Implementación de gimbal de tres grados de libertad para seguimiento visual de objetivos móviles

Abstract

E l objetivo de este trabajo ha sido confeccionar un gimbal de tres grados de libertad, con la habilidad de realizar un seguimiento de objetivos móviles, por medio de una cámara y un algoritmo de tracking. Para lograrlo se han dispuesto tres grupos funcionales; el grupo gimbal, el grupo de visión y el nodo central. Adicionalmente, se ha querido hacer hincapié en el contexto de aplicación de los encoders en gimbals, con especial interés en sus ventajas y estrategia de control. En el primer grupo se resuelve la implementación del gimbal. Se trata el diseño en 3D del chasis, así como la disposición y posterior configuración del hardware. En este último se incluyen; una placa microcontroladora, los motores sin escobillas y los medios de realimentación, i.e., una unidad inercial y tres encoders magnéticos. En el segundo grupo se expone el procedimiento usado en la incorporación de los elementos asociados a la visión, entiéndase por ello, la cámara y sus dispositivos auxiliares de magnificación y enfoque. Se estudian los métodos de captura de imagen y se presentan los recursos utilizados para ello. Esto sirve como antesala del siguiente grupo. En el tercer y último grupo se concretan las funciones más abstractas, que cierran el lazo de control externo. Estas van desde el algoritmo de tracking, hasta el controlador de alto nivel, pasando por la comunicación serie. Aquí se termina de definir el programa principal que rige el funcionamiento de todos los elementos mencionados. Finalmente se ha expuesto el sistema a una serie de experimentos con la intención de evaluar sus capacidades de seguimiento. Partiendo de los datos obtenidos se ha caracterizado el sistema dinámicamente, y se ha proporcionado un perfil de velocidades de seguimiento. Estas pretenden dar una idea del rango cinemático para el cual el gimbal es capaz de seguir a su objetivo. Con todo, la finalidad es explicar con qué se ha construido el conjunto, razonar nuestras intenciones y presentar los resultados.

T he goal of this work has been the implementation of a 3-DOF gimbal, with the added feature of mobile target monitoring, by means of a camera and a tracking algorithm. In order to achieve this we have arranged three distinct functionality groups; the gimbal group, the vision group and the central node. In addition, it has been within our interests to emphasize in the application context regarding encoders in gimbals, with special care in its advantages and control strategy. In the first group we tackle the gimbal implementation, as we deal with the 3D design along with the disposition and configuration of the corresponding hardware. In the lastest, the following elements are included; a microcontroller board, three brushless electric dc-motors and the means for feedback, i.e, one inertial unit and three magnetic encoders. In the second group we present our procedure concerning the elements associated with visual matters, that is, the camera and its auxiliary module for magnification and focus. In relation to this, image capture methods are also evaluated and exhibited, along with the resources employed. This section serves as a precursor to the next group. In the third and last group, we come up against more abstract subjects that close the external control loop. These go from the tracking algorithm, to the high level controller, passing by the serial communication issue. Furthermore, the definition of the main program that runs all the mentioned components is completed in this part of the document. Finally, we have exposed our system to a series of experiments in order to evaluate its tracking capabilities. From the data obtained we have been able to characterize the system dynamically, setting forth its transfer function and a tracking velocity profile. Said profile it’s intended to portray an idea of the cinematic spectrum (given a moving object) that the gimbal will be able to follow. To conclude, our aim is to explain the assembly of the whole, account for our decisions and present our results.