Gezgin Robotlar için Görüntü Tabanl Konumland rma Sistemi

Transkript

1 Otomatik Kontrol Ulusal Toplant s, Kas m 8, TOK'8, Istanbul Gezgin Robotlar için Görüntü Tabanl Konumland rma Sistemi Alpaslan Yufka 1, O uzcan Dobrucal 1, Burak Kaleci 1, Metin Özkan 1, Osman Parlaktuna 1 1 Elektrik ve Elektronik Mühendisli i Bölümü Eski ehir Osmangazi Üniversitesi, 2648, Me elik, Eski ehir {ayufka,odobrucali,burakaleci}@gmail.com; {meozkan,oparlak}@ogu.edu.tr Özetçe Bu çal mada, iç ortamlarda gezgin robotlar n seyrüseferleri esnas nda ihtiyaç duyduklar konum bilgisini sa lamak için görüntü tabanl bir sistem sunulmaktad r. Bu sistem, tavana yerle tirilen kameralardan al nan görüntüler üzerinden robotlar n konumlar n n saptanmas n ve bu konum bilgisinin robotlara ula t r lmas n sa layan iki k s mdan olu maktad r. Kameralardan sa lanan görüntüler, kameran n pozisyonu, geni aç l mercekler ve ortamdaki de i en k iddeti gibi nedenlerle bozulmalara u ramaktad r. Çal mada bozulmalar tan mlayan bir fonksiyon kullan larak robotlar n konum bilgileri hesaplanmaktad r. Hesaplanan konum bilgisi geli tirilen mesaj tabanl bir haberle me yap s ile robota iletilmektedir. Geli tirilen konumland rma sistemi, gerçek ortamda gezgin robot kullan larak yap lan uygulamalar ile birlikte sunulmaktad r. 1. Giri Günümüzde, gezgin robotlarda konumland rma temel problemlerden birisidir. Robotlar n üzerinde bulunan alg lay c larla ortamdan bilgi toplanmakta ve bu bilgilerin de erlendirilmesi ile birlikte robotun konumu belirlenmektedir. Bu do rultuda, çe itli algoritmalar önerilmi tir [1]. Ancak, her ortamda bu yakla mlar n ba ar l sonuçlar vermesi beklenemez. Ortamdan sa lanan bilgilerdeki hatalar ve ortamdaki de i imler, robotun konumunu belirlemedeki ba ar s n etkileyecektir. Bu nedenle, aç k ortamlarda küresel konumland rma sistemi (GPS) kullan lmaktad r. Kapal ortamlarda da benzer sistemlerin kullan m na ihtiyaç duyulmaktad r [2,3,4]. Bu çal mada, görüntü tabanl bir konumland rma sistemi sunulmaktad r. Bu sistem, temelde iki k s mdan meydana gelmektedir. Bu k s mlar: Kapal ortamlarda tavana sabitlenmi kamera kullan m yla konumland rma ve hesaplanan konum bilgisinin gezgin robotlara iletilmesi için bir haberle me yap s eklindedir. Tavana yerle tirilen geni aç l merce e sahip kameralar, robotlar üzerine yerle tirilen yapay imlerinin tan nmas ve konumlar n n belirlenmesinde kullan lmaktad r [5]. Seyrüsefer esnas nda kullan lmak üzere elde edilen bu konum bilgisinin robotlara ula t r lmas n sa layan bir mesajla ma yap s tan mlanmaktad r. Önerilen bu konumland rma sistemi, gezgin robot ile yap lan uygulamalar ile sunulmaktad r. Çal man n yap s u ekildedir: Bölüm 2'de, genel konumland rma problemleri ve çözüm yakla mlar, Bölüm 3'de önerilen yöntem, Bölüm 4'de gerçekle tirilen uygulamalar ve Bölüm 5 de ise, sonuçlar ve öneriler verilmektedir. 