Manual Controlo do Movimento. João L. Vilaça

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1 Manual Controlo do Movimento João L. Vilaça Versão /1/2014

2 Índice 1. Sistema de eixos e movimentos possíveis do Drone Estratégias para controlo dos movimentos do Drone Seguir objeto - Câmara Frontal Variáveis a controlar no Drone Equações de controlo Método da Classe DroneTrajectoria.cs Posicionar-se sobre um objeto - Câmara Inferior Variáveis a controlar no Drone Equações de controlo Método da Classe DroneTrajectoria.cs Posicionar-se sobre uma linha Câmara inferior Variáveis a controlar no Drone Equações de controlo Método da Classe DroneTrajectoria.cs Programa de teste dos métodos de controlo de movimento do Drone João L. Vilaça 2

3 1. Sistema de eixos e movimentos possíveis do Drone 2. Estratégias para controlo dos movimentos do Drone Nas subsecções seguintes são apresentadas três estratégias possíveis para o controlo dos movimentos do drone. A biblioteca criada para o controlo dos movimentos do drone chama-se DroneTrajectoria.cs e pode ser encontrado um exemplo da sua aplicação no projeto idroneexemplos 2.1 Seguir objeto - Câmara Frontal O objetivo deste desafio de controlo é utilizar a imagem da câmara frontal para detetar um determinado objeto de interesse e mover o drone para uma posição que permita manter o objeto no centro da imagem e à mesma distância do drone. João L. Vilaça 3

4 A figura seguinte ilustra a imagem adquiria pela câmara frontal Variáveis a controlar no Drone _ _ - Velocidade em Z para controlar a altura do drone será utilizada a informação do centroide, em y, do objeto identificado na imagem. o Objetivo: minimizar a diferença entre ΔY1 e ΔY2. _ _ _ - Velocidade de rotação em Z que permite rodar o drone para esquerda e para a direita será utilizada a informação do centroide, em x, do objeto identificado na imagem. o Objetivo: minimizar a diferença entre ΔX1 e ΔX2. _ _ - Velocidade em X para controlar a distância do drone ao objeto será utilizada a informação da área do objeto identificado na imagem. o Objetivo: minimizar a diferença entre área atual do objeto e a área de referência (que vai estabelecer a distância de referência do drone ao objeto) Equações de controlo _ _ Vel_z_drone k1 x ΔY1 ΔY2 Dimensão_Imagem_Y João L. Vilaça 4

5 Onde, k1 é uma constante proporcional que permite dar mais ou menos peso à diferença (ΔY1 - ΔY2), quanto maior for o valor de K1 mais reativo será o movimento do drone. Dimensão_Imagem_Y corresponde à dimensão da imagem em Y (380 pixéis) esta normalização permite limitar o resultado da diferença a um valor compreendido entre -1 e 1. A velocidade em z do drone poderá ser estabelecida na API com um valor entre [-1 0 1]. Com valores negativos o drone vai para baixo, com valores positivos sobe, e com o valor 0 mantem a posição em Z. _ _ _ (ΔX1 ΔX2) Vel_rot_z_drone = k2 x Dimensão_Imagem_X Onde, K2 é uma constante proporcional que permite dar mais ou menos peso à diferença (ΔX1 - ΔX2), quanto maior for o valor de K2 mais reativo será o movimento do drone. Dimensão_Imagem_X corresponde à dimensão da imagem em X (640 pixéis) esta normalização permite limitar o resultado da diferença a um valor compreendido entre -1 e 1. A velocidade de rotação em z do drone poderá ser estabelecida na API com um valor entre [-1 0 1]. Com valores negativos o drone roda para a esquerda, com valores positivos roda para direita, e com o valor 0 mantem a orientação em Z. João L. Vilaça 5

