標(biāo)題: 清潔機(jī)器人制作 [打印本頁(yè)]
作者: wudawei 時(shí)間: 2014-12-31 02:10
標(biāo)題: 清潔機(jī)器人制作
圖1（清潔機(jī)器人的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)草圖）
自從周二考完MT（醫(yī)療技術(shù)）以后，就開始忙著繼續(xù)清潔機(jī)器人的項(xiàng)目。
經(jīng)過2天的忙碌，基本上算是解決了機(jī)器人的定位問題。經(jīng)過這段時(shí)間的實(shí)踐，慢慢的有了點(diǎn)小小體會(huì)。下面結(jié)合一下這2天的進(jìn)度，進(jìn)行個(gè)小總結(jié)。
隨著信息處理技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在幾乎大部分的技術(shù)問題都最終可以轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)問題加以解決。
通常的步驟是：
步驟1，通過傳感器，將實(shí)際的物理或化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；
步驟2，對(duì)步驟1中所獲得的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)物理特征的數(shù)學(xué)含義進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，提取出所需要的數(shù)學(xué)特征；
步驟3，將提取出的數(shù)學(xué)特征再重建為具有物理或化學(xué)意義的信息。
結(jié)合這幾個(gè)小時(shí)做的一點(diǎn)嘗試，做個(gè)簡(jiǎn)單介紹：
技術(shù)問題的描述：
圖2（機(jī)器人定位示意圖）
我們的機(jī)器人系統(tǒng)分為兩部分，一部分是如圖1所示的機(jī)器人主體，里面包括自主運(yùn)動(dòng)單元，清潔單元和通信單元，另一部分就是面對(duì)黑板的視覺部分，包括通信單元和視覺單元。如圖2所示，為視覺單元中的攝像頭拍攝下的圖片。其中黑板上有三個(gè)黑圈的白紙代表我們的小機(jī)器人（其中單獨(dú)黑圈的方向?yàn)闄C(jī)器人的頭部，即前進(jìn)方向。）�，F(xiàn)在，我們要通過這樣的圖片，來識(shí)別出機(jī)器人，求出機(jī)器人所在的空間位置，再將此空間位置通過通信單元發(fā)給機(jī)器人主體，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)的控制。
所以，問題的關(guān)鍵是機(jī)器人的識(shí)別和定位。在上個(gè)學(xué)期的最后一段時(shí)間，已經(jīng)解決了圖片像素和實(shí)際物理空間坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換問題。也就是說，我只要知道了圖片中某一點(diǎn)的像素，那我就知道，該像素所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，在實(shí)際的3D物理空間中的位置。這涉及到計(jì)算機(jī)視覺最主要的任務(wù)，3D場(chǎng)景重建。不過我們用了個(gè)比較取巧的方法，用8個(gè)已知像素及物理空間對(duì)應(yīng)關(guān)系的點(diǎn)來求圖片中任意一點(diǎn)的空間位置。這里相當(dāng)于解決了上面所述的3個(gè)步驟中的步驟3（將提取出的數(shù)學(xué)特征再重建為具有物理或化學(xué)意義的信息。）。具體的算法就不介紹了，效果還是不錯(cuò)的，誤差基本上在幾毫米，屬于可以允許的范圍之內(nèi)。
而現(xiàn)在我們要解決的問題就是：如何從圖2中識(shí)別出，哪一部分是機(jī)器人。即，得到機(jī)器人的像素坐標(biāo)。這就是所述的步驟2。
對(duì)步驟1中所獲得的數(shù)字信號(hào)（即，圖2這樣的數(shù)碼照片），根據(jù)物理特征的數(shù)學(xué)含義進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，提取出所需要的數(shù)學(xué)特征；
好了，現(xiàn)在我們需要考慮，機(jī)器人在視覺/光學(xué)上有什么樣的特征？
通過觀察圖2，我們可以發(fā)現(xiàn)，通常，黑板是大片的某種顏色，其上的字跡是其他顏色，但多為細(xì)長(zhǎng)的線條，幾乎沒有大片相同顏色的圖案出現(xiàn)。所以如果我們將機(jī)器人設(shè)計(jì)成為，具有大片的和黑板不同顏色的上表面的話，那我們的機(jī)器人就具有和黑板及筆跡不一樣的物理特征了。例如在圖2中，背景為白板。那我們可以讓機(jī)器人采用黑色的上表面顏色。
這樣我們就只需要過濾掉顏色淺的部分，和細(xì)的線段就可以得到干凈的幾乎只剩下機(jī)器人的圖片了。
圖3a（原始圖片）
