ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ

ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΧΑΝΙΑ, ΚΡΗΤΗ Ανάπτυξη ρομποτικού συστήματος για την αποπαλετοποίηση και το άδειασμα σάκων πολυαιθυλενίου Διατριβή που υπεβλήθη για την μερική ικανοποίηση των απαιτήσεων για την απόκτηση Διδακτορικού Διπλώματος Υπό Εμμανουήλ Μ. Καββουσανού 001

Περίληψη Η παρούσα εργασία αναφέρεται στην ανάπτυξη πρωτοτύπου ρομποτικού συστήματος που θα χρησιμοποιηθεί για την αποπαλετοποίηση και το άδειασμα σάκων πολυαιθυλενίου. Το θέμα σχετίζεται με την βιομηχανία πλαστικών, από την οποία έρχεται το ερέθισμα, μπορεί πάντως να ισχυρισθεί κανείς ότι αφορά γενικότερα το άδειασμα σάκων που έρχονται τοποθετημένοι σε παλέτα - π.χ. τσιμέντο, αλεύρι. Το ρομποτικό σύστημα αναπτύσσεται με βασικό κριτήριο το χαμηλό κόστος χωρίς αυτό πάντως να αποβαίνει εις βάρος της αξιοπιστίας. Από την ανάλυση των απαιτήσεων του προβλήματος, προβάλλεται η ανάγκη ρομποτικού συστήματος το οποίο ενώ χρειάζεται να διαθέτει επαρκή ευφυία για να αντιληφθεί θέση και χαρακτηριστικά της παλέτας των σάκων, δεν απαιτείται να έχει μεγάλη ακρίβεια θέσης. Οι ιδιότυπες αυτές απαιτήσεις οδηγούν όσον αφορά το μηχανικό μέρος και τους κινητήριους μηχανισμούς - στην σύνθεση του κατάλληλου ρομποτικού συστήματος με χρήση τυποποιημένων βιομηχανικών στοιχείων σειράς προκειμένου να περιορισθεί το κόστος. Προς την ίδια κατεύθυνση του περιορισμού του κόστους κινείται και η ανάπτυξη του συστήματος ελέγχου, που σχεδιάζεται με πλατφόρμα τον προσωπικό υπολογιστή. Η ανάπτυξη του συστήματος ελέγχου κίνησης βοηθείται τα μέγιστα από την χρησιμοποίηση ειδικευμένης κάρτα ελέγχου κίνησης. Η αναγνώριση της θέσης και των χαρακτηριστικών της παλέτας επιτυγχάνεται με χρήση συστήματος τεχνητής όρασης. Το συγκεκριμένο σύστημα αναπτύσσεται στην ίδια πλατφόρμα του προσωπικού υπολογιστή, χρησιμοποιείται δε για τον σκοπό αυτό frame grabber σε μορφή κάρτας για τον δίαυλο του υπολογιστή. Στην παρούσα φάση έχει αναπτυχθεί πλήρως και λειτουργεί πρωτότυπο σύστημα το οποίο αποπαλετοποιεί και αδειάζει σάκους μικρότερου μεγέθους των πραγματικών. Στην βιομηχανική του εκδοχή θα πρέπει να γίνουν ελάσσονες μετατροπές που αφορούν κυρίως το μηχανικό μέρος. Η παρούσα εργασία συνεισφέρει στην τεχνολογική γνώση κατά τα εξής : 1. Κατά το γεγονός ότι επέτρεψε την επιτυχή αντιμετώπιση - επίλυση υπαρκτού βιομηχανικού προβλήματος : της αυτοματοποίησης δηλαδή της διαδικασίας αποπαλετοποίησης και αδειάσματος σάκων πολυαιθυλενίου που έρχονται τοποθετημένοι σε παλέτες. Καρπός της εργασίας υπήρξε η ανάπτυξη πρωτοτύπου ρομποτικού συστήματος το οποίο λειτουργεί ικανοποιητικά. Η μέθοδος είναι πολύ πιθανόν ότι μπορεί να εφαρμοσθεί και για άλλα υλικά.. Ο σχεδιασμός του όλου συστήματος συνεισφέρει γενικότερα στην τεχνολογική γνώση ως εξής :.1 Αναδεικνύει την δυνατότητα σχεδιασμού ρομποτικών συστημάτων προσαρμοσμένων στις απαιτήσεις της συγκεκριμένης εφαρμογής, σε αντίθεση με την κρατούσα πρακτική της προσαρμογής διαθεσίμου στην αγορά ρομποτικού συστήματος στις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Μια τέτοια προσέγγιση μπορεί να μειώσει δραστικά το κόστος και να συνεισφέρει θετικά στην διάχυση της ρομποτικής τεχνολογίας. Η προσέγγιση είναι ρεαλιστική δεδομένου ότι υπάρχουν σήμερα διαθέσιμα βιομηχανικού τύπου στοιχεία τόσο μηχανολογικά όσο και ελέγχου, που επιτρέπουν την 'σύνθεση' στην ουσία του απαραίτητου (από την άποψη της ακρίβειας, του χώρου δράσης, της

ανυψωτικής ικανότητας και της ταχύτητας και επιτάχυνσης) συστήματος Ασφαλώς μια τέτοια προσέγγιση δεν μπορεί να έχει καθολική ισχύ. Ενδείκνυται για μιακατηγορία εφαρμογών. Σημαντικός παράγοντας στην κατεύθυνση αυτή είναι η ύπαρξη ισχυρών, αξιόπιστων και οικονομικών προσωπικών υπολογιστών καθώς και καρτών επέκτασης που εξυπηρετούν την υλοποίηση συγκεκριμένων λειτουργιών του ελέγχου. Στην υπό συζήτηση περίπτωση, οι χαμηλές απαιτήσεις ακρίβειας επέτρεψαν την χρησιμοποίηση οικονομικών γλιστρών, κινητήρων, μειωτήρων καθώς και ενισχυτών ισχύος. Τα παραπάνω σε συνδυασμό με την υλοποίηση του ελέγχου σε προσωπικό υπολογιστή, επέτρεψαν την ανάπτυξη συστήματος με κόστος το 0% περίπου του κόστους συστήματος που θα προέκυπτε από αγορά βραχίονα και εφόσον βεβαίως καθίστατο δυνατή η προσαρμογή του στις απαιτήσεις της εφαρμογής.. Αναδεικνύει την δυνατότητα σχεδιασμού απλών, οικονομικών και αξιόπιστων ελεγκτών ρομποτικών συστημάτων ανοικτής αρχιτεκτονικής, που βασίζονται στον προσωπικό υπολογιστή. Η χαμηλή διάχυση της ρομποτικής τεχνολογίας - που σε μεγάλο βαθμό δεν επαλήθευσε τις προ τριακονταετίας προβλέψεις - ίσως οφείλεται στην πολυπλοκότητα και το μυστήριο που την συνοδεύει. Η οποιαδήποτε προσπάθεια απλοποίησης συνεισφέρει θετικά σ' αυτή την κατεύθυνση [Trevelyan, 1997]. Στην συγκεκριμένη περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε υπολογιστής 486 σε συνδυασμό με κάρτα ελέγχου κίνησης και οικονομικό frame grabber για υλοποίηση του συστήματος τεχνητής όρασης..3 Η ανοικτή και κατανεμημένη αρχιτεκτονική του συστήματος και η ισχυρή υπολογιστική ισχύς του προσωπικού υπολογιστή, επέτρεψε την ενσωμάτωση λειτουργιών διάγνωσης βλαβών στο ίδιο το σύστημα ελέγχου. Οι διαγνωστικές τεχνικές που υλοποιήθηκαν βασίζονται στην παρακολούθηση μιας μόνον μεταβλητής, του σφάλματος δηλαδή θέσης των σερβομηχανισμών κίνησης των αρθρώσεων, που είναι διαθέσιμη έτσι κι αλλιώς από το υποσύστημα του σερβοελέγχου. Η ύπαρξη του προσωπικού υπολογιστή σαν πλατφόρμας ανάπτυξης του ελέγχου, επέτρεψε επίσης την ενσωμάτωση τεχνητής όρασης στο ίδιο το σύστημα ελέγχου, σε αντίθεση με την συνήθη πρακτική των χωριστών υποσυστημάτων.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ I 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΕΚΣΑΚΙΣΗΣ... 1 1.1 Γενικά... 1 1. Αποθήκευση διακίνηση εντός του εργοστασίου... 1 1.3 Η χειρωνακτική διαδικασία αδειάσματος των σάκων... 1.4 Μηχανικά συστήματα αδειάσματος... 3 1.5 Στόχοι της εργασίας... 4 1.6 Δομή της εργασίας... 5 ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΙΝΗΣΗΣ... 6.1 Γενικά... 6. Η εξέλιξη των ψηφιακών συστημάτων ελέγχου κίνησης... 7.3 Ελεγκτές κίνησης σε μορφή καρτών για τον δίαυλο του προσωπικού υπολογιστή.... 10.3.1 Κάρτες που χρησιμοποιούν ένα ειδικευμένο επεξεργαστή ελέγχου κίνησης για κάθε άξονα... 11.3. Κάρτες που χρησιμοποιούν ένα γενικής χρήσης συνήθως DSP επεξεργαστή για τον έλεγχο χαμηλού επιπέδου όλων των αξόνων.... 11.3.3 Κάρτες που δεν διαθέτουν επεξεργαστή, αλλά μόνο μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό (D/A) και κυκλώματα διασύνδεσης των αισθητήρων θέσης... 1 3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ - ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ... 13 3.1 Εισαγωγή... 13 3. Μονάδες και σύστημα τεχνητής όρασης... 14 3..1 Η κάμερα... 14 3.. Βασικές έννοιες... 15 3..3 O frame grabber... 16 3.3 Ανίχνευση ακμών... 17 3.3.1 Γενικά... 17 3.3. Ορισμοί... 17 3.3.3 Ανασκόπηση μεθόδων ανίχνευσης ακμών... 18 3.3.4 Καταλληλότητα απόδοση μεθόδων ανίχνευσης ακμών... 1 3.3.5 Λέπτυνση ακμών (edge thinning)... 3.4 Σύνδεση ακμών (Chainιng) Δημιουργία περιγραμμάτων... 3.4.1 Γενικά... 3.4. Τοπική ανάλυση... 3 3.4.3 Σφαιρική ανάλυση Μετασχηματισμός Hough... 3 3.5 Αναγνώριση μορφής... 5 3.5.1 Γενικά... 5 3.5. Μεθοδολογία... 5 3.5.3 Χαρακτηριστικά... 6 3.5.4 Ταξινόμηση (Classification)... 6 3.5.5 Ταξινομητής με βάση τους πλησιέστερους γείτονες... 7 3.5.6 Ταξινομητής Bayes... 8 3.5.7 Ταξινομητές με χρήση νευρωνικών δικτύων... 8 4 ΟΠΤΙΚΟΣ ΣΕΡΒΟΕΛΕΓΧΟΣ ΡΟΜΠΟΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ... 9

