Developer blog / Profession (page 2)

Megkaptuk az első helyezést a projektünkre a 2015 őszi Tudományos Diákköri Konferencián.

TDK első díj

Mint azt már korábban is írtam, a projekten ketten dolgozunk, Takács Dániel kolléga Úrral, melynek címe:

Gráf-alapú Egyidejű Lokalizáció és Térképezés.

Projektünk alapvető célja egy olyan szoftverrendszer elkészítése, amely képes egy Microsoft Kinect szenzor jeleit feldolgozni és ezek alapján feltérképezni a környezetét. A feltérképezett munkatér ezek után virtuálisan bejárható, illetve a munkatérben lehet útvonalat keresni, és ez alapján dönt a rendszer arról, hogyan navigálhat az ismert területen. A rendszer érzékeli, ha egy már korábban feltérképezett térrészt újra azonosít, és javítja a térképet a régi és az új adatok segítségével. Figyelembe véve a szenzor által szolgáltatott adatokban fellépő zajokat, a modellel szemben elvárás, hogy minél pontosabban közelítse a környezetet, amelyből alkotja azt.

A projekt jelenlegi állapotában a kamerát kézben visszük, ez főleg tesztelésnél gyorsabb is. Az alábbi videóban a TDK előadás során is felhasznált videóanyagot szerkesztettem egybe (magyarázat a videó után).

Feltérképezés

Első lépésben történik a feltérképezés, ilyenkor a kamerát (világoskék nyíl) végigvezetjük a feltérképezendő térben, a program pedig igyekszik a képekből meghatározni a térbeli elmozdulást. Hogy spóroljunk az erőforrásokkal, a program csúcspontokkal dolgozik (a sötétkék nyilak), ahol nem az egymás után következő képkockákat veti össze, hanem mindig az aktuális képet az utolsó csúcspont képével. Új csúcspontot akkor rak le, ha az előző óta az elfordulás vagy elmozdulás egy bizonyos értéket meghaladott.

Az egyes képkockák közti relatív elmozdulást könnyedén ki tudjuk számolni, mivel a Kinect szenzor biztosít az egyes pixelek mellé mélység adatot is, így miután kinyertük a közös jellemzőket a két képen, lesz két pontfelhőnk, amik ugyanazokat a pontokat írják le, csak más orientációban és elhelyezésben.

A térképezés során minden csúcspont lementésekor a hozzátartozó kép képpontjait leképezzük a voxel térbe. Itt nagy voxelekkel dolgozunk, és nem minden pixelt számítunk be, így egy gyors, vázlatos képet kapunk arról, hogy milyen lesz. A csúcspontok ismeretében a voxel teret bármikor és bármilyen felbontásban újragenerálhatjuk.

Útvonalkeresés

Az útvonalkeresésnél a legfontosabb, hogy a padlót külön tudjuk választani a többi objektumtól. Noha a padló sík, a különféle zajok és pontatlanság miatt soha nem lesz tökéletesen sík, így a padló kiválasztásánál ezt figyelembe kell venni, hogy hol van az, ahol egy voxel ugrás még zaj, és hol számít már akadálynak. Ennek a végeredménye egy 2D térkép lesz, amiben gyorsan és könnyedén tudunk Dijkstra-féle hullámtovábbterjesztéses algoritmussal útvonalat keresni. Mivel ez az algoritmus nem számol fizikai kiterjedéssel, így magát az utat kell lesoványítani úgy, hogy az akadályokat hízlaljuk fel a robot méretével. A videón ezt jelzik a színek: a piros szín mutatja azt a padlórészt, ahol nem férne el a robot, a zöld pedig a járható utat.

3D megjelenítés

A videó utolsó része egy ilyen nagyfelbontású voxel tér körbejárását mutatja be. Itt a kamera a csúcspontokat járja végig időrendi sorrendben.

Megtartottuk a második előadásunkat is a Tudományos Diákköri Konferencián. A projekt ugyanaz mint tavaly, ami egyben a szakdolgozat projektünk is, amin Takács Dániel kollégával közösen dolgozunk. Tavaly óta gyarapodtak az eredmények és a cím is kicsit specifikusabb lett, mégpedig Gráf-alapú Egyidejű Lokalizáció és Térképezés.

Kész állapotba került hát a LED-sor projekt. Elkészült a dobozba szerelt változata és a szoftver finomhangolása is.

A szoftver része kapott egy új üzemmódot, ahol a LED-sor ritmusra váltogatja véletlenszerűen a színét. Ehhez kellett egy beat-detektáló algoritmus, ami a dob és egyéb kitűnő hangosabb részeket keresi a zenében, majd ezek észlelésekor vált a színek között. Ezt azt is jelenti, hogy a fényerő így mindig egységes és akkor is világít valamilyen színnel, ha épp nem szól alatta zene.

Az SMD-s változatot egyelőre hanyagolom, olyat majd akkor csinálok, ha már ott tartok, hogy egy ehhez szükséges áramkör tervező szoftvert kitanultam.