6 _ _ (Area_objecto_imagem Area_de_referencia) Vel_x_drone =k3 x Area_de_referencia Onde, _ _ Constante, definida pelo utilizador, que irá estabelecer a distância de referência do drone ao objeto. NOTA: Este valor pode ser obtido através da aplicação de software idroneexemplos (explicada na secção 3). _ _ Área do objeto, identificado na imagem, que aumenta e diminuiu em função da distância do drone ao objeto. Quanto mais próximo o drone estiver do objeto maior será o valor desta variável. K3 é uma constante proporcional que permite dar mais ou menos peso à diferença ( _ _ _ _ ), quanto maior for o valor de K3 mais reativo será o movimento do drone. A velocidade em x do drone poderá ser estabelecida na API com um valor entre [-1 0 1]. Com valores negativos o drone recua, com valores positivos aproxima-se, e com o valor 0 mantem a posição em x Método da Classe DroneTrajectoria.cs //método que determina a direção (em X e Z), orientação (em Z) e peso de cada uma dessas //componentes, do movimento do drone, em função da posição do centroide e área do //objeto detetado na imagem. //centroid - centroide do objeto //imgsize - dimensão da imagem em X e Y //objarea_actual - área atual do objeto //Area_de_referencia - área de referência public void ObjectTracking1(Point centroid, Point imgsize, double Area_objecto_imagem, double Area_de_referencia) João L. Vilaça 6

7 2.2 Posicionar-se sobre um objeto - Câmara Inferior O objetivo deste desafio de controlo é utilizar a imagem da câmara inferior para detetar um determinado objeto de interesse sobre o drone e move-lo para uma posição que permita manter o objeto no centro da imagem. A figura seguinte ilustra a imagem adquiria pela câmara inferior Variáveis a controlar no Drone _ _ - Velocidade em X para controlar o movimento do drone em X será utilizada a informação do centroide, em y, do objeto identificado na imagem. o Objetivo: minimizar a diferença entre ΔY1 e ΔY2. _ _ - Velocidade em Y para controlar o movimento do drone em Y será utilizada a informação do centroide, em X, do objeto identificado na imagem. o Objetivo: minimizar a diferença entre ΔX1 e ΔX2. João L. Vilaça 7

8 Equações de controlo _ _ Vel_x_drone = k1 x (ΔY1 ΔY2) Dimensão_Imagem_Y Onde, k1 é uma constante proporcional que permite dar mais ou menos peso à diferença (ΔY1 - ΔY2), quanto maior for o valor de K1 mais reativo será o movimento do drone. Dimensão_Imagem_Y corresponde à dimensão da imagem em Y (380 pixéis) esta normalização permite limitar o resultado da diferença a um valor compreendido entre -1 e 1. A velocidade em X do drone poderá ser estabelecida na API com um valor entre [-1 0 1]. Com valores negativos o drone recua, com valores positivos avança, e com o valor 0 mantem a posição em X. _ _ (ΔX1 ΔX2) Vel_y_drone =k2 x Dimensão_Imagem_X Onde, K2 é uma constante proporcional que permite dar mais ou menos peso à diferença (ΔX1 - ΔX2), quanto maior for o valor de K2 mais reativo será o movimento do drone. Dimensão_Imagem_X corresponde à dimensão da imagem em X (640 pixéis) esta normalização permite limitar o resultado da diferença a um valor compreendido entre -1 e 1. João L. Vilaça 8

9 A velocidade de rotação em y do drone poderá ser estabelecida na API com um valor entre [-1 0 1]. Com valores negativos o drone realiza um movimento para a esquerda, com valores positivos realiza um movimento para a direita, e com o valor 0 mantem a posição em Y Método da Classe DroneTrajectoria.cs //método que determina a direção e peso dos movimento do drone (em X e Y), em função da posição do centroide do objeto detetado na imagem. //centroid - centroide do objeto //imgsize - dimensão da imagem em X e Y public void ObjectTracking2(Point centroid, Point imgsize) 2.3 Posicionar-se sobre uma linha Câmara inferior O objetivo deste desafio de controlo é utilizar a imagem da câmara inferior para detetar uma linha e mover o drone para uma posição que permita manter a linha no centro da imagem. A figura seguinte ilustra a imagem adquiria pela câmara inferior. João L. Vilaça 9

