Архив Галактики

Научно-техническое творчество. История успеха #1

Копосов Д.Г. / 28.06.2015

Это воспоминания... Хотя можно назвать и рефлексией... В 2014 году все учащиеся профильного физико-математического класса проводили исследовательские работы. Хочется сейчас представить эволюцию одного исследования.

Темой исследования стала "Организация системы машинного зрения при использовании руки-манипулятора". Выполнили его: Волокитин Илья Александрович, Тарасов Кирилл Дмитриевич, Архангельск, МБОУ ОГ №24, 2014 год


Краткие тезисы работы

Современные автономные системы в условиях динамически меняющегося окружения способны выполнять ряд трудоемких работ, которые сопряжены с риском для жизни человека: разминирование, ремонт трубопроводов, мониторинг в агрессивных средах, автоматизация технологических процессов на производстве. Исследования в области робототехнических систем для решения задач обеспечения безопасности, охраны, ухода за больными, когда необходимо постоянное присутствие другого человека становится все более и более актуальными.
Техническое зрение — одна из самых перспективных областей автоматизации.

На 3-й Научно-технической конференции «Техническое зрение в системах управления — 2012», организатор которой — Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук, было отмечено, что для робототехники на данный момент практически важными являются вопросы разработки программно-аппаратных средств систем технического зрения.
Объектом исследования является возможность реализации простой технологии машинного (технического) зрения, используемой в робототехнике.
Цель проекта: реализовать его на практике простую систему машинного (технического) зрения для руки-манипулятора с 6-ю степенями свободы, используя при этом аппаратно-вычислительную платформу Arduino в качестве системы управления.

Уникальность исследования заключается в том, что в результате была создана машина (роботизированная рука-манипулятор), которая может не просто распознавать объекты на поверхности, но при этом может совершать с ними определенные (необходимые и настраиваемые) действия.
Современные системы машинного (технического) зрения являются очень дорогостоящим оборудованием. И интеллектуальные датчики, и системы обработки (управления) — это всегда уникальные и инновационные разработки.

По этой причине, во-первых, был выбран путь исследования самой простейшей системы, базирующийся на датчике освещенности, который позволяет определять и цвет поверхности, которая перед ним находится (в градациях серого).
Во-вторых, было принято решение создать собственное устройство на основе плат-формы Arduino и самостоятельно собрать роботизированную руку-манипулятор. Собрав такую систему можно будет продемонстрировать и изучить на практике систему машинного (технического) зрения, осуществляя поиск предметов с помощью датчика освещенности и определения цвета поверхности.

Собранное устройство состоит из трех основных частей:
1)руки-манипулятора с 6-ю степенями свободы (6 сервоприводов);
2)системы управления на базе платформы Arduino UNO;
3)датчика определения цвета поверхности и кнопочного включателя.

В ходе исследования первой неожиданной проблемой стало поведение сервоприводов, которые обеспечивали позиционирование руки-манипулятора в пространстве. Каждый из сервоприводов вносил свою погрешность, а так как всего их было 6 штук, то пришлось провести большое число экспериментов для каждого из сервоприводов, чтобы найти компенсирующие коэффициенты при написании программы управления движением.
Если более точно, сервопривод — это привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения. Сервоприводом является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик (положения, скорости, усилия и т.п.) и блок управления приводом, автоматически поддерживающий необходимые параметры на датчике и устройстве согласно заданному значению. После изучения составных модулей руки-манипулятора и среды программирования возникла идея как реализовать и продемонстрировать работу системы машинного (технического) зрения.

Подробнее опишем получившееся устройство.



Рука-манипулятор, собранная самостоятельно, представлена на рис. 1. Она состоит из шести сервоприводов («A»…«F»).
Сервоприводы «В» и «С» наиболее мощные, так как именно в этих местах нагрузка может быть самой высокой. Эти сервоприводы могут выдерживать максимальный вес в 15 кг/см (модель DFRobot DF15MG). Остальные же приводы рассчитаны на 5 кг/см (модель DFRobot DF05BB). Рука-манипулятор была установлена на деревянном основании. Поверх него расположена белая пластиковая площадка — так называемое поле действия нашего устройства. Датчик освещенности и определения цвета поверхности поместили на захват руки, так как именно эта часть будет осуществлять захват обнаруженных объектов.



Собранная рука, двигаясь по белой поверхности, считывала определяла освещенность поверхности, и, как только какой-либо предмет попадет в ее поле зрения, машина останавливалась, осуществляла захват объекта и выносила его за пределы поля (в указанное место). Далее возвращаясь в предыдущее положение и продолжала поиск до тех пор, пока не очистит всею поверхность. Обнаруженные объекты будут складываться в указанное (определенное) место. С помощью программного управления была полностью автоматизирована работа устройства.
Стоит отметить, что организовать процесс плавного позиционирования руки в трехмерном пространстве было достаточно трудоемко и сложно. Необходимо было учитывать время реакции сервоприводов на полученные команды. Процедура настройки (сборки) руки также была интересна и представляла собой отдельное исследование: нулевые положения у всех сервоприводов были разные и каждое такое положение приходи-лось определять экспериментальным путем.



С помощью руки-манипулятора удалось организовать простую систему машинного зрения. Собранное устройство успешно выполняет задачи, и наглядно демонстрирует систему технического зрения на практике.
Такую машину можно рассматривать как прототип системы, которая часто используется в промышленности, например, для обнаружения дефектов на поверхности или для очистки ее от посторонних предметов.
Дальнейшее исследование имеет широкие перспективы. Интересным направлением может стать управление рукой-манипулятором посредством локальной сети или сети Интернет.
В любом случае, актуальность темы машинного (технического) зрения в наше время не пропадет, и любое новшество в этой области найдет положительный отклик в современном мире.


