Projekt systemu wizyjnego robota mobilnego

Politechnika Poznańska 

Wydział Informatyki i Zarządzania 

Katedra Inżynierii Komputerowej 

Praca dyplomowa inżynierska: 

Projekt systemu wizyjnego robota 

mobilnego 

Autorzy: 

Marcin Nowaczyk 

Jakub Psyk 

Grzegorz Pużyński 

Promotor: 

dr inż. Sławomir Stępień 

Poznań, 2007 r.

Spis treści 

1 Wstęp 2 

2 Cel i zakres pracy 4 

3 Przegląd aktualnych systemów wizyjnych oraz metod sterowania 

robotem mobilnym 6 

3.1 Zastosowanie systemów wizyjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 

3.1.1 Zastosowanie w przemyśle produkcyjnym . . . . . . . . . . 6 

3.1.2 Zastosowanie w siłach zbrojnych . . . . . . . . . . . . . . . 11 

3.1.3 Zastosowanie z udziałem kognitywistyki . . . . . . . . . . . 11 

3.2 Rozpoznawanie i akwizycja obrazów . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 

3.3 Aktualne konstrukcje robotów mobilnych . . . . . . . . . . . . . . 17 

3.3.1 Miniaturowy Robot Inspekcyjny VIRTUS R2 . . . . . . . 17 

3.3.2 Inne rozwiązania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 

4 Budowa systemu wizyjnego 25 

4.1 Modem radiowy firmy ARIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 

4.2 Sterowanie Mobotem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 

4.3 Kamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 

4.4 Sterowanie kamerą . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 

5 Oprogramowanie do sterowania Mobotem i akwizycji obrazu 40 

5.1 Sterowanie robotem mobilnym przy użyciu modemu radiowego . . 41 

5.2 Odczyt obrazu z kamery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 

5.3 Zapis obrazu z kamery na dysku twardym . . . . . . . . . . . . . 44 

6 Analiza systemu wizyjnego 46 

6.1 Testy odległościowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 

6.2 Częstotliwość generowanego sygnału zegarowego . . . . . . . . . . 48 

7 Podsumowanie 49 

Bibliografia 51

Rozdział 1 

Wstęp 

Każdy właścicel fabryki, dyżurny zmiany, każdy kto jest odpowiedzialny 

za nadzór nad pewnymi maszynami, ludźmi, bądź procesami produkcyjnymi, 

chciałby móc doglądać pracę kiedy tylko sobie zażyczy. Jednakże obserwacja dowolnego 

obszaru w dowolnym momencie nie zawsze jest możliwa. Do niedawna 

nad wszystkim sprawował pieczę człowiek, a rejestracja poprawności działania 

wszystkich stanowisk pracy wiązała się z dużymi kosztami w zatrudnieniu osobowym. 

Dodatkowo, w przypadku poważnej awarii, w grę wchodziło zagrożenie 

ludzkiego zdrowia. Ponadto nikt nie jest nieomylny, a błędy człowieka czasami 

bywały katastrofalne w skutkach. Zastosowanie kamer do wizualizacji obszarów 

pracy pozwoliło rozwiązać większość powyższych problemów. 

Kiedy mówimy o systemie wizyjnym lub inteligentnym systemie wizyjnym, to 

zazwyczaj mamy na myśli kamerę, zamontowaną na jakimś wysięgniku, ramieniu 

lub platformie, która może obserwować procesy produkcyjne, kontrolować dany 

obszar, rejestrować pewne zjawiska. Ale jak jest zbudowany taki system i jak 

działa 

Inteligentny system wizyjny składa się przede wszystkim z czujnika wizyjnego 

(kamery) oraz jednostki przetwarzającej i analizującej obraz (komputer, mikrokontroler, 

specjalizowany układ). System ten obserwuje wybrany fragment otoczenia 

i na podstawie zebranego obrazu generuje sygnał na wyjście. Sygnałem tym 

może być np.: sygnalizacja o położeniu elementów przedstawionych na obrazie, 

identyfikacja tych elementów oraz ich specyfikacja, odczyt informacji znajdującej 

się w obrębie sceny wizyjnej. Odczytany sygnał (obraz) wyjściowy jest następnie 

wykorzystywany do podejmowania decyzji przez system nadrzędny lub operatora 

[16, 17]. 

Pozostaje do rozwiązania jeszcze jeden problem, a mianowicie jakim medium 

przesyłać dane zebrane z kamery. Do niedawna uważano, że najrozsądniejszym, 

najbezpieczniejszym, zapewniającym najmniej błędów i stosunkowo najtańszym 

rozwiązaniem było zastosowanie połączenia przewodowego [10]. Jednakże rozwiązanie 

to ma podstawową wadę – ograniczone możliwości mobilne. Gdy system 

wizyjny jest montowany na elementach nieruchomych, to nie ma problemu, ale

gdy chcemy obserwować przedmiot poruszający się, kabel jest nie lada kłopotem. 

Z pomocą przychodzą nam techniki komunikacji bezprzewodowej. Mimo, 

iż połączenie tego typu zwiększa ryzyko wystąpienia błędów w transmisji, to 

i tak możliwość dowolnego rozmieszczenia urządzeń obserwujących, brak zbędnego 

okablowania oraz w wielu przypadkach niższy koszt instalacji, przemawia za 

korzystaniem z tego typu rozwiązań. Najbardziej popularnymi obecnie metodami 

komunikacji bezprzewodowej są: transmisja radiowa, bluetooth, podczerwień, 

wi-fi [10, 9]. Wśród nich najlepszym rozwiązaniem jest transmisja radiowa. Tylko 

od wi-fi ma ona trochę gorszy zasięg, ale poza tym jej zastosowanie jest dużo 

łatwiejsze, bardziej rozpowszechnione, a koszt modernizacji i zakupu jest stosunkowo 

niewielki. Dlatego też w niniejszej pracy wykorzystano tego typu medium 

do transmisji danych. 

3

Rozdział 2 

Cel i zakres pracy 

Podstawowym celem pracy była budowa systemu wizyjnego robota mobilnego, 

czyli wyposażenie robota w kamerę umożliwiającą obserwację otoczenia, 

w jakim robot miałby się poruszać. Następnie należało zaprojektować system 

bezprzewodowego sterowania robotem oraz samą kamerą. Ostatnim krokiem 

było napisanie aplikacji pozwalającej na wysyłanie odpowiednich komend do 

robota i akwizycję obrazu z kamery do plików wideo oraz pojedynczych zrzutów 

ekranowych. 

Szczegółowy zakres pracy obejmował: 

• wybór sposobu bezprzewodowego przesyłania instrukcji do robota 

• wybór odpowiedniego modemu spośród urządzeń oferowanych na rynku 

• dobór i zakup odpowiedniego silnika i sterownika do poruszania kamerą 

• zaprojektowanie uniwersalnego generatora sygnału zegarowego potrzebnego 

do sterowania silnikiem krokowym 

• dobranie i zakup kamery o odpowiednich parametrach 

• zaprogramowanie zakupionego modemu bezprzewodowego w celu dostosowania 

go do sterowania robotem mobilnym 

• zaprogramowanie robota mobilnego do interpretacji rozkazów przysyłanych 

do niego za pomocą modemu radiowego 

• napisanie programu do mikrokontrolera AVR odpowiedzialnego za sterowanie 

kamerą umieszczoną na robocie 

• stworzenie aplikacji do sterowania robotem i odbioru oraz akwizycji obrazu 

z kamery internetowej

5 

Podział pracy 

Realizację pracy podzielono na siedem rozdziałów 

Rozdział 3 zawiera przegląd aktualnych rozwiązań i zastosowań systemów wizyjnych. 

Zastosowań jest wiele, ale skupiono się na przykładach w przemyśle 

produkcyjnym oraz siłach zbrojnych. Z rozdziału tego dowiedzieć się można 

również o podstawowych operacjach na obrazach stosowanych podczas jego 

rozpoznawania i akwizycji. Na koniec przedstawiono przegląd aktualnym 

pomysłów i rozwiązań budowy robotów mobilnych. 

Rozdział 4 przedstawia informacje o wszystkich elementach wchodzących 

w skład systemu wizyjnego. Zawarto w nim opis działania zarówno modemów 

radiowych jak i kamery oraz bezprzewodowe sterowanie Mobotem 

i obrotnicą kamery. Poza tym zostały opisane programy wgrane do mikrokontrolerów 

AVR używane w opisywanym systemie. 

Rozdział 5 opisuje sposób programowej realizacji przesyłania danych między 

modemem podłączonym do komputera, a modułem umieszczonym na robocie. 

Można w nim również znaleźć informacje na temat sposobu odbierania 

i wyświetlania danych z odbiornika kamery bezprzewodowej. Wymienione 

są w nim specjalne moduły oraz metody programistyczne wykorzystane 

w stworzonej aplikacji. 

Rozdział 6 zawiera wyniki testów przeprowadzonych w laboratorium. Został 

opisany wpływ odległości na jakość obrazu z kamery oraz zasięg funkcjonowania 

bezprzewodowego modemu radiowego. Dodatkowo została podana 

faktyczna, zmierzona częstotliwość generowanego sygnału zegarowego przez 

układ ATtiny2313. 

W podsumowaniu można znaleźć krótki komenentarz na temat poprawności 

zrealizowanych założeń projektowych a także końcowa ocena wykonanej 

pracy.

Rozdział 3 

Przegląd aktualnych systemów 

wizyjnych oraz metod sterowania 

robotem mobilnym 

3.1 Zastosowanie systemów wizyjnych 

Na rynku istnieje wiele zastosowań dla inteligentnych systemów wizyjnych, 

jednak najczęściej wykorzystywane są w przemyśle produkcyjnym oraz siłach 

zbrojnych. 

3.1.1 Zastosowanie w przemyśle produkcyjnym 

We współczesnych przedsiębiorstwach produkcyjnych bardzo duży nacisk 

nakładany jest na jakość wytwarzanych produktów, przy jednoczesnym zwiększeniu 

ilości wytwarzanych dóbr. Zautomatyzowane systemy kontroli wizyjnej 

pozwalają na szybką i niezawodną inspekcję w procesach produkcyjnych. 

Cyfrowe przetwarzanie obrazów, stosowane jako zintegrowany element systemu 

obsługi produkcji przemysłowej, poprzez kontrolę każdego z elementów, pozwala 

na utrzymanie wysokiej jakości w całym procesie produkcji [16]. W procesach 

kontroli jakości arbitrem często jest człowiek. Jego doświadczenie i zdolności 

percepcyjne pozwalają na określenie poprawności sprawdzanych elementów. 

Jednak zdolności postrzegania człowieka są ograniczone i nie jest on w stanie 

nadążyć z oceną szybko przemieszczających się elementów. Ręczny pomiar 

poprawności ocenianych przedmiotów jest niedokładny, pobieżny i powolny, 

a zmęczenie i znużenie wykonywaniem powtarzalnych czynności mają wpływ na 

zawodność kontroli i obniżenie efektywności całego jej procesu.

3.1 Zastosowanie systemów wizyjnych 7 

Dlaczego warto stosować wizyjne systemy kontroli: 

• umożliwiają pełną kontrolę procesu produkcji, 

• pozwalają tworzyć dokumentację wyników kontroli, 

• kontrolują obiekty w ruchu, 

• są szybkie i bardziej niezawodne od człowieka. 

