Tesis doctorales: TESEO

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Ministerio de Universidades - Gobierno de España

Título: ARQUITECTURA EMBEBIDA EN FPGA PARA CONTROL VISUAL DINÁMICO BASADO EN IMAGEN DE ROBOTS MANIPULADORES
Autor: Alabdo, Aiman
Universidad: Universidad de Alicante
Departamento: Física, ingeniería de sistemas y teoría de la señal
Fecha de Lectura: 04/07/2017
Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Automática y Robótica
Dirección:
- POMARES BAEZA, JORGE (DIRECTOR)
- GARCÍA GÓMEZ, GABRIEL JESÚS (CODIRECTOR)
Tribunal:
- TORRES MEDINA, FERNANDO (PRESIDENTE)
- Corrales Ramón, Juan Antonio (SECRETARIO)
- SEBASTIÁN Y ZÚÑIGA, JOSÉ MARÍA (VOCAL)
Descriptores:
- ROBOTICA
- SISTEMAS DE CONTROL
- TRATAMIENTO DIGITAL DE IMAGENES
Fichero de tesis:

http://hdl.handle.net/10045/72504

Marcador: https://www.educacion.gob.es/teseo/mostrarRef.do?ref=1466526Añadir a favoritos.
Resumen:
1- Motivación: Actualmente, los sistemas de visión artificial están integrados en un gran número de aplicaciones industriales, ya sea como método de detección de defectos en líneas de producción, para el reconocimiento de objetos o patrones, o como método para el escaneado de superficies, por ejemplo. Dentro de estas aplicaciones industriales cabe destacar los sistemas de control visual para el guiado de manipuladores robóticos. El principal objetivo de los sistemas de control visual es la utilización de visión artificial como herramienta para el guiado de los robots. Estos sistemas de control se realimentan con la información captada por una o varias cámaras, de forma que dicho controlador se encarga de establecer las acciones de control oportunas para guiar al manipulador en su tarea. Como se describirá a lo largo de la presente Tesis, los sistemas de control visual están ampliamente extendidos, ya no sólo en los laboratorios de investigación, sino también en un amplio rango de aplicaciones que va desde la robótica industrial a la de servicios. Uno de los aspectos que ha propiciado el auge de los sistemas de control visual, su difusión, y la extensión de sus aplicaciones, ha sido la capacidad de captura y procesamiento de las cámaras de visión actuales, así como de los equipos empleados para su procesamiento. Esto ha permitido procesar mayor cantidad de información en menor tiempo, evitando los posibles retardos existentes y guiando al robot de una forma flexible. A pesar de los esfuerzos realizados en la última década con el objetivo de mejorar distintos aspectos en el desempeño de estos sistemas de control visual, aún en la actualidad existe un gran número de líneas de investigación abiertas dentro de las cuales cabe destacar la implementación embebida de los sistemas de control visual, así como optimizar sus tiempos de procesamiento, con el propósito de conseguir su ejecución en tiempo real. Como se ha indicado anteriormente, la utilización de un sistema de control visual para el guiado de manipuladores requiere la utilización de visión artificial en la realimentación del sistema de control, por lo tanto, es necesario procesar gran cantidad de información en cada iteración del bucle de control. A menudo, este procesamiento constituye el principal retardo en estos sistemas de control. Este tiempo de procesamiento puede reducirse empleando, entre otros métodos, procesamiento paralelo. Por otro lado, una FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array) es un hardware programable que contiene bloques de lógica cuya interconexión y funcionalidad puede ser configurada 'in situ' mediante un lenguaje de descripción especializado. A lo largo de la Tesis se describirá la utilización de algoritmos implementados sobre FPGA con el propósito de no sólo implementar los procesamientos necesarios en las imágenes capturadas, sino también cada uno de los elementos implicados en las tareas de control visual. Dentro de los sistemas de control visual cabe destacar los denominados sistemas de control visual directos. Estos controladores se distinguen de los indirectos o cinemáticos en que tienen en cuenta las características dinámicas del robot controlado. Así, la acción de control de los sistemas de control visual directo se compone de los pares articulares a aplicar al manipulador guiado. A lo largo de la Tesis se realizará la formulación de un nuevo sistema de control visual para el seguimiento de trayectorias, así como su implementación optimizada sobre FPGA. En la mayoría de las ocasiones, a la hora de implementar controladores visuales directos se realiza un desarrollo e implementación ‘ad hoc’ para un robot específico. Es decir, la implementación realizada es adecuada para el manipulador considerado, pero difícilmente puede ser extendida a otro manipulador con diferentes características cinemáticas y