Sistema de seguimiento tridimensional basado en un array de sensores de flujo óptico implementados con cámaras de baja resolución

Abstract

En este Trabajo Fin de Máster se ha diseñado, implementado y testado un sistema de seguimiento tridimensional basado en un array de sensores de Flujo Óptico procesando imágenes captadas con cámaras de baja resolución. Se trata de un proyecto multidisciplinar en el que se han abarcado tareas de diseñpo mecánico, diseño hardware, desarrollo firmware y software. El objetivo global del proyecto ha sido construir una plataforma móvil que permite posicionar arrays de sensores de imagen para seguir objetos móviles mediante el cómputo del Flujo Óptico minimizando el coste computacional. El sistema de seguimiento debe ser versátil y poderse adaptar a otros algoritmos y tipos de sensores. La elección de cámaras de baja resolución para el diseño de los sensores de Flujo Óptico permite aliviar los requisitos computacionales para su procesamiento, siendo la información contenida en las imágenes suficiente para tal fin. Por otro lado, el algoritmo utilizado presenta un menor grado de requisitos computacionales en comparación con el estado del arte. La implementación de todo el firmware desarrollado se ha orientado al aumento del rendimiento del sistema, para ello se ejecutan estrategias que eliminan los tiempos de holgura entre la adquisición de los datos y su procesamiento. Se consigue alcanzar una tasa de adquisición más procesamiento de 5 FPS para cada sensor del sistema, lo que para un total de dos sensores equivale a 10 FPS. La metodología del proyecto ha sido la siguiente: se parte del diseño de una PCB y puesta en marcha de los algoritmos de Flujo Óptico con orientación al rendimiento computacional. Luego se hace el diseño mecánico y modelado 3D de todos los elementos del sistema, dando lugar a un modelo virtual 3D del sistema completo. Se fabrican las piezas necesarias para la fabricación de la plataforma y, finalmente, se llevan a cabo tareas de configuración y control automático. Con el fin de alcanzar la función de seguimiento deseada, se diseña una interfaz de usuario que permite modificar el comportamiento de la plataforma, as´ı como la monitorización de todos los datos generados por esta. A partir de estos datos, se confecciona una ley de control que vincula el valor de Flujo Óptico devuelto por los módulos EyesOF con el valor de las señales de control de posición de la plataforma. El sistema implementado es una plataforma robótica versátil útil para implementar y testar algoritmos de seguimiento que requieran el posicionamiento de cámaras. Puede usarse con sensores y algoritmos de distinta naturaleza a los presentados en el proyecto para resolver problemas diversos que abarquen el posicionamiento y el seguimiento de trayectorias

In this Master’s the sis, a tridimensional tracking system base d on an Optical Flow sensor array was designed and tested. The Optical Flow sensors were implemented with low-resolution cameras. The project is multidisciplinary as it includes mechanical design, hardware design, software development and firmware development tasks. The global project target has been the robotic platform construction which allows to position an image sensor array to track mobile objects employing the Optical Flow computation and maximizing the system performance. The system must be versatile and adaptable for other algorithms and image sensor types. The low-resolution cameras chosen for the Optical Flow sensor design allow alleviating the computational requirements for its processing. The information contained in the low-resolution images is enough for the Optical Flow computation. On the other side, the used algorithm presents a minor grade of computational requirements in comparison with the state-of-the-art. The firmware implementation was oriented to increase the system performance using code strategies which remove slack times between the data acquisition and their processing. Due to this, it has reached an acquisition and processing rate of about 5 FPS for each Optical Flow sensor, as the system has two sensors, the total rate achieved is about 10FPS. The study starts with the PCB design and performance-oriented Optical Flow algorithm settingup. Then it is done the mechanical design and 3D model of all system elements, giving rise to a 3D virtual model of the complete system. Some parts of the platform were made as the platform construction need them. Finally, a set of tasks about setup and automatic control have been accomplished. To implement the desired mobile object tracking function, it was developed a desktop application which makes possible to change the platform behaviour as well as the monitoring of all the data generated by the platform. From the gathered data, it was composed a control law which relates the control signals and the platform position. The developed system is a versatile robotic platform useful for algorithms about tracking function implementation and their testing which requires the camera positioning. The system can be used with algorithms and sensor types different from the ones presented in this study. A large number of functions about positioning or trajectory tracking are suitable for this platform.