Σχεδιασμός λογισμικού οπτικής ανάδρασης θέσης με εφαρμογή στον έλεγχο διαστημικού εξομοιωτή

Patsiaouras, Ilias; Πατσιαούρας, Ηλίας

dc.contributor.author	Patsiaouras, Ilias	en
dc.contributor.author	Πατσιαούρας, Ηλίας	el
dc.date.accessioned	2015-07-22T10:52:52Z
dc.date.available	2015-07-22T10:52:52Z
dc.date.issued	2015-07-22
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41019
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.10641
dc.rights	Default License
dc.subject	Διάστημα	el
dc.subject	Ρομπότ	el
dc.subject	Space	en
dc.subject	Robot	en
dc.subject	Camera	en
dc.title	Σχεδιασμός λογισμικού οπτικής ανάδρασης θέσης με εφαρμογή στον έλεγχο διαστημικού εξομοιωτή	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Design of computer software for visual localization applied in space robot control	en
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.classification	Robotics	en
heal.classification	Τεχνητή όραση	el
heal.classification	Computer vision	en
heal.classification	Space robotics	en
heal.classification	Space emulator	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-04-18
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την ανάπτυξη λογισμικού τεχνητής όρασης εντοπισμού θέσης και προσανατολισμού καθώς και του λογισμικού και υλικού ελέγχου θέσης/προσανατολισμού επίπεδου διαστημικού εξομοιωτή. Ο εν λόγω εξομοιωτής βρίσκεται στο Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου της σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών ΕΜΠ, αποτελείται από δύο ρομπότ, τα οποία αιωρούνται σε διάκενο 10μm πάνω σε μια τράπεζα γρανίτη αμελητέας τραχύτητας. Σκοπός του εξομοιωτή είναι η πειραματική μελέτη της δυναμικής των ρομπότ σε συνθήκες που εξομοιώνουν την έλλειψη βαρύτητας στο επίπεδο, μέσω εξάλειψης της τριβής. Η πρωτοτυπία έγκειται στο ότι τα ρομπότ είναι μικρής μάζας, χαμηλού κόστους αλλά πλήρως αυτόνομα και με υποσυστήματα ανάλογα με αυτά ενός πραγματικού διαστημικού ρομποτικού συστήματος. Η εργασία αυτή χωρίζεται σε δυο βασικά τμήματα. Το πρώτο αφορά το σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου λογισμικού πακέτου με σκοπό τον οπτικό εντοπισμό των ρομπότ επί της τράπεζας του γρανίτη. Το δεύτερο τμήμα της εργασίας περιλανβάνει τον έλεγχος θέσης του νέου ρομπότ και παράλληλα τη δόκιμη του πακέτου xPC Τarget για την υλοποίηση αυτή ως συνεχεία της διπλωματικής εργασίας του Κων/νου Μαχαιρά. Κίνητρο για την ανάπτυξη ενός συστήματος σαν αυτό αποτελεί η συνεχής αυξανόμενη σπουδαιότητα των ρομποτικών συστημάτων στο διάστημα σε περιπτώσεις όπως: εξερεύνηση του διαστήματος, κατασκευή, συντήρηση και επιθεώρηση συστημάτων, προσέγγιση και πρόσδεση σε άλλα συστήματα που βρίσκονται σε τροχιά. Τα ρομπότ του εξομοιωτή αποτελούνται από 3 υποσυστήματα: α) το μηχανολογικό: είναι κατασκευέ αλουμίνιο, διαθέτουν δύο βραχίονες δύο βαθμών ελευθερίας κι έναν σφόνδυλο αντίδρασης ως εναλλακτικό τρόπο κίνησης, β) το πνευματικό: με χρήση αέριου CO2 για να αιωρούνται μέσω 3 αεροεδράνων αλλά και για να κινούνται στο επίπεδο μέσω 3 ζευγών προωθητήριων, γ) το ηλεκτρικό/ ηλεκτρονικό: προσδιορίζουν τη θέση τους μέσω δυο συστημάτων αισθητήρων (ενσωματωμένοι οπτικοί αισθητήρες και εξωτερική κάμερα) και μέσω αυτομάτου έλεγχου επενεργούν κατάλληλα στο περιβάλλον. Χρησιμοποιώντας την τεχνική του σχεδιασμού βασισμένου στο μοντέλο, ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη του νέου ρομπότ έγινε σε συνολικό επίπεδο. Το πακέτο λογισμικού που χρησιμοποιήθηκε ήταν το xPC Target, της Mathworks. Στο περιβάλλον αυτό, τα απλά μοντέλα προσομοίωσης Simulink μετατρέπονται άμεσα σε προγράμματα C, τα οποία εκτελούνται σε πραγματικό χρόνο κατευθείαν στο τελικό υλικό (hardware) του ρομπότ. Με τον τρόπο, έγινε δυνατή η αξιολόγηση και η εξέλιξη του σχεδιασμού σε όλη τη διάρκεια της ανάπτυξης. Έτσι, δόθηκε έμφαση στη καινοτομία, ενώ παρακάμφθηκαν πιθανά προβλήματα χαμηλού επίπεδου σε λογισμικό (software) και υλικό (hardware).	el
heal.abstract	The present diploma thesis deals with the design and implementation of computer vision software that estimates position and orientation of a space simulator’s robot. It also describes the development of a control algorithm for the pose orient of the robot. The simulator is in the Control Systems Lab of the Mechanical Engineering Department of NTUA, and consists of robots hovering at a gap of 10 μm over a granite table of negligible roughness. The purpose of the simulator is the experimental study of the robots’ dynamics in conditions that simulate zero gravity in 2D, through the elimination of friction. The novelty lies in the fact that the robots are of low mass, low cost, completely autonomous and carry subsystems that resemble those in a real space robot. This work is devided to two major parts. The first focused on the design and implementation of a fully functional software suite with main purpose, the visual localization of the robots on the granite table and the broadcast to the local network of their attitude. The second part of this work presents the study of robot dynamic model and the design of a closed-loop attitude control algorithm that implement’s a visual servoing controller using feedback from the first part of this work. This concept is going to be implemented on the xPC target platform in order to evaluate and test its capabilities. The motivation for the development of such a system is the increasing importance of space robots in cases such as: space exploration, construction, maintenance and inspection of systems in space, approach and attachment to other bodies in orbit. The robots of the simulator consist of 3 subsystems: a) mechanical: they are made of aluminum, and they include two arms, with two joints each, and a reaction wheel as an alternative way of rotation, b) pneumatic: they use CO2 gas in order to hover using 3 air-bearings, and for planar motion using 3 pairs of thrusters, c) electric/ electronic: they estimate their posture using two systems of sensors (on board optical sensors and an external camera) and through automatic control act appropriately upon the environment. Employing the technique of model-based design, the development of the new robot was carried out as a whole, since the design of algorithms, the software development and the final integration on the hardware were studied as interdependent parts. The software used was the xPC Target, from Mathworks. In this environment, C code is quickly generated from simple Simulink models, and is finally executed on the robot’s hardware in hard real time. In this manner, validation and verification of the design were continuously performed throughout the development. Emphasis was placed on innovation, while at the same time potential low-level problems in hardware and software were overcame.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Προβατίδης, Χριστόφορος	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών & Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	119 σ.
heal.fullTextAvailability	true