A tervezésnél külön kiemelt szempont volt, hogy az egész minél egyszerűbb és univerzálisabb legyen. Ahogyan a lenti galériában látszik, a dobozon van összesen 3 csatlakozó, ebből egy a táp, egy a kimenet a ledsorra és egy Jack bemenet, amelyre tetszőleges eszköz hangkimenete rácsatlakoztatható. Vonalszintre van belőve, ami egy szabványos jelszint, az összes kommersz eszköz ezt adja ki (stúdiós felszerelésnél eltérő lehet), így elég csak csatlakoztatni, és már megy is.

Most hogy ez kész, ha valakinek felkeltettem az érdeklődését egy ilyen ketyere iránt, nyugodtan keressen meg vele és készíthetek neki egyet.

A korábbi eredmények, hogy a PWM vezérlőt sok-sok IC-ből raktam össze, szórakoztató volt, de gyakorlatban nem sok értelme, mivel nagyjából bármilyen mikrovezérlőben alapból van PWM kimenet. Így lett aztán, hogy végül egy Arduino Mini-t használtam fel a feladatra, és a jelforrás kérdését is sikerült egyszerűbben megoldanom, ugyanis az eredeti terv szerint egy szoftver vette volna fel a hangkimenetet és szedte volna szét szoftveresen a jelet 3 frekvenciatartományra, ehelyett most egy equalizer IC-t használok, ami a szűrést analog elvégzi, és az Arduino ennek a jelét olvassa be. Így aztán a bemenetre bármilyen eszköz analog hangkimenete rácsatlakoztatható.

A dolog persze még nem tökéletes, a hardver oldala ugyan majdnem kész, de a szoftver oldala az, amivel még lesz bőven munka. Mint rájöttem, a legtöbb esetben nem ad kielégítő eredményt. A legjobb eredményt azok a zeneszámok adják, ahol egyszerre kevés hangszer szól, vagy jóval hangúlyosabb a dob, mint a zene többi része, - ez tipikusan a zeneszámok eleje - de aztán amint beindul, már szinte csak egyenletesen világít. Erre egy ötlet az, hogy programoznék bele beat-detektálást, és azt külön kihangsúlyozná. Ezt aztán tovább lehet vinni, hogy legyen olyan üzemmód is, ahol a LED-ek ritmusra ötletszerűen váltogatják a színüket.

Ha az eszköz kész lesz és beválik, akkor lehet csinálok belőle egy komolyabb összeszerelést is, csupa SMD alkatrészekkel, és profi csináltatott nyomtatott áramköri lappal.

A szakirányos tárgyak kapcsán felmerült bennem az igény, hogy ez ugyan szép és jó, hogy szabályzó rendszereket tervezünk és szimulálunk, de jó lenne látni működés közben is. Itt jött az ötlet, hogy akkor legyen valami, ami egyszerű és látványos is: egy lift! A működési elv az a valódi liftekkel ellentétben most egy kicsit más lesz, a kimenő jel értelemszerűen a motor jele, viszont a bemenő jel egy magasság lesz, a visszacsatolás pedig szintén egy magasság, mégpedig a tényleges fizikai helyzete a liftkabinnak. A liftet az egyszerűség kedvéért LEGO-ból építem meg, így az összerakással hamar készen leszek.

A szabályzó rendszert egy Arduino Uno mikrovezérlő alkotja, ez fogja figyelni az analog bemenetén a visszacsatolást, illetve PWM kimenetén vezérli a motort. A felhasználói bemenetet kapcsolók végzik, mindegyik reprezentálva egy-egy emeletet, a program ezek megnyomásakor az adott emelethez tartozó magasságértékre fogja a rendszer bemenetét állítani.

A liftkabin helyzetének mérését egy ultrahangos szenzorral oldom meg, ami a liftaknában figyel felfelé (ez egy 300 forintos eszköz). Az előzetes tesztek ígéretesnek bizonyultak, a szenzor miliméterre pontosan tud mérni és 200 centiméter után is megfelelően kicsi a szórása.

Egy 22cm-es mérés. A kis fehér dobozt akárhova húztam a vonalzón, mindig pontosan kiírta a kijelzőn a távolságot.

A következő feladat a szenzor liftaknába szerelése. Gondoltam arra hogy esetlen LEGO kockákat fúrok meg, de túl kevés a hely a lyukak körül. Aztán jött az ötlet, hogy építek saját átkötő elemet, ami csatlakozik a gombokra anélkül, hogy bármi kárt tennék bennük. Az eredmény még annál is jobb lett mint amire számítottam.

LEGO átkötő elemek felszerelve az ultrahangos szenzorra.

Jelenleg most itt tartok vele, a liftnek az alsó része meg van csinálva, de még át lesz szabva. Ha kész a LEGO építmény és a motor már viszi a kabint, utána veheti kezdetét a PID szabályzó tervezése.

A lift, amennyi most megvan belőle, és a liftaknába beszerelve az ultrahangos szenzor.

Megérkezett hát az Arduino panelem, és elkezdtem rá gőzerővel mindenfélét építgetni. Van pár konkrét terv is vele, nem csak ilyen „dejó, működik” típusúak, úgyhogy esélyes hogy veszek még egyet.

A jelen bemutató tárgya: hogyan hajtsunk meg villanymotort egy Arduino Uno-nak a PWM kimenetéről. Közte még van egy IC ami a 12V-os tápot és az Arduino védelmét intézi. A motort gyurmaragasztóval rögzítettem az asztalra, hogy ne másszon el, amitől viszont elég komoly hangja lett. :D