10 Variáveis a controlar no Drone _ _ - Velocidade em Y para controlar o movimento do drone em Y será utilizada a informação do centroide, em X, da linha identificado na imagem. o Objetivo: minimizar a diferença entre ΔX1 e ΔX Equações de controlo _ _ (ΔX1 ΔX2) Vel_y_drone =k1 x Dimensão_Imagem_X Onde, K2 é uma constante proporcional que permite dar mais ou menos peso à diferença (ΔX1 - ΔX2), quanto maior for o valor de K2 mais reativo será o movimento do drone. Dimensão_Imagem_X corresponde à dimensão da imagem em X (640 pixéis) esta normalização permite limitar o resultado da diferença a um valor compreendido entre -1 e 1. A velocidade de rotação em y do drone poderá ser estabelecida na API com um valor entre [-1 0 1]. Com valores negativos o drone realiza um movimento para a esquerda, com valores positivos realiza um movimento para a direita, e com o valor 0 mantem a posição em Y Método da Classe DroneTrajectoria.cs //método que determina a direção e peso do movimento do drone (em Y), em função da posição do centroide de uma linha detetada na imagem. //centroid - centroide do objeto //imgsize - dimensão da imagem em X e Y João L. Vilaça 10

11 public void ObjectTracking3(Point centroid, Point imgsize) 3. Programa de teste dos métodos de controlo de movimento do Drone O programa desenvolvido para teste dos diferentes métodos de controlo chama-se idroneexemplos e pode ser encontrado no projecto com o mesmo nome. Neste é possível: Estabelecer a ligação do PC ao drone; Selecionar o tipo de câmara que queremos utilizar (frontal ou inferior); Testar os três modos de controlo descritos nas secções anteriores: o Seguir objeto através da câmara frontal; o Seguir objeto através da câmara inferior; o Centrar o drone sobre uma linha; Selecionar a cor do objeto que se pretende detetar no espaço de cor HSV. Descolar o drone; Aterrar o drone; Aterrar de emergência o drone (esta opção deverá ser utlizada em último recurso, dado que corta a energia dos motores, o que pode danificar o drone!) Reset ao estado do drone; Janela com informação do estado do drone, que poderá ser útil para debug: o Nível da Bateria (quando a bateria apresentar um valor inferior a 15%, apesar de ser possível ver a imagem da câmara, não será possível acionar os motores); o Orientação do drone (yaw, pitch e roll) o Velocidade ao longo do eixo dos X (resultante da opção de controlo selecionada); o Velocidade ao longo do eixo dos Y (resultante da opção de controlo selecionada); o Velocidade ao longo do eixo dos Z (resultante da opção de controlo selecionada); o Rotação em Z (resultante da opção de controlo selecionada); o Área do objeto detetado. João L. Vilaça 11

12 Instruções de utilização: 1. Antes de executar o programa: Ligar PC à rede wifi disponibilizada pelo drone ardrone2_xxxxx (em definições de wifi do PC) 2. Carregar no botão Ligar 3. Ativar a opção Captura Continua Nas duas janelas de cima, deverá ter aparecido, no lado esquerdo a imagem original capturada da câmara do drone, e no lado direito, o resultado do processamento de imagem. 4. Selecionar qual a câmara que quer utilizar para controlar os movimentos do drone. (Carregar no botão Câmara Superior ou no botão Câmara Inferior ) 5. Selecionar a opção de controlo pretendido: Segue Objeto Câmara Frontal (modo apresentado na secção 2.1 do documento) João L. Vilaça 12

13 Segue Objeto Câmara Inferior (modo apresentado na secção 2.2 do documento) Centra Linha Câmara Inferior (modo apresentado na secção 2.3 do documento) João L. Vilaça 13

14 6. Carregar no botão Descolar Esta opção liga os motores do drone e eleva-o até 1 metro de altura. 7. Ativar a opção Ativar controlo Esta opção aplica no drone o controlo de movimento selecionado no ponto 5 (Alerta! Com esta opção ativa o drone passa a ter um comportamento autónomo, qualquer bug pode provocar um comportamento imprevisível nos seus movimentos). Com esta opção desativada é possível ver o comportamento do modo de controlo selecionado no ponto 5 (na janela de informação do estado do drone), sem que o seu resultado seja transmitido aos movimentos do drone. 8. Carregar no botão Aterrar Para aterrar o drone e terminar com o seu movimento. Neste modo o drone aterra de uma forma controlada e segura, desde que não existam objetos sobre ele. Caso seja necessário uma aterragem forçada, o utilizador deverá carregar no botão Emergência (opção a evitar, pois pode danificar o drone!). Para reativar o drone deverá carregar no botão Reset, caso esta opção não resulte, desligue e volte a ligar a bateria. Nota: não se esqueça que sempre que desligar o drone da bateria, poderá ser necessário, voltar a estabelecer a ligação wifi do PC com o drone. João L. Vilaça 14