Разработка системы технического зрения - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника курсовая работа

Создание системы технического зрения для робота-манипулятора. Принцип иерархичности системы управления роботом. Вычисление характеристик объекта. Основные требования к алгоритмам управления. Разработка метода контурного анализа. Эквализация контуров.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

В современных условиях развития автоматизации производства особое место отводится использованию промышленных роботов. Промышленный робот - это механическая система, включающая манипуляционные устройства, систему управления, чувствительные элементы и средства передвижения. Принципиальными отличиями робототехники от традиционных средств автоматизации являются их широкая универсальность (многофункциональность) и гибкость (мобильность) при переходе на выполнение принципиально новых операций. Промышленные роботы находят применение во всех сферах производственно-хозяйственной деятельности. Они успешно заменяют тяжелый, утомительный и однообразный труд человека, особенно при работе в условиях вредной и опасной для здоровья производственной среды. Они способны воспроизводить некоторые двигательные и умственные функции человека при выполнении ими основных и вспомогательных производственных операций без непосредственного участия рабочих. Для этого их наделяют некоторыми способностями: слухом, зрением, осязанием, памятью и т.д., а также способностью к самоорганизации, самообучению и адаптации к внешней среде.
Робототехника, как, впрочем, и любая область техники, развивается, соблюдая закон «от простого к сложному». Характеризуя ее качественный прогресс, принято выделять три разных по сложности и по своим возможностям поколения роботов. Однако можно отметить: деление роботов на поколения, т.е. на их виды по степени сложности и «разумности», достаточно условно, и смысл понятия «поколение» в роботостроении несколько иной, чем в других областях техники. Если, скажем, вычислительные машины нового поколения полностью заменяют старые, поскольку они более совершенны по всем параметрам, то роботы следующего поколения не вытесняют предыдущие, а дополняют их, так как у всех у них, как мы увидим дальше, разные функции и области применения.
Для роботов первого поколения характерно то, что они имеют программное управление, т.е. действуют по жесткой, не меняющейся в процессе работы программе; поэтому их называют также «программными роботами». Предназначены они для автоматизации несложных операций при неизменном состоянии окружающей среды. Их система управления имеет только исполнительный уровень: поскольку окружающие условия не меняются, сенсорных устройств нет - никакой связи с внешним миром не требуется, и она отсутствует. К сожалению, функциональные возможности роботов первого поколения существенно ограничены несовершенством их системы управления, служащей для реализации лишь той жесткой программы, которая зафиксирована в памяти. При изменении параметров окружающей среды такой робот не может сам адаптироваться к новым условиям, и требуется вмешательство человека-оператора, чтобы корректировать заданную ему программу, приспосабливая ее к другим параметрам. Таким образом, можно сказать, что роботы первого поколения имеют только нижний уровень системы управления - исполнительный.
Роботы второго поколения - это очувствленные роботы, предназначенные для работы с неориентированными объектами произвольной формы. Они отличаются, во-первых, существенно большим набором и совершенством как внешних сенсорных датчиков (телевизионные, оптические, тактильные, локационные и т.п.), так и внутренних (датчики положений «руки» или «ноги» относительно «тела» робота, датчики усилий и моментов и т.п.) и, во-вторых, более сложной системой управления, требующей для своей реализации управляющей ЭВМ.
Возможности роботов второго поколения, оснащенных значительным числом датчиков внешней и развитым программным обеспечением, значительно превосходят возможности роботов первого поколения. Благодаря способности «распознавать» внешнюю обстановку, анализировать сенсорную информацию и приспосабливаться к изменяющимся условиям эксплуатации, очувствленные роботы могут взаимодействовать с неориентированными объектами в неупорядоченной обстановке, а значит, выполнять исследовательские работы, сборочные и монтажные операции, собирать информацию об окружающей обстановке и т.п.