2. Konumland rma Problemleri ve Çözüm Yakla mlar Gezgin robotlarda, konumland rma önemli problemlerden biridir. Gezgin robotlardan beklenen görevler genellikle, noktalar aras nda yol almay içermektedir. Sürekli hareket halindeki robotlar n pozisyon ve yön bilgisinin bilinmesi gerekir. Gezgin robotlar n konum ve yönlenme bilgisinin hesaplanmas nda; kör gidi (dead-reckoning), harita kar la t rmal, yer imi (landmark) tabanl ve küresel konumland rma sistemi (GPS) gibi çe itli yakla mlar bulunmaktad r. Gezgin robotlarda yayg n olarak kullan lan kör gidi yöntemi, tümlevli yol sayaç (encoder) ölçümleri sonucu elde edilen konum ve yön tahminini içermektedir. Yol say c n n ucuz olmas n n yan nda kullan c ya yüksek örnekleme h z ve k sa mesafelerde yüksek do ruluk sa lama gibi avantajlar bulunmaktad r. Fakat bu yöntemde gezgin robotun sürü hatalar ve tekerleklerinin birbirleriyle özde olmamas gibi nedenlerden dolay, uzun mesafeler kat edildi inde konum bilgisinin güvenilirli i oldukça azalmaktad r [6]. Ayr ca, küresel koordinat sistemine göre ba lang ç konumunun bilinme gereklili i vard r. Harita kar la t rma yönteminde, gezgin robotun alg lay c lar taraf ndan ortamdan sa lanan mesafe ve belirli özellik bilgileri, önceden belle ine depolanm harita ile kar la t r larak konumland rma i lemi gerçekle tirilir [7]. Yeterince ve güvenilir alg sal bilginin ve bu bilgilerin de erlendirilmesi için yüksek i lem gücünün mevcut olmas gerekmektedir. Kar la t rmada kullan lan haritan n gerçek ortam do ru temsil etmesine ihtiyaç vard r. Yer imi tabanl gezinim yönteminde, pozisyonlar önceden bilinen yer imleri kullan larak gezgin robotun konumland r lmas yap l r [8]. Ortamda do al olarak bulunan özelliklerin yer imleri olarak kullan lmas n n yan nda, yapay olarak ortama konulan yer imleri de kullan lmaktad r. Yer imleri çokgen, yuvarlak ve çizgi gibi geometrik ekiller olabilir. Bu yöntemde, bilinen yer imi pozisyon ve yönelim bilgilerinin gezgin robotun belle ine önceden depolanm olmas gerekmektedir. Bu yöntemin uygulanabilmesi için yer imlerinin gezgin robotun alg lama sahas ve çal ma ortam içerisinde olmas beklenmektedir. Küresel konumland rma sistemi (GPS), uydulardan yay nlanan sinyallerin kullan lmas ile konum ve yönelim bilgilerinin hesaplanmas n kapsayan bir yöntemdir. Aç k alanlarda yayg n olarak kullan lan etkin bir konumland rma sistemidir. Bu yöntemin dezavantaj, uydudan gelen 47

2 sinyallerin kötü hava ko ullar ve a aç, bina, v.b. gibi di er engeller taraf ndan yitirilmesidir [9]. 3. Önerilen Yöntem 3.1. Konumland rma Alg sal veri kayna olarak kameralar n kullan ld durumlarda görüntüde olu an bozulmalar genellikle sorun te kil etmektedir. Bu bozulmalar, kamera ve ortamdaki de i imlerden kaynaklanabilir. Kamera kaynakl bozulmalar genellikle, kameran n e ik olarak monte edilmesi ve geni aç l mercek kullan lmas durumunda ortaya ç kmaktad r. Ortam kaynakl bozulmalara ise, n yo unlu u ve yönü neden olmaktad r [1]. Gezgin robotlar n, tavana yerle tirilen tepe kameras ile al nan görüntülerden tan nmas ve konumland r lmas için, robotlar n üstüne özel olarak tasarlanm imler yerle tirilmektedir. Bu imlerin yap s ekil 1 de gösterilmektedir. mlerdeki her üç k s mda konumland rma için gerekli bilgileri sa lamaktad r. ekil 1: Gezgin robotlar tan mlamada kullan lan imlerin yap s n n gösterimi mlerin saptanmas, öncelikle im s n rlay c s n n alg lanmas ile sa lanmaktad r. Al nan görüntüdeki im s n rlay c lar ortamdaki robotlar belirtmektedir. Daha sonra, im