dinámicas. En la presente Tesis se presenta una arquitectura embebida reconfigurable para el control visual directo de robots manipuladores basada en FPGAs. Esta arquitectura puede ser fácilmente adaptada para el control de cualquier robot articular. Tal y como se describirá a lo largo de esta Tesis, la arquitectura propuesta será modular y flexible para poder adaptarse a posibles cambios que puedan producirse como consecuencia de la incorporación o modificación del driver de control, o incluso a cambios en la configuración del sistema de adquisición de datos. En estos grandes rasgos se encuadra la Tesis Doctoral, sin embargo, no sólo se ha pretendido aportar nuevos algoritmos para evitar las limitaciones de los existentes, sino que se ha evaluado el impacto de los mismos para su implantación en entornos reales. Así, se ha realizado la implementación de los distintos controladores empleando la arquitectura software y hardware propuesta para el control de dos robots. Un robot industrial comercial de 7 grados de libertad: Mitsubishi PA10, y otro robot de 3 grados de libertad cuyo diseño e implementación se ha realizado en el grupo de investigación en el que se ha desarrollado la Tesis. 2- Desarrollo teórico: El objetivo general de la Tesis es el desarrollo de una arquitectura basada en FPGA para la implementación de nuevas leyes de control visual directo. Este objetivo general se puede desglosar en los siguientes puntos: • Diseño e implementación de una arquitectura hardware optimizada para sistemas de control visual directo. A pesar de no existir previamente arquitecturas similares basadas en FPGA para la implementación de sistemas de control visual directo basados en imagen, se realizará un estudio de sistemas de control con características similares. Este estudio será el punto de partida para la arquitectura desarrollada. • Diseño e implementación de una arquitectura software abierta basada en FPGA para la implementación de sistemas de control visual directo. Esta arquitectura, conjuntamente con la arquitectura hardware permitirán que pueda aplicarse los controladores a distintos robots aprovechando la reconfigurabilidad de las FPGAs. • Diseño e implementación de sistemas de visión para control visual basados en FPGA. Haciendo uso de la arquitectura hardware anteriormente comentada se desarrollarán algoritmos de visión basados en FPGA para ser utilizados como realimentación del bucle de control de estos sistemas. • Formulación de leyes de control visual directo basados en imagen para el seguimiento de trayectorias. Se diseñarán leyes de control visual directo entre las que cabe destacar controladores basados en dinámica inversa para el seguimiento de trayectorias especificada en el espacio imagen. • Optimización e implementación paralela basada en FPGA de los sistemas de control visual directo. Se optimizarán cada uno de los cálculos necesarios para implementar un sistema de control visual directo basado en imagen. Se estudiará su paralelización y su implementación basada en FPGA. 3- Conclusión: Las investigaciones presentadas a lo largo de la Tesis se han centrado en un objetivo fundamental, y a la vez crítico, en los sistemas de control visual directo como es la mejora del desempeño de su funcionamiento mediante el uso de controladores basados en FPGAs. Para alcanzarlo ha sido necesario abordar investigaciones previas que a su vez han constituido las distintas aportaciones científicas que conforman la presente Tesis. En primer lugar, ha sido necesario definir, diseñar, construir, implementar y programar la arquitectura hardware necesaria para dar soporte a los controladores propuestos. Así, en el Capítulo 3 se ha descrito dicha arquitectura basada en FPGA, en la que se presta especial atención a la reducción en los tiempos de cadencia, procesamiento paralelo, e incluso en la posibilidad de aplicarse a distinto tipo de robots. La flexibilidad de la arquitectura diseñada y la reconfigurabilidad de las FPGAs es clave en este aspecto. Los sistemas de control visual directo requieren realizar la extracción de características visuales necesarias para realizar el guiado del manipulador. Como se ha comprobado a lo largo de la Tesis, la mayoría de los retardos en estos sistemas proceden de los sistemas de visión artificial empleados (tanto en el proceso de captura como en el procesamiento necesario para extraer la información útil de la imagen). En el Capítulo 4 se han descrito los algoritmos de visión artificial así como el procesamiento paralelo basado en FPGAs propuesto para obtener dicha información visual. Se propone el diseño de un cauce segmentado, que permite ejecutar en tiempo real el flujo de datos proporcionado por el digitalizador. De esta manera, la FPGA realiza el procesamiento de cada píxel para