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ II 4.1 Γενικά... 9 4. Βασικές έννοιες - Αρχιτεκτονική συστημάτων οπτικού σερβοελέγχου... 31 4.3 Οπτικός σερβοέλεγχος βασισμένος σε πληροφορία θέσης.... 34 4.3.1 Εκτίμηση τοποθέτησης... 34 4.3. Έλεγχος... 39 4.4 Οπτικός σερβοέλεγχος βασισμένος σε πληροφορία εικόνας... 41 4.4.1 Η ιακωβιανή της εικόνας... 41 4.4. Υπολογισμός της ταχύτητας του τελικού επενεργητή με την βοήθεια της ιακωβιανής της εικόνας... 43 4.4.3 O έλεγχος... 44 4.5 Σχόλια και μια εναλλακτική μέθοδος ελέγχου... 51 4.6 Μερικές διαφορετικές προσεγγίσεις στο θέμα του οπτικού σερβοελέγχου - ενεργή όραση... 5 4.7 Συζήτηση - Σχόλια... 54 5 Η ΡΟΜΠΟΤΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΕΚΣΑΚΚΙΣΗΣ... 57 5.1 Γενικά Σύντομη αναφορά σε σχετικά συστήματα... 57 5. Ανάλυση του προβλήματος της εκσάκκισης... 58 5..1 Γενικές απαιτήσεις... 58 5.. Απαιτήσεις ακρίβειας... 60 5..3 Απαιτήσεις χώρου δράσης και ανυψωτικής ικανότητας... 61 5.3 Εναλλακτικές δυνατότητες... 61 5.3.1 Αγορά βιομηχανικού ρομποτικού βραχίονα και προσαρμογή συστήματος τεχνητής όρασης.... 61 5.3. Σχεδιασμός και ανάπτυξη ρομποτικού συστήματος σύμφωνα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής με στόχο την ελαχιστοποίηση του κόστους.... 61 6 Ο ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ... 63 6.1 Το πρόβλημα της εκσάκκισης ως πρόβλημα κίνησης σώματος στο χώρο... 63 6. Κατάλληλες μορφές ρομποτικού συστήματος... 64 6..1 Αρθρωτή μορφή τύπου SCARA... 64 6.. Κυλινδρική μορφή... 65 6..3 Καρτεσιανή μορφή... 66 6.3 Ο σχεδιασμός της κίνησης των αξόνων του καρτεσιανού ρομποτικού συστήματος... 67 6.3.1 Σχεδιαστικές δυνατότητες... 68 6.3. Ο σχεδιασμός των αξόνων Χ-Υ.... 68 6.3.3 Ο σχεδιασμός του άξονα Ζ... 69 6.3.4 Ο σχεδιασμός του 4 ου βαθμού ελευθερίας... 70 6.4 Ο σχεδιασμός της αρπάγης... 71 7 ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΙΝΗΣΗΣ... 74 7.1 Γενικά... 74 7. Σερβοέλεγχος ενός βαθμού ελευθερίας... 76 7..1 Γενικά... 76

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ III 7.. Απλό μοντέλο κινητήρα συνεχούς ρεύματος με μόνιμους μαγνήτες.... 77 7..3 Ανάλυση της δράσης των διαταραχών... 80 7..4 Ανασκόπηση μεθόδων ελέγχου... 80 7..5 Ανάλυση της δράσης του PID ελέγχου Περιορισμοί.... 81 7..6 Έλεγχος με ανάδραση μεταβλητών κατάστασης Βέλτιστος έλεγχος.... 8 7..7 Σύγκριση - Προτεινόμενη μέθοδος ελέγχου... 84 7..8 Σφάλματα παρακολούθησης και η επίδρασή τους στην ακρίβεια κατά την κίνηση 84 7..9 Πρόσω τροφοδότηση ταχύτητας, επιτάχυνσης, σταθερής ροπής... 88 7..10 Προσδιορισμός μοντέλου του συστήματος... 91 7..11 Ρύθμιση των παραμέτρων ελέγχου... 93 7..1 Υλοποίηση του συστήματος με την βοήθεια DSP επεξεργαστή... 95 7.3 Το πλήρες σύστημα ελέγχου κίνησης του ρομπότ.... 98 7.3.1 Ο συντονισμός των κινήσεων... 98 7.3. Ο έλεγχος του τέταρτου βαθμού ελευθερίας... 100 7.3.3 Παρακολούθηση κρίσιμων γεγονότων... 101 8 ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΗΣ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ... 103 8.1 Γενικά... 103 8. Μονάδες και σύστημα τεχνητής όρασης... 105 8..1 Ο Frame grabber... 105 8.. Η ανάλυση (resolution) της ψηφιακής εικόνας... 106 8.3 Επεξεργασία της εικόνας - Προσδιορισμός ακμών... 107 8.4 Προσδιορισμός περιγράμματος παλέτας... 110 8.5 Προσδιορισμός της διάταξης των σάκων... 11 9 Η ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ... 116 9.1 Γενικά... 116 9. Το μοντέλο της κάμερας... 116 9.3 Ανασκόπηση μεθόδων βαθμονόμησης... 119 9.3.1 Τεχνικές που χρησιμοποιούν γραμμικά μοντέλα... 10 9.3. Μη γραμμικές τεχνικές... 11 9.3.3 Τεχνικές διαδοχικών βημάτων... 11 9.3.4 Μη αναλυτικές (implicit) τεχνικές βαθμονόμησης... 1 9.3.5 Άλλες τεχνικές βαθμονόμησης... 14 9.4 Μια απλή μέθοδος βαθμονόμησης με χρήση παραλλήλου επιπέδου... 14 9.4.1 Διαδικασία παραλληλισμού επιπέδων βαθμονόμησης και κάμερας... 15 9.4. Βαθμονόμηση της κάμερας με διαδοχικά βήματα... 18 Α. Προσδιορισμός του οπτικού κέντρου... 18 10 ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΓΝΩΣΗ ΒΛΑΒΩΝ... 135 10.1 Γενικά... 135 10. Μέθοδοι για την ανίχνευση και διάγνωση βλαβών... 136

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ IV 10.3 Διάγνωση βλαβών με χρήση μοντέλου της εγκατάστασης... 137 10.3.1 Ανίχνευση και διάγνωση βλαβών με εκτίμηση κατάστασης.... 137 10.3. Ανίχνευση και διάγνωση βλαβών με εξισώσεις ισοτιμίας (parity).... 139 10.3.3 Ανίχνευση και διάγνωση βλαβών με εκτίμηση παραμέτρων.... 139 10.4 Ανίχνευση και διάγνωση βλαβών σε ρομποτικά συστήματα... 141 10.5 Ανίχνευση βλαβών στο ρομποτικό σύστημα της αποπαλετοποίησης... 14 10.5.1 Σερβομηχανισμοί... 143 10.5.1.1 Βλάβες δυσλειτουργίες που συσσωρεύονται με την πάροδο του χρόνου και οφείλονται στην κακή λειτουργία μηχανικών μερών..143 10.5.1. Βλάβες που οδηγούν σε αδυναμία του ελεγκτή να καταγράψει την πραγματική θέση των φορείων των αξόνων 144 10.5.1.3 Βλάβες που οδηγούν σε αδυναμία του συστήματος να ακολουθήσει σωστές εντολές...146 10.5.1.4 Βλάβη στην κάρτα ελέγχου κίνησης που δεν συνεπάγεται πρόβλημα στην καταγραφή της πραγματικής γωνιακής θέσης.146 10.5. Κρέμασμα (hanging) του προσωπικού υπολογιστή... 147 10.5.3 Σύστημα αρπάγης... 147 10.5.4 Σύστημα τεχνητής όρασης... 149 11 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΔΟΥΛΕΙΑ... 150 11.1 Κατάσταση συστήματος, αποτελέσματα και κατευθύνσεις δουλειάς για πιθανή βιομηχανική χρήση.... 150 11.1.1 Βελτιώσεις -αλλαγές στο μηχανικό σύστημα... 150 11.1. Βελτιώσεις -αλλαγές στο σύστημα ελέγχου... 151 11.1.3 Βελτιώσεις -αλλαγές στο σύστημα της τεχνητής όρασης... 151 11. Γενικά συμπεράσματα... 151 1 ΑΝΑΦΟΡΕΣ - ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 155 13 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ... 166 13.1 Παράρτημα 1. - Υπολογισμοί στοιχείων κίνησης... 166 13.1.1 Υπολογισμοί στοιχείων κίνησης αξόνων Χ-Υ.... 167 13.1. Υπολογισμοί στοιχείων κίνησης του άξονα Ζ.... 169 13.1.3 Υπολογισμοί στοιχείων κίνησης της περιστροφής της αρπάγης (τέταρτου βαθμού ελευθερίας)... 170 13. Παράρτημα. Μοντέλο κινητήρα συνεχούς ρεύματος... 17

ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΕΚΣΑΚΙΣΗΣ 1 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΕΚΣΑΚΙΣΗΣ 1.1 Γενικά Το πολυαιθυλένιο χρησιμοποιείται σαν πρώτη ύλη από ένα μεγάλο τμήμα της βιομηχανίας πλαστικού. Το υλικό αυτό είναι παραπροϊόν του πετρελαίου, παράγεται από πετροχημικά εργοστάσια και διατίθεται σε μορφή κόκκων. Η τιμή του διαπραγματεύεται στα μεγάλα χρηματιστήρια του κόσμου, τούτο δε εξηγεί το γεγονός ότι παραγωγικές μονάδες που το χρησιμοποιούν σαν πρώτη ύλη διαθέτουν μεγάλους αποθηκευτικούς χώρους προκειμένου να είναι σε θέση να εκμεταλλεύονται ή απλώς να αντεπεξέρχονται τις διακυμάνσεις της τιμής του. Η διακίνηση του υλικού αυτού πραγματοποιείται κατά κύριο λόγο με την βοήθεια σάκων, χωρητικότητας 5 Kgr. Οι σάκοι ταξινομούνται σε παλέτες, των οποίων το μέγεθος είναι συνήθως 8 στρώσεις σάκων, με 5 σάκους ανά στρώση. Η προκύπτουσα κατ αυτόν τον τρόπο παλέτα είναι βάρους 1 tn, φαίνεται δε ότι γύρω από αυτό το μέγεθος βελτιστοποιούνται οι απαιτήσεις ευστάθειας και ευκολίας μεταφοράς της παλέτας. Η μεταφορά γίνεται πάντα με την βοήθεια περονοφόρων ανυψωτικών μηχανημάτων. 1. Αποθήκευση διακίνηση εντός του εργοστασίου Οι παλέτες του πολυαιθυλενίου αποθηκεύονται σε αποθηκευτικούς χώρους από όπου με την βοήθεια περονοφόρων οχημάτων μεταφέρονται στον χώρο εκσάκισης. Στο Σχήμα 1.1 φαίνεται η παραδοσιακή χειρωνακτική μέθοδος εκσάκισης : ο εργαζόμενος μετακινεί έναν έναν τους σάκους από την παλέτα σε ειδικά διαμορφωμένη χοάνη όπου τους αδειάζει, αφού τους κόψει κατάλληλα. Η χοάνη οδηγεί το υλικό στο σύστημα της πνευστικής μεταφοράς. Βασικές μονάδες του τελευταίου είναι το προσωρινό σιλό αποθήκευσης, ο φυσητήρας αέρα και η βάνα τροφοδοσίας που ρυθμίζει την ανάμειξη του υλικού με τον αέρα για να είναι δυνατή η μεταφορά.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΕΚΣΑΚΙΣΗΣ Εργαζόμενος κόβει, αδειάζει τον σάκο στην χοάνη και τακτοποιεί τον άδειο Σιλό προσωρινής αποθήκευσης Φυσητήρας Βάνα τροφοδοσίας Σχήμα1.1: Χειρωνακτική διαδικασία αδειάσματος σάκων πολυαιθυλενίου Το σύστημα της πνευστικής μεταφοράς οδηγεί το υλικό σε αποθηκευτικά σιλό, απ όπου τροφοδοτούνται αυτόματα οι μηχανές παραγωγής. 1.3 Η χειρωνακτική διαδικασία αδειάσματος των σάκων Η χειρωακτική διαδικασία αδειάσματος είναι εξαιρετικά επίπονη εργασία. Πρακτικά το βάρος των 5 Kgr καταπονεί τον εργαζόμενο φορές : Μιά όταν μετακινεί το σάκο από την παλέτα στη χοάνη και μία όταν τον ανασηκώνει για άδειασμα. Είναι δε μια συνεχής διαδικασία ακόμη και για μικρού μεγέθους παραγωγικές μονάδες. Μετά το άδειασμα, ο εργαζόμενος συσκευάζει και τους άδειους σάκους προκειμένου να πουληθούν. H παραγωγή ενός εργαζόμενου υπό τέτοιες συνθήκες, κυμαίνεται συνήθως στους 10 tn/οκτάωρο.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΕΚΣΑΚΙΣΗΣ 3 1.4 Μηχανικά συστήματα αδειάσματος Δεδομένου του ενδιαφέροντος για μηχανοποίηση της διαδικασίας εκσάκισης, είναι αναμενόμενο να υπάρχουν στην αγορά διαθέσιμα συστήματα που αυξάνουν την παραγωγικότητα της συγκεκριμένης εργασίας με τον ένα ή τον άλλο τρόπο. Στο Σχήμα 1. φαίνεται μια τέτοια προσέγγιση : Υπάρχει μηχανή που καταστρέφει (διαλύει) στην ουσία τους σάκους με χρήση περιστρεφόμενων μαχαιριών ή κοπτικών δίσκων. Το περιεχόμενο πέφτει με την βοήθεια της βαρύτητας στο σιλό προσωρινής αποθήκευσης, ενώ οι κατεστραμμένοι σάκοι αποβάλλονται από μια πλαϊνή θύρα. Ο ταινιόδρομος αναλαμβάνει να τροφοδοτήσει την μηχανή με σταθερή παροχή, προκειμένου να αποφευχθούν μπλοκαρίσματα. Ο χειριστής τροφοδοτεί τον ταινιόδρομο. Οι βελτιώσεις που εισαγάγει το συγκεκριμένο σύστημα σε σχέση με το χειρωακτικό άδειασμα είναι : Απαλλάσσει τον εργαζόμενο από την κοπή του σάκου Τον απαλλάσσει από το ανασήκωμα για άδειασμα Τον απαλλάσσει από την συσκευασία των άδειων σάκων Εργαζόμενος φορτώνει τον ταινιόδρομο με σάκους Ταινιόδρομος που επιβάλλει σταθερό ρυθμό τροφοδοσίας στην μηχανή αδειάσματος Μηχανή αδειάσματος Σιλό προσωρινής αποθήκευσης Φυσητήρας Βάνα τροφοδοσίας Σχήμα 1. Μια προσπάθεια μηχανοποίησης της διαδικασίας αδειάσματος των σάκων

ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΕΚΣΑΚΙΣΗΣ 4 Αναμενόμενη είναι συνεπώς μια αύξηση της παραγωγικότητας ανά εργαζόμενο στην εκσάκιση. Η συνολική πάντως καταπόνηση λόγω βάρος του εργαζόμενου ανά ημέρα είναι αμφίβολο αν μειώνεται, αφού καλείται πλέον να εργασθεί στο ρυθμό της μηχανής, να μεταφέρει δηλαδή περισσότερα σακιά. Μια προσπάθεια βελτίωσης του παραπάνω μηχανικού συστήματος, προς την κατεύθυνση της ελάφρυνσης του εργαζόμενου, είναι η χρησιμοποίηση αρπάγης που κινείται σε γλίστρες πάνω από τον χώρο της παλέτας και του ταινιόδρομου και που διαθέτει βεντούζες κενού για πιάσιμο του σάκου. Ο εργαζόμενος κινεί (τραβά) την αρπάγη πάνω από το σάκο, ενεργοποιεί τις βεντούζες του κενού και στην συνέχεια την μετακινεί πάνω από τον ταινιόδρομο όπου και αφήνει το σάκο. Ο εργαζόμενος απαλλάσσεται από το βάρος, αλλά η παραγωγικότητα πέφτει, εξ αιτίας του γεγονότος ότι η διαδικασία είναι χρονοβόρα. 1.5 Στόχοι της εργασίας Η παρούσα εργασία στοχεύει στην ανάπτυξη ενός ρομποτικού συστήματος το οποίο θα αναλάβει την επίπονη εργασία της αποπαλετοποίησης και του αδειάσματος των σάκων πολυαιθυλενίου. Βασικές προδιαγραφές του σχεδιασμού είναι : Το χαμηλό κόστος και Η αξιοπιστία Από προκαταρτική ανάλυση των απαιτήσεων του προβλήματος, προκύπτει η ανάγκη ενός ιδιότυπου ρομποτικού συστήματος, το οποίο : 1. Πρέπει να διαθέτει σύστημα τεχνητής όρασης.. Δεν απαιτείται να έχει υψηλή ακρίβεια. 3. Πρέπει να διαθέτει ογκώδες και στιβαρό μηχανικό μέρος 4. Πρέπει να διαθέτει τέσσερις τουλάχιστον βαθμούς ελευθερίας Για την επίτευξη χαμηλού κόστους, υπάρχουν οι ακόλουθες δυνατότητες : 1. Όσον αφορά το μηχανικό μέρος, να σχεδιασθεί εκείνο ακριβώς το ρομποτικό σύστημα που εξυπηρετεί τις ανάγκες της εφαρμογής σε χώρο δράσης, βαθμούς ελευθερίας, ακρίβεια μηχανικών μερών. Βασική παράμετρος του σχεδιασμού θα είναι η δυνατότητα χρησιμοποίησης όσον γίνεται περισσότερων μονάδων μερών (modules) παραγωγής σειράς, άρα χαμηλού κόστους. Οι περιορισμένες απαιτήσεις ακρίβειας επιτρέπουν να επιχειρηθεί η χρησιμοποίηση : βιομηχανικού τύπου γλιστρών για υλοποίηση ευθυγράμμων κινήσεων, κοινών κινητήρων συνεχούς ρεύματος με ενσωματωμένους μειωτήρες για την κίνηση των αξόνων, σύγχρονων τροχαλιών και ιμάντων κίνησης σειράς για μετάδοση της κίνησης.. Για την οδήγηση των κινητήρων, να χρησιμοποιηθούν χαμηλών επιδόσεων (με γέφυρα με thyristors) σερβοενισχυτές τεσσάρων τεταρτημορίων. 3. Για το έλεγχο του συστήματος, να χρησιμοποιηθεί προσωπικός υπολογιστής, σε συνδυασμό με κάρτα ελέγχου κίνησης. 4. Για την υλοποίηση της τεχνητής όρασης, να χρησιμοποιηθεί frame grabber χαμηλών επιδόσεων σε μορφή κάρτας για το δίαυλο του προσωπικού υπολογιστή.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΕΚΣΑΚΙΣΗΣ 5 Η απαίτηση αυξημένης αξιοπιστίας αντιμετωπίζεται με την ενσωμάτωση τεχνικών εντοπισμού βλαβών, τέτοιας πολυπλοκότητας που να μην έρχεται σε αντίθεση με την απαίτηση χαμηλού κόστους. Από μια τέτοια προσπάθεια, αναμένεται γενικότερα να : 1. Ερευνηθεί η ιδέα του σχεδιασμού και της ανάπτυξης ρομποτικών συστημάτων modular μορφής, κατάλληλων για τις ανάγκες της εκάστοτε εφαρμογής.. Ερευνηθούν οι παράμετροι της χρήσης του προσωπικού υπολογιστή σαν ελεγκτή ρομποτικών συστημάτων. 3. Ερευνηθούν οι δυνατότητες που διανοίγονται από την χρησιμοποίηση ενός ανοικτής αρχιτεκτονικής συστήματος ελέγχου. 4. Να καταδειχθεί σε ποιο βαθμό η διάχυση της ρομποτικής τεχνολογίας επηρεάζει τον σχεδιασμό μηχανών και εγκαταστάσεων. Τέτοιου είδους συμπεράσματα μπορούν να προκύψουν, αν δει κανείς την συγκεκριμένη προσπάθεια, όχι σαν μια εφαρμογή ενός ρομποτικού συστήματος, αλλά σαν σχεδιασμό μιας μηχανής για αποπαλετοποίηση με χρήση ρομποτικής τεχνολογίας. 1.6 Δομή της εργασίας Η εργασία χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο εξ αυτών μπορεί να χαρακτηρισθεί θεωρητικό καθόσον γίνεται επισκόπηση δύο βασικών τεχνολογιών που υπεισέρχονται στον σχεδιασμό και την ανάπτυξη του ρομποτικού συστήματος εκσάκισης : Στο Κεφάλαιο γίνεται ανασκόπηση των Ψηφιακών Συστημάτων ελέγχου κίνησης στο δε Κεφάλαιο 3, γίνεται ανασκόπηση των Συστημάτων Τεχνητής Όρασης. Η αναφορά σε θέματα Τεχνητής Όρασης εκ των πραγμάτων εστιάζεται σε θέματα που ενδιαφέρουν την παρούσα εργασία : Ανίχνευση ακμών, ομαδοποίηση ακμών και μετασχηματισμός Hough. Το Κεφάλαιο 4 γίνεται ανασκόπηση των οπτικά σερβοελεγχόμενων ρομποτικών συστημάτων. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας αναλύεται η διαδικασία ανάπτυξης του ρομποτικού συστήματος για αποπαλετοποίηση. Στο Κεφάλαιο 5 αναλύονται οι απαιτήσεις της εφαρμογής και γίνεται η επιλογή της κατάλληλης μορφής ρομποτικού συστήματος. Στο Κεφάλαιο 6 αναλύεται ο μηχανολογικός σχεδιασμός. Το Κεφάλαιο 7 αναφέρεται στο σύστημα ελέγχου κίνησης. Το κεφάλαιο αυτό που είναι αρκετά εκτεταμένο, περιέχει τόσο ανασκόπηση μεθόδων ελέγχου, όσο και την περιγραφή του συστήματος που χρησιμοποιείται στο ρομποτικό σύστημα της αποπαλετοποίησης. Στο Κεφάλαιο 8 περιγράφεται το σύστημα της τεχνητής όρασης που χρησιμοποιείται, τόσο από την άποψη του υλικού όσο και από την άποψη του λογισμικού. Το κεφάλαιο 9 αναφέρεται στο θέμα της βαθμονόμησης της κάμερας. Στο Κεφάλαιο 10 υπάρχει επισκόπηση διαδικασιών ανίχνευσης και διάγνωσης βλαβών, γίνεται μια προσπάθεια συστηματικής καταγραφής των πιθανών βλαβών ή δυσλειτουργιών του συστήματος και γίνεται αναφορά στις βλάβες που είναι ικανό να αντιληφθεί το σύστημα ελέγχου. Τέλος το Κεφάλαιο 11 περιέχει τα συμπεράσματα, τόσο τα ειδικά που αφορούν το αναπτυσσόμενο σύστημα όσο και γενικότερα που προέκυψαν από την συγκεκριμένη προσπάθεια.

ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΙΝΗΣΗΣ 6 ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΙΝΗΣΗΣ.1 Γενικά Τα ρομποτικά συστήματα, αλλά και γενικότερα οι ψηφιακά ελεγχόμενες μηχανές, χρησιμοποιούν πολλούς ανεξάρτητους άξονες κίνησης, οι οποίοι πρέπει να ελέγχονται με ακρίβεια προκειμένου η μηχανή να εκτελέσει τον επιδιωκόμενο σκοπό. Η απαραίτητη ακρίβεια θέσης επιτυγχάνεται με την χρησιμοποίηση ψηφιακά ελεγχόμενων σερβομηχανισμών συστημάτων δηλαδή κλειστού βρόχου ελέγχου θέσης. Ένας τυπικός ελεγκτής μιας τέτοιας μηχανής, χρησιμοποιεί συνηθέστατα έναν ή περισσότερους επεξεργαστές για τον έλεγχο θέσης, ταχύτητας και επιτάχυνσης των επί μέρους αξόνων κίνησης καθώς και έναν επεξεργαστή που συντονίζει τους άξονες αυτούς. Μέχρι πρόσφατα, η ανάπτυξη τέτοιων ελεγκτών δεν ήταν μια εύκολη υπόθεση. Το αποτέλεσμα ήταν συνήθως ελεγκτές μαύρα κουτιά, συνοδευόμενοι από απλά περιβάλλοντα επικοινωνίας με τον χρήστη και προγραμματισμού. Δεδομένου του γεγονότος ότι ο προσωπικός υπολογιστής αποτελεί προ πολλού βιομηχανικό πρότυπο, γίνεται δε συνεχώς ισχυρότερος, δεν προξενεί έκπληξη το γεγονός ότι γίνονται προσπάθειες να αναπτυχθούν ελεγκτές ρομπότ, αλλά και CNC μηχανών, βασισμένοι σε ένα τέτοιο Η/Υ [G. Pritschow et al 1997, Q. G. Zhang and B. R. Greenway 1998, T. J. Schuett 1996]. Από την φύση του ο προσωπικός υπολογιστής είναι ένα σύστημα με ανοικτή αρχιτεκτονική, συνεπώς οι ελεγκτές που σχεδιάζονται με βάση τον Η/Υ αυτό είναι με την σειρά τους ελεγκτές ανοικτής αρχιτεκτονικής. Το όλο θέμα των ελεγκτών κίνησης ανοικτής αρχιτεκτονικής είναι κάτι περισσότερο από απλώς μια ακόμη νέα ιδέα. Τα πλεονεκτήματά της και οι επιπτώσεις της στον σχεδιασμό ρομποτικών συστημάτων και γενικά ψηφιακά ελεγχόμενων μηχανών, έχουν αναλυθεί από μια σειρά ερευνητών [P.H. Manley 1995, F. Proctor et al]. Προκειμένου ο προσωπικός υπολογιστής να μετασχηματισθεί σε ελεγκτή, απαιτούνται ειδικές κάρτες επέκτασης.

ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΙΝΗΣΗΣ 7. Η εξέλιξη των ψηφιακών συστημάτων ελέγχου κίνησης Τα ρομποτικά συστήματα καθώς και γενικά οι ψηφιακά ελεγχόμενες εργαλειομηχανές πρωτίστως απαιτούν ακριβή έλεγχο θέσης των αξόνων κίνησης που διαθέτουν. Συνηθέστατα επίσης απαιτούν ακριβή έλεγχο ταχύτητας και επιτάχυνσης κίνησης. Υπάρχει παράλληλα μια κατηγορία ειδικών μηχανών, που χρησιμοποιούν αρκετούς γραμμικούς ή περιστροφικούς άξονες κίνησης που απαιτούν ή θα μπορούσαν να λειτουργήσουν πολύ καλύτερα αν είχαν ακριβή έλεγχο θέσης. Το θέμα συνεπώς του ελέγχου θέσης είναι ιδιαιτέρως σοβαρό για την ανάπτυξη σύγχρονων μηχανών ελεγχόμενων από Η/Υ. Στο Σχήμα.1 φαίνεται η τυπική αρχιτεκτονική ενός ψηφιακού συστήματος ελέγχου κίνησης πολλών αξόνων, της πρώιμης εποχής. Το μηχανικό σύστημα χρησιμοποιεί αρκετούς άξονες κίνησης που πρέπει να ελεγχθούν με ακρίβεια. Ένας επενεργητής που στις περισσότερες περιπτώσεις είναι περιστροφικού τύπου, αλλά μπορεί κάλλιστα να είναι και γραμμικής επενέργειας, κινεί κάθε ένα από τους άξονες κίνησης. Ο επενεργητής τροφοδοτείται από την μονάδα ισχύος, η οποία ελέγχεται από τον ελεγκτή. Για τον ακριβή έλεγχο θέσης, απαιτείται ακριβής μέτρηση θέσης. Ψηφιακοί αισθητήρες θέσης, όπως οπτικοί κωδικοποιητές περιστροφικού ή γραμμικού τύπου, χρησιμοποιούνται για την περίπτωση. Ο πρώτος ρόλος του συστήματος ελέγχου κίνησης είναι να κλείσει τον βρόχο ελέγχου θέσης και να υλοποιήσει τα απαιτούμενα φίλτρα ελέγχου για αποδεκτή ευστάθεια Επεξεργαστής για έλεγχο του 1 ου άξονα 1 ος άξονας κίνησης Ενισχυτής ισχύος Actuator Επεξεργαστής Συντονισμού κινήσεων Μέτρηση θέσης Μηχανικό Σύστημα Ν ος άξονας κίνησης Ελεγκτής της Μηχανής Επεξεργαστής για έλεγχο του Ν-τού άξονα Μέτρηση θέσης Σχήμα.1. Μηχανικό σύστημα με ένα αριθμό σερβοελεγχόμενων αξόνων

ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΙΝΗΣΗΣ 8 και ακρίβεια, σε ένα έκαστο των αξόνων. Αυτή η διαδικασία αναφέρεται συνήθως ως έλεγχος θέσης χαμηλού επιπέδου. Επεξεργαστές γενικής χρήσης έχουν χρησιμοποιηθεί για τον σκοπό αυτό. Σε ένα πολύ γνωστό σύστημα αυτής της αρχιτεκτονικής, τον ελεγκτή του ρομπότ PUMA 560, έχουν χρησιμοποιηθεί έξι επεξεργαστές Rockwell 6503 για τον έλεγχο χαμηλού επιπέδου των αρθρώσεων του ρομπότ [Κ.S.Fu et al, 1987]. Ο δεύτερος ρόλος του συστήματος ελέγχου κίνησης είναι ο συντονισμός των επί μέρους αξόνων. Ένας τέτοιος συντονισμός είναι απαραίτητος όταν η μηχανή πρέπει να κινηθεί κατά μήκος καμπυλών στο χώρο προκειμένου να πραγματοποιήσει τον επιθυμητό σκοπό : Π.χ. Κίνηση του τελικού επενεργητή επί τροχιάς στο χώρο. Η διαδικασία αυτή αναφέρεται συνήθως ως έλεγχος κίνησης υψηλού επιπέδου. Τυπικά απαιτείται ένας ακόμη επεξεργαστής για τον έλεγχο υψηλού επιπέδου. Η αρχιτεκτονική του συστήματος ελέγχου όπως αναλύθηκε χαρακτηρίζεται από δύο στοιχεία : Το γεγονός ότι όλες οι λειτουργίες είναι ολοκληρωμένες σε ένα μαύρο κουτί. Το σύστημα είναι κλειστό και ειδικευμένο για την εφαρμογή. Τέτοιες αρχιτεκτονικές ήταν συνήθεις και πιθανόν αναπόφευκτες στα πρώτα ψηφιακά συστήματα με πολλούς επεξεργαστές. Το γεγονός ότι ο επεξεργαστής συντονισμού μπορεί να επικοινωνεί πολύ γρήγορα με τους επί μέρους επεξεργαστές, συνήθως μέσω κοινού διαύλου. Τούτο είναι εντελώς απαραίτητο για ρομποτικές εφαρμογές. Οι επεξεργαστές είναι στενά συνδεδεμένοι [P. Kazanzides et al, 1987]. Σειριακή επικοινωνία Καταχωρητής επιθυμητής θέσης Ελεγκτής ενός ή περισσοτέρων αξόνων + - Ψηφιακό φίλτρο D/A PWM Σήμα Εποπτεύων Η/Υ Καταχωρητής πραγματικής θέσης Σύνδεση αισθητήρα θέσης Εντολές ON-OFF Παρακολούθηση κατάστασης Διασύνδεση συσκευών ON-OFF Σχήμα.. Ελεγκτής κίνησης σε αυτόνομη λειτουργία

ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΙΝΗΣΗΣ 9 Ψηφιακοί ελεγκτές ελέγχου κίνησης χαμηλού επιπέδου ενός η περισσοτέρων αξόνων υπάρχουν διαθέσιμοι τα τελευταία χρόνια στην αγορά. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι τέτοιων ελεγκτών : Εκείνοι που είναι σε θέση να λειτουργήσουν σαν ανεξάρτητες μονάδες και εκείνοι που λειτουργούν μόνο σαν περιφερειακά ενός Ηλεκτρονικού Υπολογιστή. Στο Σχήμα. φαίνεται η βασική αρχιτεκτονική ενός ελεγκτή θέσης ικανού να λειτουργήσει ανεξάρτητα. Ένας ειδικευμένος ή γενικής χρήσης επεξεργαστής αναλαμβάνει τον χρονοβόρο και κρίσιμο για την λειτουργία έλεγχο χαμηλού επιπέδου. Τυπικά έχουν προγραμματισθεί ψηφιακά φίλτρα (π.χ. PID), για τα οποία ο χρήστης χρειάζεται να δώσει μόνο τις απαραίτητες παραμέτρους. Ο χρήστης φυσικά διαβιβάζει επιθυμητή(ες) θέση(εις) καθώς και ταχύτητα και επιτάχυνση. Για ανεξάρτητη λειτουργία αυτό μπορεί να γίνει off-line με χρήση σειριακής θύρας και κάποιου Η/Υ. Αν κατά την διάρκεια της λειτουργίας (on-line), απαιτείται η διαβίβαση επιθυμητών θέσεων ή η αλλαγή παραμέτρων κίνησης ή απλώς η καταγραφή της όλης διαδικασίας, τότε η παρουσία του Η/Υ σαν εποπτεύοντος πλέον Υπολογιστή είναι απαραίτητη. Ο εποπτεύων Η/Υ μπορεί να είναι οποιοδήποτε υπολογιστικό σύστημα. Για βιομηχανικές εφαρμογές χρησιμοποιείται συνήθως προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής, ενώ για ειδικευμένες μηχανές μπορεί να χρησιμοποιηθεί μικροελεγκτής ή προσωπικός υπολογιστής. Η ανάπτυξη και ο έλεγχος συστήματος με πολλούς άξονες με χρήση τέτοιων ελεγκτών κίνησης γίνεται κατ αυτό τον τρόπο σχετικά εύκολη υπόθεση, αφού οι επί μέρους ελεγκτές χαμηλού επιπέδου που αναλαμβάνουν και την πιο κρίσιμη εργασία είναι διαθέσιμοι σε λογικές τιμές και ελεγμένοι από άποψη λειτουργίας. Αν είναι επιθυμητός ο στενός συντονισμός και η παρακολούθηση των επί μέρους αξόνων κίνησης, όπως είναι η περίπτωση των ρομποτικών συστημάτων και των ψηφιακά ελεγχόμενων εργαλειομηχανών, τότε το παραπάνω σχήμα δεν ενδείκνυται : Η σειριακή ζεύξη είναι πολύ αργή για να ικανοποιήσει την ροή των πληροφοριών που απαιτείται να ανταλλάσσει ο εποπτεύων Η/Υ με τους επί μέρους ελεγκτές, αν πρόκειται να συντονισθούν 3 μέχρι 6 άξονες έτσι που ο τελικός επενεργητής ή το κοπτικό εργαλείο να ακολουθεί συγκεκριμένη τροχιά στο χώρο. Από την άλλη μεριά, για τον έλεγχο χαμηλού επιπέδου, σε αρκετές περιπτώσεις δεν αρκούν τα εκ των προτέρων προγραμματισμένα φίλτρα ελέγχου. Ένας τρόπος να έλθουν πλησιέστερα με τον επεξεργαστή συντονισμού οι επί μέρους ελεγκτές κίνησης προκειμένου να ανταλλάσσουν ταχύτατα πληροφορίες είναι να έχουν πρόσβαση στον ίδιο δίαυλο (Σχήμα.3). Αν ο εποπτεύων Η/Υ είναι ανοικτής αρχιτεκτονικής, τότε και το όλο σύστημα ελέγχου θα είναι ανοικτό ενώ οι επί μέρους επεξεργαστές θα μπορούν να επικοινωνούν γρήγορα. Δύο τύποι Η/Υ αξίζει να διερευνηθούν για το σκοπό αυτό : Ο προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής (PLC) και ο προσωπικός υπολογιστής. Ο πρώτος εξ αυτών διότι έχει αποδειχθεί κατάλληλος για βιομηχανικές εφαρμογές, ενώ ο δεύτερος διότι συνδυάζει μεγάλη υπολογιστική ισχύ με χαμηλό κόστος.

ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΙΝΗΣΗΣ 10 Καταχωρητής επιθυμητής θέσης Ελεγκτής ενός ή περισσοτέρων αξόνων + Ψηφιακό D/A Εποπτεύων Η/Υ - φίλτρο PWM Σήμα Καταχωρητής πραγματικής θέσης Σύνδεση αισθητήρα θέσης Επεξεργαστής ελέγχου κίνησης Διασύνδεση συσκευών ON-OFF Σχήμα.3. Ελεγκτής κίνησης σαν περιφερειακό συστήματος Η/Υ Στην αγορά διατίθενται ελεγκτές κίνησης σε μορφή καρτών για προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο εποπτεύων Η/Υ πρέπει να συντονίζει την κίνηση των επί μέρους αξόνων. Για ρομποτικές εφαρμογές κάτι τέτοιο απαιτεί υπολογισμούς, ενόσω η κίνηση εξελίσσεται, με αριθμούς κινητής υποδιαστολής και συνηθέστατα με χρήση τριγωνομετρικών συναρτήσεων. Ο προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής σαφώς δεν ενδείκνυται για τέτοιου είδους υπολογισμούς..3 Ελεγκτές κίνησης σε μορφή καρτών για τον δίαυλο του προσωπικού υπολογιστή. Η χρησιμοποίηση προσωπικού υπολογιστή σαν πλατφόρμα για τον σχεδιασμό ολοκληρωμένων συστημάτων ελέγχου ρομποτικών συστημάτων, έχει τα εξής τουλάχιστον πλεονεκτήματα : Διαθεσιμότητα σοβαρής υπολογιστικής ισχύος Διαθεσιμότητα πληθώρας περιφερειακών συσκευών Φιλικότητα περιβάλλοντος Χαμηλό κόστος Μπορεί κανείς να διακρίνει τουλάχιστο τρεις γενιές καρτών ελέγχου κίνησης για τον δίαυλό του προσωπικού υπολογιστή. Κάρτες που χρησιμοποιούν ένα ειδικευμένο επεξεργαστή ελέγχου κίνησης για κάθε άξονα. Κάρτες που χρησιμοποιούν ένα γενικής χρήσης συνήθως DSP επεξεργαστή για τον έλεγχο χαμηλού επιπέδου όλων των αξόνων. Κάρτες που δεν διαθέτουν επεξεργαστή, αλλά μόνο μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό (D/A) και κυκλώματα διασύνδεσης των αισθητήρων θέσης

ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΙΝΗΣΗΣ 11.3.1 Κάρτες που χρησιμοποιούν ένα ειδικευμένο επεξεργαστή ελέγχου κίνησης για κάθε άξονα. Τέτοιοι επεξεργαστές είναι ειδικά σχεδιασμένοι για έλεγχο θέσης. Τα βασικά τους χαρακτηριστικά είναι : 1. Διαθέτουν τα απαραίτητα κυκλώματα προκειμένου να μπορούν να διαβάσουν κατ ευθείαν ψηφιακούς κωδικοποιητές θέσης.. Είναι σε θέση να ελέγξουν τον ενισχυτή ισχύος του κινητήρα του άξονα είτε με την βοήθεια D/A μετατροπέα είτε με την βοήθεια σήματος διαμορφωμένου κατά πλάτος (PWM). 3. Υλοποιούν κάποιας μορφής φίλτρο για τον κλειστό βρόχο ελέγχου θέσης : PID ή άλλο. 4. Είναι σε θέση να δημιουργήσουν προφίλ επιθυμητής θέσης στον χρόνο, με ταχύτητες και επιταχύνσεις που προσδιορίζονται από τον χρήστη. 5. Η επικοινωνία με τον εποπτεύοντα επεξεργαστή πραγματοποιείται μέσω μιας σειράς καταχωρητών που υπάρχουν στον επεξεργαστή κίνησης και στους οποίους είτε εγγράφονται εντολές και παράμετροι λειτουργίας είτε καταχωρούνται στοιχεία της κίνησης τρέχουσα θέση, κατάσταση κίνησης, κλπ. Γνωστοί επεξεργαστές κίνησης είναι το ολοκληρωμένο κύκλωμα LM 68/69 της National Semiconductors και το HCTL 1100 της Hewlett Packard. Οι κάρτες ελέγχου κίνησης που χρησιμοποιούν ειδικευμένους επεξεργαστές κίνησης είναι οι πρώτες που εμφανίσθηκαν στην αγορά, αλλά δεν διατίθενται πλέον, παρά το ότι οι ειδικευμένοι επεξεργαστές κίνησης χρησιμοποιούνται σε ειδικές εφαρμογές. Ο λόγος είναι ότι έχουν εκτοπισθεί από ισχυρούς γενικής χρήσεις επεξεργαστές που προγραμματίζονται προκειμένου να εκτελέσουν τις λειτουργίες ελέγχου χαμηλού επιπέδου..3. Κάρτες που χρησιμοποιούν ένα γενικής χρήσης συνήθως DSP επεξεργαστή για τον έλεγχο χαμηλού επιπέδου όλων των αξόνων. Οι επεξεργαστές ψηφιακών σημάτων (DSP s), έχουν χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου που απαιτούν υψηλή υπολογιστική ισχύ : Η επεξεργασία εικόνας και ήχου είναι τυπικές παραδείγματα. Ένας 16-bit τέτοιος επεξεργαστής εργαζόμενος στα 40 MHz αποδεικνύεται ικανός να : Κλείνει μέχρι 8 βρόχους θέσης υλοποιώντας PID έλεγχο, με ρυθμό 150 φορές το δευτερόλεπτο, που είναι επαρκέστατος για τυπικές ρομποτικές εφαρμογές. Πραγματοποιεί υπολογισμούς σε πραγματικό χρόνο απλών τροχιών. Π.χ. Τραπεζοειδές προφίλ ταχύτητας για ομαλή κίνηση μεταξύ δύο θέσεων. Παρακολουθεί κρίσιμες καταστάσεις, όπως υπέρβαση ορίων κίνησης, ενεργοποίηση τερματικών διακοπτών ή διακοπτών κινδύνου. Το μεγάλο πλεονέκτημα των καρτών ελέγχου που διαθέτουν ισχυρό επεξεργαστή, είναι ότι ο τελευταίος αναλαμβάνει τον κρίσιμο έλεγχο κίνησης χαμηλού επιπέδου, αφήνοντας τον επεξεργαστή συντονισμού να πραγματοποιήσει άλλες δουλειές, όπως : Την διεπαφή με τον χρήστη, την παρακολούθηση εξωτερικών αισθητήρων για αποφυγή

ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΙΝΗΣΗΣ 1 συγκρούσεων με εμπόδια, την επίλυση των κινηματικών εξισώσεων, την προσαρμογή συστήματος τεχνητής όρασης κλπ..3.3 Κάρτες που δεν διαθέτουν επεξεργαστή, αλλά μόνο μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό (D/A) και κυκλώματα διασύνδεσης των αισθητήρων θέσης Πρόσφατα έχουν κάνει την εμφάνισή του κάρτες ελέγχου κίνησης που διαθέτουν μόνο τα απαραίτητα κυκλώματα για διασύνδεση με ενισχυτές ισχύος και αισθητήρες θέσης. Τις δουλειές του επεξεργαστή κίνησης, ο οποίος απουσιάζει, αναλαμβάνει ο μοναδικός επεξεργαστής του συστήματος, δηλαδή ο επεξεργαστής του προσωπικού υπολογιστή. Μια αναμενόμενη ίσως εξέλιξη αν αναλογισθεί κανείς την υπολογιστική ισχύ ενός σύγχρονου Pentium που δουλεύει στα 600 MHz. Όλες οι εργασίες αναλαμβάνονται πλέον από τον κεντρικό επεξεργαστή. Οι κρίσιμες εργασίες ελέγχου των βρόχων, εκτελούνται από ρουτίνες υψηλής προτεραιότητας, ελεγχόμενες από διακοπές που δημιουργεί κύκλωμα χρονιστή που διαθέτει η κάρτα. Το υπόλοιπο του χρόνου του ο επεξεργαστής ασχολείται με τις άλλες λειτουργίες του συστήματος ελέγχου.

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 13 3 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ - ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 3.1 Εισαγωγή Η όραση είναι η ισχυρότερή μας αίσθηση. Παρέχει ένα μεγάλο ποσό πληροφορίας για τον κόσμο που μας περιβάλλει, χωρίς την μεσολάβηση φυσικής επαφής, δίδοντας μας έτσι την δυνατότητα να δράσουμε έξυπνα. Με την βοήθειά της προσλαμβάνομε πληροφορία για τις ιδιότητες και τις θέσεις αντικειμένων στο χώρο και ασφαλώς η θέση μας είναι δεινή αν στερηθούμε των υπηρεσιών της. Δεν αποτελεί συνεπώς αξιοπερίεργο το γεγονός ότι προσπάθειες να αποκτήσουν οι μηχανές την «ικανότητα της όρασης», έχουν ξεκινήσει από τότε που υπήρξαν οι πρώτοι ισχυροί ψηφιακοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Ένα σύστημα τεχνητής όρασης περιλαμβάνει απαραίτητα : 1. Μία ή περισσότερες κάμερες που αποτελούν τα αισθητήρια όργανα. Συσκευή (frame grabber) για την «σύλληψη» (grabbing) και την προσωρινή αποθήκευση εικόνας από το σήμα video της κάμερας, όταν κάτι τέτοιο είναι επιθυμητό 3. Ηλεκτρονικό Υπολογιστή με το οποίο συνεργάζεται άμεσα ο frame grabber 4. Λογισμικό για την ανάλυση της εικόνας και την εξαγωγή της ζητούμενης πληροφορίας. Η κάμερα παρέχει συνεχώς πληροφορία σε μορφή video σήματος. Όταν είναι επιθυμητό, ο frame grabber παίρνει εντολή από τον Η/Υ να συλλάβει την τρέχουσα εικόνα της σκηνής που παρακολουθεί η(οι) κάμερα(ες). Η εικόνα ψηφιοποιείται και αποθηκεύεται άμεσα στην μνήμη που διαθέτει η συσκευή. Αρκετοί frame grabbers είναι σχεδιασμένοι έτσι που να είναι σε θέση να εκτελέσουν και κάποιας μορφής προεπεξεργασία της εικόνας : φιλτράρισμα για αποκοπή ανεπιθύμητου θορύβου ή βελτίωση της εικόνας με χρήση ειδικών φίλτρων. Στη συνέχεια η εικόνα μεταφέρεται στον Η/Υ για επεξεργασία και εξαγωγή της ζητούμενης πληροφορίας.