tan mlay c s ndan robotun kimli i ve im yön belirtecinden de robotun yönelme bilgisi elde edilmektedir. Temelde, robotun konumunu belirlemek üzere, her bir görüntü hücresinin (piksel) ortamda tan mlad mesafe de erinin kullan m ile imin görüntüdeki konumundan ortamdaki konumu hesaplanabilmektedir. Ancak, görüntü bozulmalar nedeniyle, görüntüdeki hücreler ile gerçek ortamdaki boyutlar aras nda do rusal bir dönü üm tan mlamak pek mümkün olmamaktad r. [5] deki çal mada sunulan konumland rma algoritmas nda, bozulmalar tan mlayan fonksiyonu içeren do rusal olmayan bir dönü üm kullan lm t r. Bu yakla m kullan larak yap lan uygulamalarda, konum tahminlerinde s n rl aral kta de i en hatalar n oldu u gözlenmi tir. Bu hatalar azaltmak amac yla, hata modellemesi yap lm t r. Kameran n görü alan içerisinde e it mesafelerde veri toplama noktalar tan mlanm t r. Bu noktalar n, gerçek konumlar ile görüntü üzerinden hesaplanan konumlar aras ndaki fark ölçüm hatas n vermektedir. Bu hata de erler üzerinden e ri uydurma yöntemleri ile hata fonksiyonu elde edilmi tir. Bu hata fonksiyonu konum ölçüm sonuçlar n iyile tirmekte kullan lm t r Haberle me Kameralardan sa lanan görüntü i lenerek, yap s önceden tan mlanan yer imlerinin konumlar bir bilgisayar taraf ndan hesaplanmaktad r. Bu konum bilgisinin gezgin robotlar taraf ndan kullan labilmesi için, konumland rmay sa layan bilgisayar ile robotlar aras nda bir haberle me yap s n n kurulmas gerekmektedir. Bu yap da, bilgisayar bir sunucu ve robotlar da istemci olarak rol almaktad r. stemciler ile sunucular aras ndaki veri aktar m nda, TCP/IP protokolü kullan lmaktad r. Konum bilgisinin aktar lmas nda kullan lan bir mesaj yap s tan mlanmaktad r. Bu mesaj yap s, (1) ile gösterildi i gibi bir operatör ve operandlardan (parametreler) olu maktad r: operatör operand, operand,, operand ) (1) ( 1 n Bu çal mada, kullan lan mesajlar ve kullan m amaçlar u ekildedir: kayit ( robot _ adi, im _ no, istek _ tipi ) : Bu mesaj, istemciden sunucuya kay t olmak, amac yla gönderilmektedir. stemci, robot_adi ile ad n, im_no ile üzerinde ta d imin tan mlad numaray ve istek_tipi ile konum bilgisinin talep eklini belirtmektedir. Sunucu, bu bilgileri konumland rma esnas nda kullanmakta ve konum bilgisini do ru istemciye ula t rmaktad r. Tan mlanan istek tipine göre konum bilgisi, belli zaman aral klar nda talep beklemeksizin ya da mesajla talep ula t kça istemciye gönderilir. kayit _ sil ( robot _ adi) : Bu mesaj, istemcinin sunucu ile ba lant s n bitirmektedir. Sunucu bu mesaj ald nda, istemcinin kayd n silmekte ve konumland rma bilgisi bu istemciye gönderilmemektedir. talep ( robot _ adi) : stemci, konum bilgisini herhangi bir anda bu mesaj kullanarak isteyebilir. talep _ degistir ( robot _ adi, yeni _ istek _ tipi) : stemci, ba lang çta seçti i istek tipini bu mesaj ile herhangi bir an da de i tirebilir. konum ( X _ koordinat, Y _ koordinat, Yönlenme) : Bu mesaj, sunucu taraf ndan istemciye konum bilgisini ula t rmak için gönderilmektedir. 