segmentar la imagen y etiquetar los objetos de la escena y posteriormente obtener su centroide. Se comprueba que el cauce segmentado permite trabajar a la frecuencia máxima de la cámara reduciendo así al máximo la necesidad de uso de memoria en la FPGA. Una vez definida la arquitectura y los algoritmos de visión artificial, queda implementar el núcleo fundamental de los sistemas de control visual como es el controlador directo. Así, se ha definido un nuevo sistema de control visual directo basado en imagen para el seguimiento de trayectorias dependientes del tiempo. Estos controladores emplean la información visual para generar los pares articulares requeridos, con el objetivo de conseguir el seguimiento de la trayectoria deseada en el espacio imagen. Una vez definido este controlador se propone una implementación de los distintos componentes del controlador basada en FPGA. Debido a la optimización de recursos de la FPGA llevada a cabo tal y como se describe en el Capítulo 3, es posible realizar la implementación en la FPGA de distintos controladores visuales. De esta manera, se han implementado en la FPGA otros controladores visuales directos clásicos como el basado en Jacobiana transpuesta u otros basados en control óptimo que permiten ajustar su precisión dependiendo de la función de peso seleccionada. Esto permite, no sólo comparar el comportamiento de los distintos controladores, sino también evaluar la arquitectura y la mejora obtenida al usar una implementación basada en FPGA. Para validar los distintos controladores implementados sobre la FPGA y poder comparar sus comportamientos con respecto a sistemas implementados sobre GPPs, se emplean dos robots manipuladores: COOPER, un robot planar de 3 gdl; y el Mitsubishi PA10, un robot antropomórfico de 7 gdl. Los resultados obtenidos permiten verificar tanto la disminución en los retardos como la obtención de tiempos de latencia uniformes y predecibles. 4- Bibliografía consultada: [Chaumette-2006] Chaumette, F.; Hutchinson, S. “Visual Servo Control, Part I: Basic Approaches”. IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 13, no. 4, pp. 82-90, Dec. 2006. [Chaumette-2007] Chaumette, F.; Hutchinson, S. “Visual Servo Control, Part II: Advanced Approaches”. IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 14, no. 1, pp. 109-118, Mar. 2007. [Liyanage-2014] Liyanage, M. H.; Krouglicof, N., (2014) “A Single Time Scale Visual Servoing System for a High Speed SCARA Type Robotic Arm” Proc. IEEE International Conference on Robotics & Automation, pp. 4153 – 4160. [WangS-2016] Wang, S.; Ye, A.; Guo, H.; Gu, J.; Wang, X.; Yuan, K. "Autonomous pallet localization and picking for industrial forklifts based on the line structured light," 2016 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, Harbin, 2016, pp. 707-713. [Dhipa-2015] Dhipa, M.; Jeyakkannan, N.; Chandrasekar, A. "Hardware accelerated stereo imaging for visual servoing," 2015 Online International Conference on Green Engineering and Technologies (IC-GET), Coimbatore, 2015, pp. 1-4. [HuJS-2011] Hu, J. S.; Chang, N Y. C.; Yang, J. J.; Wang, J. J.; Lossio, R. G.; Chien, M. C.; Chang, Y. J.; Kai, C. Y.; Su, S. H. “FPGA-based Embedded Visual Servoing Platform for Quick Response Visual Servoing” 8th Asian Control Conference, 2011. [Jwu-Sheng-2011] Jwu-Sheng, H.; Yen-Chung, N.; Jwu-Jiun, Y.; Jyun-Ji, W.; Gondim, R.; Ming-Chih, C.; Yung-Jung, C.; Chen-Yu, K.; Shyh-Haur, S., (2011) “FPGA-based Embedded Visual Servoing Platform for Quick Response Visual Servoing” Proc Asian Control, pp. 263-268. [Tu-2011] Tu, Y. W.; Ho, M. T. Design and implementation of robust visual servoing control of an inverted pendulum with an FPGA-based image co-processor. Mechatronics 2011, 21, 1170-1182. [ParkJH-2009] Park, J.H.; Lee, Y.J. “Robust visual servoing for motion control of the ball on a plate,” Mechatronics, vol. 13, no. 7, pp. 723–738, Sep. 2009. [ZhangL-2012] Zhang, L.; Slaets, P.; Bruyninckx, H., (2012) “An open embedded hardware and software architecture applied to industrial robot control”, Proc IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, pp. 1822–1828. [ZhangL-2014] Zhang, L.; Slaets, P.; Bruyninckx, H., (2014) “An open embedded industrial robot hardware and software architecture applied to position control and visual servoing application”, International Journal of Mechatronics and Automation, vol.4, no.1, pp.63-72. [Bruyninckx-2001] Bruyninckx, H., 2001. Open robot control software: the orocos project. In: In IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA’01), vol. 3, pp. 2523-2528. [PérezC-2008] Pérez, C. Control de robots manipuladores usando información visual: Aplicación a la estimación del movimiento del objeto. Tesis Doctoral, 2008.

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