Quelltext der Seite Boden-Luft-Abwehr

'''Autor:''' [[Benutzer:Adam_Fankhauser|Adam Fankhauser]]

'''Betreuer:''' [[Benutzer:Ulrich Schneider|Prof. Schneider]]

== Einleitung ==

Dieses Projekt wurde im Kurs [[DSB SoSe2016|Digitale Signal und Bildverarbeitung]] im Sommersemester 2016 als Bestandeil der Übungen durchgeführt und ist in diesem Artikel dokumentiert

== Aufgabenstellung ==

Aufgabe in diesem Projekt war die Weiterführung des Projekts [[Projekt 33: Lego Mindstorms Rocket Launcher|Lego Mindstorms Rocket Launcher]] aus dem [[Fachpraktikum Elektrotechnik (WS 14/15)]].
Der mechanisch fertiggestellte Rocket Launcher sollte per Webcam ein Objekt, beispielsweise einen roten Ballon, erkennen, sich auf das Objekt ausrichten und eine Rakete gezielt darauf abfeuern.
Die Steuerung sollte über Matlab erfolgen.

== Vorbereitung ==

Grundlage der Steuerung war die Vorarbeit der Gruppe, die den Rocket Launcher mechanisch aufgebaut hat. Diese hat ihr Arbeit ausreichend dukumentiert und ein Simulink-Modell hinterlassen, welches die Steuerung über die Tasten des EV3-Moduls ermöglicht.
Mit Hinblick auf die Erweiterung des Programms um die Steuerung und Regelung des Rocket Launchers sollte das Simulink Modell nicht weiter genutzt werden, sondern die Funktionen in Matlab Code umgesetzt werden.

Für die Einbindung der Webcam und des Lego EV3-Moduls wurde Matlab mit den Support Packages [http://de.mathworks.com/help/supportpkg/usbwebcams/index.html?s_cid=doc_ftr USB Webcams] und [http://de.mathworks.com/help/supportpkg/legomindstormsev3io/index.html?s_cid=doc_ftr LEGO MINDSTORMS] ausgerüstet.

== Durchführung ==

Die Durchführung wurde in mehrere Abschnitte unterteilt. Zuerst wurde mit Beispielbildern die Bildverarbeitung bearbeitet, dann wurde die Webcam in Matlab eingebunden, danach wurde die Lego Motoren des Raketenwerfers über Matlab angesteuert und eine Regelung entworfen, welche den Raketenwerfer auf das erkannte Objekt ausrichtet um zuletzt eine Schussfunktion zu implementieren.

=== Bildverarbeitung ===

Um ein rotes Objekt zu erkennen wurde der Ansatz gewählt, nur die rote Matrix aus dem Bild zu nehmen, und dort anhand eines Schwellwertes zu entscheiden, welche Pixel zum Objekt gehören. Leider hat der RGB Farbraum keine befriedigenden Ergebnisse erbracht. auf Abbildung 2 ist deutlich zu Erkennen, wie sich das rote Objekt vom blauen Hintergrund abhebt, doch im der Matrix mit den Rotwerten und im Histogramm ist zu erkennen, dass die Farbe rot nicht besonders aus den anderen Farben heraussticht.

Daher wurde das Bild in einen anderen Farbraum transformiert. Angeboten hat sich hier der YCBCR Farbraum, da in diesem die Farbe rot deutlicher herauszufiltern ist. Hier ist sowohl im Teil CR (Chroma Rot) des Farbraums als auch im Histogramm zu sehen, dass die Farbe Rot deutlich hervorsticht (Abbildung 3). So konnte ein klarer Schwellwert vom Farbwert 160 festgelegt werden. Voraussetzung für die Funktionalität mit diesem Schwellwert ist natürlich, dass die zu erkennende Farbe rötlich ist, wie auf dem Beispielbild und auch die Beleuchtungsverhältnisse stimmen, mehr dazu im Abschnitt Webcam.

Da in einem Bild mehrere Objekte rot sein können muss natürlich festgelegt werden, welches Objekt herauszufiltern ist. Hierzu wurde das Größte Objekt im Bild gesucht und extrahiert (Abbildung 4).

Als letzten Schritt der Bildverarbeitung musste die Position des extrahierten Objektes im Gesamtbild bestimmt werden. Hierzu wurde eine Funktion geschrieben, die das bearbeitete Bild mit dem extrahierten Objekt übergeben bekommt. Die Funktion berechnet nun den geometrischen Schwerpunkt des Objektes. Ausserdem berechnet die Funktion weitere Merkmale wie Umfang und Fläche des Objektes, die später als Kriterien zum Abschuss der Raketen genutzt werden können.