4. Uygulamalar Önerilen konumland rma sisteminin ba ar s n test etmek üzere iki uygulama gerçekle tirilmi tir. Bu uygulamalarda, gezgin robot ile kamera sistemi kullan lm t r. Pioneer 3-DX olarak adland r lan diferansiyel sürü yap s na sahip gezgin robot platformu, yüksek çözünürlüklü yol sayac ve kablosuz Ethernet bulunan Pentium tabanl bilgisayara sahiptir [11]. Konumland rma maksad yla kullan lan görsel alg lama sisteminde ise, üzerinde Tokina KVR3314 model, manüel iris, H V59.2 görü aç s na sahip lens tak l olan SONY SSC-E378P model renkli kamera ve Imagination PXC model görüntü yakalama kart kullan lmaktad r. Kamera, zemini dik aç ile görecek ekilde, yerden 335cm yüksekte tavana yerle tirilmi tir. Yaz l mlar n geli tirilmesinde baz uygulama geli tirme kütüphanelerinden faydalan lm t r. Görüntülerin i lenmesinde, OpenCV olarak adland r lan aç k kaynak 48

3 kodlu görüntü i leme kütüphanesi kullan lm t r [12]. Pioneer 3-DX gezgin robot platformunun programlanmas nda, ARIA olarak adland r lan aç k kaynak kodlu robot kontrol kütüphanesi kullan lm t r [13]. Geli tirilen görüntü tabanl konumland rma sisteminin denenmesi amac yla, laboratuar ortam nda bulunan P3-DX gezgin robotu ile tek yönde karesel yol testi uygulanm t r. Bu test, genelde kör gidi hata miktar n n belirlenmesinde kullan lmaktad r [1,6]. Takip için kullan lan yol, x cm boyutlar nda karesel bir bölgedir. Bu çal mada, sistemin etkinli ini göstermek amac yla, iki uygulama gerçekle tirilmi tir. lk uygulamada, robot sadece ad m say c lardan ald konum bilgisini kullanarak karesel yolun kö e noktalar aras nda hareket etmektedir. kinci, uygulamada ise, robot karenin kö elerinde önerilen konumland rma sisteminin hesaplad küresel konum bilgisini kullanmaktad r. Deneylerin yap ld laboratuar ortam ve tek bir tepe kameraya ait konumland rma bölgesinin s n rlar ekil 2 de gösterilmektedir. Karesel yol izleyen gezgin robot ekil 2 de gösterilen noktadan hareketine ba lamaktad r. ekil 3: Kör gidi yöntemi ile yol takibinde, gezgin robotun biti noktas ndaki konumu ve yönelimi. Gezgin robotun karesel yolu izlemesi süresince, konumunun de i imi kaydedilmi ve bu veriler do rultusunda, çizdirilen grafik ekil 4 te verilmektedir. Kör Tahmin yöntemiyle izlenen kare yol Baslangic pozisyonu Bitis pozisyonu ekil 2: Deneyin birinci ve ikinci ad m ndaki gezgin robotun ba lang çtaki konumu ve yönelimi. ekil 4: Kör gidi yöntemi ile yol takibinde, gezgin robotun izledi i kare yol Kör Gidi Yöntemi ile Yol Takibi Deneyin ilk ad m nda, gezgin robot karesel yol boyunca, kör gidi yöntemiyle elde etti i konumland rma bilgilerini kullanmaktad r. ekil 2'de gösterilen ba lang ç pozisyondan harekete geçen robot, karesel yolu izledikten sonda, ekil 3'de gösterildi i gibi bir konum almaktad r. Gezgin robot hareketi esnas nda, kör gidi yöntemiyle sa lanan konum bilgisindeki hata büyüklü ü kat edilen yol ve yap lan manevralar ile birlikte artmaktad r. Bu uygulamada, hatan n sonucu görülebilmektedir. Gezgin robot hareketini tamamlad nda yönündeki hata görülebilmektedir Kamera Tabanl Konumland rma Sistemi ile Yol Takibi Bu uygulamada, gezgin robot karesel yolun takip edilmesinde önerilen konumland rma sisteminden faydalanmaktad r. Gezgin robot, karesel yolun her bir kö e koordinat na ula t nda, önerilen konumland rma sisteminden sa lanan konum bilgisini almaktad r. Böylece, kör gidi yöntemi ile sahip oldu u hatal konum bilgisini güncellemekte ve karesel yolun bir sonraki kö e koordinat na ula mak üzere hareket etmektedir. ekil 5 te gezgin robotun biti noktas ndaki konumu ve yönelimi verilmektedir. 49

