Procesarea semnalului video 2D utilizat la comanda roboților - determinarea traiectoriilor de deplasare între două puncte

1.Introducere

Construcţia unui robot cere cunoştinţe din domenii foarte diferite. Pentru a îndeplini chiar o misiune foarte simplă, este nevoie de sisteme complicate, care acoperă multe discipline.

În mare, robotica poate fi divizată în trei domenii: percepţie, cogniţie şi acţiune. Această diviziune e naturală: un robot trebuie în general să “simtă”, pentru a primi informaţii despre mediul înconjurător. Informaţiile în sine însă nu folosesc la nimic: robotul trebuie sa "înţeleagă” ce se petrece, să construiască planuri, să evalueze situaţii, etc. Aceasta este partea de cogniţie. Un robot ar fi inutil dacă nu ar putea să facă ceva: să se deplaseze, să transforme în mod intenţionat mediul înconjurător, să exploreze, într-un cuvânt, să acţioneze.

În anumite cazuri putem elimina cogniţia, obţinând fie ceea ce se numeşte teleoperare (operare de la distanţă), în care caz nu există decizie la nivelul robotului, fie celebrii roboţi lucrători la o linie de asamblare.

Sa studiem deci fiecare domeniu în parte.

1. PERCEPTIA

Percepţia include practic tot ceea ce ţine de senzorii prin care robotul poate primi informaţii despre mediul în care operează. Diversitatea senzorilor este practic nelimitată: un robot poate înregistra imagini, măsura distanţe, acceleraţii, câmpuri magnetice, orientări, poziţii geografice, viteze, etc. Vom încerca să alcătuim o listă (inevitabil incompletă) a senzorilor utilizaţi pentru percepţie în robotică.

Camere de filmat:

Informaţia vizuală este în general obţinută cu ajutorul camerelor de filmat în diferite spectre: vizibil, infraroşu, ultraviolet, etc. Cu ajutorul camerelor de filmat (digitale sau analogice) se obţin în final imagini digitale care sunt apoi prelucrate pentru a extrage informaţia de care este nevoie. Acest proces de prelucrare este în general extrem de laborios: conversia de la o lume tridimensională la o imagine bidimensională implică pierderea de informaţie. În plus, imaginile obţinute au de obicei o rezoluţie foarte scăzută precum şi o gama relativ redusă de culori. De exemplu, în cazul unei imagini alb-negru obţinută cu un convertor analog-digital de 8 biţi (practic standard) rezultă numai 256 de tonuri de gri; filmul fotografic -- mult mai puţin performant decât ochiul omenesc -- poate reproduce în jur de 8000 de tonuri.

Anumite informaţii sunt foarte greu de extras din imagini: pentru a recupera de exemplu informaţie tridimensională este nevoie fie de camere stereoscopice fie de algoritmi care folosesc imagini succesive pentru a recupera informaţia pierdută prin proiecţia de la 3D la 2D.

Camerele de luat vederi sunt însă foarte ieftine în comparaţie cu alţi senzori. Pentru comparaţie să vedem alte două sisteme: un sistem de telemetrie prin laser este incomparabil mai precis, mai uşor de folosit şi mai puţin sensibil la iluminaţie. Un sistem stereoscopic (cu două, trei sau mai multe camere de filmat) trebuie calibrat, funcţionează numai în anumite condiţii (nu poate de exemplu măsura distanţa către obiecte care au o culoare uniformă) şi poate fi făcut inutilizabil de umbre. Un sistem laser costa între 10 şi 50 de mii de dolari; un sistem stereoscopic performant aproximativ 1500-2000 de dolari.

Laseri:

Sistemele laser sunt folosite în două moduri: pentru măsurători directe de distanţă şi ca surse de lumină structurată (structured light). În primul caz, o raza laser scanează o scena şi permite măsurarea precisă a distanţelor (şi a direcţiilor) faţă de punctul din care raza este emisă. În al doilea, prin procese optice sau/şi mecanice, raza laser este transformată într-un “plan” laser, care baleiază întreaga scenă de interes, iar o cameră video cu poziţie fixă înregistrează intersecţia dintre acest plan laser şi scena măsurată. Mulţimea tuturor punctelor de pe conturul 3D alcătuieşte un model tri-dimensional, ce poate fi ulterior folosit fie pentru localizare, pentru detectarea de obstacole, pentru a crea puncte de reper, şi pentru alte foloase.

Laserele însă au şi probleme, cele mai mult inerente principiilor de funcţionare. În cazul laserelor care măsoară distanţe, pentru a obţine informaţie despre o întreagă scenă, raza trebuie baleiată pe o arie mare; cum însă rezoluţia unghiulară cerută în cele mai multe dintre aplicaţii este relativ mare (câteva zecimi de grad atât în plan orizontal cît şi vertical) şi creşte proporţional cu distanţa obiectelor scanate, este foarte dificil (din punct de vedere mecanic) de construit un sistem care va scana cu rezoluţie mare şi în acelaşi timp foarte repede.

Un laser pentru măsurat distanţa este caracterizat prin numărul de grade de libertate (0, 1 sau 2), prin numărul de puncte măsurate într-o singură trecere şi prin numărul de astfel de treceri ce pot realizate într-o secundă. Limitarea laserilor nu este în măsurarea distanţei (de obicei mult mai precisă decât necesar pentru majoritatea aplicaţiilor) ci din procesul (până acum mecanic) de poziţionare a razei laser şi din rata de transfer a informaţiei.

Am spus “până acum mecanic” pentru că relativ recent au apărut laseri fără părţi mobile, în care direcţia razei este controlată electronic, prin reflexie pe cristale lichide. Deşi în prezent astfel de sisteme există doar în laboratoare, ele promit performanţe interesante: permit scanarea cu viteze mult mai mari şi au o uzură redusă.

Pentru a încheia această discuţie despre laseri trebuie să menţionăm încă o problemă: laserii au dificultăţi cu ceaţa, ploaia, ninsoarea, şi mai ales cu soarele puternic. În cazul primelor trei, raza laser este reflectată de particulele de apă. În cazul soarelui, un laser cu putere mai mare nu ar avea de suferit din cauza iluminaţiei naturale, însă într-un mediu populat, laserul poate dăuna retinei trecătorilor1.

Sonare, radar:

Sonarele (acronim pentru “SOund NAvigation and Ranging”) şi radarele (acronim pentru “RAdio Detection And Ranging”) funcţionează pe baza aceloraşi principii: un semnal (sonor, respectiv electromagnetic) este emis de robot; semnalul este reflectat de suprafeţe, se întoarce la emiţător, care măsoară timpul între emisie şi recepţie. Cum viteza undei respective este cunoscută, se poate evalua distanţa până la suprafaţa reflectătoare. Sonarele au marele (şi probabil singurul) avantaj de a costa foarte puţin în comparaţie cu alţi senzori. În acelaşi timp, au o precizie extrem de mică, şi sunt sensibile la mediul în care sunt folosite. Anumite materiale reflectă undele sonore foarte bine (caz în care există şi pericolul reflexiilor multiple), altele foarte prost (caz în care anumite semnale emise pot fi pierdute). Datorită lungimii de undă mult mai mici, radarele nu sunt în general afectate de aceste probleme. Însă costul unei unităţi radar este mare, are limitări în rezoluţie şi în precizie.