Presentazione Tesi Progettazione e sviluppo di un sistema di visione artificiale per il monitoraggio automatico delle posizioni di uno sciame di robot in uno scenario di laboratorio

1. Progettazione e sviluppo
di un sistema di visione artificiale
per il monitoraggio automatico
di uno sciame di robot
in uno scenario di laboratorio
Università degli Studi di Trieste
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica e Informatica
Tesi di Laurea
Relatore: Prof. Eric Medvet Laureando: Riccardo Scilla
Anno Accademico 2018/2019
9 Luglio 2019

2. Università degli Studi di Trieste
Tesi di Laurea
Sviluppo di un sistema di visione artificiale
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Argomenti trattati
 Motivazioni e obiettivo
 Setup sperimentale e calibrazione
 Criteri di scelta della camera
 Test di valutazione del sistema
 Conclusioni

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Motivazioni e Obiettivo
• Necessità di conoscere la posizione e l’orientamento di robot
nell’ambiente mentre compiono task assegnati
• Progettazione del sistema di monitoraggio
utilizzando la computer vision
• Valutazione del sistema
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni

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Setup Sperimentale
• OpenCV e ArUco
• Robot Thymio II
• Camera Reflex
• Ambiente
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni

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Calibrazione della camera
• Cattura ed elaborazione di frame
che includono la scacchiera
di calibrazione
• Al termine si ricavano:
• Matrice della Camera
• Coefficienti di Distorsione
• Applicati nella trasformazione delle coordinate dei punti
dell’immagine a coordinate di posizione (es. in cm)
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni

6. Università degli Studi di Trieste
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Criteri di scelta della camera
• La camera deve inquadrare tutta l’area di interesse
 criterio sulla distanza minima hmin legata all’ampiezza
dell’inquadratura
• La camera deve consentire di riconoscere i marker
 criterio sulla distanza massima hmax legata alla risoluzione
• Valutati sperimentalmente in laboratorio su due Webcam e
una camera Reflex
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni

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Procedura sperimentale valutazione criteri
• Misurazione hmin
• Misurazione hmax
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni

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Caratteristiche delle Webcam
• Webcam 1
o Modello  Logitech QuickCam PRO 9000
o Risoluzione  2 MP
o Distanza focale  16 mm
• Webcam 2
o Modello  Logitech C270
o Risoluzione  720p
o Distanza focale  29 mm
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni

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Risultati per la Webcam 1
hmin_verticale = 2,23 m hmax_edge = 1,80 m
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
1 1.5 2 2.5 3
Distanzahminverticale(m)
Larghezza campo L (m)
0.3 0.9 1.5 2.1 2.7 3.3 3.9 4.5
Rilevamento
Distanza hmax edge (m)
S
F
N
hmax < hmin → Criteri non soddisfatti!
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni

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Risultati per la Webcam 2
hmin_verticale = 3,96 m hmax_edge = 2,10 m
0
1
2
3
4
5
6
7
1 1.5 2 2.5 3
Distanzahminverticale(m)
Larghezza campo L (m)
0.3 0.9 1.5 2.1 2.7 3.3 3.9 4.5
Rilevamento
Distanza hmax edge (m)
S
F
N
hmax < hmin → Criteri non soddisfatti!
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni

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Scelta della camera Reflex
• Modello  Canon EOS 4000D
• Risoluzione  18 MP
• Distanza focale  18-55 mm
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni

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Risultati per la camera Reflex
hmin_verticale = 2,46 m hmax_edge = 3,00 m
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
1 1.5 2 2.5 3
Distanzahminverticale(m)
Larghezza campo L (m)
0.3 0.9 1.5 2.1 2.7 3.3 3.9 4.5
Rilevamento
Distanza hmax edge (m)
S
F
N
hmin < hmax → Criteri soddisfatti!
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni

13. Università degli Studi di Trieste
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Test di valutazione del sistema
• Obiettivo:
valutare il rilevamento
dei robot rispetto al
tracciato ideale
• Framerate: 2 fps
• Dim. arena: 2x2 m
• Dim. marker: 7,5x7,5 cm
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni

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Risultati dei Test: robot singolo
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Distanzainprofondità(cm)
Distanza orizzontale (cm)
Lato Dev. Std (cm)
Lato 1 2,08
Lato 2 2,06
Lato 3 2,74
Lato 4 2,95
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni
1 3
2
4

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Risultati dei Test: robot doppio
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Distanzainprofondità(cm)
Distanza orizzontale (cm)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Distanzainprofondità(cm)
Distanza orizzontale (cm)
Lato Lato 1 Lato 2 Lato 3 Lato 4
Dev. Std (cm) 4,03 2,16 5,50 2,33
Lato Lato 1 Lato 2 Lato 3 Lato 4
Dev. Std (cm) 3,81 3,87 3,99 1,98
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni
1 3
2
4
1 3
2
4

16. Università degli Studi di Trieste
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Conclusioni
• I criteri stimati per la valutazione della camera hanno trovato riscontro
sperimentale e soddisfatto i requisiti di progetto
• Computer vision si conferma tecnologia low cost adeguata al monitoraggio
delle posizioni di robot
o L’ errore di posizione è risultato nell’ordine del 1-2%
• Possibili integrazioni a questa tesi sono:
o Valutazione dei dati relativi all’orientamento
o Stima del framerate massimo
o Ottimizzazione dell’algoritmo
o Miglioramento del setup
Motivazioni Setup Criteri Test Conclusioni