Podstawą systemów wizyjnych są kamery cyfrowe CCD oraz oprogramowanie 

realizujące algorytmy przetwarzania obrazów. W procesach kontroli znajdują 

zastosowanie techniki porównywania obrazów, odczytywania kodów kreskowych 

czy automatycznego rozpoznawania kształtów i znaków alfanumerycznych (OCR) 

[11]. 

Rysunek 3.1: Przykładowe znaki/kody do rozpoznania. (Źródło: [7]) 

Po przeprowadzeniu analizy systemy podejmują decyzję o poprawności wykonania 

badanego obiektu, przesyłając informację o tym do np.: wykonawczych 

systemów automatyki, eliminujących braki. Kontrola może odbywać się z ogromną 

prędkością, bez jakichkolwiek przerw. Stosując metody optycznej kontroli 

każdego wytwarzanego elementu łatwiej utrzymać cały proces produkcyjny 

w reżimie wysokich wymagań jakościowych. 

Przykładowe dziedziny zastosowań 

Kontrola jakości. Automatyczne systemy wizyjne są wykorzystywane w wielu 

dziedzinach przemysłu (motoryzacja, opakowania, farmacja, kosmetyki, 

elektronika, tworzywa sztuczne) do kontroli jakości produkowanych elementów. 

Szczególnie przydatne są w produkcji wielkoseryjnej, taśmowej [16]. 

Dzięki szybkości działania i niezawodności pozwalają na maksymalne wykorzystanie 

możliwości przerobowych nowoczesnych urządzeń produkcyjnych.


Rysunek 3.2: Przykładowe realizacje kontroli jakości (Źródło: [7]) 

Identyfikacja. Znakowanie, identyfikacja i śledzenie elementów na wszystkich 

etapach produkcji pozwala na monitorowanie i kontrolę całego procesu przemysłowego. 

Wydajny system śledzenia stwarza możliwości optymalizacji 

procesu wytwarzania. Inteligentne systemy wizyjne, dzięki możliwościom 

rozpoznawania kształtów, kodów jedno- i dwuwymiarowych oraz znaków 

alfanumerycznych, potrafią bezbłędnie identyfikować elementy w trudnych 

warunkach przemysłowych i zbierać informacje o produkcji. 

Procesy przemysłowe – sterowanie i wizualizacja. Analityczne systemy 

wizyjne dają ogromne możliwości kontroli procesów przemysłowych. 

Przekazując krytyczne informacje o procesie produkcyjnym odpowiednim 

jednostkom automatyki – sterownikom i komputerom, kierują procesem 

produkcji, eliminując na bieżąco błędy i wadliwe elementy. Informacje, 

rejestrowane przez systemy wizyjne, trafiają do systemów wizualizacji procesów 

przemysłowych, które to systemy są ważnym elementem zarządzania 

produkcją [15]. Rygorystyczne wymagania jakościowe wymuszają bezpośrednią 

kontrolę wielu procesów. Bez zastosowania najnowocześniejszych 

rozwiązań i urządzeń pomiarowych oraz szybkiej akwizycji danych już na 

etapie produkcji skuteczny nadzór jest niemożliwy. 

Systemy automatycznej kontroli wizyjnej w procesach produkcyjnych. 

Do systemów automatycznej kontroli wizyjnej w procesach produkcyjnych 

należą: 

• kontrola poprawności montażu, 

• wymiarowanie obiektów, 

• zliczanie, śledzenie i sortowanie, 

• ocena jakości powierzchni po obróbce, 

• ocena jakości materiałów transparentnych, np. szkła, 

• wykrywanie wad kształtu, 

• rozpoznawanie oznaczeń, np. OCR, 

• pozycjonowanie obiektów dla robotów przemysłowych, 

• pozyskiwanie danych ilościowych dla analiz.


Wybrane aplikacje 

Kontrola produktów butelkowanych. Kontrola ma na celu wykrycie nieprawidłowego 

napełnienia i ocenę sposobu zamknięcia butelki kapslem. Zadanie 

diagnostyczne wykonywane jest w trakcie produkcji o wydajności 600 

butelek na minutę i wymaga wydania werdyktu 10 razy w ciągu sekundy. 

Zatem czas niezbędny dla wykonania zadania wynosi 100 ms. 

Kontrola poprawności pakowania. System kontroli weryfikuje sposób zamknięcia 

opakowania - wszystkie klapy pudełka powinny być prawidłowo 

doklejone i zamknięte. Rozpoznanie niewłaściwego zamknięcia dokonywane 

jest na podstawie badania jasności obrazu w zdefiniowanym obszarze. 

Narzędzia analizy są dobrane w taki sposób, aby, poza wykryciem błędu 

zamknięcia, można było zidentyfikować odchyloną klapę. Kamera przekazuje 

informacje, pozwalające na wprowadzenie poprawek w dalszej części 

procesu technologicznego. 

Badanie powierzchni izolatorów. Na gwincie izolatorów mogą wystąpić 

ubytki materiału lub zniekształcenia gwintu, eliminujące produkt. Jakość 

gwintu oceniana jest przez narzędzia pomiarowe do pomiaru odległości pomiędzy 

rowkami gwintu. Ubytki identyfikowane są przez narzędzia do badania 

intensywności odbitego światła - powierzchnie z ubytkami rozpraszają 

światło, co umożliwia określenie i eliminację wadliwego produktu. 

Kontrola wykonania komputerowych płyt głównych 

Sprawdzanie prawidłowego montażu komputerowych płyt głównych. 

Na płytach kontrolowane mogą być wszystkie elementy. Na podstawie 

informacji o braku któregokolwiek elementu płyta kierowana jest do 

„poprawki”. Na tym samym obrazie dokonywane jest również sprawdzanie 

poprawności oznaczeń naniesionych na elementy płyty. 

Diagnostyka gwintów. Na obudowie skrzyni biegów kontrolowane są gwinty 

w otworach do mocowania. System ma za zadanie rozpoznać, czy w otworach 

wykonane są gwinty, nie kontrolując ich stanu. Zadanie wykonuje jedna 

kamera obserwując korpus skrzyni biegów oświetlony kilkoma źródłami 

światła. Oceniana jest intensywność światła w otworach. Powierzchnia 

wewnętrzna otworu bez gwintu przy takim oświetleniu nie odbija światła 

i widoczna jest jako ciemny obszar. Ocena natężenia światła odbitego przez 

powierzchnię gwintowaną jest podstawą do oceny prawidłowego wykonania 

korpusu. 

Ocena jakości wykonania gwintów. W elemencie montowanym w systemach 

hamulcowych kontrolowana jest jakość gwintów. Warunkiem poprawnego 

wykonania gwintu jest wykonanie co najmniej czterech jego stopni. Element


jest obracany przed kamerą w taki sposób, aby możliwe było kontrolowanie 

każdego z otworów. Stopnie gwintu zliczane są przez narzędzie pomiarowe, 

umożliwiające liczenie przejść pomiędzy jasnymi i ciemnymi elementami 

gwintu. 

Kontrola dokładności wykonania elementów. Przy produkcji piast do kół 

samochodów ciężarowych mogą występować błędy związane z wykonaniem 

nieprawidłowego odlewu oraz z błędnym wykonaniem otworów piasty. Diagnostyka 

prowadzona jest na linii produkcyjnej. Piasty oświetlane są w taki 

sposób, aby otwory widoczne były w postaci ciemnych plam. Za pomocą odpowiednich 

narzędzi ciemne plamy są identyfikowane i odczytywane są ich 

pozycje, odpowiadające pozycjom otworów na kole piasty. Narzędzia pomiarowe 

obliczają następnie odległości otworów względem osi piasty. Elementy 

wykonane wadliwie usuwane są z linii produkcyjnej. 

Robotyka 

Współpraca systemu wizyjnego z robotem przemysłowym. 

Diagnostyka polega na zbadaniu kilkunastu parametrów silnika produkowanego 

na tej linii. Robot ustawia kamerę nad kolejnymi elementami 

silnika. Kamera na podstawie przygotowanego programu diagnostycznego 

przeprowadza inspekcję kolejnych elementów. Po wykonaniu zadania 

przesyła ona informację do robota o gotowości do wykonania następnego 

zadania. Informacje i wyniki pomiarów oraz wyniki kontroli kolejnych elementów 

przesyłane są do bazy danych w celu tworzenia historii produktu. 

Wykorzystując zaawansowane algorytmy, system przetwarzania obrazu 

jest w stanie mierzyć wielkość i prędkość, zliczać oraz rozpoznawać obserwowane 

obiekty szybciej, dokładniej i znacznie skuteczniej niż człowiek. 

Pozwala to na tworzenie aplikacji automatycznie kontrolujących procesy 

bez konieczności ingerencji w obserwowane zjawiska [16]. 

Ograniczanie kosztów wytwarzania 

Zastosowanie automatycznych systemów wizyjnych pozwala zwiększyć możliwości 

produkcyjne nawet w najlepiej zorganizowanych przedsiębiorstwach. Rozmieszczone 

na linii produkcyjnej punkty kontroli jakości umożliwiają eliminację 

wad w trakcie procesu produkcji, dając gwarancję wysokiej jakości produktów 

końcowych. Dzięki temu można obniżyć jednostkowe koszty wytwarzania, zwiększając 

tym samym konkurencyjność firmy na rynku. Nakłady na systemy wizyjne 

na ogół zwracają się po niedługim czasie ich eksploatacji.


3.1.2 Zastosowanie w siłach zbrojnych 

Amerykańska wykorzystuje różne roboty wojskowe m.in. w Iraku, Afganistanie 

i Izraelu. Zadania jakie wykonują mają charakter defensywny. Przykładowo 

robot Talon firmy Foster-Miller i PackBot z konkurencyjnej firmy iRobot specjalizują 

się w rozbrajaniu min. Te mobilne roboty kontrolowane przez operatora 

znajdującego się w opancerzonym pojeździe potrafią poruszać się z dużymi 

prędkościami i wykorzystywać manipulatory i chwytaki do umieszczania małych 

ładunków wybuchowych w pobliżu min - ładunki te później są odpalane, przez 

co mina zostaje rozbrojona [1]. 

Obecne wersje tych robotów są rozwijane tak, aby mogły wspierać żołnierzy 

w przemieszczaniu się i ostrzeliwaniu wroga. iRobot zbudował prototyp wyposażony 

w broń palną. 

Robot Sword firmy Foster-Miller tym różni się od PackBota, że zamiast manipulatora 

posiada urządzenie z zamocowanym karabinem maszynowym. Urządzenie 

to jest przeznaczone do walk na obszarach miejskich i ochrony granic danego 

terytorium i jest całkowicie kontrolowane przez żołnierza. 

Nie mniej jednak bardziej skomplikowane maszyny mogą wkrótce trafić na 

deski kreślarskie inżynierów. Raport opublikowany przez przynależące do Pentagonu 

biuro Office of Naval Research (ONR) mówi o tym, że w przyszłości będzie 

zapotrzebowanie na roboty, które w pewnych sytuacjach będą samodzielnie podejmowały 

decyzje. Raport mówi o konstrukcjach robotów mobilnych, które są 

w stanie odróżnić swoich żołnierzy od nieprzyjaciół i powiadomić swojego operatora 

w razie wykrycia zagrożenia. Urządzenia takie działałyby na bazie specjalistycznego 

oprogramowania wykorzystującego system sztucznej inteligencji analizujący 

dane pobierane przez „system monitorowania ludzkiego stresu”, systemy 

rozpoznawania głosu i gestów człowieka. Na podstawie tych informacji oprogramowanie 

określiłoby stopień zagrożenia w odniesieniu do konkretnego człowieka. 

