.
IRobot разработала пылесос нового поколения Roomba 980. Особенность данного робота является наличие камеры на верхней части корпуса.
Рисунок 5 – Внешний вид IRobot Roomba 980.
Данное расположение камеры помогает роботу-пылесосу производить оперативное ориентирование в пространстве, а также составление карты (vSLAM), регистрирующая ориентиры, отслеживающая траекторию перемещения и запоминает маршрут уборки. Явным преимуществом данного робота является наличие камеры и запатентованный алгоритм. [2]
Рисунок 6 – Пример работы камеры на роботе-пылесосе.
Техническое зрение в промышленной индустрии
Аналогичная ситуация обстоит в промышленной индустрии. Для оптимизации производства необходимо уменьшение человеко-часов средством внедрения визуального контроля качества продукции.
Автоматизация технических процессов при помощи средств технического зрения часто используется при:
считывание текстовых маркировок
считывание 1D и 2D кодов
Контроль наличия объектов
Измерение геометрических размеров
Подсчет объектов
Идентификация объектов
Контроль цвета
Зрение промышленных роботов
3D инспекция
Большой спектр применения систем технического зрения говорит нам о том что данная система очень востребована в производственном секторе. Так же не маловажный фактором является, то что данную систему начали разрабатывать отечственные инженеры по внедрению АСУ-ТП.
Один из хороших примеров работы системы технического зрения является сегментация руды по ряду свойств: блеск, прожилки, цветность. Данный алгоритм был представлен сотрудником университета ИТМО, который показал низкую относительную погрешность равной 4.35%. При данной сегментации можно делить породу на 1, 2 и 3 класс полезности.
Разработка структурной схемы и подбор компонентов.
При разработке устройства системы технического зрения необходимо устройства считывания видео изображения, обработки информации и блок питания, поддерживающий работу основных систем. Так же необходима возможность передачи пакетов данных на устройство управления, принимающее решения, исходя из поставленной задачей. Для посылки информации необходимо выбрать протокол передачи данных. На основе выше изложенного построим функциональную схему:
Рисунок 7 – Функциональная схема системы технического зрения.
Блок обработки:
Основная целью блока управления является обработка видео потока. Из-за этого необходима высокая производительность процессора. Для данной цели подходит мини компьютера Raspberry Pi 2. Raspberry Pi 2 является относительно полноценным компьютером стоимость, которого составляет всего лишь 35 долларов. Основными преимуществами данного устройства является:
Высокопроизводительный процессор ARM Cortex-A7 CPU 900 МГц
1 Гб ОЗУ
Так же имеется большое количество устройств ввода/вывода:
4 USB порта
40 интерфейсов ввода/вывода общего назначения (GPIO)
Full HDMI port
Ethernet port
Звуковой разъем 3.5 мм
Интерфейс для камеры (CSI)
Интерфейс для дисплея (DSI)
Модуль MicroSD
Как мы видим данное устройство имеет большие вычеслительные ресурсы, что идеально подходит под решение нашей задачи. Наличие большого количества устройств ввода/вывода так же является плюсом.
Рисунок 8 – Внешний вид Raspberry Pi 2 model B+
Камера:
Так как блок обработки имеет отдельный слот под камеру, то можно проверить подходит ли она под наши задачи. Raspberry Pi Camera module состоит из 5-ти мегапиксельной камеры. Данный модуль позволяет записывать и кодировать по протоколу h.264 изображение, получаемое с матрицы не забирая при этом производительной мощности у процессора. Преимуществом данной камеры является объектив с фиксированным фокусным расстоянием и максимальное разрешение равно 2592х1944 пикселей, а при разрешении в 720p ведется съемка с частотой 60 кадров в секунду. Данные показатели в полной мере будут выполнять нашу задачу.
Рисунок 9 – Внешний вид камеры Raspberry Pi Camera Module
Параметры камеры:
5 млн. пикселей
Объектив: 1/4 5 м
Диафрагма (f): 2.9
Фокусное расстояние (фокусное расстояние): Регулируемый
FOV (диагональ): 160 градусов
Лучшее разрешение: 1080 P
отверстия для винтов:
Может быть использован в фиксированном положении
Поддержка 3.3 В внешнего источника питания
Поддержка доступа к инфракрасный свет или заполняющий свет
Размеры: 25 мм x 24 мм x 22 мм
Передача информации:
Для беспроводной передачи информации необходим отдельный модуль, так как ни Bluetooth, ни Wi-Fi модуля не присутствует в Raspberry Pi 2. Так как имеется возможность передачи информации по Ethernet, то можно и не принимать в рассмотрение беспроводной передачи информации, но это скажется на мобильности устройства. Так как наше устройство будет находиться и на манипуляторе то нельзя жертвовать мобильностью системы. Исходя из выше изложенного было принято купить устройство имеющее минимальный форм фактор. Под эти критерии идеально подошел USB модуль TP-Link tl-wn725n. Данное устройство занимает всего один USB выход и имеет очень маленький размер, большая скорость передачи данных 150 Мбит/сек и имеет низкую стоимость. Далее рассмотрим данную тему более детально.
Источник питания:
Для нормального функционирования устройства необходим источник питания способный отдавать устройству 5 В и 0,5 А. Так как у нас имеются дополнительные модули такие как: камера и wi-fi адаптер, то нам необходимо ещё дополнительный запас энергии. Данные модули в сумме потребляют дополнительно 0,5 А того же вольтажа. Следовательно нам необходим блок питания с характеристиками: 5В, 1А и с разъемом микро-USB. Для данной задачи был выбран блок питания Tiny Charger производителя Robotion, работающий от разетки 220 вольт и на выходи дает 5В и 1А.
Рисунок 10 – Внешний вид блока питания
Вывод: Были подобраны компаненты под поставленную задачу, состоящие из: Raspberry Pi 2 model B+, Raspberry Pi Camera Module, wi-fi адаптер TPlink tl-wn725n и блок питания Robotion Tiny Charger. Общая стоимость данного комплекта для разработки системы технического зрения составляет 8 тысяч рублей. Данный комплекс может служить те только для разработки средств технического зрения, но и для широкого круга задач.