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Unidade de Processamento e Sistema de Visão para um
Robô Humanóide
Mauro André Moreira RodriguesUniversidade
de Aveiro
03-07-2008 2
Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações
Mauro André Moreira Rodrigues
Resumo da Apresentação
Objectivos Enquadramento Unidade de Processamento Ambiente de Desenvolvimento Sistema de Visão Resultados Conclusões Trabalho Futuro
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Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações
Mauro André Moreira Rodrigues
Objectivos
Integração da Unidade Central de Processamento Autonomia Computacional Implementação de um Ambiente de
Desenvolvimento
Desenvolvimento do Sistema de Visão
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Enquadramento
Robô Humanóide desenvolvido na Universidade de Aveiro.
A ambição é a participação no RoboCup.
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Mestrado Integrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações
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Enquadramento
A plataforma humanóide é constituída por 22 graus de liberdade: • 2 em cada pé (2x2); • 1 em cada joelho (1x2); • 3 em cada anca (3x2); • 2 no tronco (2x1); • 3 em cada braço (3x2); • 2 na cabeça (PTU) (2x1).
Atinge os 70 cm de altura e uma massa total de 6,5 kg.
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Enquadramento
Arquitectura de controlo distribuída
Três tipo de unidades, formando uma rede de controladores.
Interligação por barramento CAN em configuração Master/Multi-Salve.
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Unidade Central de Processamento
Responsável pela gestão global dos procedimentos: Cálculo das configurações que as juntas devem
adoptar com base em directivas de alto nível Processamento de Imagem e Controlo com
Realimentação Visual Interacção com computador externo para
monitorização, debug ou tele-operação
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Unidade Central de Processamento
CPU standard PCI-104 AMD Geode LX-800 @
500MHz 512Mb RAM SSD 1Gb
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Unidade Central de Processamento
Captura de Sinal Vídeo Placa PCMCIA FireWire Módulo Dual PCMCIA p/ PC104
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Unidade Central de Processamento
Alterações à estrutura
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Ambiente de Desenvolvimento
Sistema Operativo GNU/Linux Debian 40r0 i386 Net Install
Versão mínima, ≈200Mb.
Gestão de Memória Ciclos de escrita limitados no SSD
Sem Área de Swap Utilização de Ramdisk
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Ambiente de Desenvolvimento
Ferramentas de Sistema Xfce Coriander
Bibliotecas OpenCV
Ferramentas de Programação Editor
Vim Compilador
GCC Make
IDE Kdevelop
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Sistema de Visão
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Sistema de Visão
Graus de Liberdade Unidade Pan&Tilt Inclinação do tronco
Câmara UniBrain Fire-i @ 30fps (640x480)
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Sistema de VisãoAquisição
Máscara
Segmentação - Componentes H, S e V
Localização do ObjectoPré-processamento
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Sistema de Visão
Região de Interesse (ROI) Dinâmica
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Sistema de Visão
Região de Interesse (ROI) Dinâmica
Com ROISem ROI
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Sistema de Visão
Algoritmo baseado em Imagem Lei proporcional com ganhos fixos,
, é o vector de incrementos nas juntas , matriz de ganhos constantes , é o vector de erro definido pelo desvio
da bola
Lei proporcional com ganhos variáveis,
Keq q
Tyx CCe ,
t
yt
t
xp
q
CK
q
CKq
cos,
sin
tp KKK ,
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ResultadosUnidade de Processamento
Aquisição Aquisição pela biblioteca OpenCV: 68ms Recurso a biblioteca proprietária
Aquisição directa a 160x120: 3ms Aquisição a 320x240 com pyr down: 14ms
Processamento Sem ROI: 15ms Com ROI: 11ms
Tempos (ms)
max min medio desvio
aquisição 32,4020 11,8780 13,6820 2,0275
pyr down 25,9050 9,4730 9,8432 1,6330
segmentação 41,6030 9,3320 9,8456 2,4185
centro de massa 3,2550 0,3970 1,3079 0,4478
controlo 0,1590 0,0140 0,0154 0,0093
actuação 37,2460 2,1670 4,4850 2,6913
total 118,6600 35,9060 39,1520 7,1468
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ResultadosRealimentação Visual
Alinhamento com a bola Rápido (~1s) Erro em regime estacionário (~7 pixels)
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ResultadosRealimentação Visual
Seguimento em Pan com ganhos fixos Erro aumenta na zona frontal ao robô
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ResultadosRealimentação Visual
Seguimento em Pan com ganhos variáveis Redução do erro na zona frontal
Ganhos Fixos Ganhos Variáveis
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ResultadosRealimentação Visual
Seguimento em Tilt com ganhos variáveis Erro similar ao obtido em pan Utilização do tronco aumenta o erro
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Conclusões Plataforma Humanóide autónoma computacionalmente.
Controlador PC/104 baseado em Linux revelou-se um bom compromisso entre capacidade de processamento, versatilidade, consumo e tamanho.
Ambiente de desenvolvimento versátil que permite desenvolvimento directo na plataforma ou remoto.
A arquitectura implementada separa o processamento de visão alto-nível, do controlo baixo-nível, em malha fechada, dos actuadores. Taxa média de processamento de 25Hz, um número suficiente para permitir
estímulos rápidos e outros tipos de entradas visuais com variação rápida.
Região de Interesse garante uma maior imunidade ao ruído.
Localização e alinhamento, com a bola em posição fixa, exibe valores de erro baixos, e rápida convergência.
Erro no seguimento aponta para a necessidade de um controlo mais robusto.
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Mauro André Moreira Rodrigues
Trabalho Futuro Avançar para a detecção de forma para validar a detecção da bola
Reconhecimento de outros elementos, por exemplo, os presentes no terreno de jogo da competição RoboCup
Explorar a utilização do Jacobiano da imagem
Testar o efeito de um controlador PI (ou outros mais robustos) no desempenho do sistema
Estudar a influência do movimento do robô na informação visual e no desempenho do sistema de seguimento
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Mauro André Moreira Rodrigues
Muito obrigado pela atenção
Agradecimentos
Aos meus orientadores
À minha família
À minha namorada
Aos meus amigos
A todos os colegas de trabalho
A todos os companheiros de equipa
A todos os presentes
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