Роботы третьего поколения - это так называемые интеллектуальные (ИР), или разумные, роботы, предназначенные не только и не столько для воспроизведения физических и двигательных функций человека, сколько для автоматизации его интеллектуальной деятельности, т.е. для решения интеллектуальных задач. Они принципиально отличаются от роботов второго поколения сложностью функций и совершенством управляющей системы, включающей в себя элементы искусственного интеллекта. Интеллектуальный робот - это робот, создающий в себе модель внешней среды (проблемной среды), для чего он производит активные и пассивные исследования, сам планирует свои действия, моделирует планы и реализует их.
Целью курсового проектирования является создание системы технического зрения для робота-манипулятора, достаточно простой в установке, настройке и эксплуатации.
1 . Анализ состояния проблемы, обзор аналогов, выбор прототипов и постановка задачи
Высокая точность, отсутствие усталости, беспрерывность цикла работы, возможность применения во вредных и опасных зонах, робототехника становится наиболее важным технологическим этапом современного производства и зачастую определяет качественные характеристики продукта или системы. Основная сложность при автоматизации управления роботизированных систем - обеспечение точности позиционирования в пространстве.
Современные роботы функционируют на основе принципа иерархичности системы управления роботом. Иерархия системы управления роботом подразумевает деление системы управления на горизонтальные слои, управляющие общим поведением робота, расчётом необходимой траектории движения манипулятора, поведением отдельных его приводов, и слои, непосредственно осуществляющие управление двигателями приводов.
Управление бывает нескольких типов:
· программное управление - самый простой тип системы управления, используется для управления манипуляторами на промышленных объектах. В таких роботах отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются;
· управление человеком (например, дистанционное управление).
· адаптивное управление - роботы с адаптивной системой управления оснащены сенсорной частью. Сигналы, передаваемые датчиками, анализируются и в зависимости от результатов принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т.д.;
Одним из примеров адаптивного управления является система технического зрения. Система технического зрения может обеспечивать систему управления манипулятором информацией для идентификации объекта, определения его ориентации и положения, а также препятствий вокруг.
В данной работе решается проблема адаптивного управления роботом-манипулятором посредством применения видеокамеры и распознавания образов (контуров объектов) методами контурного анализа.
На сегодняшний день наиболее известные фирмы производители промышленных роботов и автоматизированных систем для различных отраслей промышленности:
Ответить на вопрос какой робот лучше не получится. Мировые лидеры роботостроения, динамично развиваются, не уступая друг другу в конкурентной борьбе. Для повышения интереса к промышленным роботам, любой может заявить, что промышленные роботы, которые он предлагает лучшие, и это будет неприкрытый обман.
По сути, каждый производитель роботов имеет ассортимент, удовлетворяющий текущий мировой спрос на промышленную автоматизацию. Некоторые производители создают специализированные серии, «заточенные» под конкретную технологию. Но в целом, все роботы имеют схожую антропоморфную конструкцию, примерно одинаковый технический уровень и сопоставимое качество сборки.
Не зависимо от производителя манипуляторы включают в себя подвижные звенья двух типов: обеспечивающие поступательные движения и обеспечивающие угловые перемещения. Сочетание и взаимное расположение звеньев определяет степень подвижности, а также область действия манипуляционной системы робота. Для обеспечения движения в звеньях могут использоваться электрические, гидравлический или пневматический привод.
Частью манипуляторов (хотя и необязательной) являются захватные устройства. Наиболее универсальные захватные устройства аналогичны руке человека - захват осуществляется с помощью механических «пальцев». Для захвата плоских предметов используются захватные устройства с пневматической присоской. Для захвата же множества однотипных деталей (что обычно и происходит при применении роботов в промышленности) применяют специализированные конструкции.
Вместо захватных устройств манипулятор может быть оснащен рабочим инструментом. Это может быть пульверизатор, сварочные клещи, отвёртка и тому подобное.
Наиболее известные системы технического зрения приведены ниже.