3.1.3 Zastosowanie z udziałem kognitywistyki 

Eksperymenty z udziałem prawdziwych i symulowanych robotów sugerują, że 

związek pomiędzy ruchem fizycznym a sygnałami płynącymi do systemów sensorycznych 

może okazać się bardzo istotny przy opracowywaniu bardziej inteligentnych 

maszyn [1]. 

Testy z udziałem dwóch prawdziwych i jednego zasymulowanego robota pokazują, 

że informacje zwrotne przekazywane pomiędzy systemem czujnikowym 

a ruchem robota decydują o jakości nawigacji maszyny w otoczeniu. Lepsze zrozumienie 

tego typu relacji może pomóc naukowcom zbudować sztuczne mechanizmy 

przypominające żywe stworzenia. 

Typowym dla naukowców specjalizujących się w sztucznej inteligencji jest 

rozdzielanie zachowania fizycznego od informacji płynących do systemu sensorycznego.

3.2 Rozpoznawanie i akwizycja obrazów 12 

Do przeprowadzenia testów wykorzystano czteronożnego robota kroczącego, 

humanoidalny tułów i zasymulowany robot kołowy. Wszystkie trzy roboty zostały 

wyposażone w komputerowy system wizyjny zaprogramowany do „skupiania się” 

na obiektach o czerwonym kolorze, rozłożonych losowo wśród innych obiektów o 

innych kolorach. Robot kroczący i kołowy automatycznie zmierzają do czerwonych 

bloków zatrzymując się w ich sąsiedztwie, podczas gdy humanoid chwyta te 

bloki, przybliżając je do swojego sztucznego „narządu wzroku” i przekrzywiając 

głowę w celu lepszego widoku. 

Aby zmierzyć związek pomiędzy ruchem a wizją, badacze zarejestrowali informacje 

ze przegubów i pola widzenia robotów. Zastosowali techniki matematyczne, 

aby zobaczyć jak wiele związków przyczynowych zawiązało się pomiędzy sygnałami 

wejściowymi do systemu czujnikowego a aktywnością napędów [14]. 

Potwierdziło to, że da się zaobserwować związki przyczynowe dwóch wspomnianych 

rodzajów, tzn. informacja płynie od systemu czujnikowego do systemu 

napędowego, ale także z systemu napędowego do systemu czujnikowego. Jest to 

ważna demonstracja eksperymentalna aspektu modelu wbudowanego poznawania. 

Czyni to z niego zjawisko bardziej praktyczne, a mniej teoretyczne, tak jak 

to miało miejsce do tej. 

3.2 Rozpoznawanie i akwizycja obrazów 

Przetwarzanie obrazów i rozpoznawanie obrazów są względnie zamkniętymi 

obszarami zastosowania komputerów, które wspólnie definiują pole komputerowej 

wizji. Jest pewna analogia pomiędzy systemem komputerowej wizji i systemem 

wzrokowym człowieka. Komputerowe przetwarzanie obrazu jest analogiem 

procesu, który ma miejsce w ludzkim oku i nerwie optycznym. Rozpoznawanie 

obrazu reprezentuje w większym stopniu percepcję wizualną, która ma miejsce 

w ludzkim mózgu. 

Zadania komputerowej wizji przekraczają zadania rozpoznawania obrazów. 

Tylko niewielka ich część może być opisana przez klasyczny układ rozpoznawania, 

kiedy zadany jest skończony alfabet klasyfikacji, wystarczająco prosty model 

opisu klasyfikowanego obiektu (obrazu) i znaleziono regułę decyzyjną, odnoszącą 

obraz do jednej z wcześniej zadanych klas [12]. 

Rozpoznawanie obrazu to przetwarzanie obrazu przez maszynę za pomocą 

urządzeń zewnętrznych (np. skaner) w opis cyfrowy tegoż obrazu w celu dalszego 

przetwarzania. Przykładem takiego działania jest OCR czy też OMR [11]. W rozpoznawaniu 

obrazów możemy wyróżnić dwie podstawowe specyfikacje: kryteria 

oceny efektywności metod i algorytmów oraz realizację tych algorytmów. Podstawowymi 

kryteriami oceny efektywności algorytmów rozpoznawania są szybkość 

działania i dokładność rozpoznania. Jeżeli chodzi o realizację algorytmiczną to 

bierzemy pod uwagę głównie realizacje na programowe na komputerach klasy PC 

(np.: C/C++) oraz realizacje sprzętowe, czyli wykorzystanie wyspecjalizowanych


układów takich jak procesory sygnałowe, matryce FPGA itp. 

Rysunek 3.3: Etapy procesu obróbki obrazu 

W procesie rozpoznania obrazu możemy wyróżnić następujące etapy: 

• Scena wizyjna - obraz poddawany rozpoznaniu, 

• Akwizycja - pobranie i wstępne przygotowanie obrazów do rozpoznania 

• Filtracja - usuwanie z obrazu pewnych jego fragmentów (szumu, obiektów), 

• Segmentacja - przekształcenie obrazu w inny zawierający wyraźnie wyodrębnione 

obiekty znajdujące się na obrazie oryginalnym, 

• Analiza - wyznaczenie pewnych cech obiektów (opis obiektów przy pomocy 

liczb), klasyfikacja, 

• Dane wyjściowe - wynik; prawidłowy lub nieprawidłowy obiekt, klasa do 

której przynależy itd. 

Podczas obróbki obrazu wykonujemy operacje dzięki którym obraz staje się 

bardziej czytelny. Mogą to być operacje punktowe na jednym obrazie z zastosowaniem 

tablicy korekcji oraz operacje punktowe na dwóch obrazach. Metody 

punktowe to takie, w których wartość punktu obrazu wyjściowego zależy od wartości 

punktu obrazu wejściowego o tych samych współrzędnych. W metodzie tej 

nie uwzględniamy sąsiedztwa (inaczej niż w filtrach splotowych i operacjach morfologicznych. 

Natomiast tablica korekcji (LUT, look-up-table), to tablica umożliwiająca 

zmianę odcieni szarości obrazu wejściowego zgodnie z wartościami zapamiętanymi 

w tej tablicy. Tablica ta jest indeksowana kolejnymi dopuszczalnymi 

odcieniami szarości, a wartość jej i-tego elementu określa jaką wartość przyjmą 

punkty obrazu wyjściowego, których odcień szarości na obrazie wejściowym wynosi 

i. tablica korekcji przechowuje zadaną krzywą tonalną, która jest jej praktyczną 

realizacją i umożliwia modyfikację obrazu zgodnie z tą krzywą [11]. 

Operacje wykorzystujące tablice korekcji LUT: 

• Negacja - wyznaczany jest negatyw obrazu. Przykład został pokazany na 

rysunku numer 3.4 

• Operacje arytmetyczne: 

dodawanie - rozjaśnienie obrazu, problem z przepełnieniem (obcięcie, modulo). 

Przykład został pokazany na rysunku numer 3.5


Rysunek 3.4: Efekt działania operacji negacji (Źródło: [7]) 

Rysunek 3.5: Efekt działania operacji dodawania (Źródło: [7]) 

Rysunek 3.6: Efekt działania operacji odejmowania (Źródło: [7]) 

odejmowanie - przyciemnienie obrazu, problem z przepełnieniem (obcięcie, 

modulo).Przykład został pokazany na rysunku numer 3.6 

mnożenie - rozjaśnienie obrazu, problem z przepełnieniem (obcięcie, modulo).Przykład 

został pokazany na rysunku numer 3.7 

dzielenie - przyciemnienie obrazu, brak efektu przepełnienia. Przykład został 

pokazany na rysunku numer 3.8 

• Rozciąganie histogramu - ma na celu zagospodarowanie całego spektrum 

dostępnym odcieni szarości. Przykład został pokazany na rysunku numer 

3.9 

• Wyrównywanie histogramu - ma na celu taką modyfikację obrazu, by roz-


Rysunek 3.7: Efekt działania operacji mnożenia (Źródło: [7]) 

Rysunek 3.8: Efekt działania operacji dzielenia (Źródło: [7]) 

Rysunek 3.9: Efekt działania operacji rozciągania histogramu (Źródło: [7]) 

kład liczby punktów na piksel względem odcieni szarości był równomierny, 

tj. by na każdy odcień szarości przypadała możliwie taka sama liczba 

punktów równa całkowitej liczbie punktów podzielonej przez liczbę odcieni 

szarości. Przykład został pokazany na rysunku numer 3.10 

• Redukcja odcieni szarości - kwantyzacja, redukcja np. do 2 poziomów szarości. 

Przykład został pokazany na rysunku numer 3.11

3.3 Aktualne konstrukcje robotów mobilnych 16 

Rysunek 3.10: Efekt działania operacji wyrównania histogramu (Źródło: [7]) 

Rysunek 3.11: Efekt działania operacji redukcji odcieni szarości (Źródło: [7]) 

• Korekcja gamma - uwypuklenie jednych szarości kosztem innych, poprawia 

kontrast ciemnych obszarów kosztem jasnych lub odwrotnie. Przykład 

został pokazany na rysunku numer 3.12 

• Solaryzacja - częściowego lub całkowitego odwrócenia obrazu negatywowego 

na pozytywowy, 

• Pseudokolorowanie - konwersja obrazu w skali odcieni szarości z jednowymiarowej 

przestrzeni barw do przestrzeni barw, przypisanie określonym odcieniom 

szarości odpowiednich kolorów, zgodnie z naturą obrazu [8].


Rysunek 3.12: Efekt działania operacji korekcji gamma (Źródło: [7]) 

Rysunek 3.13: Robot Virtsus R2 (Źródło: [6]) 

3.3 Aktualne konstrukcje robotów mobilnych 

3.3.1 Miniaturowy Robot Inspekcyjny VIRTUS R2 

Robot (pokazany na rysunku 3.13) oparty jest na podwoziu gąsienicowym. 

Moduły napędowy i moduł sterujący zostały zintegrowane w jednym elemencie. 

Kadłub został wzmocniony i dodatkowo uszczelniony. Umożliwi to pokonywanie 

przeszkód wodnych o głębokości 30-40 mm oraz pracę w środowisku zapylonym. 