4 Tablo 1: Kör gidi yöntemi ile yol takibi yap ld nda elde edilen konum verileri. X Beklenen (cm) X Ölçülen (cm) X Hata (cm) Y Beklenen (cm) Y Ölçülen (cm) Y Hata (cm) Ba lang ç Kö e Kö e ekil 5: Kamera tabanl konumland rma sistemi ile yol takibinde, gezgin robotun biti noktas ndaki konumu ve yönelimi. Gezgin robotun karesel yolu izlemesi süresince, konumunun de i imi kaydedilmi ve bu veriler do rultusunda, çizdirilen grafik ekil 6 da verilmektedir. 2 1 Yerel Konumlandirma sistemiyle izlenen kare yol Baslangic pozisyonu Bitis pozisyonu Kö e Biti Tablo 2: Kamera tabanl konumland rma sistemi yol takibinde kullan ld nda elde edilen konum verileri. X Beklenen (cm) X Ölçülen (cm) X Hata (cm) Y Beklenen (cm) Y Ölçülen (cm) Ba lang ç Y Hata (cm) 1. Kö e Kö e Kö e Biti ekil 6: Kamera tabanl konumland rma sistemi ile yol takibinde, gezgin robotun izledi i kare yol Uygulama Sonuçlar n n Analizi Uygulamalarda, konumland rma sistemi ile elde edilen konum bilgileri Tablo 1 ve Tablo 2 de gösterilmektedir. Ayr ca, robotun her iki deneydeki konum de er grafikleri kar la t rma amac yla, ekil 7 de verilmektedir. ekil ve tablolarda görüldü ü gibi, kör gidi yöntemiyle karesel yolun izlenmesi esnas nda, kat edilen mesafe artt kça konumland rma hatas da artmaktad r. Yolun kö e koordinatlar nda, önerilen konumland rma sisteminden sa lanan konum bilgisi kullan ld nda, hatan n azald n ve kat edilen mesafe ile bu hatan n artmad görülmektedir Kör Tahmin yöntemi ile Konumlandirma sisteminin kiyaslanmasi Kör Tahmin Konumlandirma Baslangic 1. Köse 2. Köse 3. Köse 1 2 ekil 7: Uygulamalarda gezgin robotun izledi i karesel yollar.

5 Kamera tabanl konumland rma sisteminin kullan m ile de yol izlemede hatalar n oldu u görülmektedir. Bu hatalar n sebepleri, yap lan uygulamalardan sa lanan bilgiler do rultusunda tan mlanabilmektedir. Robotun istenen bir noktaya gitmesi istendi inde, robotun mekanik yap s ndan ve robotun tekerleklerinin dönü ünü kontrol eden kontrolörlerin hatalar ndan kaynaklanan sebeplerle istenen noktaya ula amamaktad r. Bu istenilen noktalara tam olarak var lamamas n n sebeplerinden biridir. Kameradan al nan görüntülerdeki bozulmalar ve ortam n büyüklü ü nedeniyle bir pikselin ta d ortamdaki alan n geni li i hatalar n kaç n lmaz sebepleridir. Ayr ca, insan kaynakl yap lan ölçüm hatalar da olabilir. Gezgin robotun 4.x44.5cm ebatlar nda oldu u ve kameran n 42xcm ebatlar nda görü alan na sahip oldu u dü ünüldü ünde, kar la lan hatalar kabul edilebilir s n rlar içindedir. 