Estimación de trayectoria a partir de imágenes RGB-D para un robot móvil autónomo

Abstract

En el presente trabajo se busca estimar la trayectoria de un objeto en movimiento, para lograrlo se utiliza la visión artificial utilizando cámaras con tecnología RGB-D que permite medir la profundidad de los objetos respecto a la ubicación de la cámara, se realizarán pruebas con una aplicación en particular la cual es atrapar una pelota.

Se busca contribuir a la estimación de objetos en movimiento porque se necesitan robots capaces de manipular y esquivar objetos en movimiento, en el laboratorio de Biorrobótica de la Facultad de Ingeniería de la UNAM ya se ha trabajado en este campo utilizando el filtro de Kalman extendido y se quiere probar con otro enfoque por lo que se utiliza el método de mínimos cuadrados para ajustar una trayectoria parabólica. Existen muchos tipos de movimiento y estudiarlos a todos puede ser complejo por lo que se decidió delimitar esta tesis al estudio de un tiro parabólico.

Es necesario segmentar el objeto deseado, pues la imagen que proporciona una cámara contiene la información de todo el ambiente visible y de alguna forma se tiene que eliminar la información que no corresponde al objeto de interés, para esto se utiliza la segmentación por color en el espacio HSV. La cámara entrega información sobre el color en el espacio RGB pero la segmentación en este color no es tan eficiente como lo es en HSV por lo que se realiza una transformación de RGB a HSV en la imagen, después de segmentar se calcula la posición del objeto en el espacio, esta posición esta dada de acuerdo al sistema de referencia de la cámara pero resulta mejor obtenerla de acuerdo a otro sistema de referencia que sea paralelo al plano en donde se moverá por la localización de este, por esta razón se utiliza una transformación homogénea que permita cambiar la posición de un sistema de referencia a otro. Ya que se cuenta con las coordenadas de la pelota se debe determinar cuando la pelota se encuentra en movimiento para esto se utiliza un criterio que se deduce a partir del caso discreto de las derivadas, al cumplirse se procede a guardar las muestras y estimar una ecuación que describa el movimiento de la pelota. Un tiro parabólico puede ser descrito por una ecuación cuadrática y haciendo algunas consideraciones es posible calcular las coordenadas de interés a partir de dicha ecuación; a grandes rasgos así funciona el sistema de visión.

Además del sistema de visión, se necesita de una plataforma con las características suficientes para realizar las pruebas suficientes y probar que se puede atrapar un objeto en movimiento, por lo que se plantearon ciertas características y se diseñó un robot capaz de moverse en cualquier dirección y estimar propia su localización, para lograr esto se utiliza la teoría de control y ecuaciones que definen las odometría del robot.

Para reducir la complejidad y facilitar el mantenimiento del código todas las tareas descritas se dividieron en diferentes nodos que se comunican entre sí utilizando ROS. Finalmente se realizaron varias pruebas simuladas y reales para observar como reaccionaba el sistema propuesto.