W przedniej części kadłuba zainstalowano dwa refleksyjne czujniki optoelektroniczne, 

dzięki którym możliwe jest wykrycie przeszkód znajdujących się 150 mm


przed robotem. Zainstalowano dodatkowo z boku kadłuba między kołami zaczepy 

umożliwiające instalacje osłon kół lub innego wyposażenia. Do napędu 

użyto dwóch silników prądu stałego o napięciu 12 V. Przekładnie o przełożeniu 

200:1 pozwalają na osiągnięcie maksymalnego momentu obrotowego wynoszącego 

1 Nm. Dwukrotny wzrost momentu obrotowego odbył się kosztem prędkości. 

Doświadczenie pokazuje, że dla tego typu urządzeń prędkość nie jest bardzo ważnym 

czynnikiem w przeciwieństwie do możliwości radzenia sobie z przeszkodami 

terenowymi. Ważna jest również dopuszczalna masa dodatkowego wyposażenia 

jakie można zainstalować na robocie. Z silnikami zintegrowane są hallotronowe 

przetworniki obrotowo impulsowe. Dają one trzy impulsy na obrót wałka silnika 

co biorąc pod uwagę przełożenie daje 600 impulsów na obrót koła. Dla tego typu 

robotów jest zadowalająca dokładność pomiaru. Koła odznaczają się niewielką 

masą i są przystosowane do pracy w wodzie. Robot został wyposażony w moduł 

wykonawczy. Manipulator wykonany jest z profili aluminiowych. Składa się 

z dwóch członów i mini-chwytaka. Do jego napędu zastosowano dwa modelarskie 

serwomechanizmy HS-300 i jeden HS-80. Zastosowane mechanizmy odznaczają się 

zwartą budową, małymi wymiarami, niską masą i dużym momentem obrotowym. 

Na ramieniu manipulatora zainstalowano kamerę CCD. Umożliwia ona obserwację 

podczas poruszania się robota jak i wykonywania czynności manipulacyjnych 

[13]. 

Układ sterowania 

Głównym elementem układu sterowania jest jednostka centralna. Jednostka 

centralna oraz pozostałe elementy układu sterowania zasilane są z układu zasilania. 

Układ ten pozwala na zasilanie sterownika w bardzo szerokim zakresie napięć 

zasilania (8..48VDC). Układy sterowania silników pozwalają na realizację pracy 

nawrotnej. Układy te pracują w klasycznym układzie mostkowym i są sterowane 

przez jednostkę centralną metodą modulacji szerokości impulsu. Prędkość obrotową 

silników mierzona jest przez zliczanie w jednostkowych odcinkach czasu impulsów 

z fotooptycznych przetworników obrotowo-impulsowych zainstalowanych 

na wałkach silników napędowych. Dzięki temu w układzie sterowania napędu 

silników możliwe jest zrealizowanie układów automatycznej regulacji prędkości, 

różnicy prędkości i przemieszczenia kątowego. 

Jednostkę centralną tworzy pojedynczy układ mikrokontrolera jednomodułowego 

typu MSP430F149 firmy Texas Instruments. Jądrem mikrokontrolera jest 

szesnastobitowa jednostka arytmetyczno-logiczna o architekturze ortogonalnej ze 

zredukowaną listą rozkazów (RISC). Mikrokontroler posiada wewnętrzną reprogramowalną 

pamięć programu typu flash o pojemności 60 KB oraz 2KB pamięci 

o swobodnym dostępie typu RAM. Mikrokontroler zasilany jest ze źródła o napięciu 

3,3V pobierając moc rzędu 5mW przy częstotliwości oscylatora kwarcowego 

równej 4,9152MHz. 

Układ sterowania napędów zaopatrzono w trzy opcjonalne interfejsy trans-


misji szeregowej: RS485, CAN 2.0B, RS232C. Dwa pierwsze przeznaczone są do 

zastosowań przemysłowych, ostatni do badań laboratoryjnych. Interfejs umożliwia 

dwukierunkową naprzemienną transmisję szeregową danych z prędkościami 

transmisji w zakresie 1 200..76 800Bd. Interfejs umożliwia sprzężenie jednostki 

sterowania napędami z zewnętrzną jednostką nadrzędną typu master drogą radiową 

(radiomodem) lub przez bezpośrednie połączenie kablowe. W warstwie aplikacyjnej 

zaimplementowano ogólnie znany i zweryfikowany w warunkach przemysłowych 

protokół komunikacyjny MODBUS-RTU zapewniający dostatecznie wysoki 

poziom bezpieczeństwa transmitowanych danych. Dla minimalizacji zużycia energii 

w kanale RS232 zastosowano energooszczędny układ z funkcją auto-shutdown, 

zaś w kanale RS485 układ sterownika magistrali o poborze prądu wynoszącym 

zaledwie 0,3mA. 

3.3.2 Inne rozwiązania 

Istnieje wiele innych rozwiązań konstrukcyjnych mobilnych robotów kołowych, 

które znalazły zastosowanie w dziedzinie nauki i techniki [2]. Podstawowym kryterium 

klasyfikacji robotów kołowych jest ilość kół napędzanych i kierowanych. Tak 

więc 2-kołowy mobilny robot posiada dwa koła napędzane, pozostałe koła są tylko 

samonastawne. Przykładami takich robotów są między innymi Pioneer 2DX, 

firmy Activemedia, przedstawiony na rysunku 3.14a oraz robot Powerbot zilustrowany 

na rysunku 3.14b. wykonany w Katedrze Robotyki i Dynamiki Maszyn 

AGH. 

(a) Robot Pioneer 2DX 

(b) Robot Powerbot 

Rysunek 3.14: Roboty firmy Activemedia (Źródło: [11]) 

Innym przykładem mobilnego robota kołowego może być 3-kołowy mobilny 

robot (dwa koła napędzane, trzecie koło kierowane) B-14r firmy Activemedia 

zilustrowany na rysunku 3.15a. przeznaczony do pracy w halach produkcyjnych 

lub do tworzenia map. 

Przykładem mobilnego robota 4-kołowego jest Pioneer 2AT firmy Activemedia 

(cztery koła napędzane) zilustrowany na rysunku 3.15b. Ze względu na swoją


(a) Robot B-14r 

(b) Robot Pioneer 2AT 

Rysunek 3.15: Roboty firmy Activemedia (Źródło: [11]) 

konstrukcję nadaje się do prac terenowych. Podstawowym przeznaczeniem tego 

mobilnego robota jest zastosowanie go jako sondy zbierającej różnorodne dane, 

takie jak np. dane pogodowe lub informacje o ukształtowaniu terenu itp. Innym 

przykładem mobilnego robota 4-kołowego jest robot WIMIREK (rysunek 3.16a) 

skonstruowany w Katedrze Robotyki i Dynamiki Maszyn AGH, którego zadaniem 

jest walka Sumo z innymi robotami zgodnie z ustanowionymi zasadami zawodów 

dla tego typu urządzeń. Kolejnym przykładem mobilnego robota 6-kołowego jest 

również wykonany w Katedrze Robotyki i Dynamiki Maszyn AGH robot IMI- 

REK 3.16a przeznaczony do udziału w walkach Sumo robotów. 

(a) Roboty: WIMIREK (z lewej) 

i IMIREK (z prawej) 

(b) Robot gąsienicowy BROKK 

BM 110 

Rysunek 3.16: Roboty Katedry Robotyki i Dynamiki Maszyn AGH (Źródło: [11]) 

Innym przykładem mobilnego robota jest BROKK BM 110 (Lulea University 

of Technology), zilustrowany na rysunku 3.16b, jest to robot wyposażony 

w gąsienice, jego przeznaczeniem jest praca przy usuwaniu powierzchni drogowych. 

Robot ten jest w fazie projektów, jednak jest on bardzo interesującym 

rozwiązaniem.


Antyterrorystyczny robot inspekcyjno-interwencyjny (EOD/IEDD) IN- 

SPECTOR w swojej klasie wyróżnia się dużą siłą udźwigu i uciągu oraz zdolnością 

jazdy po trudnym terenie, a także pokonywania wysokich przeszkód [1]. 

Przedstawiony on został na rysunku 3.17 

Rysunek 3.17: Antyterrorystyczny robot INSPECTOR (Źródło: [12]) 

Typowe zastosowania: 

• Inspekcja, przenoszenie i neutralizacja ładunków niebezpiecznych. 

• Wspomaganie operacji antyterrorystycznych. 

• Praca w warunkach szkodliwych lub niebezpiecznych dla człowieka. 

• Ochrona i inspekcja obiektów. 

• Współpraca z robotem EXPERT lub innym robotem. 

Unikatowe cechy robota INSPECTOR: 

• Robot może holować lub przepychać pojazdy samochodowe o masie do 1500 

kg pozostawione na dowolnym biegu. 

• Gąsienica przednia (o zmiennym, zdalnie sterowanym nachyleniu) zwiększa 

możliwości trakcyjne, stabilizację wzdłużną oraz umożliwia płynne poruszanie 

się po schodach i znacznych nierównościach terenu.


• Manipulator robota posiada duży udźwig, który wynosi na wyciągniętych 

ramionach 30 kg, a na złożonych 60 kg. 

• Obrót podstawy manipulatora wynosi aż 400°. 

• Zachowanie stałej orientacji w przestrzeni poszczególnych części manipulatora 

podczas ruchu pozostałych ułatwia precyzyjne operowanie niebezpiecznymi 

ładunkami. 

• System kontroli robota umożliwia jednoczesne sterowanie wszystkimi jego 

napędami. 

• Program automatycznego składania manipulatora do pozycji transportowej 

przyspiesza i ułatwia przygotowanie robota do transportu. 

Robot jest standardowo wyposażony w cztery kamery kolorowe, zintegrowane 

w obudowach z podwójnymi reflektorami halogenowymi umożliwiającymi pracę 

przy niedostatecznym oświetleniu lub w całkowitej ciemności. Dwie kamery jezdne: 

jedna umieszczona jest z przodu platformy mobilnej na siłowniku nastawy 

kąta ruchomej gąsienicy przedniej. Dzięki temu pole widzenia operatora zmienia 

się wraz z podnoszeniem lub opuszczaniem gąsienicy przedniej. Druga skierowana 

do tyłu umieszczona jest na obrotowej podstawie manipulatora. Pole widzenia 

operatora zmienia się wraz z obrotem podstawy manipulatora. Kamera manipulacyjna 

umieszczona jest na chwytaku. Kąt widzenia kamer 90°. Kamera główna 

umieszczona jest na górnym ramieniu manipulatora. Jest ona zainstalowana na 

głowicy obrotowej, pozwalającej na obrót kamery w płaszczyźnie poziomej oraz 

pionowej. Kamera jest wyposażona w obiektyw o zmiennej ogniskowej z możliwością 

automatycznej regulacji przesłony oraz manualnej, zdalnej regulacji ostrości 

oraz ogniskowej (zoom). W zależności od warunków oświetleniowych. 

Antyterrorystyczny robot neutralizująco-wspomagający (EOD/IEDD) 

EXPERT jako pierwszy na świecie wykonuje wszystkie zadania w środkach 

transportu: samolotach, autobusach, wagonach kolejowych, okrętach oraz małych 

i ciasnych pomieszczeniach [1]. 

Może nie tylko do nich wjechać, lecz również wszędzie sięgnąć i podjąć 

ładunek z położnych wysoko lub trudno dostępnych zakamarków. 

Robot EXPERT 

Unikatowe cechy robota EXPERT: 

• Konstrukcja przedstawiona na rysunku 3.18 godzi ze sobą dwa sprzeczne 

wymogi: mała baza mobilna umożliwia manewrowanie w ciasnych pomieszczeniach, 

a jednocześnie manipulator ma duży zasięg i udźwig. 

• Gąsienice przednie (o zmiennym, zdalnie sterowanym nachyleniu) zapewniają 

stabilność konstrukcji przy pokonywaniu wysokich przeszkód oraz 

schodów.