=== Webcam ===

Die Webcam wurde in Matlab mithilfe des Support Package eingebunden und getestet. Hierbei wurde festgestellt, dass die Grundeinstellungen der Webcam mit automatischem Weißabgleich etc. ausreichend für die Anwendung bei unterschiedlichen und wechselnden Lichtverhältnissen sind. Daher wurden hier keine weiteren Einstellungen vorgenommen. Des Weiteren wurde festgestellt, dass der Algorithmus der Bildverarbeitung anfällig für dunkle Lichtsituationen ist. Bei zu geringer Beleuchtung sticht die Farbe Rot nicht mehr ausreichend hervor und wird unzureichend erkannt. Auszugleichen ist dies mit der Anpassung des Schwellwertes, ab welchem Wert ein Objekt als "rot genug" erkannt wird. Ein Herabsetzen des Schwellwertes hat aber zur Folge, dass zu viele Objekte als Rot erkannt werden. Daher wurde Entschieden, den Schwellwert an eine ausreichende Beleuchtungssituation anzupassen und diese vorauszusetzen.

=== Regelung ===

Um den Raketenwerfer nun auf den Schwerpunkt des erkannten Objektes auszurichten wurde entschieden, dass die Webcam oberhalb des Raktenwerfers anzubringen sei, dass diese alle Bewegungen mitfährt und ständig in Schussrichtung ausgerichtet ist. Provisorisch wurde diese Fixierung durch Klebeband vorgenommen.
Mit dieser Kameraposition konnte nun die Ansteuerung der Motoren über einen einfach P-Regler vorgenommen werden. Der Sollwert für die Ausrichtung ist natürlich der Bildmittelpunkt, der Istwert der Ausrichtung ist der Schwerpunkt des erkannten Objektes. Die resultierenden Regelabweichungen in horizontale und Vertikale wurde den Motoren als Geschwindigkeit übergeben. So konnte der Raketenwerfer sich bei laufendem Programm auf den Mittelpunkt des Objektes ausrichten.

=== Schussfunktion === 

Als letztes wurde nun noch eine Schussfunktion implementiert. Durch die Vorarbeit der letzten Gruppe ist es möglich, die Schussfunktion über einen Motorausgang des EV3-Moduls anzusteuern. Die Kriterien für den Abschuss der Raketen waren zum einen ob ein Abschuss gewünscht ist. Dies wurde umgesetzt über eine Abfrage der "Down" Taste des EV3-Moduls. Bei einmaligem Rücken der Taste ist der Raketenwerfer in Schussbereitschaft versetzt, bei nochmaligem Drücken der Taste wird die Schussbereitschaft zurückgesetzt. Ist der Raketenverfer in Schussbereitschaft versetzt, sind weitere Voraussetzungen für einen Abschuss zum einen die Größe des erkannten Objektes und die momentane Regelabweichung zum Schwerpunkts. Dies bewirkt, dass ein Abschuss nur ausgelöst wird, wenn das Objekt groß genug zum Treffen, bzw. nah genug am Raketenwerfer ist und dieser auch auf das Objekt ausgerichtet ist.

== Quellcode ==

== Ergebnisse und Ausblick ==

Das Ergbnis dieses Projektes ist ein funktionierender Raketenwerfer, der die "Boden-Luft-Abwehr" beherrscht. Er ist in der Lage, sich ein in seinem Sichtfeld befindliches, rotes Objekt auszuwählen, sich auf dieses auszurichten und auf Wunsch (Tastendruck) all seine Munition drauf abzufeuern.


Natürlich gibt es noch eine ganze Menge Dinge, die zu optimieren sind:

Zum einen ist durch die Bildverarbeitung das Matlab Programm recht langsam, was bewirkt, dass der Raketenwerfer immer ein wenig hinter einem sich bewegenden Objekt "hinterher hinkt". Um sich schnell bewegende Objekte sicher treffen zu können müsste die Durchlaufzeit der Algotithmen optimiert werden.

Ausserdem wäre es geraten, den P-Regler durch einen PI- oder einen PID-Regler zu ersetzen, da der P-Regler bekanntermaßen eine bleibende Regelabweichung hat und es für die Zielvorrichtung nicht immer möglich ist, sich exakt auf den Schwerpunkt des Objektes auszurichten.
Andererseits könnte die Regelung der Motoren auch über Einstellung der Motorposition geschehen. Hierdurch könnte eine genauere Ausrichtung erreicht werden.

Um den die Hardware des Raketenwerfers zu schützen sollte ebenfalls ein Überdrehungsschutz implementiert werden. So kann verhindert werden, dass die Motorverabelung und die USB-Kabel zum PC nicht verdreht werden und Schaden anrichten können.

== Siehe auch ==

https://svn.hshl.de/svn/GET_Fachpraktikum_MTR/trunk/Projekte/33_Rocket_Launcher/

== Weblinks ==

http://de.mathworks.com/help/supportpkg/usbwebcams/index.html?s_cid=doc_ftr

http://de.mathworks.com/help/supportpkg/legomindstormsev3io/index.html?s_cid=doc_ftr


<references />

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