5. Sonuçlar ve Öneriler Bu çal mada, kapal ortamlarda kullan labilecek kamera tabanl bir konumland rma sistemi önerilmi ve uygulamalar ile etkinli i gösterilmi tir. Önerilen konumland rma sistemi u k s mlar içermektedir: (1) Tavana monte edilmi kameradan al nan görüntüden robotun alg lanabilmesi için tasarlanm yer imleri kullan lm t r. (2) Bu yer imlerini görüntü üzerinden tan yan, gerçek ortamdaki konum ile yönelimini belirleyen ve bu konum bilgisini TCP/IP protokolü ile a ortam ndan sunan bir yaz l m geli tirilmi tir. (3) Robotlar ve a ortam ndaki di er bilgisayarlar taraf ndan konum bilgisinin al nabilmesi için mesaj yap lar tan mlanm t r. Önerilen bu konumland rma sisteminin denenmesi maksad yla, iki uygulama gerçekle tirilmi tir. lk uygulamada, sadece kör gidi yöntemi ile elde edilen konumland rma bilgisi kullan larak robotun karesel bir yolu izlemesi sa lanm t r. Bu uygulama ile konum bilgisindeki hatan n robotu nas l yanl yönlendirdi i aç kça gözlenmi tir. kinci uygulamada ise, ayn yolun izlenmesinde önerilen kamera tabanl konumland rma sistemi kullan lm ve yol takip hatas n n azald görülmü tür. Önerilen yakla m, iç ortamlarda gezgin robotlar n konumlar n n belirlenmesinde kullan labilir. Bu sistem, gezgin robotlar ile yap lan laboratuar ortam ndaki deneysel çal malarda, bir küresel konumland rma sistemi (GPS) gibi kullan labilir. Ayr ca, depolar gibi çal ma ortam n n s n rl oldu u alanlarda gezgin robotlar n konumland r lmas nda kullan labilir. Gelecekte, çok say da tepe kameran n kullan m yla, konumland rma alan n geni letmek üzere bir çal ma yap lmas planlanmaktad r. Bu çal mada, konumland rma sistemi robotun bir kameran n görü alan ndan ç kmas durumunda di er kameralardan ald görüntüler i lenerek robotun izlenmesini sa layacakt r. 6. Kaynakça [1] J. Borenstein, H.R.Everett, L.Feng, and D.Wehe, Mobile Robot Positioning-Sensors and Techniques, Journal of Robotic Systems, 14(4), pp , [2] E. Sahin and P. Gaudiano, KITE: The Khepera Integrated Testing Environment, First International Khepera Workshop, Paderborn, Germany, 1-11 December [3] G. Klancar, M. Brezak, D. Matko, and I. Petrovi, Mobile Robots Tracking Using Computer Vision, Automatika, Vol. 46, pp , 5. [4] R. Sheh and G. West, Visual Tracking and Localization of a SmallDomestic Robot, Robocup 4 Symposium, Lisbon, Portugal, July 4-5, 4. [5] B.Kaleci, Y.Çak r, M.Özkan ve O. Parlaktuna, Tepe Kamera ile ç Ortamda Gezgin Robotlar n Konumland r lmas, Ak ll Sistemlerde Yenilikler ve Uygulamalar Sempozyumu (ASYU 8), Isparta, Türkiye, 8. [6] J. Borenstein, H. R. Everett, and L. Feng, Where am I? : Sensors and Methods for Mobile robot Positioning, the University of Michigan, USA, [7] D. Lee, W. Chung, and M. Kim, Probabilistic Localization of the Service Robot by Map Matching Algorithm, International Conference on Control, Automation, and Systems (ICCAS'2), pp , Muju, Korea, Oct. 2. [8] A. Bais and R. Sablatnig, Landmark Based Global Selflocalization of Mobile Soccer Robots, Lecture Notes in Computer Science, Vol. 3852, pp , 6. [9] Capezio, Francesco, Sgorbissa, Antonio, Zaccaria, Renato, An Augmented State Vector Approach to GPS- Based Localization, IEEE International Symposium on Computational Intelligence in Robotics and Automation Jacksonville, FL, USA, June 2-23, 7. [1] B. Kaleci, Indoor Robot Localization By Using Overhead Camera, Lisans Tezi, Eski ehir Osmangazi Üniversitesi, Ocak 8. [11] 8. [12] Open Source Computer Vision Library (OpenCV) Reference Manual (1), Intel Cooperation, USA. [13] MobileRobots Advanced Robotics Interface for Applications (ARIA) Developer's Reference Manual, Ver ,