Система автоматического управления движением малогабаритного робота по визуальным меткам

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретико-методологический базис проектирования систем управления на основе компьютерного зрения

1.1. Генезис концепций технического зрения в отечественной и мировой робототехнике

1.2. Математическое моделирование кинематики и динамики малогабаритных необитаемых аппаратов

1.3. Методология идентификации и детекции визуальных паттернов в сложных условиях среды

Глава 2. Проектирование и экспериментальная верификация системы управления по визуальным меткам

2.1. Системный анализ и спецификация требований к программно-аппаратному комплексу

2.2. Разработка алгоритмического обеспечения навигационного контроллера в среде ROS

2.3. Аналитическая оценка эффективности и точности функционирования системы в условиях динамических помех

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема: Система автоматического управления движением малогабаритного робота по визуальным меткам

Направление: Математика и информационные науки

Специальность: 09.03.02 Проектирование информационных систем

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования обусловлена стремительным развитием робототехнических комплексов и систем компьютерного зрения, которые находят применение в широком спектре отраслей современной экономики — от промышленного производства и логистики до медицины и сервисной индустрии. Автономная навигация малогабаритных робототехнических платформ представляет собой междисциплинарную научно-техническую проблему, требующую интеграции методов искусственного интеллекта, теории управления, компьютерного зрения и проектирования информационных систем. Использование визуальных меток как навигационных реперов открывает возможности создания недорогих и гибко настраиваемых решений для задач автоматизации перемещения в структурированных средах.

Степень изученности проблемы характеризуется значительным объемом научных публикаций, посвященных отдельным аспектам машинного зрения и управления мобильными роботами, однако комплексные исследования, объединяющие методологию проектирования информационных систем с практической реализацией навигационных алгоритмов на базе визуальных паттернов, остаются недостаточно представленными в отечественной научной литературе. Современные тенденции развития индустрии 4.0 и концепции умных производств предъявляют повышенные требования к адаптивности и точности систем автоматического управления мобильными робототехническими комплексами. При этом классические подходы на основе лазерных дальномеров или инерциальных систем не всегда оправданы экономически для малогабаритных платформ ограниченной грузоподъемности.

Развитие технологий обработки изображений и появление высокопроизводительных встраиваемых вычислительных модулей создали технологическую базу для реализации систем визуальной навигации на доступной аппаратной платформе. Вместе с тем остается нерешенным ряд задач, связанных с обеспечением робастности детекции визуальных меток в условиях переменного освещения, динамических помех и ограничений вычислительных ресурсов бортового контроллера. Методология проектирования информационных систем предоставляет системный инструментарий для структурирования требований, архитектурного синтеза программно-аппаратного комплекса и верификации функциональных характеристик разрабатываемого решения, что определяет актуальность применения данного подхода к задаче создания системы автоматического управления движением.

Цель выпускной квалификационной работы заключается в проектировании и экспериментальной верификации системы автоматического управления движением малогабаритного робота на основе детекции визуальных меток с использованием методологии проектирования информационных систем.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

• провести анализ теоретических основ и современных подходов к построению систем технического зрения в робототехнике, изучить генезис концепций компьютерного зрения и математические модели кинематики малогабаритных мобильных платформ;
• разработать методологию идентификации и детекции визуальных паттернов в условиях динамически изменяющейся среды с учетом ограничений встраиваемых вычислительных систем;
• выполнить системный анализ и спецификацию требований к проектируемому программно-аппаратному комплексу, реализовать алгоритмическое обеспечение навигационного контроллера с использованием инструментальных средств Robot Operating System;
• провести экспериментальную верификацию разработанной системы и выполнить аналитическую оценку точности функционирования в условиях динамических помех.

Объектом исследования выступает процесс автоматического управления движением малогабаритного мобильного робота в структурированной среде с визуальными реперами.

Предметом исследования являются методы проектирования информационных систем управления робототехническими комплексами на основе алгоритмов компьютерного зрения и детекции визуальных меток.

Методологическая база исследования формируется на пересечении нескольких научных дисциплин и включает комплекс теоретических концепций и практических инструментов. Теоретическую основу составляют фундаментальные положения теории управления динамическими системами, математические модели кинематики и динамики мобильных роботов, методы цифровой обработки изображений и компьютерного зрения, а также методология проектирования информационных систем, включающая структурный и объектно-ориентированный анализ, проектирование архитектуры программных комплексов и спецификацию требований в нотации UML.

В качестве методов исследования применялись аналитические методы математического моделирования кинематических цепей робототехнических систем, численные методы решения дифференциальных уравнений движения, алгоритмы детекции и распознавания визуальных паттернов на основе методов машинного обучения и классических подходов компьютерного зрения, методы фильтрации и предварительной обработки изображений, а также экспериментальные методы верификации функциональных характеристик разработанного программно-аппаратного комплекса. Материалы исследования включают экспериментальные данные, полученные в ходе тестирования прототипа системы управления на базе малогабаритной робототехнической платформы, исходные параметры кинематической модели и результаты численного моделирования траекторий движения.

Инструментальную базу исследования составляет встраиваемый одноплатный компьютер Raspberry Pi 4 Model B с модулем камеры высокого разрешения, программная среда Robot Operating System (ROS) Noetic Ninjemys, библиотеки компьютерного зрения OpenCV и инструментарий разработки на языке Python. Для математического моделирования и визуализации результатов использовались пакеты MATLAB и GNU Octave, а для проектирования архитектуры информационной системы применялис

…