Σχεδιασμός και κατασκευή φορείου, με κάμερα και αλγόριθμο επεξεργασίας εικόνας, για τον έλεγχο κίνησης ρομποτικού ψαριού

Abstract

Σκοπός της εργασίας είναι ο έλεγχος και η καταγραφή των φυσικών μεγεθών της κίνησης ρομποτικού ψαριού. Το ρομποτικό ψάρι έχει κατασκευαστεί στο Εργαστήριο Αυτόματου Ελέγχου του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Για την εξυπηρέτηση του σκοπού αυτού, η εργασία, χωρίζεται σε δυο κυρίως μέρη, το κατασκευαστικό και το υπολογιστικό. Το πρώτο μέρος αφορά στο σχεδιασμό και στην κατασκευή φορείου, στο οποίο προσδένεται το ρομποτικό ψάρι. Το φορείο μπορεί να εκτελεί οποιαδήποτε επίπεδη κίνηση. Με την χρησιμοποίηση αισθητήρα δύναμης, μπορούν να καταγράφονται οι δυνάμεις που ασκούνται στο ψάρι καθ'όλη τη διάρκεια της κίνησης του. Επιπλέον στο φορείο μπορεί να προσαρμόζεται κάμερα. Έτσι, όταν το ρομποτικό ψάρι κινείται αυτόνομα, το φορείο, μέσω αλγόριθμου επεξεργασίας εικόνας, θα μπορεί να ακολουθεί κάθε κίνηση του. Για το σχεδιασμό του φορείου, πρέπει να ληφθεί υπ'όψην, η υποδομή που υπάρχει στο εργαστήριο. Για παραδειγμα, το φορείο θα πρέπει να προσαρμόζεται στην δεξαμενή, και να κινείται χωρίς να υπάρχει κίνδυνος σύγκρουσης με άλλα αντικείμενα στο χώρο αυτό. Το υπολογιστικό μέρος, αφορά στην μελέτη των φυσικών μεγεθών της κίνησης του ρομποτικού ψαριού. Τέτοια είναι η τροχιά, η ταχύτητα και η γωνία περιστροφής του σώματος. Ο υπολογισμός των μεγεθών αυτών, γίνεται με παρακολούθηση του ψαριού μέσω κάμερας. Με τη βοήθεια αλγόριθμου επεξεργασίας εικόνας, εντοπίζεται το ψάρι, και παρακολουθείται, και τα δεδομένα που καταγράφονται αποθηκεύονται για περαιτέρω επεξεργασία. Στη συνέχεια λαμβάνει χώρα η επεξεργασία των δεδομένων αυτών, και εξάγονται τα επιθυμητά αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα μπορούν να εμφανιστούν υπό μορφή διαγραμμάτων πάνω στις εικόνες που στέλνει η κάμερα στον υπολογιστή, δίνοντας επιπλέον και μια φυσική αίσθηση και ερμηνεία τους. Αναφέρονται βασικές μέθοδοι ανίχνευσης αντικειμένων, και επιλέγεται η πιο πρόσφορη. Έπειτα παρουσιάζεται ο αλγόριθμος που δημιουργήθηκε για τη συγκεκριμένη εφαρμογή, με βάση την μέθοδο μετασχηματισμού στο πεδίο της συχνότητας (μετασχηματισμός Fourier). Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη πειραματική διαδικασία, τα οποία αξιολογούνται και συγκρίνονται με τα αναμενόμενα. Από τη σύγκριση αυτή προκύπτει και η επιτυχία της λειτουργίας του αλγορίθμου. Κλείνοντας, με βάση τα ανωτέρω, αναφέρονται τα σημεία στα οποία ο αλγόριθμος επιτυγχάνει και αυτά στα οποία υστερεί. Προτείνονται τρόποι βελτίωσης, του συνόλου της διάταξης, καθώς και μελλοντική εργασία που θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί με βάση τα αποτελέσματα της παρούσας.

The aim of this thesis is the control as well as the acquisition of the physical variables related to the motion of a robotic fish. The robotic fish has been constructed at the Control Systems Laboratory of the School of Mechanical Engineering of the National Technical University of Athens (NTUA). The thesis is separated into two parts. The first part presents the design and implementation of a moving x-y carriage for the robotic fish tank, while the second part focuses on the computational aspects of following the robotic fish. In more details, the first part refers to the planning and the implementation of a carriage, in which the robotic fish can be adjusted to. The carriage can move in two-dimensions. With the use of a force sensor, the forces, acting on the fish during the movement, can be measured. In addition camera can be adjusted on the carriage. So when the robotic fish executes a trajectory, the carriage, through an image processing algorithm, will be able to follow its motion. For the design of the carriage, we should take in mind the infrastructure which already exists in the laboratory. For instance, the carriage must be able to be adjusted to the tank and move without the fear of crashing to any other object. As far as the computational part is concerned, it is related to the study of the physical variables related to the motion that the robotic fish makes; such as the trajectory, the speed and the attitude of the body. These quantities are calculated by computer vision. The fish is located by using an image processing algorithm and all the results are recorded. These results are processed and the desired variables are obtained. The results can take the form of diagrams superimposed on the images that the camera sends to the computer, giving a natural sense. Basic methods of image processing are mentioned and the most efficient one is chosen. The algorithm created for the specific application, based on the transform in the frequency domain (Fourier Transform), is presented. In the end, the experimental results, are presented and discussed. They are evaluated and compared with the expected ones. This comparison shows the accuracy of the implemented algorithm. To sum up, according to the above, the advantages and disadvantages of the image processing algorithm are discussed. Ways of improving it are proposed. Future work that can follow the one presented here is outlined.