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 14 3. Μονάδες και σύστημα τεχνητής όρασης Στο Σχήμα 3.1 φαίνεται η αρχιτεκτονική τυπικού συστήματος τεχνητής όρασης. Κεντρική μονάδα αποτελεί ο frame grabber, ο οποίος στην ουσία μεσολαβεί ανάμεσα στο αισθητήριο της όρασης (κάμερα) και τον Η/Υ, προκειμένου να ψηφιοποιήσει το video σήμα και να το διαθέσει σε κατάλληλη μορφή για εξαγωγή των ζητούμενων πληροφοριών. Η/Υ A/D Προεπεξεργασία εικόνας D/A Μνήμη Frame grabber Σήμα video Κάμερα Σχήμα 3.1 Τυπικό σύστημα τεχνητής όρασης 3..1 Η κάμερα Έχουν χρησιμοποιηθεί δύο βασικοί τύποι : κάμερες καθοδικού σωλήνα και κάμερες που χρησιμοποιούν ημιαγωγούς στερεάς κατάστασης με αντιπροσωπευτικότερη για την κατηγορία αυτή την CCD (Charge Couple Device) κάμερα. Η λειτουργία και των δύο τύπων βασίζεται στο φαινόμενο της δημιουργίας ζευγών ηλεκτρονίων οπών όταν φωτεινή ακτινοβολία προσπέσει σε κατάλληλο υλικό. Το φορτίο που αναπτύσσεται κατ αυτόν τον τρόπο μετατρέπεται σε αναλογικό σήμα (τάση) το μέγεθος του οποίου είναι ανάλογο της έντασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η πληροφορία συλλέγεται συνεχώς με συγκεκριμένο τρόπο από την επιφάνεια και μετατρέπεται σε σήμα video. Οι κάμερες καθοδικού σωλήνα έχουν χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές τεχνητής όρασης, αλλά τείνουν να υποκατασταθούν εξ ολοκλήρου σχεδόν από τις CCD κάμερες αφού οι τελευταίες υπερτερούν με κριτήρια το βάρος και το χαμηλό κόστος.

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 15 Σε μια CCD κάμερα η φωτοευαίσθητη επιφάνεια είναι ένα δομημένο, σε μορφή πίνακα μικρού μεγέθους, ολοκληρωμένο κύκλωμα που παρέχεται σε μορφή chip. Μετά από μικρής διάρκειας έκθεση στην φωτεινή ακτινοβολία, στην φωτοευαίσθητη επιφάνεια σχηματίζεται ένα είδωλο σε μορφή φορτίου. Κατάλληλα ηλεκτρονικά κυκλώματα διαβάζουν το φορτίο κάθε στοιχείου του πίνακα και σχηματίζουν ένα τέλει ένα αναλογικό σήμα video. Παρά το γεγονός δηλαδή ότι η CCD κάμερα δεν παράγει από την φύση της video σήμα (όπως μια κάμερα καθοδικού σωλήνα), εν τούτοις για λόγους προφανώς εμπορικούς η έξοδος στις εμπορικές τουλάχιστον εκδώσεις της είναι video σήμα. 3.. Βασικές έννοιες Ας είναι f (x,y) η συνάρτηση που αντιστοιχίζει σε κάθε σημείο (x, y) εικόνας μια τιμή φωτεινότητας (έντασης φωτεινής ακτινοβολίας). Μια τέτοια συνάρτηση ονομάζεται συνάρτηση εικόνας (image). Το σήμα video είναι κατ ουσία μια συνεχής ροή εικόνων. Προκειμένου μια εικόνα να είναι κατάλληλη για επεξεργασία από τον Η/Υ, πρέπει να ψηφιοποιηθεί τόσο χωρικά όσο και κατά πλάτος. Η ψηφιοποίηση (διακριτοποίηση) των χωρικών συντεταγμένων x, y ονομάζεται δειγματοληψία ειδώλου ενώ η ψηφιοποίηση του πλάτους της συνάρτησης, διακριτοποίηση της έντασης. Αν πρόκειται για επεξεργασία ασπρόμαυρης εικόνας, ομιλεί κανείς για διακριτοποίηση των επιπέδων του γκρίζου, αφού στην περίπτωση αυτή η εικόνα μπορεί να μεταβάλλεται από το μαύρο μέχρι το άσπρο με ενδιάμεσες αποχρώσεις του γκρίζου. Ας υποτεθεί ότι η εικόνα στο Σχήμα 3. διακριτοποιείται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να προκύπτει ένας πίνακας Ν ισοαπεχουσών γραμμών και Μ ισοαπεχουσών στηλών και ότι οι τιμές της συνάρτησης φωτεινότητας διακριτοποιούνται επίσης. 0........................ Ν γραμμές Μ στήλες Χ j Pixel Υ i Σχήμα 3. Ψηφιακή εικόνα

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 16 Κάθε στοιχείο της διακριτοποιημένης εικόνας (picture element, pixel) έχει μια συγκεκριμένη τιμή φωτεινότητας, που για την περίπτωση ασπρόμαυρης εικόνας παριστάνει μια διαβάθμιση του γκρίζου. Παριστάμενη κατ αυτό τον τρόπο, μια ψηφιακή πλέον εικόνα, είναι εύκολα επεξεργάσιμη από τον Η/Υ, αφού στην ουσία πρόκειται για ένα πίνακα (ΝxM) ακεραίων αριθμών, που έχουν συνηθέστατα μέγεθος 8-bit : 56 αποχρώσεις του γκρίζου. 3..3 O frame grabber Πρόκειται για την συσκευή (Σχήμα 3.1) που αναλαμβάνει να πάρει μια εικόνα την χρονική στιγμή που απαιτείται, να την μετατρέψει σε ψηφιακή, να την υποβάλλει σε κάποιας μορφής προεπεξεργασία και να την διαθέσει στον Η/Υ για τελική ανάλυση. Την μετατροπή του αναλογικού video σήματος σε ψηφιακό αναλαμβάνει ο μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό σήμα (A/D). Από την διακριτική ικανότητα του μετατροπέα εξαρτώνται οι στάθμες γκρίζου της ψηφιακής εικόνας. (Συνήθως χρησιμοποιείται μετατροπέας 8-bit ). Για συγκεκριμένες φυσικές διαστάσεις της παρατηρούμενης σκηνής, η χωρική ανάλυση που επιτυγχάνεται μετά την διακριτοποίηση, εξαρτάται από το πλήθος των γραμμών και στηλών της ψηφιακής εικόνας που δημιουργείται. Με την βοήθεια του frame grabber επιλέγομε το πλήθος αυτό, άρα και το μέγεθος του πίνακα. Όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος αυτό, τόσο η ψηφιακή εικόνα ομοιάζει περισσότερο με την πραγματική, τόσο όμως αυξάνει (και μάλιστα στο τετράγωνο) το πλήθος των προς επεξεργασία στοιχείων του πίνακα, άρα και οι απαιτούμενοι χώροι μνήμης για την αποθήκευση της ψηφιακής εικόνας, αλλά και προπάντων οι χρόνοι υπολογισμών. Υπάρχουν διαθέσιμοι frame grabbers με ικανότητα διακριτοποίησης εικόνας με 10 x 10 στοιχεία 1. Η επιλογή εξαρτάται από τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Ο frame grabber είναι σε θέση να εκτελέσει συνηθέστατα και μια σειρά από άλλες λειτουργίες προκειμένου να πραγματοποιηθεί μια πρώτη, χαμηλού επιπέδου επεξεργασία της ψηφιακής εικόνας. Μια τέτοια επεξεργασία αποσκοπεί στο να μειώσει το φόρτο εργασίας του κεντρικού επεξεργαστή του συστήματος. Αναλόγως των λειτουργιών, χρησιμοποιεί από απλά ηλεκτρονικά στοιχεία (LUT s, ALU s) έως ειδικευμένους επεξεργαστές. Σε κάθε περίπτωση δε χρησιμοποιεί μνήμη πολλαπλάσια της απαιτούμενης για την αποθήκευση μιας ψηφιακής εικόνας. Λειτουργίες που μπορούν να εκτελούνται στον frame grabber είναι : Φιλτράρισμα για αποκοπή θορύβου Φιλτράρισμα για καλυτέρευση εικόνας (Image enhancement) Μετατροπή της ψηφιακής εικόνας σε δυαδική (Δύο στάθμες γκρίζου) Επιλογή παραθύρου για παρατήρηση και ανάλυση Κωδικοποίηση και συμπίεση της εικόνας 1 Τα μεγέθη αλλάζουν γρήγορα, μιας και πρόκειται για συσκευές τεχνολογίας Η/Υ. Είναι εντελώς σίγουρο ότι στο μέλλον θα είναι διαθέσιμοι frame grabbers με διακριτικές ικανότητες πολύ μεγαλύτερες, αλλά και Η/Υ κατάλληλοι για την επεξεργασία σε πραγματικό χρόνο πολύ μεγάλων ψηφιακών εικόνων.

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 17 3.3 Ανίχνευση ακμών 3.3.1 Γενικά Η ανίχνευση ακμών σε μια ψηφιακή εικόνα κατέχει κεντρική θέση στα θέματα που αφορούν τεχνητή όραση. Αποτελεί κατ ουσία το πρώτο βήμα των περισσοτέρων μεθόδων αναγνώρισης αντικειμένων. 3.3. Ορισμοί Ακμή σε μια εικόνα είναι μια σημαντική τοπική μεταβολή στην ένταση (φωτεινότητα) της εικόνας. Περίγραμμα (contour) σε μια εικόνα είναι μια ακολουθία ακμών που αντιπροσωπεύει μια φυσική οντότητα. Αλυσοποίηση (chaining) ή σύνδεση (linking) ακμών είναι η διαδικασία ομαδοποίησης ακμών για τον σχηματισμό περιγραμμάτων. Η εύρεση ακμών σε μια εικόνα είναι στενά συνδεδεμένη με την επιβολή τελεστών διαφόρισης (derivative operators), αφού πρόκειται για ανίχνευση διαφορών φωτεινότητας. Στο Σχήμα 3.3 φαίνεται τμήμα εικόνας που δείχνει ένα σκούρο αντικείμενο τοποθετημένο πάνω σε ένα φωτεινότερο φόντο. Η μετάβαση από το φωτεινό φόντο στο σκούρο γίνεται σταδιακά, πράγμα που συμβαίνει πάντα σχεδόν σε πραγματικές ψηφιακές εικόνες 1. H πρώτη παράγωγος της φωτεινότητας της εικόνας κατά την διεύθυνση Χ είναι μηδέν στις περιοχές σταθερής έντασης ενώ παίρνει μια - στην απλή περίπτωσή μας σταθερή τιμή, διαφορετική του μηδενός, στις περιοχές των ακμών. Η δεύτερη παράγωγος αντίστοιχα είναι μηδέν παντού εκτός από τις περιοχές μεταβολής της πρώτης παραγώγου. Από τις παρατηρήσεις αυτές, γίνεται φανερό ότι το μέγεθος της πρώτης παραγώγου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση ακμών, ενώ το πρόσημο της δευτέρας παραγώγου στο να αποφανθούμε αν η ακμή συνορεύει με σκούρα ή φωτεινή περιοχή. Για την γενική βεβαίως περίπτωση που απαιτείται ανίχνευση ακμών προσανατολισμένων με τυχόντα τρόπο, πρέπει να χρησιμοποιηθεί η έννοια της κλίσης συναρτήσεως δύο μεταβλητών. Πραγματικά, ή εικόνα είναι η συνάρτηση (φωτεινότητας) f(x,y), η δε κλίση μιας τέτοιας συνάρτησης, που είναι διάνυσμα που δείχνει προς την κατεύθυνση της μέγιστης μεταβολής της συνάρτησης, είναι ένα διάνυσμα κάθετο στην ακμή. Το μέτρο του διανύσματος αυτού είναι ένα μέτρο του ύψους της ακμής. 1 Φαινόμενο blurring..