Rysunek 3.18: Antyterrorystyczny robot EXPERT (Źródło: [11]) 

• Rozkładane stabilizatory boczne umożliwiają solidne zablokowanie położenia 

bazy mobilnej, co pozwala na bezpieczne podnoszenie dużych ciężarów 

oraz bardzo precyzyjne operowanie manipulatorem nawet przy jego pełnym 

bocznym wysięgu. Stabilizatory mogą zostać zdemontowane, co zmniejsza 

o 8 cm szerokość bazy mobilnej. 

• Zasięg manipulatora wraz z chwytakiem wynosi prawie 3 m. Dzięki wyjątkowo 

długiemu wysuwowi górnego ramienia możliwa jest inspekcja przestrzeni 

zarówno na wysokości półek na bagaże np. w samolocie jak i pod fotelami 

pasażerów. 

• EXPERT jest wyposażony w 6 kamer. Cztery kolorowe kamery rozmieszczone 

są: na chwytaku, z tyłu i z przodu robota oraz na manipulatorze 

(kamera główna z możliwością obrotu o 360° i 90° góra-dół). Ponadto dwie 

kolorowe kamery boczne umieszczone są po bokach przednich gąsienic, co 

pozwala na inspekcję np. przestrzeni pod fotelami. 

• System kontroli robota umożliwia jednoczesne sterowanie wszystkimi jego 

napędami. 

• System autodiagnostyczny wykrywa na bieżąco wszelkie usterki i wyświetla 

komunikaty tekstowe o nich na pomocniczym monitorze LCD. 

• Większość kabli robota oraz manipulatora przebiega wewnątrz konstrukcji, 

co zmniejsza ryzyko ich uszkodzenia. 

Robot posiada 6 kamer rejestrujących. Główna, kolorowa, na ruchomej zdalnie 

sterowanej głowicy, zdalna regulacja powiększenia. Dwie boczne przednie, kolorowe, 

szerokokątne służące do inspekcji przestrzeni po bokach bazy mobilnej.


Jezdna tylna, kolorowa, szerokokątna, jezdna przednia, kolorowa, szerokokątna 

oraz kamera chwytaka, kolorowa, szerokokątna. 

Wszystkie kamery z własnymi oświetlaczami halogenowymi (2 x 20W) lub 

z oświetlaczami diodowymi.

Rozdział 4 

Budowa systemu wizyjnego 

Pierwszym krokiem ku realizacji projektu było wybranie odpowiedniej technologii 

komunikacji z Mobotem i pozostałymi elementami, które służą do sterowania 

kamerą umieszczoną na robocie. Aby uzyskać jak największą swobodę poruszania 

robotem, oczywistym wyborem była łączność bezprzewodowa. Dostępnych systemów 

tego typu można znaleźć bardzo wiele na rynku, jednak aby koszty nie 

przerosły budżetu, należało znaleźć optymalne rozwiązanie. 

Nowoczesne technologie typu Wi-Fi czy Bluetooth [10] nadawałyby się zdecydowanie 

najlepiej do tego celu, jednakże po zbadaniu rynku okazało się, że 

w chwili dokonywania wyboru nie było na rynku polskim dostępnych modułów, 

które można by wykorzystać w pracy. Sprowadzenie zza granicy byłoby nie dość, 

że ryzykowne, ze względu na możliwy długi czas realizacji zamówienia i ewentualnych 

napraw, to koszt takich układów był znacznie wyższy od tych, wykorzystujących 

starsze technologie komunikacji radiowej. Z tych względów zdecydowano 

się na zakup dwóch urządzeń komunikujących się w paśmie radiowym 433MHz 

w firmie ARIES, mającej swoją siedzibę w Warszawie. 

Modem radiowy w wersji mini, zasilany stałym napięciem 5V, został zamontowany 

na płycie Mobota. Drugi modem, w wersji standard, zasilany napięciem sieciowym 

230V, został podłączony do komputera, z którym komunikacja następuje 

za pośrednictwem interfejsu szeregowego RS-232. Na płytce modemu w wersji 

mini został zamontowany mikrokontroler ATmega8515, którego oprogramowanie 

moożna rozbudować o dodatkowe funkcje, dzięki udostępnionym kodom źródłowym 

programu, napisanego przez pana Ryszarda Szymaniaka z firmy ARIES. 

W ten sposób rozkazy wysyłane z komputera przez port COM trafiają do mikrokontrolera, 

który to interpretuje je i wysyła odpowiednie sygnały sterujące do 

Mobota i systemu sterowania kamerą. Szersze informacje na temat tych modemów 

oraz komunikacji między nimi znajdują się w rozdziale 4.1. 

Mając narzędzie do komunikacji bezprzewodowej, można było rozpocząć pracę 

nad sterowaniem Mobotem z komputera. W tym celu zmodyfikowano oprogramowanie 

robota tak, aby w zależności od sygnałów podawanych na porty mikrokontrolera 

sterującego silnikami Mobota, robot wykonywał określone czynności

26 

takie, jak: 

• jazda w przód 

• jazda w tył 

• obrót w prawo 

• zwiększenie prędkości 

• zmniejszenie prędkości 

• stop 

Następnym krokiem było zaprojektowanie samego systemu wizyjnego - wybór 

odpowiedniej kamery, silnika obracającego nim oraz sterownika. 

Spośród wielu dostępnych kamer, należało poszukać takiego rozwiązania, które 

spełniałoby wyznaczone założenia, czyli: 

• małe rozmiary 

• zasilanie napięciem stałym maksymalnie wynoszącym 24V (co wynika z zastosowanego 

akumulatora w Mobocie) oraz w miarę niski pobór prądu 

• przesył obrazu w sposób bezprzewodowy 

• jak najniższa cena 

Po przejrzeniu dostępnych rozwiązań można powiedzieć, że rynek pod tym 

względem nie jest bogaty. Zdecydowanie łatwiej (ale i drożej) można kupić oddzielnie 

kamerę, nadajnik oraz odbiornik w paśmie telewizyjnym, niż kamerę ze 

zintegrowanym nadajnikiem. To rozwiązanie dodatkowo wymagałoby zastosowania 

tunera telewizyjnego w komputerze do odbioru sygnału wizyjnego. Ostatecznie 

wybór padł na zestaw firmy GRANDTEC - Grand RF, zawierający kamerę 

ze zintegrowanym nadajnikiem oraz odbiornik podłączany do komputera przez 

port USB, co jest bardziej uniwersalnym rozwiązaniem. O kamerze i odbiorniku 

można przeczytać szerzej w rozdziale 4.3 

Ostatni element konstrukcyjny systemu wizyjnego robota to obrotnica do kamery. 

Zdecydowano się wykorzystać jeden z najprostszych silników krokowych, 

a mianowicie unipolarny silnik krokowy firmy WObit - 39BYG402U [3, 6] oraz 

sterownik tejże firmy - SUC63BK [4, 7]. Bezpośrednio na osi silnika została zamontowana 

kamera. Użycie takiego zestawu umożliwia dokładne i bezproblemowe 

sterowanie obrotu kamerą. 

Aby rozbudować funkcjonalność obrotnicy o zmienną szybkość obrotu, zbudowano 

dodatkowy układ generujący sygnał zegarowy do sterownika. Z powodu 

wykorzystania wszystkich timerów zarówno mikrokontrolera na Mobocie jak 

i w modemie bezprzewodowym, zdecydowano się użyć jednego z najprostszych

4.1 Modem radiowy firmy ARIES 27 

Rysunek 4.1: Ogólny schemat komunikacji między poszczególnymi częsciami systemu 

mikrokontrolerów firmy Atmel, a mianowicie ATtiny2313. Napisany samodzielnie 

program umożliwia wybór kierunku obrotu silnika oraz jednej z siedmiu zaprogramowanych 

prędkości obrotu. Wybór poszczególnych funkcji odbywa się poprzez 

wysłanie rozkazu do modemu bezprzewodowego, który to przekazuje je dalej do 

mikrokontrolera. Szerzej cały system obrotu kamerą został opisany w rozdziale 

4.4. 

4.1 Modem radiowy firmy ARIES 

Zamówione modemy przeznaczone są do dwustronnej transmisji danych cyfrowych 

drogą radiową. Do modemów można dołączyć dowolny nadajnik/odbiornik 

danych wyposażony w uproszczony interfejs RS232 (linie TXD oraz RXD). Ich 

podstawowe parametry: /citepoz17 

• transmisja radiowa half dupleks. 

• szybkość transmisji radiowej 19,2 kBaud 

• praca w paśmie 434,026MHz. 

• interfejs typu RS232 z możliwością ustawienia jednej z 7 szybkości transmisji: 

4,8kB, 9,6kB, 14,4kB, 19,2kB, 38,4kB, 57,6kB i 115,2kB.


• dwa formaty transmisji danych: prosty (każda odebrana transmisja radiowa 

jest wysyłana interfejsem RS232) i adresowany (odebrana transmisja jest 

identyfikowana poprzez adres nadawcy, jeżeli nadawcą jest modem-partner 

o znanym adresie, transmisja zostanie wysyłana interfejsem RS232, w przeciwnym 

wypadku jest ignorowana) 

• bufor transmisji do 255 bajtów. 

• moc nadajnika 10dBm. 

Rysunek 4.2: Modem radiowy w wersji 

mini 

Rysunek 4.3: Modem radiowy w wersji 

standard 

Dodatkowo na modemie został zamontowany przycisk (SW1) oraz dwie diody 

sygnalizacyjne LED - L1 oraz L2. 

Dioda L1 (czerwona) sygnalizuje, że modem wysyła dane, natomiast dioda L2 

(zielona) oznacza, że modem odbiera dane. 

Przycisk posiada dwa zastosowania: 

1. Gdy jest wciśnięty w momencie włączenia zasilania, modem wchodzi w tryb 

serwisowy. Możliwa jest wówczas współpraca z programem ARMSET i ustawienie 

parametrów modemu: 

• wybór szybkości interfejsu szeregowego RS232 

• wybór formatu transmisji danych 

• ustawienie adresu własnego modemu 

• ustawienie adresu modemu-partnera, z którym będzie możliwa wymiana 

danych w formacie adresowanym 

Gdy modem znajduje się w tym trybie, obie diody sygnalizacyjne są zapalone. 

Wyjście z trybu serwisowego następuje po wyłączeniu zasilania układu.


2. Poza trybem serwisowym przycisk realizuje transmisję testową, co sygnalizowane 

jest zapaleniem się diod L1 i L2 lub migotaniem diody L1. Jeżeli 

w tym czasie w zasięgu odbioru znajduje się drugi modem, odpowiada on 

podobną transmisją testową (L1 i L2 obydwu modemów świecą się), jeżeli 

drugi modem nie jest włączony lub odpowiedź jest błędna (na skutek np. 

zbyt dużej odległości pomiędzy modemami), migoce dioda L1. 

Modemy przesyłają dane drogą radiową w ramkach o maksymalnej długości 

do 255 bajtów. Kolejna transmisja z modemu nadawczego rozpoczyna się gdy: 

• urządzenie zewnętrzne prześle do modemu za pośrednictwem interfejsu 

RS232 255 bajty danych 

• przerwa po ostatnim przesłanym bajcie trwa dłużej niż czas potrzebny na 

przesłanie 2 znaków (przy wybranej szybkości transmisji interfejsu RS232) 

Po rozpoczęciu przesyłania danych drogą radiową interfejs RS232 pozostaje 

nieaktywny do czasu wysłania całej ramki. 