Система технического зрения F250 фирмы Энергоснаб наряду с возможностями контроля, предоставленными в предыдущей системе фирмы F210, система F250, благодаря наличию в ней специальной быстродействующей схемы, обладает возможностью сверхбыстрой локализации объектов [9]. Наличие четырех портов для подключения камер позволяет организовать одновременный контроль по нескольким параметрам в пределах одной системы. Через интерфейс Ethernet система F250 может обмениваться данными практически с любой компьютерной системой предприятия.
· специальная быстродействующая схема для ускорения инструментов контроля при решении задач, требующих повышенной скорости обработки;
· возможность подключения четырех камер; возможность локализации объекта в реальном времени;
· повышенная гибкость благодаря наличию операций ветвления и условных переходов;
· два гнезда для компактных карт флеш-памяти (CF) для хранения данных и ведения протокола;
· интерфейс Ethernet, 67 дискретных входов / выходов, RS232.
· количество инструментов (режимов) контроля: Прибл. 70 инструментов обработки;
· количество камер: четыре высокоскоростные с построчной разверткой;
· количество сценариев / банков: 32, расширяется с помощью флэш-карты (CF);
· кол-во инструментов (режимов) на сценарий: Ограничено только памятью / зависит от инструмента;
· интерфейс: RS232, 67 дискр. вх/вых;
Учеными и инженерами ИМИТ СПбГПУ и ООО «Малленом» разработан универсальный математический аппарат и программные средства, обеспечивающие возможность калибровки и использования произвольного количество камер (два и более), работающих синхронно и наблюдающих одну и ту же сцену с различных позиций [8]. Разработанные методы и алгоритмы анализа стереоизображений позволяют решать широкий круг задач в области автоматизированного контроля формы, геометрии и параметров движения наблюдаемых объектов.
Расположение видеокамер относительно объекта и схема их взаимодействия схематично приведены на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1 - Определение формы и положения объекта в пространстве
Рисунок 2 - Вычисление характеристик объекта
Системы технического зрения фирмы Omron - это система технического зрения серии F150-3 позволяет быстро и четко сравнить изображение предмета с заданным изображением для задач контроля качества, идентификации, определения размеров и положения объектов.
Подключение двух камер к контроллеру осуществляется через адаптер, это позволяет не только одновременно получать изображения с обоих камер, но и соединять их в одно (режим вертикально-горизонтального редактирования). Диапазон применений F150-3 расширился за счет использования встраиваемых источников света с изменяемыми параметрами. Уровень освещенности и направление излучения этих моделей могут быть изменены через контроллер. Достоинства данной модели:
· память на 23 дефектных изображения;
· модели со сменным или постоянным объективом;
· 256 градаций серого цвета для точных измерений менее 1 пикселя.
Система технического зрения Omron F150-3 представлена на рисунке 3.
· дистанция срабатывания 61-71 мм, 66-76 мм - определяется объективом;
· разрешение в пикселях 659х494, 659х494, 659х494;
· площадь охвата изображения 20х20 мм 50х50 мм - определяется объективом;
· напряжение питания 24 VDC, 24 VDC.
Высокоскоростная система технического зрения F160.
Новая высокоскоростная система технического зрения, представленная на рисунке 4, также разработана фирмой Omron для решения наиболее сложных задач, касающихся контроля за производством продукции.
Система обладает быстродействием, достаточным для инспектирования высокоскоростных производственных линий, а использование карт памяти, способных хранить до 1024 изображений и возможность подключения нескольких камер позволяет применить F160 для линий, производящих много наименований одновременно. Система способна выполнять до 17 операций, что позволяет легко построить систему контроля качества нового поколения.
