Positionsregelung eines Elektromotors mit Hilfe von registrierten Bildpaaren

Abstract

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und dem Aufbau eines Demonstratorsystems, wobei die Steuerung für eine Positionierungsaufgabe über eine Videokamera und zwei Elektromotoren läuft.<br />Es wird ein einfacher, per Hand auf Rädern verschiebbarer Versuchsaufbau errichtet, auf welchem eine senkrecht zum Boden blickende Kamera und zwei Servomotoren montiert werden. An den Achsen der Servomotoren werden kurze Ausleger angebaut, an welchen Filzstifte befestigt sind, die beim Verschieben des Versuchsaufbaus Linien auf den Boden zeichnen. Die Filzstifte liegen nicht im Sichtbereich der Kamera, weshalb sich das geplante System von einem klassischen Visual Servoing Ansatz unterscheidet.<br />Am Boden vorgezeichnete zweidimensionale Objekte sollen erkannt und umschrieben werden, während der Versuchaufbau verschoben wird. Dadurch ist eine Objektverfolgung außerhalb des Sichtbereichs der Kamera erforderlich. Die dafür notwendigen Bildverarbeitungsschritte sind eine Binarisierung des Eingangsbildes, eine Segmentierung sowie eine Klassifizierung der Objekte. Danach wird der Verschiebungsvektor zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern berechnet und dient zur Positionsberechnung der Objekte außerhalb des Kamerabildes. Damit die Berechnung möglichst genau ist, ist eine hohe Bildrate erforderlich. Aus diesem Grund wurde die Software auf mehrere Threads aufgeteilt.<br />Befindet sich ein Objekt im Aktionsradius der Ausleger, so wird es umfahren. Für die Steuerung und das Testen des Systems wurde eine Bedienoberfläche implementiert.<br />Nach einer ausgiebigen Testphase waren die Resultate der Ausweichbewegungen bei unterschiedlichen Fahr- und Positioniergeschwindigkeiten zufriedenstellend. Die Objektpositionen werden genau berechnet und die Objekte fast ausnahmslos umfahren.<br />

This master thesis is concerned with the development and assembly of a demonstration system, of which the control system for the positioning problem consists a video camera and two servo motors.<br />Therefore a manually moveable construction was constructed, on which the camera is installed perpendicular to the floor plane and the servo motors are mounted.<br />Short brackets are installed on the axis of the servo motors, to which a marker pen can be fixed, to draw lines on the floor by moving the construction. Contrary to the visual servoing task, the brackets are outside of the observed area of the camera.<br />As the construction is moved, spots, which are painted on the floor, pass through the image. This spots should be detected and circumscribed.<br />To achieve this, an object tracking outside the camera view is necessary. The required image processing steps are the creation of a binary image out of the input image, the segmentation and the classification of the objects. After that the vector between two subsequent pictures has to be calculated, to figure out the position of the objects outside of the camera view. To get an exact vector of the displacement between two pictures, a high frame rate is necessary.<br />Therefore the software is split into several threads.<br />If an object reaches the operating range of the brackets, it gets circumscribed. For control and development of the demonstration system an operating interface has been implemented.<br />After a long testing phase the results of the evasive movements at different drive and position speeds are satisfying. The position of the objects is exactly calculated and the booms drive around the objects successfully most oft the time.<br />