Po rozpoczęciu przesyłania danych drogą radiową interfejs RS232 pozostaje nieaktywny 

do czasu wysłania całej ramki. 

Moduł radiowy, przedstawiony na rysunku 4.4, (chip CC1000 firmy CHIP- 

CON) połączono z mikrokontrolerem AVR ATmega8515, który jest odpowiedzialny 

za przygotowanie danych do transmisji, wysyłanie ich do modułu radiowego, 

odbiór danych i buforowanie. 

Rysunek 4.4: Moduł CC1000PP


Rysunek 4.5: Połączenie pinów portów Mobota i modemu mini 

Ponieważ mikrokontroler ten posiada wiele niewykorzystanych pinów portów, 

postanowiliśmy wykorzystać je do wysyłania rozkazów sterujących do Mobota. 

W tym celu połączone są piny PC0..4 mikrokontrolera modemu mini z pinami 

PC3..7 mikrokontrolera Mobota, co przedstawia rysunek 4.5. 

Oryginalny program autorstwa Ryszarda Szymaniaka z firmy ARIES został 

uzupełniony o funkcję, która na podstawie odebranych danych znajdujących się 

w buforze, powoduje wyprowadzenie stanu logicznej jedynki bądź zera na wyjściach 

portów mikrokontrolera. Listę komend i reakcji mikrokontrolera ATmega8515 

przedstawia tabela 4.1 

Program Mobota został tak napisany, że każda zmiana stanu logicznego na 

pinie PC4 powoduje zwiększenie prędkości, a zmiana stanu na pinie PC3 powoduje 

zmniejszenie prędkości. Powyższe funkcje zostały opisane szerzej w rozdziale 

4.2. 

Poza sterowaniem samym Mobotem, mikrokontroler ATmega8515 steruje także 

mikrokontrolerem ATtiny2313 odpowiedzialnym za podawanie sygnału zegarowego 

do sterownika silnika krokowego. Tu zostały wykorzystane piny PB5..7 

mikrokontrolera ATmega8515 i PD0,1,4,6 mikrokontrolera ATtiny2313. Schemat 

połączeń przedstawia rysunek 4.6 

Wszystkie funkcje realizowane przez mikrokontroler ATtiny2313 zostały opisane 

w rozdziale 4.4 

Modem bezprzewodowy w wersji standard jest używany tylko i wyłącznie 

do wysyłania komend tekstowych (znaków) w niezmienionej postaci do modemu 

w wersji mini. Komunikacja z komputerem odbywa się z prędkością 9600bit/s 

a modemy komunikują się bez adresowania, tzn. nie jest sprawdzane, czy dane

4.2 Sterowanie Mobotem 31 

Komenda (znaki) PC0..3 PC3 PC4 Funkcja 

’S’ 000 

stop 

’A’ 001 w przód 

’B’ 010 X X 

w tył 

’C’ 011 obrót w lewo 

’D’ 100 obrót w prawo 

’E’ 

1 

’F’ 0 

X zwiększenie prędkości 

’M’ 

X 

1 

X 

’N’ 0 

zmniejszenie prędkości 

Tabela 4.1: Tabela stanów wyjść mikrokontrolera ATmega8515 

Rysunek 4.6: Połączenie pinów portów Mobota i generatora 

pochodzą z modemu-partnera. Jest to związane z błędem w programie konfiguracyjnym 

ARMSET, dostarczonym przez firmę ARIES, uniemożliwiającym zapis 

adresu w pamięci modemu. 

4.2 Sterowanie Mobotem 

Jak wspomniano w rozdziale 4.1, sterowanie Mobotem polega na wysłaniu 

przez port szeregowy odpowiednich komend sterujących do modemu radiowego 

w wersji standard, który to dalej przekazuje je modemowi na pokładzie mobota 

i do mikrokontrolera sterującego robotem. Dostarczony przez firmę WObit [4] 

kod programu mikrokontrolera w języku C umożliwił taką modyfikację, aby robot 

wykonywał odpowiednie czynności w zależności od sygnałów na portach PC3..7.

4.2 Sterowanie Mobotem 32 

Komenda (znak) PA0..2 PA3 Funkcja 

’x’ 000 

stop 

’r’ 001 prędkość 1 

’t’ 010 prędkość 2 

’y’ 011 prędkość 3 

X 

’u’ 100 prędkość 4 

’i’ 101 prędkość 5 

’o’ 110 prędkość 6 

’p’ 111 prędkość 7 

’j’ 

1 kierunek w lewo 

X 

’k’ 0 kierunek w prawo 

Tabela 4.2: Tabela stanów wyjść mikrokontrolera ATmega8515 

Rysunek 4.7: Mobot z zamontowanymi wszystkimi modułami 

Prędkość obrotu każdego z dwóch silników jest regulowana zmiennymi: global 

left speed oraz global right speed z ograniczeniem w postaci stałych GLO- 

BAL MAX SPEED=1023 i GLOBAL MIN SPEED=175. Po włączeniu Mobota 

silniki są zatrzymane. Po wybraniu opcji jazdy robota w programie Mobot Rider, 

prędkość jest ustawiana na wartość 300. Każda zmiana stanu (0 → 1, 1 → 0) na 

pinie PC4 mikrokontrolera ATmega8515 powoduje zwiększenie prędkości o wartość 

100. Każda zmiana stanu na pinie PC3 natomiast, powoduje zmniejszenie 

prędkości o wartość 100.

4.3 Kamera 33 

Kierunek obrotu silników jest zależny od tego, czy wartość prędkości jest 

dodatnia, czy też ujemna. I tak jazda w przód to ustawienie obu wartości na 

dodatnie, w tyłu obu na ujemne, z kolei obrót w lewo bądź w prawo wymaga 

podania jednej wartości dodatniej, a drugiej ujemnej. 

4.3 Kamera 

Do niniejszej pracy zdecydowano się wykorzystać kamerę Grand RF CMOS 

USB firmy Grandtec. Kamery tego typu zużywają mniej prądu niż urządzenia 

CCD, przez co lepiej nadają się do urządzeń przenośnych. Wybrany przez nas 

model oferuje bezprzewodową łączność na odległość do 100m, 4 kanały transmisji 

i odbioru sygnałów, które mogą być zastosowane w przyszłości w innych projektach 

wykorzystujących systemy wizyjne, a także przesył obrazu o stosunkowo 

wysokiej rozdzielczości 330 linii jak również dźwięku. Dobre parametry kamery 

pozwalają na rozbudowę systemu wizyjnego np. o wykrywanie ruchów na obrazie 

lub reakcję na odpowiednie dźwięki. Dzięki interfejsowi USB moduł odbiorczy 

można szybko podłączyć do każdego komputera, co niewątpliwie świadczy o jego 

wysokiej mobilności. 

Rysunek 4.8: Zestaw Grand RF CMOS USB firmy Grandtec 

Odbiornik posiada szereg wejść i wyjść audio/video umożliwiających podłączenie 

do niego takich urządzeń jak telewizor, kamera, głośniki lub odtwarzacz 

DVD. Dzięki temu, możliwe jest oglądanie oraz nagrywanie obrazu z kamery na 

kilku urządzeniach jednocześnie (rysunek 4.9) 

Standardowo w opakowaniu do zestawu (rysunek 4.8) dołączany jest uchwyt, 

na którym mocowana jest kamera. Dzięki niemu możliwe jest swobodne skierowanie 

kamery na obserwację dowolnego obszaru i jednocześnie stabilne jej umocowanie 

uniemożliwiające niekontrolowane zmiany kątów położenia. Uchwyt ten jest

4.3 Kamera 34 

Rysunek 4.9: Schemat możliwych połączeń urządzeń peryferyjnych do odbiornika 

(Źródło: [5]) 

jednak przystosowany tylko do montowania kamery na gładkich płaszczyznach, 

poprzez nóżkę o podstawie koła, którą można przykręcić do podłoża za pomocą 

trzech śrub. Jednakże takie rozwiązanie uniemożliwa zamontowanie uchwytu na 

osi silnika. Dlatego też, w tym celu zaprojektowano od nowa i skonstruowano 

nowy uchwyt trzymający kamerę, którego schemat przedstawia rysunek 4.10. 

Rysunek 4.10: Uchwyt do kamery 

Podstawowym elementem, który umożliwia sztywne trzymanie na osi silnika 

jest twarda guma. Ciasno naciśnięty na wałek osi silnika uchwyt daje stabilne 

trzymanie, a dodatkowym atutem tego rozwiązania jest to, że wszelkie nierówności 

w pracy silnika krokowego (drgania, szarpnięcia) są absorbowane przez gumę.

4.4 Sterowanie kamerą 35 

Dzięki temu odbierany obraz podczas obracania kamery będzie bardziej płynny. 

Kamera z uchwytem została przedstawiona na rysunku 4.11. 

Rysunek 4.11: Kamera z uchwytem mocującym 

4.4 Sterowanie kamerą 

Do sterowania kamerą wykorzystano hybrydowy silnik krokowy unipolarny 

39BYG402U firmy WObit [4, 3, 6], przedstawiony na rysunku 4.12. Jego podstawowe 

parametry pracy: 

• obrót 1,8° na jeden krok 

• napięcie 12V 

• prąd 0,5A 

• trzymający moment 0,29Nm 

Silniki hybrydowe są najnowocześniejszym typem silników krokowych [3]. Silnik 

hybrydowy jest bardziej kosztownym niż silnik z magnesem trwałym cechuje 

się za to lepszymi parametrami, jeśli chodzi o rozdzielczość i szybkość. Zasada


Rysunek 4.12: Silnik 39BYG402U 

działania silnika opiera się na tym, że magnes trwały umieszczony na wirniku lub 

na stojanie wytwarza jednako biegunowy strumień magnetyczny, który zamyka 

się w obwodzie magnetycznym: stojan -szczelina powietrzna - wirnik. Po zasileniu 

uzwojenia stojana impulsem sterującym, wzbudzony strumień magnetyczny 

pod jednym biegunem stojana dodaje się do strumienia magnesów trwałych, pod 

drugim zaś odejmuje się. Wirnik zostaje wprowadzony w ruch tak, by osie zębów 

stojana i wirnika bieguna o strumieniu wzmacniającym pole magnetyczne 

pokryły się. 

Typowe kąty silnika hybrydowego mieszczą się w zakresie 3,6 - 0,9 tj. 100 - 

400 kroków na obrót. Silnik hybrydowy łączy w sobie zalety silnika ze zmienną 

reluktancją i silnika z magnesem stałym. Rotor silnika ma wiele zębów i posiada 

osiowo namagnesowane magnesy umieszczone koncentrycznie wokół osi. Zęby 

rotora zapewniają lepszą drogę przepływowi magnetycznemu co polepsza charakterystyki 

momentu spoczynkowego i dynamicznego w porównaniu z silnikami 

z magnesem stałym i reluktancyjnym. 