Работа в 2014 году заняла 2 место в престижной у нас в Архангельской области конференции "Юность Поморья". Кроме этого данная работа вдохновляла более младших школьников заниматься инженерным творчеством.

Наступил сентябрь 2014 года. 11 класс. Впереди сочинение и ЕГЭ по 4 предметам. До исследований ли?
Понимая, что ждет впереди я даже не предлагал... Но видимо я все-таки не зря работал...

Родилось новое исследование "Реализация распознавания роботом цветов и объектов, с помощью видеокамеры". Ученики те же
Волокитин Илья Александрович, Тарасов Кирилл Дмитриевич, Архангельск, МБОУ ОГ №24, 2015 год

Суть нового исследования

В настоящее время любая отрасль промышленности стремится повысить показатели качества, экономичности, безопасности и скорости производительности. Почти каждое предприятие на сегодняшний момент пытается автоматизировать производство. Именно поэтому вопрос организации технического зрения остро поставлен перед производителями и имеет огромную актуальность в наши дни.
Объектом исследования является возможность реализации технологии машинного зрения (технического) зрения, используемой в робототехнике.

Цель проекта: глубже разобраться в системе машинного зрения и реализовать его на практике, используя контроллер ТРИК.

Уникальность исследования заключается в том, что в результате была построен робот, который может распознавать объекты c помощью Web-камеры и совершать в необходимые и настраиваемые действия.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1)изучить технологию машинного зрения; выбрать наиболее рентабельную технологию, которую можно реализовать в условиях образовательного учреждения;
2)выбрать и изучить оборудование для физической реализации проекта;
3)собрать устройство и написать для него программы, демонстрирующие систему машинного зрения.

Наиболее интересен выбор в пользу контроллера ТРИК. Эта платформа лучше всего подходит по соотношению цена/качество. При этом с данным контроллером совместимы все имеющиеся в нашем распоряжении периферийные устройства: аналоговые датчики, сервомоторы, цифровые сенсоры.
В ходе исследования основной проблемой являлось отсутствие какой-либо информации по контроллеру, за исключением одного лишь сайта разработчиков. Таким образом, работе предстояло быть по-настоящему новой и исследовательской.

Важным фактором, при выборе платформы оказалась информация, что ТРИК на данный момент еще находится в разработке и бета-тестирования. Это позволило обсуждать идеи с преподавателями Санкт-Петербургского государственного университета – разработчиками ТРИК.
Методом проб и ошибок удалось разобраться в принципе работы моторов, датчиков и камеры.
В результате, был собран робот на двух двигателях. Сверху закреплена камера, с помощью которой и будет осуществляться работа устройства, основанная на принципе машинного зрения.





Многие крепежные элементы моделировались в программе OpenSCAD, предназначенной для моделирования твердотельных объектов и распечатывались на 3D-принтере.
Работа робота сопряжена с работой камеры. Именно она выполняет функцию зрения машины. Была выбрана камера модели OV7670, так как она идеально подходит по качеству изображения к дисплею контроллера и отличается своей относительно невысокой ценой.

Видео-модуль OV7670 состоит из недорогой матрицы и сигнального процессора, который способен передавать изображение с разрешением до 640x480 (VGA или 0.3 мегапикселя) с частотой 30 кадров в секунду. Камера работает в формате RGB, имеет хорошую чувствительность в условиях плохой освещенности, низкое напряжение питания.
Для более эффективной обработки данных получаемых с камеры необходимо было создать дополнительный объектив, позволяющий уменьшить изображение объекта на экране контроллера ТРИК, получаемого с камеры.




Рис.3. Камера OV7670 и дополнительный объектив

Собранное устройство (робот) может работать в трех режимах:
1. Режим контроля объекта.
2. Режим определения цвета объекта или поверхности.
3. Режим проверки на наличие объекта в поле зрения камеры.



С помощью собранного вручную робота на основе контроллера ТРИК удалось организовать систему машинного зрения и продемонстрировать ее на практике в нескольких режимах. Такое устройство можно рассматривать как прототип системы, широко использующейся в промышленности, например, для обнаружения посторонних объектов на производстве.
Дальнейшее исследование имеет широкие перспективы. Планируется отладить работу робота в полностью автономном режиме, уменьшить погрешности в работе камеры. Также будет проводиться работа по изменению конструкции робота, чтобы выбрать более оптимальные конфигурации для выполнения тех или иных задач.
В любом случае, актуальность темы машинного зрения в наше время не пропадет, и любое новшество в этой области найдет положительный отклик в современном мире.


Это тоже тезисы ребят. Работа также заняла 2 место в престижной у нас в Архангельской области конференции "Юность Поморья" и 1 место на VI Конкурсе научно – исследовательских работ учащихся в области естественных наук и информатики, проводимого Институтом естественных наук и технологий ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» в рамках ежегодных Ломоносовских чтений студентов, аспирантов и молодых ученых.

Работа вызвала большой ажиотаж у маленьких будущих исследователей на разных выставках, в которых участвовали ребята.


Молодцы ребята. Но успех ведь не в этом. Им нравится исследовать и есть так нужный сейчас... балл на ЕГЭ.
У Ильи - 230 (+диплом с отличием), а у Кирилла - 260 (это математика+русский+физика).
Кроме того оба они победители муниципального и регионального этапа ВОШ по физической культуре (разных лет), удостоились чести нести Вахту Памяти в Архангельске. Оба закончили класс с углубленным изучением музыки.
Скоро они выберут тот технический вуз, который выведет их на новые высоты.
STEM forever!!!