2. Koło Naukowe Automatyki i Robotyki Robomatic

SherLOCK
System śledzenia globalnej pozycji obiektów
na potrzeby robotyki mobilnej
Koło Naukowe Automatyki i Robotyki Robomatic
Każda dziedzina nauki ma elementy będące absolutną podstawą do studiowania bardziej
zaawansowanych zagadnień, tak jest również i z robotyką mobilną. Każdy robot, który porusza się w
dowolny sposób, potrzebuje się lokalizować, czyli szacować swoją pozycję w danym środowisku;
potrzebuje się nawigować, czyli ustalać gdzie jest cel, do którego dąży; potrzebuje też planować, czyli
obliczać najlepszą drogę ze swojej pozycji do tego celu, ale to tylko kilka z wielu innych zadań, które
stoją przed robotykami na całym świecie.
Załóżmy teraz, że młody naukowiec, zainspirowany jakimś ciekawym równaniem matematycznym
dojdzie do wniosku, że mógłby znacznie zwiększyć dokładność, z jaką roboty lokalizują się na mapie. Po
kilku miesiącach instensywnej pracy udaje mu się doprowadzić do pierwszej stabilnej wersji
oprogramowania, tylko teraz pojawia się problem: w jaki sposób stwierdzić, czy nowa lokalizacja jest
lepiej obliczona niż ta za pomocą starego algorytmu?
Rysunek 1: Przykład zadania lokalizacji robota mobilnego na znanej mapie budynku. Problemem jest
zawsze dokładność wyznaczonej pozycji, którą my chcemy zmierzyć za pomocą niniejszego projektu.
Projekt jest próbą wyjścia naprzeciw temu problemowi z wykorzystaniem podejścia dokładnych i
szybkich kamer przemysłowych połączonych w komplementarny system wizyjny służący do
wyznaczania rzeczywistego położenia obiektów w zewnętrznym układzie odniesienia. Nasz system
pozwoli zmierzyć błąd samolokalizacji nie tylko robotów mobilnych (będziemy mogli śledzić każdy
obiekt fizyczny) i porównać ich pozycję obliczoną według wskazań sensorów z rzeczywistą pozycją
globalną, czyli tą obserwowaną przez zewnętrzny system kamer. Następnie możliwa będzie poprawa
błędów z sensorów i znaczne zwiększenie dokładności samolokalizacji robota.
System jest absolutnie niezbędnym elementem prowadzenia badań w dziedzinach związanych z
lokomocją robotów mobilnych. Nie jesteśmy w stanie pokazać naukowemu światu żadnego nowego
algorytmu przykładowo budowania mapy środowiska, w którym znajduje się robot, bez znajomości a
priori dokładnej jego pozycji w tym środowisku. Nie chodzi o to, by upośledzić działanie robota w
nieznanym środowisku, tylko by zweryfikować, jak dobrze nasze algorytmy radzą sobie z
niepewnościami pomiarów dokonywanych przez sensory.
Sam system składać się będzie z 5 kamer przemysłowych Full HD z soczewką asferyczną o bardzo
małym zniekształceniu obrazu. Kamery umieszczone zostaną w laboratorium, w środowisku statycznym
na jednakowej wysokości około 3 metrów nad podłogą. Pola widzenia kamer nachodzą na siebie i
pokrywają powierzchnię ok. 4m x 5m Zakładamy, że kamery pozwolą uzyskać dokładność +/- 5mm w
wyznaczeniu położenia znacznika.
Rysunek 2: Propozycja profesjonalnej przemysłowej kamery HD z interfejsem gigaethernetowym oraz
wyzwalaniem zewnętrznym umożliwiającym synchronizację rejestrowanych obrazów z kilku kamer.
Zasada działania polega na wykrywaniu przez kamery specjalnego znacznika umieszczonego na
poruszającym się obiekcie. Obraz z każdej z kamer przesyłany jest na serwer obliczeniowokomunikacyjny. Tam wykonywane są operacje przetwarzania obrazu oraz algorytmy pozwalające znaleźć
znacznik na obrazie i wyliczyć jego pozycję. Pozycja znacznika wyznaczana jest w globalnym układzie
współrzędnych (‘x’ i ‘y’) na podstawie wzorca umieszczonego na stałe na podłodze. Pomiary z 5 kamer
są matematycznie składane (bynajmniej nie jest to średnia arytmetyczna, tylko optymalizacja grafu
zbudowanego na hipotetycznych miejscach rozpoznania znacznika) co pozwala na znaczne zwiększenie
dokładności śledzenia. Serwer wysyła także sygnał synchronizujący do kamer, aby pobranie kolejnej
klatki obrazu odbywało się w sposób zsynchronizowany. Aby system działał w czasie rzeczywistym, bez
opóźnień, potrzeba dużej mocy obliczeniowej.
Wynikiem tego projektu będzie stanowisko, które będzie mogło być używane przez każdego, kto
potrzebuje dokładnej informacji o pozycji śledzonego obiektu. Podejrzewamy, że projekt szybko rozwinie
się jako gotowe stanowisko laboratoryjne wykorzystywane na zajęciach kierunku Automatyka i Robotyka
na wydziale Mechatroniki, jednak nic nie stoi na przeszkodzie, by inni członkowie kół/samorządów
prowadzący badania w podobnym zakresie mogli zweryfikować swoje pomysły z wykorzsytaniem
naszego stanowiska. Liczymy na to, że będzie to nasza droga do dalszego rozwoju w dziedzinie
algorytmiki na potrzeby robotyki mobilnej.