Zdecydowano się na wybór silnika krokowego ze względu na jego zalety, takie 

jak: 

• proporcjonalność kąta obrotu silnika do ilości impulsów wejściowych 

• precyzyjne pozycjonowanie i powtarzalność ruchu 

• możliwość bardzo szybkiego rozbiegu, hamowania i zmiany kierunku 

• możliwość osiągnięcia bardzo niskich prędkości z obciążeniem umocowanym 

bezpośrednio na osi


• szeroki zakres prędkości obrotowych 

Do sterowania silnikiem wykorzystano sterownik SUC63BK firmy WObit [4, 7] 

(rysunek 4.13). Podawanie sygnału zegarowego na wejście CLK powoduje obrót 

silnika - jeden okres to jeden krok, czyli obrót o 1,8°. Natomiast w zależności od 

podawanego na wejście sygnału DIR (’0’ lub ’1’ logiczne) - silnik obraca się w lewą 

bądź prawą stronę. Dodatkowo wyprowadzone ze sterownika wyjścia 5V daje 

możliwość do zasilania modemu radiowego oraz generatora sygnału zegarowego. 

Rysunek 4.13: Sterownik SUC63BK 

Generator sygnału zegarowego (rysunek 4.14)został zbudowany na bazie układu 

ATtiny2313, a program do niego napisany w Assemblerze. Jego zadaniem jest 

podawanie na wejście sterownika silnika sygnału CLK z jedną z zaprogramowanych 

częstotliwości. 

Rysunek 4.14: Generator sygnału zegarowego 

Wybór częstotliwości odbywa się za pomocą pinów PD3,4,6, co przedstawia 

tabela 4.3


Stan pinów Częstotliwość 

PD3,4,6 [Hz] 

Funkcja 

000 stałe 0 stop 

001 40 prędkość1 







Tabela 4.3: Wartości częstotliwości na wyjściu w zależności od stanów logicznych 

wejść 

Wyjście kierunku z mikrokontrolera ATtiny2313 znajduje się pod pinem PB3, 

a clocka pod pinem PB4. W celu uzyskania stałej częstotliwości wykorzystano 16- 

bitowy timer1, który generuje przerwanie za każdym razem, gdy się przepełni. 

Wpisując odpowiednią wartość do rejestru TCNT1 można zmieniać częstotliwość 

generowanych przerwań. W momencie przerwania następuje zmiana stanu 

wyjściowego na przeciwny. W wyniku przeprowadzonych testów okazało się, że 

obliczone wartości wpisywane do rejestru timera nie dają w wyniku dokładnie 

takich częstotliwości, jakie podaje tabela. Dokładniej uzyskiwane częstotliwości 

zostały opisane w rozdziale 6.2 

Rysunek 4.15: Wyprowadzony interfejs ISP 

Dodatkowo, z uwagi na dochodzący do kamery kabel zasilania, postanowiono 

ograniczyć ruch kamery do zakresu 180° (po 90° w każdą stronę od pozycji 

zerowej). Zostało to osiągnięte przez podanie sygnału kierunku obrotu kamery 

najpierw do układu ATtiny2313 i później doprowadzenie go w niezmienionej 

postaci do sterownika. Dzięki temu rozwiązaniu jesteśmy w stanie zliczać generowane 

impulsy i zapisywać je w oddzielnym rejestrze. Pozycja środkowa (kamera 

usytuowana na wprost kierunku jazdy) odpowiada wartości 100. Każdy impuls 

zegarowy powoduje zwiększenie bądź zmniejszenie tej wartości o 1. Gdy war-


tość w rejestrze dojdzie do 0 bądź 200 - nie jest możliwy dalszy obrót kamery 

w stronę, w którą się obracała. Aby umożliwić ręczne ustawianie pozycji środkowej 

zmontowany został dodatkowo przycisk (SW1) podłączony pod przerwanie 

mikrokontrolera. Jego naciśnięcie powoduje zapis w rejestrze wartości 100. Przycisk 

SW2 powoduje reset mikrokontrolera. Aby umożliwić łatwe programowanie 

układu, zostało obok wyprowadzone złącze ISP opisane na rysunku 4.15. 

Na oddzielnej płytce (rysunek 4.16) zostały umieszczone elementy pomocne 

przy podłączaniu silnika, sterownika, modemu i generatora. Poza tym, na płytce 

znajduje się jeszcze stabilizator napięcia 6V (7806), z którego jest dostarczane 

napięcie do kamery (rysunek 4.17). 

Rysunek 4.16: Płytka rozdzielająca napięcia i sygnały do silnika, sterownika, modemu 

i generatora 

Rysunek 4.17: Stabilizator napięcia 6V

Rozdział 5 

Oprogramowanie do sterowania 

Mobotem i akwizycji obrazu 

Do sterowania robotem oraz odczytu i zapisu na dysku twardym obrazu z kamery 

stworzone zostało autorskie oprogramowanie, gdyż aplikacje dostarczone 

do obsługi kamery oraz modemu firmy ARIES nie posiadały wymaganej funkcjonalności. 

Program „Motor Raider” został napisany w języku C# przy pomocy 

programu Visual Studio 2005. Wykorzystano w nim bibliotekę Direct Show .NET, 

która w znacznym stopniu ułatwia odczyt obrazu z kamery i jego archiwizacje. 

Poszczególne moduły programu zostały opisane w kolejnych podrozdziałach. 

Rysunek 5.1: Główny panel programu

5.1 Sterowanie robotem mobilnym przy użyciu modemu radiowego 41 

5.1 Sterowanie robotem mobilnym przy użyciu 

modemu radiowego 

W pierwszej kolejności należy wybrać port szeregowy w komputerze, do którego 

podłączony jest moduł wysyłający, a następnie kliknąć przycisk „Połącz”. 

Jeżeli port ten będzie zajęty, tzn. inny program już z niego korzysta, na pasku 

stanu pojawi się odpowiedni komunikat, przedstawiony na rysunku 5.2: 

Rysunek 5.2: Błąd: brak dostępu 

Program posiada również zabezpieczenie przed otwarciem portu używanego 

już przez „Robot Raider’a”, zobrazowane na rysunku 5.3: 

Rysunek 5.3: Błąd: port otwarty 

Pasek stanu informuje użytkownika także o poprawnym wykonaniu procedury 

otwarcia oraz zamknięcia odpowiednich portów. 

Jeżeli połączenie z modułem wysyłającym zostało ustanowione, można zacząć 

sterować robotem. W tym celu należy użyć przycisków „Do przodu”, „Do tyłu”, 

„Lewo”, „Prawo” oraz „Stop”. Po przyciśnięciu któregoś z tych przycisków robot 

wykonuje żądaną operację, aż do wysłania innej komendy. Ponieważ sam Mobot 

skonstruowany jest tak, że nagła zmiana kierunku jazdy na przeciwny często 

kończy się nieprawidłową pracą silników, dlatego w programie zaimplementowano 

procedury mające na celu wyeliminowanie tego zjawiska. Przy komendach 

odpowiedzialnych za zmianę kierunku ruchu najpierw wysyłana jest komenda 

„Stop”, a następnie inicjowany jest ruch w wybranym kierunku. Przykładowy 

kod programu odpowiedzialny za ruch do przodu został pokazany na rysunku 

5.4. 

Rysunek 5.4: Funkcja odpowiedzialna za ruch Mobota do przodu 

Powższa funkcja stosuje również opóźnienie wysłania komendy ruchu po komendzie 

„Stop”. Zostało to zastosowane z uwagi na niedużą prędkość przesyłania

5.2 Odczyt obrazu z kamery 42 

danych przed modem oraz w celu zapewnienia Robotowi odpowiedniego czasu na 

zatrzymanie się. Zwiększanie i zmniejszanie prędkości ruchu realizowane jest za 

pomocą odpowiednio przycisków „Szybciej” i „Wolniej”, których realizacja programowa 

jest taka sama, jak funkcji ruchu. 

Sposób obracania kamerą jest podobny do sterowania robotem. W pierwszej 

kolejności należy ustawić prędkość obrotu używając suwaka. Po uruchomieniu 

programu prędkość ustawiona jest na 0. Jeżeli chcemy ją zmienić, wystarczy 

przeciągnąć myszką strzałkę ustawiając ją na odpowiednim poziomie. Jeżeli ustawimy 

już odpowiednią prędkość, to możemy sterować obrotem kamery naciskając 

i przytrzymując przyciski „Lewo” lub „Prawo”. Kamera obraca się do momentu 

osiągnięcia maksymalnego kąta wychylenia. 

5.2 Odczyt obrazu z kamery 

W celu odczytu obrazu z odbiornika podłączonego do portu USB wykorzystano 

technologię DirectShow umożliwiającą obsługę strumieni wideo i audio na 

platformach Microsoft Windows. Pozwala ona między innymi odtwarzanie plików 

medialnych, pobieranie obrazu i dźwięku z urządzeń zewnętrznych takich 

jak kamery cyfrowe i karty telewizyjne, kodowanie/dekodowanie strumienia oraz 

dostęp do poszczególnych klatek ideo i ich przetwarzanie. DirectShow obsługuje 

większość popularnych plików medialnych (m.in. AVI, WAV, ASF, MIDI) oraz 

formatów kompresji (MPEG-1, MPEG-4, MP3). 

W pierwszej kolejności należy wybrać urządzenie, z którego będziemy przechwytywać 

sygnał wideo/audio spośród tych, które zainstalowane są na komputerze 

użytkownika komputerze. Dokonuje się tego z poziomu menu „Urządzenia”, 

co zostało zaprezentowane na rysunku 5.5: 

Rysunek 5.5: Menu wyboru urządzenia wideo 

Po wykonaniu tej operacji można uruchomić podgląd obrazu z kamery naciskając 

przycisk „Podgląd”. Jeżeli urządzenie zostało poprawnie podłączone, na 

formatce powinno wyświetlić się okno umożliwiające podgląd strumienia wideo, 

widoczne na rysunku 5.6. 

Istnieje również możliwość wywołania okien pozwalających na zmianę parametrów 

obrazu otrzymywanego z wybranego urządzenia. Operacje te inicjujemy 

uruchamiając z menu „Ustawienia” odpowiednie okna dialogowe (rysunek 5.7). 

Dla przykładu okno Video Capture Device umożliwia zmianę formatu wyświetlanego 

obrazu na SECAM lub NTSC (rysunek 5.8).

5.2 Odczyt obrazu z kamery 43 

Rysunek 5.6: Podgląd obrazu z kamery 

Rysunek 5.7: Opcje wideo 

Rysunek 5.8: Dialog opcji wideo

5.3 Zapis obrazu z kamery na dysku twardym 44 

Przydatna jest również zakładka odpowiedzialna za parametry obrazu (jasność, 

kontrast, odcień i nasycenie), zaprezentowana na rysunku 5.9. 

Rysunek 5.9: Dostosowanie opcji obrazu 

Jest to bardzo wygodne narzędzie, z którego prosto i szybko można korzystać 

w trakcie akwizycji obrazu. Jego główną zaletą jest to, że ustawienia zmieniane są 

z poziomu sterownika urządzenia, dlatego ich rezultat jest momentalnie widoczny 

na obrazie z kamery. Wpływ poszczególnych parametrów na obraz ilustruje 

rysunek 5.10 

Dodatkowo ustawienia są na stałe zapisywane w plikach konfiguracyjnych, 

więc nie ma potrzeby kalibracji obrazu przy każdym uruchomieniu kamery. 

5.3 Zapis obrazu z kamery na dysku twardym 

Strumień wideo odczytywany z kamery USB możemy zapisać w postaci pojedynczych 

zdjęć lub pliku z filmem w formacie *.avi. W celu zachowania na 

dysku aktualnie wyświetlanej klatki obrazu naciskamy przycisk „Zrzuć”. Wynikiem 

tej operacji będzie zapisanie na dysku zdjęć w formacie *.jpg o takiej samej 

rozdzielczości , jak obraz otrzymywany z kamery. Aby łatwiej archiwizować zapisywane 

pliki, ich nazwa składa się z daty oraz godziny utworzenia danego zrzutu 

ekranowego. Plik z filmem *.avi tworzymy z kolei naciskając przycisk „Nagrywaj”. 

Po tej operacji do pliku zostaną zapisywane kolejne klatki wideo. Należy 

pamiętać, ze jest to plik nieskompresowany, dlatego nie należy stosować zbyt długich 

nagrań, gdyż może to wyczerpać dostępną wolną przestrzeń dyskową. Jeżeli 

chcemy skończyć nagrywanie filmu naciskamy przycisk „Stop”. Zachowany plik 

możemy wtedy odczytać np. przy użyciu odtwarzacza Windows Media Player.

5.3 Zapis obrazu z kamery na dysku twardym 45 

(a) Obraz oryginalny 

(b) Obraz czarno-biały 

(c) Obraz ze zwiększoną jasnością 

i kontrastem 

(d) Obraz ze zwiększonym kontrastem 

i nasyceniem 

Rysunek 5.10: Wpływ parametrów obrazu 

System nazewnictwa filmów jest taki sam, jak w przypadku zrzutów ekranowych. 

Użytkownik ma jednak możliwość wyboru, do którego katalogu program ma zapisywać 

plik, wybierając odpowiednie ścieżki w opcjach „Ścieżka zapisu zdjęć” 

i „Ścieżka zapisu wideo” w menu „Ustawienia”. 

Program do sterowania robotem oraz akwizycji obrazu został napisany obiektowo. 

Umożliwia to wykorzystanie jego poszczególnych modułów w innych projektach, 

jak również ułatwia jego rozbudowę o dodatkowe komponenty, np. algorytmy 

rozpoznawania kształtów. Warto również zauważyć, iż w stworzonej aplikacji 

zaimplementowano mechanizmy zabezpieczające przez błędami mogącymi pojawić 

się w trakcie jego użytkowania, czego nie posiadały programy dostarczone 

zarówno Mobotem, jak i modemem ARIES.

Rozdział 6 

Analiza systemu wizyjnego 

Testy przeprowadzono w pomieszczeniu zamkniętym. Ze względu na złe warunki 

pogodowe niemożliwe było przeprowadzenie testów w przestrzeni otwartej. 

Analiza obejmowała: 

• Badanie zasięgu sygnału modemu radiowego 

• Badanie zasięgu sygnału nadajnika kamery 

• Sprawdzanie jakości obrazu kamery w zależności od odległości od nadajnika 

6.1 Testy odległościowe 

Analiza została przeprowadzona w Domu Studenckim Nr 1. Nadajnik modemu 

radiowego w wersji standard i odbiornik sygnału kamery znajdowały się w pomieszczeniu 

laboratoryjnym nr 3 na parterze, natomiast Mobot został umieszczony 

kolejno na: 

• parterze 

• I piętrze 

• II piętrze 

Pomimo, iż oba urządzenia wykorzystują fale radiowe do transmisji danych, 

ich zasięg różni się. Testy wykazały, że kamera wysyła obraz na mniejszą odległość 

niż modem radiowy, co jest związane z pracą tych urządzeń na różnych 

częstotliwościach - kamera działa w paśmie 2,4 GHz, natomiast modem 434,026 

Mhz. 

Na parterze modemy radiowe komunikowały się bez zakłóceń na całej powierzchni 

badanego obszaru, natomiast sygnał z kamery tracił jakość w miarę

6.1 Testy odległościowe 47 

(a) Widok z kamery 

(b) Ten sam widok 0.5m dalej 

Rysunek 6.1: Zakłócenia obrazu z kamery na parterze 

oddalania się od źródła sygnału. Gdy między robotem a komputerem znajdowały 

się dwie ściany, obraz z kamery zanikał zupełnie. Przedstawia to rysunek 

6.1 

Na I piętrze nad laboratorium nr 3 obraz z kamery był dobrej jakości, natomiast 

w miarę oddalania się od laboratorium zakłócenia zwiększały się 6.2a aż 

w odległości ok. 25m obraz zanikł zupełnie 6.2b. Modem radiowy natomiast na 

całym I piętrze działał bez zarzutów. 

(a) Widok z kamery 

(b) Ten sam widok 0.5m dalej 

Rysunek 6.2: Zakłócenia obrazu z kamery na I piętrze 

Na II piętrze nad laboratorium nr 3 modem radiowy odbierał poprawnie 

rozkazy z komputera, natomiast po oddaleniu się o ok. 5m na korytarzu - sygnał 

został utracony i nie dało się już sterować robotem. Obrazu z kamery nie było na 

całym II piętrze.

6.2 Częstotliwość generowanego sygnału zegarowego 48 

6.2 Częstotliwość generowanego sygnału zegarowego 

Zgodnie z opisem w rozdziale 4.4, z powodu użycia wewnętrznego oscylatora 

w mikrokontrolerze ATtiny2313, obliczona częstotliwość nie odpowiada dokładnie 

rzeczywistości. Jest to wynikiem użycia wewnętrznego oscylatora zintegrowanego 

z układem, którego dokładność wg producenta wynosi ±10%. Prawdziwe, zmierzone 

wartości przedstawia tabela 6.1. Na jej podstawie można obliczyć, że częstotliwość 

taktowania mikrokontrolera nie wynosi dokładnie 1Mhz, a 1,015MHz. 

Błąd więc zawiera się w granicy deklarowanej przez producenta i wynosi w tym 

przypadku 1,015%. Należy nadmienić, iż błąd ten nie ma żadnego wpływu na pracę 

układu sterowania kamerą. 

Częstotliwość Częstotliwość 

teoretyczna rzeczywista 

100 101.5 

90 91.3 

80 81.2 

70 70.9 

60 60.8 

50 50.7 

40 40.6 

Tabela 6.1: Częstotliwość teoretyczna a rzeczywista

Rozdział 7 

Podsumowanie 

Głównym założeniem w pracy była budowa systemu wizyjnego robota 

mobilnego. Cel ten został osiągnięty poprzez wyposażenie robota w kamerę 

umożliwiającą obserwację otoczenia w jakim robot miałby się poruszać, przez 

zbudowanie systemu bezprzewodowej transmisji danych oraz przez realizacje 

programową akwizycji obrazu zebranego przy pomocy kamery. 

Szczegółowy zakres pracy obejmował: 

• wybór sposobu bezprzewodowego przesyłania instrukcji do robota 

• wybór odpowiedniego modemu spośród urządzeń oferowanych na rynku 

• dobór i zakup odpowiedniego silnika i sterownika do poruszania kamerą 

• zaprojektowanie uniwersalnego generatora sygnału zegarowego potrzebnego 

do sterowania silnikiem krokowym 

• dobranie i zakup kamery o odpowiednich parametrach 

• zaprogramowanie zakupionego modemu bezprzewodowego w celu dostosowania 

go do sterowania robotem mobilnym 

• zaprogramowanie robota mobilnego do interpretacji rozkazów przysyłanych 

do niego za pomocą modemu radiowego 

• napisanie programu do mikrokontrolera AVR odpowiedzialnego za sterowanie 

kamerą umieszczoną na robocie 

• stworzenie aplikacji do sterowania robotem i odbioru oraz akwizycji obrazu 

z kamery internetowej 

W celu weryfikacji poprawności wykonania projektu przeprowadzono kilka 

testów. Analiza realizacji systemu wizyjnego opisanego w rozdziale szóstym, jest

50 

dowodem na to iż stanowisko zostało zbudowane poprawnie i spełnia wszystkie 

założenia projektowe. 

W trakcie realizacji projektu napotkano na kilka różnych problemów: 

1. Modemy zakupione w firmie Aries, początkowo były niedostosowane do naszych 

potrzeb. W ostateczności po poprawieniu kodu programowego można 

było w pełni wykorzystać ich możliwości. 

2. Kolejnym problemem był sposób mocowania kamery do silnika. Po wielu 

rozważaniach wywnioskowano, że najlepiej będzie umieścić kamerę bezpośrednio 

na osi silnika. Wykonany samodzielnie uchwyt trzymający posiada 

gumę, która dodatkowo amortyzuje niedokładności pracy krokowej silnika. 

3. Następną przeszkodą, którą dość szybko pokonano, było wysterowanie silnika 

tak, aby ograniczyć zakres obrotu i wyznaczyć pozycję „zerową”. Rozwiązanie 

ograniczenia obrotu osi silnika rozwiązano przez wpisanie do mikrokontrolera 

poleceń zliczających ilość impulsów podawanych na silnik i 

ograniczenie ich wartości skrajnych. Pozycję zerowania położenia rozwiązuje 

przycisk zamontowany na płytce, który zeruje liczbę zliczanych wcześniej 

impulsów. 

Po rozwiązaniu wszystkich problemów stwierdzono, że sprawnie działający 

układ może pełnić rolę stanowiska laboratoryjnego. Dodatkowo zbudowany system 

daje możliwośći rozbudowy: 

• Możliwe jest dodanie jednej płaszczyzny obrotu kamery. 

• Można zamontować sensory odległości i położenia, aby robot jeździł po 

wyznaczonym torze i nie zderzał się z przeszkodami. 

• Dodatkową opcją jest podłączenie małych reflektorów do rozświetlania obszaru 

widzenia przy słabej widoczności.

Bibliografia 

[1] Strona internetowa http://www.asimo.pl. 

[2] Strona internetowa http://www.robotyka.com. 

[3] Strona internetowa http://www.silniki.pl. 

[4] Strona internetowa http://www.wobit.com.pl. 

[5] Dokumentacja modemu miface, 2006. 

[6] Specyfikacja silnika 39BYG402U, 2006. 

[7] Specyfikacja sterownika SUC63BK, 2006. 

[8] M. Ciecholewski. Algorytm pseudokolorowania obrazów medycznych. Elektrotechnika 

i Elektronika, 2005. 

[9] P. Cieśla. Instalacja automatyki w polsce. Biuletyn automatyki nr 3/2002, 

2002. 

[10] T. Kindberg G. Coulouris, J. Dollimore. Systemy rozproszone. Podstawy i 

projektowanie. WNT, 1997. 

[11] M. Iwanowski. Inteligentne maszyny i systemy. PhD thesis, Politechnika 

Warszawska, 2006. 

[12] J. Szala L. Wojnar, K.J. Kurzydłowski. Praktyka analizy obrazu. PTS, 

Kraków, 2002. 

[13] P. Podgórski M. Bartyś, R. Chojecki. Robotyka mobilna. PhD thesis, Politechnika 

Warszawska, 2001. 

[14] W. Żylski M. J. Giergiel, Z. Hendzel. Modelowanie i sterowanie mobilnych 

robotów. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2002. 

[15] H. Tylick M. T. Hoske. Systemy wizyjne maszyn. Control Engineering 

Polska, 2006.

BIBLIOGRAFIA 52 

[16] C. Pochrubniak. Automatyczne systemy wizyjne. Control Engineering Polska, 

2005. 

[17] K. Wiatr. Akceleracja obliczeń w systemach wizyjnych. WNT, 2003.

Projekt systemu wizyjnego robota mobilnego

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?