· обработка до 32 участков одновременно;
· 13 дискретных входов и 22 дискретных выхода;
· автоматическое распознавание символов;
· модификации: F160-S1 F160-SLC20 F160-SLC50;
· расстояние срабатывания - определяется объективом: 51-71 мм, 55-76 мм;
· площадь захвата рисунка - определяется объективом 20х20 мм, 50х50 мм;
· разрешение в пикселях 512x484, 512x484, 512x484;
· напряжение питания 24 VDC, 24 VDC.
Приведённые системы технического зрения, хотя и имеют множество достоинств, достаточно дороги для приобретения. Тем более, что существуют области применения таких систем, где не нужно трёхмерное распознавание и слишком большая чёткость изображения, несколько камер. Разрабатываемая в данном проекте система технического зрения будет включать в себя всего одну неспециализированную USB веб-камеру, что обеспечит низкую стоимость, а также достаточно простой интерфейс пользователя.
1.3 Постановка задачи на проектирование
Данный курсовой проект предусматривает разработку системы технического зрения управления манипулятором посредством ЭВМ. Технические характеристики разрабатываемого устройства, а также требования, касающиеся его работы, надёжности и других параметров рассмотрены ниже.
Система технического зрения состоит из USB веб-камеры, подключённой к ЭВМ, а также программы распознавания объектов и управления манипулятором. Манипулятор имеет шесть степеней свободы и имеет управляющий контроллер, подключаемый к ЭВМ посредством COM-интерфейса. Веб-камера закрепляется на штативе вертикально.
Система технического зрения должна обеспечивать поиск контрастных объектов относительно фона, идентификацию, вычисление их координат относительно робота и передачу преобразованных координат системе управления для корректировки положения манипулятора.
Управление параметрами системы технического зрения осуществляется через пользовательскую программу. Интерфейс должен быть понятным и интуитивным, чтобы программой мог воспользоваться любой пользователь, даже далекий от данной темы.
На программное обеспечение возлагаются ответственные функции:
· организация протокола связи с устройством;
· опрос подключенного устройства перед началом работы с целью немедленного обнаружения неисправности или отключения устройства, сигнализирование пользователю о неисправности на линии.
Основными требованиями к алгоритмам управления являются:
· адекватная реакция на управляющие команды;
· допущение возможности неадекватных или случайных действий пользователя;
· приспособленность к различному подключаемому оборудованию;
· гарантия отсутствия тупиковых ветвей в любых ситуациях;
· корректная работа в любом режиме;
На рисунке 3 модуль АКФ изображен синим цветом (АКФ изображена только для интервала от 0 до k/2).
Все контуры, кроме последнего, изображённые на рисунке 3 имеют симметрию к повороту, что приводит к симметрии АКФ. Последний же контур такой симметрии не имеет, и график его АКФ - не симметричен.
АКФ контура в определенном смысле можно считать характеристикой формы контура. Так, формы, близкие к кругу имеют равномерные значения модуля АКФ (см рисунок для круга). Сильно вытянутые в одном направлении формы - имеют провал в центральной части АКФ (см рисунок прямоугольника). Формы, переходящие в самих себя при повороте, имеют максимум АКФ в соответствующем месте.
Свойство 4. Нормированная АКФ не зависит от масштаба, положения, вращения и выбора начальной точки контура. Это следует из пункта 1-го и из свойств НСП.
зрение манипулятор эквализация робот
Методы КА подразумевают одинаковую длину контуров. В реальном же изображении контуры имеют произвольную длину. Поэтому, для поиска и сравнения контуров, все они должны быть приведены к единой длине. Этот процесс называется эквализацией. Рассмотрим простой и быстрый способ эквализации, который, помимо приведения к единой длине, производит сглаживание контура методом скользящего среднего.
Сначала фиксируется длину ВК, которая будет использоваться в системе распознавания. Обозначим ее k. Затем, для каждого исходного контура Г создаем вектор-контур N длиной k. Далее возможно два варианта-либо исходный контур имеет большее число ЭВ чем k, либо меньшее число чем k.