圖3b（經(jīng)過處理后的圖片）
如圖3所示，是經(jīng)過一些處理步驟前后的圖片對(duì)比�？梢钥吹某鰜�，幾乎所有的背景和筆跡都被清除掉了。排除了其他干擾，現(xiàn)在我們只需要想辦法取得機(jī)器人的像素就可以了。好了，繼續(xù)尋找物理特征。我們可以觀察到，機(jī)器人上的點(diǎn)有這樣的特性，是黑色的，且周邊有大片黑色點(diǎn)。據(jù)此，我們引入1個(gè)閥值（threshold），和一個(gè)固定大小的窗口（window）。只要以某一點(diǎn)為中心的窗口內(nèi)，灰度值（gray value）之和超過這個(gè)閥值，我們就判定，該點(diǎn)屬于機(jī)器人。那么，我們從圖片的四個(gè)角開始搜索，所搜索到的頭四個(gè)符合要求的點(diǎn)就是我們機(jī)器人的四個(gè)角。例如在圖3b中，四個(gè)角的像素坐標(biāo)分別是P1(534,1191),P2(567,1392),P3(711,1176),P4(732,1380)。得到了四個(gè)坐標(biāo)，再用上面提到的步驟3的算法，就可以算出，機(jī)器人在真實(shí)世界中的位置了。至此，算是基本解決了上面提到的技術(shù)問題。
當(dāng)然，還有很多其他的方法來解決這個(gè)問題。例如，因?yàn)闄C(jī)器人是運(yùn)動(dòng)的，而背景，如筆跡，黑板則是基本靜止的。那么，我們?cè)谕坏攸c(diǎn)，不同時(shí)間拍下的照片，變化特別大的部分則是機(jī)器人所在的區(qū)域了。其實(shí)，在實(shí)際的項(xiàng)目過程中，會(huì)遇到各種各樣的問題和麻煩，有的時(shí)候，只是因?yàn)橐恍]辦法解決的小問題，而不得不放棄很棒的創(chuàng)意。
謹(jǐn)用此文紀(jì)念一下進(jìn)行清潔機(jī)器人項(xiàng)目的時(shí)光。希望接下來能進(jìn)展順利，早點(diǎn)見到我們的機(jī)器人“聰明”的清掃黑板。
照片描述：深夜依然畫圖試圖解決像素和空間位置的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。
作者: wudawei 時(shí)間: 2014-12-31 02:16
這段時(shí)間太多事情了。今天的computer vision的課取消了，憑空多了兩個(gè)小時(shí)，就趁機(jī)把這段時(shí)間做的Fallstudie給整理一下吧。
經(jīng)過幾次的測(cè)試，正式的把超聲波的方案給放棄了，走回了一開始的攝像頭的方案。雖然這個(gè)方案是我一直想做的，不過說實(shí)話，超聲波方案的Idee還是非常棒的�？上艿匠暡▊鞲衅髯陨�?xiàng)l件的限制。放棄了還是很可惜的。
不過，這樣一來，現(xiàn)在的方案對(duì)我來說，就要熟悉多了，比較能發(fā)揮，做出點(diǎn)東西來。時(shí)間過的太快了。這個(gè)學(xué)期眼瞅著就要結(jié)束了。雖然我們這個(gè)項(xiàng)目號(hào)稱有一年的時(shí)間�？墒浅シ偶俚臅r(shí)間，剩下的時(shí)間也不是那么的充裕了�，F(xiàn)在又要全部重頭再來，需要提速了。只是本來就快要進(jìn)入考試月，很多的東西要去復(fù)習(xí)，而平時(shí)的作業(yè)還一點(diǎn)都沒減少。哎，，時(shí)間啊。。。感慨一下。
從下個(gè)星期開始，組里的幾個(gè)人和頭頭要去意大利參加水下機(jī)器人的比賽。先祝他們能取得好的成績(jī)。去年是第一次參加，好像拿到了還可以的名次。今年是第二次參加，有更多經(jīng)驗(yàn)了，應(yīng)該可以拿到更好的名次。也不知道我們以后是不是也要做水下機(jī)器人的項(xiàng)目。
所以接下來兩個(gè)禮拜的碰頭會(huì)都要取消。我們兩的計(jì)劃是下次碰面的時(shí)候得把定位系統(tǒng)完成。也就是說，要將黑板的坐標(biāo)系和照片坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)起來。為機(jī)器人的行為提供基礎(chǔ)信息。此外還要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人以及黑板的識(shí)別。也就是說，要從一張照片中，能自動(dòng)的分析得到機(jī)器人的位置和黑板的四個(gè)點(diǎn)。幸好我們只是簡(jiǎn)單的2D模型，如果做成3D的話，整個(gè)困難度會(huì)極大的提升。希望一切都順利吧。
PS： 最后再感慨一下傳感器網(wǎng)絡(luò)的作業(yè)。每次都要費(fèi)九牛二虎之力才能完成，真的很費(fèi)心力。不過收獲也相應(yīng)的很大，實(shí)際動(dòng)手的能力就是這樣一點(diǎn)點(diǎn)磨出來的啊。希望最后一次作業(yè)能完美的完成吧！
作者: wudawei 時(shí)間: 2014-12-31 02:16
傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)破傳感器非得在linux下面才可以用，沒得辦法只好用個(gè)虛擬機(jī)，NND又慢問題又多，弄的我真是心身疲憊。我連再買一個(gè)電腦的心都有了。還是寫個(gè)日志，發(fā)發(fā)牢騷透透氣吧。
清潔機(jī)器人在這兩個(gè)禮拜進(jìn)展不大。另外一個(gè)組從網(wǎng)上訂購(gòu)的移動(dòng)裝置的配件到了，幾個(gè)人興奮的進(jìn)行組裝測(cè)試了一個(gè)下午。機(jī)器人雖然在黑板上可以行走，可是問題不少。比如因?yàn)橹亓Φ脑�，很難走好直線，總是往下走。而且對(duì)于寫的比較用力的粉筆字，擦的也不是很干凈。
而我這組的傳感器部分就進(jìn)展更緩慢了。雖然暫定了超聲波測(cè)距的方案，也從實(shí)驗(yàn)室拿了板子和傳感器。可是我們兩個(gè)從來沒怎么玩過單片機(jī)和傳感器的人，對(duì)怎么實(shí)現(xiàn)對(duì)接和編程很是頭痛。只得上網(wǎng)找一堆的資料看，要么英文要么德文，看的那叫一個(gè)慢呀！想找中文的？有用的技術(shù)資料少之又少，多是些簡(jiǎn)單原理介紹和簡(jiǎn)單應(yīng)用。這些維基百科上都已經(jīng)有了，沒多少用處�；蛘呔透纱嘀皇琴u產(chǎn)品的。從這點(diǎn)就可以看出技術(shù)基礎(chǔ)上的差距了。想想要是在國(guó)內(nèi)，連維基都有時(shí)上不了，可憐吶。明天早上又要碰頭了，都不知道有什么好匯報(bào)的。就是這個(gè)當(dāng)時(shí)看來最簡(jiǎn)單的方案，細(xì)細(xì)做起來，發(fā)現(xiàn)也不簡(jiǎn)單，成本也不低。
順便說點(diǎn)別的事兒吧，
上周五游泳的時(shí)候突然開竅，能游起來了。HOHO，爽呀�，F(xiàn)在每周的游泳真是讓人期待啊。
這周五去柏林玩兩天，周日回。學(xué)校的一個(gè)外國(guó)學(xué)生俱樂部組織的，好像從DAAD還是哪有得到資助。所以所有費(fèi)用加起來不到30歐。真是劃算至極啊。可惜好像沒有什么朋友在柏林那讀書的。
雖然因此周末沒空，這幾天得加班加點(diǎn)的趕作業(yè)，不過依然一想到就心情大好。
恩，還有上周五的火鍋吃的太爽了。
又是吃又是玩的，心情不錯(cuò)。繼續(xù)龜速學(xué)習(xí)。。。
作者: wudawei 時(shí)間: 2014-12-31 02:16
這個(gè)學(xué)期的Fallstudie選的是黑板清潔機(jī)器人。一組7個(gè)學(xué)生，在一年的時(shí)間里做一個(gè)自動(dòng)清潔黑板的機(jī)器人。在這里邊做點(diǎn)總結(jié)，邊整理整理一些體會(huì)。
在第二次周會(huì)的時(shí)候，大家暫定了主要的技術(shù)指標(biāo)，其中包括：
1， 90秒的時(shí)間內(nèi)，清潔完一塊1.2x2m的黑板；
2， 連帶水箱一起，重量不超過4kg；
3， 機(jī)器人自動(dòng)定位，自主行走，自動(dòng)清潔黑板。
同時(shí)，我和Ibrahim組成一個(gè)小組，主要任務(wù)是機(jī)器人行為和傳感器部分。主要是因?yàn)樯蟼�(gè)學(xué)期修的移動(dòng)機(jī)器人和這個(gè)學(xué)期修的傳感器網(wǎng)絡(luò)的原因。在最近的這次周會(huì)上，決定采用Ibrahim的超聲波定位的方案。非常簡(jiǎn)單，而且有效，比我自己的想法好多了，值得學(xué)習(xí)。
接下來的是將思路實(shí)現(xiàn)成具體產(chǎn)品。這就需要到市場(chǎng)上采購(gòu)可用的零配件了。這個(gè)時(shí)候就很能體會(huì)到這個(gè)方案的好處了。一些方案在腦子里的時(shí)候，總覺得很簡(jiǎn)單就可以實(shí)現(xiàn)。或者肯定已經(jīng)有成熟的技術(shù)。可是一旦真的要把這些設(shè)計(jì)方案做成可以摸得到可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的產(chǎn)品時(shí)，就發(fā)現(xiàn)困難重重。簡(jiǎn)單，實(shí)用才是王道！而這也凸顯了自己在實(shí)際動(dòng)手能力方面和德國(guó)學(xué)生的差距。就在我還在停留于理解概念，在紙上寫寫畫畫的階段。他們大多已經(jīng)有不少實(shí)際的動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然還有一個(gè)差距的就是體現(xiàn)在教育的投入。整個(gè)材料零件都可以報(bào)銷。這樣一個(gè)小組的預(yù)算至少是幾百歐，就是讓我們做一個(gè)大玩具。類似的Fallstudie是每個(gè)學(xué)生都需要完成的。而這要放在中國(guó)，至少在我以前的學(xué)校是不可想象的。我想我們當(dāng)時(shí)類似的只有金工實(shí)習(xí)了，做的都是類似榔頭之類的。哎，難怪我們賣的都是榔頭，他們賣的都是機(jī)器。
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