Έλεγχος Οπτικής Οδήγησης Ρομποτικών Χειριστών Με Εφαρμογή Φίλτρων Kalman

Abstract

Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας, και ειδικά της τεχνολογίας των αισθητήρων, η ανάπτυξη νέων μεθόδων υπολογιστικής ευφυΐας σε συνδυασμό με την παρατηρούμενη αύξηση της υπολογιστικής ισχύος σύγχρονων ενσωματωμένων συστημάτων έχουν αναμφίβολα οδηγήσει στην αυξανόμενη διάδοση της ρομποτικής και των νέων εφαρμογών της στις μέρες μας. Η υπολογιστική όραση και οι σχετικές οπτικές διατάξεις αποτελούν μία πολύ χρήσιμη αισθητήρια οδό και στα ρομποτικά συστήματα που καθιστά εφικτούς νέους τρόπους αλληλεπίδρασης των ρομπότ με το περιβάλλον δίνοντας έτσι την ευκαιρία στα ρομποτικά συστήματα να αυξήσουν το πεδίο εφαρμογών τους. Σε κάθε σύστημα οπτικής οδήγησης πρωταρχικό ζητούμενο βεβαίως είναι η ακρίβεια παρουσία αβεβαιότητας και διαταραχών σε ένα θορυβώδες περιβάλλον, όπως ο πραγματικός κόσμος, κάτι που στην πράξη είναι ιδιαίτερα δύσκολο να επιτευχθεί. Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε σαν αντικείμενο την εφαρμογή διακριτών φίλτρων Kalman στον έλεγχο οπτικής οδήγησης ρομποτικών χειριστών με σκοπό τη βελτίωση της ακρίβειας που επιτυγχάνεται στην παρακολούθηση κινούμενου στόχου από ρομποτικό βραχίονα. Πιθανό πεδίο εφαρμογών της εξέλιξης τέτοιων συστημάτων βρίσκεται σε διαδικασίες αυτοματοποιημένης βιομηχανικής παραγωγής, όπου οι ανάγκες για διαρκή βελτίωση της παραγωγικότητας οδηγούν σε σύγχρονες τάσεις ενσωμάτωσης δυναμικών ρομποτικών διαδικασιών, όπως «εν κινήσει» ρομποτικών διεργασιών αυξημένης ταχύτητας παραγωγής. Μετά από μία σύντομη ανασκόπηση των βασικών εννοιών και αρχιτεκτονικών ελέγχου που σχετίζονται με την οπτική ρομποτική οδήγηση, περιγράφηκαν αναλυτικά δύο κατηγορίες αλγορίθμων εκτίμησης (Kalman και Particle Filters). Στη συνέχεια υλοποιήθηκε σε επίπεδο προσομοίωσης μία διάταξη ρομποτικού χειριστή 3 βαθμών ελευθερίας που κατευθύνεται από μία κάμερα προσαρτημένη στο τελικό στοιχείο δράσης και παρακολουθεί την κίνηση ενός αντικειμένου σε ένα επίπεδο. Στη παρούσα εργασία παρουσιάζεται συγκριτική μελέτη 2 φίλτρων Κalman (μοντέλου σταθερής ταχύτητας και σταθερής επιτάχυνσης) για δύο περιπτώσεις κίνησης του στόχου: (α) με σταθερή ταχύτητα και (β) με απότομες διαταραχές (απότομη αυξομείωση ταχύτητας. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης δείχνουν τα συγκριτικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε μοντέλου εκτίμησης εφαρμοζόμενου στην οπτική οδήγηση ρομποτικών χειριστών, και καταδεικνύουν μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις.