Capítulo 5. 5.Seguimiento de objetos

Capítulo 5

5.Seguimiento de objetos

Introducción

5.1.Introducción

El seguimiento de objetos en movimiento es el fin último de este proyecto. Para ello, como se comentó previamente, el sistema de visión capta las imágenes del objeto y determina la posición de éste para posteriormente comunicárselo al sistema de control.

Así pues, para realizar el seguimiento es necesario por un lado el control del vehículo, y por otro que el objeto móvil no salga del campo de visión de la cámara. Para facilitar esta labor, es de suma importancia independizar los movimientos del vehículo y la cámara, para lo cual se emplea el Pan&Tilt. De esta forma quedan desacopladas ambas tareas de seguimiento, de modo que se pueden llevar a cabo a distintas velocidades.

En capítulos anteriores se han comentado los mecanismos de comunicación y control a bajo nivel de la unidad Pan&Tilt. Lo que queda por ver, y que es objeto de estudio en el presente capítulo, es el control a más alto nivel que se realiza sobre el Pan&Tilt, es decir, el control supervisor. Si se quiere posicionar la cámara hacia la posición del móvil intentando minimizar la diferencia entre las posiciones del objeto y la cámara, es de vital importancia llevar a cabo una realimentación de la posición del Pan&Tilt ya que, de lo contrario, si se supone que se comporta como se le indica a bajo nivel, finalmente existirán errores de posición.

Seguimiento de objetos

Seguimiento con la unidad Pan&Tilt

5.2.Seguimiento con la unidad Pan&Tilt

Como ya se comentado, el papel que juega el módulo que seguidamente se pasa a detallar es el de control supervisor dentro del esquema de control de la unidad Pan&Tilt, indicando a los bucles de nivel inferior las referencias pertinentes para que ejecuten el movimiento necesario para centrar el objeto en la imagen.

El valor que utilizará este módulo para ordenar tales movimientos será el error relativo del objeto respecto al centro de la imagen, como puede observarse en la figura 4.1:

La relación “pixels - distancia real en metros” entre el objeto y el eje definido por el centro de la imagen dependerá, de la distancia a la que se encuentre el objeto, es decir, de la coordenada z de la cámara.

En principio, salvo haciendo algunas consideraciones, ese dato es desconocido, por lo que no es posible utilizarlo para los propósitos planteados. No obstante, este hecho no supondrá un problema para el control, ya que se trabajará con distancias angulares, evitando así esa dependencia.

Sin embargo, para realizar el seguimiento con el vehículo será necesario realizar una fuerte consideración: fijar la altura a la que se encuentra el objeto respecto al suelo a una determinada.

A continuación será descrita la estrategia de control planteada, analizando los resultados obtenidos con ella.

Figura 5.1: Error en posición del objeto

respecto al centro de la imagen

Seguimiento con la unidad Pan&Tilt

5.2.1.Algoritmo de control

En primer lugar, se examinará la secuencia de órdenes para efectuar el control del Pan&Tilt. El pseudocódigo puede resumirse en:

Inicialización de variables

Apertura y configuración del puerto serie para la comunicación con el Pan&Tilt

Apertura de comunicación vía socket con el romeo4b Creación de mútex y lanzamiento de hilos

Carga parámetros de calibración de la cámara Inicialización del Pan&Tilt

mientras(!final_escritor) ejecutar cada 50 ms Lectura de datos de posición del objeto Extrapolación de la posición

Actualización de variables de posición Envío de posición al PC de control Lectura de la posición del Pan&Tilt Cálculo de la actuación

Envío de la actuación al Pan&Tilt Actualización de variables de control Eliminación de hilos y liberación de recursos Cierre de conexiones y puertos

Como puede observarse de este código, la funcionalidad de este proceso consiste en la inicialización y configuración del sistema de trabajo, así como a servir de interfaz entre el algoritmo de seguimiento y el hilo de control del Pan&Tilt. El hecho de utilizar una zona de memoria compartida entre el algoritmo de seguimiento y el hilo de control permite que la frecuencia de escritura y lectura, respectivemente, pueda ser diferente. De este modo, el algoritmo de seguimiento colocará en la memoria compartida la posición del objeto a medida que se vaya ejecutando, mientras el hilo de control es capaz de ejecutarse cada cierto tiempo fijo determinado por el tiempo de muestreo requerido para el control del Pan&Tilt.

Así, se garantiza que la posición leida por el hilo de control es la última que se ha obtenido, a diferencia de lo que ocurriría con una cola. El uso de una cola es inadecuado, puesto que se almacenarían datos pasados y se tendería a controlar hacia una posición anterior a la actual, en el caso de que el escritor fuera más rápido que el controlador.

El acceso a la zona de memoria compartida se hace mediante el uso de mutex con el fin de no colisionar ambos hilos escribiendo y leyendo al mismo tiempo de las mismas variables.

Seguimiento de objetos

Seguimiento con la unidad Pan&Tilt

Tras la inicialización y configuración de todos los parámetros necesarios, el proceso entra en lo que se ha dado en denominar bucle de funcionamiento, ciclo en el que realiza la tarea encomendada que fue comentada anteriormente. No obstante, es deseable que cuando el usuario decida abortar el procesamiento de las imágenes llevado a cabo hasta el momento, se cierren adecuadamente las conexiones que se mantenían con los dispositivos y se liberen recursos. La forma de salir del bucle de funcionamiento es mediante la llamada a una función que modifica el valor de la variable final_escritor, por parte del algoritmo de seguimiento.

5.2.2.Control supervisor proporcional en velocidad

Para el cálculo de las consignas de control destinadas a la unidad Pan&Tilt, se ha optado por la implementación de un controlador de tipo proporcional para el control de la velocidad con referencia de posición.

El hecho de la decantación por un control en velocidad se debe a que, de esta forma, se consigue una respuesta más suave en el movimiento que en el caso de un control en posición. De esta forma, el segumiento es más suave y el objeto es más dificil de perder ya que, cuanto más bruscos sean los movimientos, más diferencia existirá entre dos imágenes consecutivas, lo que provoca una mayor dificultad para la determinación del objeto móvil por parte del algoritmo de seguimiento de características. Tomar un control proporcional se justifica con el hecho de que, como se verá, el sistema ya tiene un polo en el origen, de forma que, como lo que se pretende es que el objeto esté centrado en la imagen, se anularía el error en régimen permanente en posición por la propia función de transferencia del Pan&Tilt.

En primer lugar es necesario conocer la la relación de entrada-salida del sistema a controlar, es decir, su función de transferencia. Debe tenerse en cuenta que, la consigna de control que se va a emplear como entrada al sistema es la velocidad deseada, y que la realimentación será la posición, con el fin de hacer cero la diferencia:

Figura 5.2: Esquema de control

Seguimiento con la unidad Pan&Tilt

De las consideraciones hechas en capítulos anteriores sobre el comportamiento del Pan&Tilt, se deduce que el sistema se comporta como un integrador de la posición angular, ya que, dada una de velocidad angular, éste pasa a adoptar una velocidad angular constante de forma “instantánea” del valor indicado y una posición de se incrementa de forma constante en el tiempo:

Fórmula 5.1: Función de transferencia

Esta es una aproximación que se puede considerar válida teniendo en cuenta la figura 2.14 y las consideraciones del apartado 3.4.2, ya que el sistema se mantendrá normalmente a una velocidad por debajo de la velocidad base y, en caso contrario, la evolución de la velocidad dependerá de la aceleración impuesta que es, en cualquier caso, muy elevada, pudiéndose hacer la suposición de que se alcanza la velocidad especificada de forma inmediata.

No obstante, el hecho de efectuar la realimentación a través de la cámara y la variabilidad de los tiempos de ejecución del código, implican un retraso no muy elevado, pero que puede disminuir considerablemente el margen de fase del sistema y, por tanto, su estabilidad. La función de transferencia en bucle cerrado quedaría:

G

s= k s k e

Una vez caracterizado el sistema sería necesario hacer un estudio de estabilidad del mismo. No obstante, este paso es innecesario en este caso puesto que de la estabilidad del sistema se encargan los bucles de control de bajo nivel del controlador del Pan&Tilt.

5.2.2.1.

Diseño del controlador

Como se ha comentado, el controlador diseñado es uno de tipo proporcional al error en posición y con actuación en velocidad. De esta forma se consigue un movimiento más suave.

La obtención de la constante de proporcionalidad se ha hecho de forma empírica, observando cómo el sistema responde así de forma rápida y sin sobreoscilaciones apreciables. Se ha ajustado un punto por debajo de la que provoca sobreoscilaciones.

Esta constante se podría calcular disponiendo de un módelo “exacto” del sistema, teniéndose para ello que determinar el retraso en el bucle de realimentación de forma precisa.

Seguimiento de objetos

= d 

dt =⋅s G s= 

 = 1

s