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 18 Εικόνα Πρώτη παράγωγος Χ Δεύτερη παράγωγος Σχήμα 3.3 Ανίχνευση ακμών με την βοήθεια τελεστών διαφόρισης 3.3.3 Ανασκόπηση μεθόδων ανίχνευσης ακμών Η ανίχνευση ακμών υπήρξε ένα από τα δημοφιλέστερα πεδία έρευνας στην περιοχή των συστημάτων τεχνητής όρασης, ήδη από τα πρώτα βήματα της επιστημονικής αυτής περιοχής. Οι προταθείσες και χρησιμοποιούμενες μέθοδοι διαφέρουν βασικά ως προς την αριθμητική μέθοδο που χρησιμοποιούν προκειμένου να υπολογίσουν την κλιση ή την δεύτερη τάξης παράγωγο της ψηφιακής εικόνας σε κάθε στοιχείο (pixel) της. Μέθοδοι που χρησιμοποιούν την κλίση. Oι Sobel (1970) και Roberts (1977) παρουσίασαν δύο αλγορίθμους για την ανίχνευση ακμών, οι οποίοι χρησιμοποιούνται ευρέως και σήμερα. Στον ανιχνευτή ακμών Roberts, το μέτρο της κλίσης προσεγγίζεται από την σχέση : G f f f ( x, y) x y οι δε μερικές παράγωγοι στο στοιχείο εικόνας (i, j), από τις σχέσεις :

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 19 f f, f ( i, j) f ( i 1, j 1) x i j, f ( i 1, j) f ( i, j 1) y i j Μια τέτοια μέθοδος υπολογισμού, υποδεικνύει ότι οι μερικές παράγωγοι στη θέση (i,j) προκύπτουν αν στην τιμή φωτεινότητας του συγκεκριμένου στοιχείου της εικόνας επιβληθούν οι παρακάτω μάσκες : 1 0 G x = G y = 0-1 0 1-1 0 Ο Sobel προτείνει μια πιο ακριβή προσέγγιση της μερικής παραγώγου στην θέσηpixel (i,j), ούτως ώστε να λαμβάνεται υπ όψη η τιμή της φωτεινότητας όλων των pixels που το περιβάλλουν : f, f ( i 1, j 1) f ( i 1, j 1) x i j f ( i 1, j) f ( i 1, j) f ( i 1, j 1) f ( i 1, j 1) f, f ( i 1, j 1) f ( i 1, j 1) y i j f ( i, j 1) f ( i, j 1) f ( i 1, j 1) f ( i 1, j 1) Οπότε οι μάσκες που απαιτούνται για τους υπολογισμούς των μερικών παραγώγων είναι : j -1 0 1 1 1 G x = - 0 G y = 0 0 i -1 0 1-1 - 0-1 Pixel (i,j) Για τον υπολογισμό των παραγώγων, όπως μπορεί κανείς να παρατηρήσει, τα πλησιέστερα στην θέση υπολογισμού pixels λαμβάνονται υπόψη με συντελεστή βαρύτητας διπλάσιο από τα άλλα.

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 0 Η μέθοδος του Prewitt (1970), χρησιμοποιεί μάσκες 3x3 κατ αντιστοιχία με την μέθοδο Sobel, με διαφορετικές όμως τιμές των συντελεστών, όπως φαίνεται παρακάτω: j -1 0 1 1 1 1 G x = -1 0 1 G y = 0 0 0 i -1 0 1-1 -1-1 Pixel (i,j) Δεν δίδεται δηλαδή ιδιαίτερη βαρύτητα σε κανένα από τα pixels που περιβάλλουν το pixel στο οποίο γίνονται υπολογισμοί παραγώγων. Οι τελεστές - μάσκες που έχουν μέχρι τώρα αναφερθεί, είναι μεγέθους το πολύ 3x3. Το μέγεθος αυτό θεωρείται μικρό καθότι μπορεί να εισάγει σημαντικό σφάλμα στον υπολογισμό της διεύθυνσης κυρίως της κλίσης, πράγμα όμως που μπορεί να είναι καταστροφικό για τον ακριβή προσδιορισμό των ακμών [Baessmann H., P.W. : Besslich, 1991]. Για καλύτερα αποτελέσματα έχουν προταθεί και χρησιμοποιηθεί μάσκες μεγέθους ακόμη και 9x9. Προφανώς το άνω όριο τίθεται από την υπολογιστική ισχύ του Η/Υ ο οποίος πρόκειται να πραγματοποιήσει τους υπολογισμούς. Σημαντικός παράγοντας, είναι επίσης το γεγονός ότι οι μεγάλου μεγέθους μάσκες λειτουργούν σαν βαθυπερατά φίλτρα : Αποκόπτουν βεβαίως ψηφιακό θόρυβο, μπορεί όμως και να εξαφανίσουν μικρού πλάτους ακμές. -10-10 0 10 10 10 17 0 17 10-17 -17 0 17 17 10 17 0 17 10 G x = -0-0 0 0 0 G y = 0 0 0 0 0-17 -17 0 17 17-10 -17-0 -17-10 -10-10 0 10 10-10 -17-0 -17-10 Σχήμα 3.4 Μάσκα 5x5 για την ανίχνευση ακμών

ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΤΕΧΝΗΤΗΣ ΟΡΑΣΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 1-14 -14-14 -14 0 14 14 14 14 14 9 44 60 71 60 44 9 14-9 -9-9 -9 0 9 9 9 9 14 9 44 60 71 60 44 9 14-44 -44-44 -44 0 44 44 44 44 14 9 44 60 71 60 44 9 14-60 -60-60 -60 0 60 60 60 60 14 9 44 60 71 60 44 9 14-71 -71-71 -71 0 71 71 71 71 0 0 0 0 0 0 0 0 0-60 -60-60 -60 0 60 60 60 60-14 -9-44 -60-71 -60-44 -9-14 -44-44 -44-44 0 44 44 44 44-14 -9-44 -60-71 -60-44 -9-14 -9-9 -9-9 0 9 9 9 9-14 -9-44 -60-71 -60-44 -9-14 -14-14 -14-14 0 14 14 14 14-14 -9-44 -60-71 -60-44 -9-14 Σχήμα 3.5 Μάσκα 9x9 για την ανίχνευση ακμών Για την περίπτωση βιομηχανικών εφαρμογών, όπως έχει δείξει βασική έρευνα [Baessmann H., P.W. Besslich 1989, Canny, J.,1986], αρκεί στην πλειονότητα των περιπτώσεων να χρησιμοποιηθούν τελεστές διαστάσεων 5x5 έως 9x9 με κατάλληλους συντελεστές βαρύτητας κατά το πρότυπο του τελεστή Sobel. Στα Σχήματα 3.4 και 3.5 φαίνονται δύο τέτοιοι τελεστές που έχουν αποδειχθεί κατάλληλοι σε μια σειρά τέτοιων εφαρμογών. Σε κάθε περίπτωση το άθροισμα των συντελεστών πρέπει να είναι μηδέν προκειμένου να μην αλλοιώνεται η τοπική μέση τιμή της φωτεινότητας. 3.3.4 Καταλληλότητα απόδοση μεθόδων ανίχνευσης ακμών Παρά το γεγονός ότι έχουν αναπτυχθεί αρκετοί ανιχνευτές ακμών, εν τούτοις δεν υπάρχει ένα καλά ορισμένο μέτρο το οποίο να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιλογή του καταλληλότερου για την εκάστοτε εφαρμογή [Jain R et al, 1995]. Η έλλειψη ακριβώς ενός τέτοιου μέτρου απόδοσης οδηγεί στο να επιλέγεται ο κατάλληλος ανιχνευτής ακμών με διαδικασίες δοκιμών σφάλματος ή ακόμη και διαισθητικά [Haralick, 1991 ; Pratt, 199]. Παρ όλα αυτά, έχουν προταθεί κάποια κριτήρια για την εκτίμηση της απόδοσης ενός ανιχνευτή ακμών. Μερικά από αυτά είναι : Πιθανότητα εντοπισμού ανύπαρκτων ακμών Πιθανότητα μη ανίχνευσης υπαρχουσών ακμών Σφάλμα στον προσδιορισμό της κατεύθυνσης της ακμής Σφάλμα στον προσδιορισμό της θέσης της ακμής Σημαντικός επίσης παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη όταν αξιολογείται η καταλληλότητα του ανιχνευτή ακμών, είναι ο χρόνος που απαιτείται για τους υπολογισμούς. Τούτο συνδέεται άμεσα, με το μέγεθος της χρησιμοποιούμενης μάσκας. Ο παράγοντας αυτός είναι ιδιαίτερα σημαντικός όταν πρόκειται για εφαρμογές πραγματικού χρόνου.