Если исходный контур больше необходимого, то перебираем все его ЭВ, и считаем элементы N как сумму всех ЭВ, следующим образом (C++):
newPoint [i * newCount / Count] += oldVector[i];
Этот алгоритм достаточно грубый, особенно для длин немногим больших k, однако он вполне применим на практике. Выбор значения k определяется спецификой прикладной области. С одной стороны, большая длина k означает большие затраты на вычисления. С другой стороны - малые значения k несут меньше информации, и точность распознавания снижается, а распознавание шума - увеличивается.
Опытным путем установлено, что при малых значениях k (менее 30) резко повышается число шумовых распознаваний (распознавание как символов шума или других несимвольных элементов изображения), снижается число верных распознаваний, и увеличивается число ложных распознаваний. Таким образом, значение k=30 является оптимальным для данной системы распознаваний.
Можно выявить, что увеличение длины контура, после определенного уровня вовсе не приводит к улучшению качества распознавания. Это связано с тем, что в описанном методе, эквализация проводится одновременно со сглаживанием контуров. При больших значениях длины, сглаживание становится все более мелкомасштабным, и контур становится слишком детализированным, и следовательно, более отличным от шаблонных контуров.
3.3 Вычисление углов поворота подвижных частей манипулятора
Координаты объекта (X, Y, H) задаются в миллиметрах в прямоугольной системе координат относительно центра основы-платформы манипулятора, как представлено рисунке 8.
Рисунок 8 - Положение манипулятора по заданным координатам
Положение манипулятора задается шестью сервоприводами. Для того чтобы рука приняла заданное положение, необходимо вычислить углы поворота сервоприводов.
Рассмотрим этапы вычисления углов поворота.
1. Вычисление проекции длины от центра основы робота до заданной точки на плоскость рабочей зоны. Для этого по теореме Пифагора вычисляем длину L (Рисунок 8). Далее вычисляем угол поворота f0:
2. Вычисление непосредственной длины (Z) от центра основы робота до заданной точки. Но для этого нужно вычислить H''
Чтобы обеспечить длину Z необходимо вычислить углы f1 и f2. Вычисление проведем итерационным методом. Рассмотрим манипулятор как четырехугольник, где одной стороне будет соответствовать длина Z', а остальным - соответствующее плечо манипулятора, как показано на рис. 9.
Рисунок 9 - Вычисление углов поворота сервоприводов
Углы B и C вычисляются по следующему алгоритму:
1) начальные значения углов B и C принимается равными 90?;
2) рассчитаем АC по теореме косинусов:
3) если ADРазработка системы технического зрения курсовая работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Реферат: Наши друзья – физкультура и спорт. Our friends - physical culture and sports
Местные Налоги Реферат
Особенности Конфликта Горе От Ума Сочинение
Реферат: Водоснабжение города Кронштадта. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат по теме Гражданский кодекс 1922г.
Дипломная работа по теме Методика и методология курса 'Социология науки' с экологической составляющей
Острый Перитонит Реферат
Пенсии Нетрудоспособным Гражданам Курсовая Работа
Инновации Реферат
Реферат: Закупочная логистика 5
Реферат: Дополнения
Реферат На Тему Компьютерная Техника
Как Написать Сочинение По Литературе Огэ
Ревизия Расчетных И Кредитных Операций Реферат
Курсовая работа по теме Понятие организации, ее характеристики и системные свойства
Курсовая работа: Налоговые доходы федерального бюджета
Курсовая Работа На Тему Технология Производства Зефира
Повесть временных лет - литературный памятник Древней Руси
Математика 6 Класс Петерсон Контрольная Работа 2
Доклад: Советско-американские отношения 1917-1945 гг. в интерпретации современной историографии США
Итальянский фашизм - История и исторические личности курсовая работа
Національна депозитарна система України - Государство и право дипломная работа
Державне регулювання транспортної системи України (адміністративно-правові проблеми та шляхи їх розв’язання) - Государство и право автореферат