Файл: Техническое зрение для системы управления сортировочного робота.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Школа: Информационных технологий и робототехники
Направление подготовки: 15.04.06 - Мехатроника и робототехника
Отделение школы (НОЦ): Автоматизации и робототехники
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
Тема работы
Техническое зрение для системы управления сортировочного робота
УДК 004.415.2:007.52-2:621.928.2
Студент
Группа
ФИО
Подпись
Дата
8ЕМ61
Надин Иван Сергеевич
Должность
ФИО
Ученая
степень,
звание
Подпись
Дата
Профессор
Сырямкин Владимир
Иванович д.т.н.
15.04.06 -
Мехатроника и робототехника
Малышенко
Александр
Максимович д.т.н.
КОНСУЛЬТАНТЫ:
По разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»
Должность
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Доцент
Петухов Олег
Николаевич к.э.н.
По разделу «Социальная ответственность»
Должность
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Доцент
Бородин Юрий
Викторович к.т.н.
ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ:
Должность
ФИО
Ученая
степень,
звание
Подпись
Дата
Доцент
Леонов Сергей
Владимирович к.т.н.
Томск – 2018 г.

2
ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОБУЧЕНИЯ ПО ООП
Код результата
Результаты обучения (выпускник должен быть готов)
Требования ФГОС, критериев и/или заинтересованных сторон
Профессиональные
Р1
Применять глубокие естественно-научные, математические знания в области анализа, синтеза и проектирования для решения научных и инженерных задач производства и эксплуатации мехатронных и робототехнических устройств и систем, в том числе их систем управления.
Требования ФГОС (ПК-1, ПК- 3,
ОПК-1, ОПК-4, ОК-1, ОК-9).
Критерий 5 АИОР (п. 1.1), согласованный с требованиями международных стандартов EUR-
ACE и FEANI
Р2
Воспринимать, обрабатывать, анализировать и обобщать научно- техническую информацию, передовой отечественный и зарубежный опыт в области теории, проектирования, производства и эксплуатации мехатронных и робототехнических устройств и систем, принимать участие в командах по разработке и эксплуатации таких устройств и систем.
Требования ФГОС (ПК-
3, ПК-4, ПК-7, ОПК-1, ОПК-3, ОК-
1, ОК-4, ОК-5, ОК-6, ОК-9).
Критерий 5 АИОР (пп. 1.1, 1.2), согласованный с требованиями международных стандартов EUR-
ACE и FEANI
Р3
Применять и интегрировать полученные знания для решения инженерных задач при разработке, производстве и эксплуатации современных мехатронных и робототехнических устройств и систем (в том числе интеллектуальных) с использованием технологий мирового уровня, современных инструментальных и программных средств.
Требования ФГОС (ПК-2, ПК- 3,
ПК-4, ПК-5, ПК-15, ПК-18, ОПК-
3,
ОПК-6, ОК-1, ОК-5, ОК-6, ОК-7).
Критерий 5 АИОР (пп. 1.2), согласованный с требованиями международных стандартов EUR-
ACE и FEANI
Р4
Определять, систематизировать и получать необходимую информацию в области проектирования, производства, исследований и эксплуатации мехатронных и робототехнических модулей, устройств и систем.
Требования ФГОС (ПК-7, ПК-10,
ПК-11, ПК-12, ПК-18, ОПК-4,
ОПК-6, ОК-1, ОК-4, ОК-6, ОК-8).
Критерий 5 АИОР (п. 1.3), согласованный с требованиями международных стандартов EUR-
ACE и FEANI
Р5
Планировать и проводить аналитические, имитационные и экспериментальные исследования для целей проектирования, производства и эксплуатации мехатронных и робототехнических средств и систем
(в том числе интеллектуальных) с использованием передового отечественного и зарубежного опыта, уметь критически оценивать полученные теоретические и экспериментальные данные и делать выводы.
Требования ФГОС (ПК-1, ПК- 2,
ПК-3, ПК-4, ПК-5, ПК-6, ПК-13,
ПК-17, ПК-18, ОПК-2, ОПК-3,
ОК-1, ОК-3, ОК-4, ОК-6, ОК-7,
ОК- 8, ОК-9). Критерий 5 АИОР
(п. 1.4), согласованный с требованиями международных стандартов EUR-ACE и FEANI
Р6
Понимать используемые современные методы, алгоритмы, модели и технические решения в мехатронике и робототехнике и
Требования ФГОС (ПК-1, ПК- 2
ПК-3, ПК-7, ОПК-1, ОПК-3,
ОПК-4, ОК-5, ОК-9, ОК-10).
Критерий 5 АИОР (п. 2.1),

3 знать области их применения, в том числе в автоматизированных производствах. согласованный с требованиями международных стандартов EUR-
ACE и FEANI
Универсальные
Р7
Эффективно работать в профессиональной деятельности индивидуально и в качестве члена команды
Требования ФГОС
(ПК-1, ПК-2 ПК-7, ПК-8, ПК-16,
ПК17, ОК-1, ОК-2, ОК-4, ОК-6,
ОК-9). Критерий 5 АИОР (п. 2.1), согласованный с требованиями международных стандартов EUR-
ACE и FEANI
Р8
Владеть иностранным языком на уровне, позволяющем работать в интернациональной среде с пониманием культурных, языковых и социальноэкономических различий
Требования ФГОС (ПК-4, ПК-8,
ПК-9, ПК-16, ОПК-4, ОК-5).
Критерий 5 АИОР (п. 2.2), согласованный с требованиями международных стандартов EUR-
ACE и FEANI
Р9
Проявлять широкую эрудицию, в том числе знание и понимание современных общественных и политических проблем, демонстрировать понимание вопросов безопасности и охраны здоровья сотрудников, юридических аспектов, ответственности за инженерную деятельность, влияния инженерных решений на социальный контекст и окружающую среду
Требования ФГОС (ПК-5, ПК-8,
ПК-15, ПК-16, ПК-18, ОПК-1,
ОПК-4, ОПК-5, ОК-3, ОК-4, ОК-5,
ОК-6, ОК-8, ОК-9). Критерий 5
АИОР (пп. 1.6, 2.3,), согласованный с требованиями международных стандартов EUR-
ACE и FEAN
Р10
Следовать кодексу профессиональной этики и ответственности и международным нормам инженерной деятельности
Требования ФГОС (ПК-8, ПК-11,
ПК16, ОПК-3, ОПК-6, ОК-4).
Критерий 5 АИОР (пп. 2.4, 2.5), согласованный с требованиями международных стандартов EUR-
ACE и FEANI
Р11
Понимать необходимость и уметь самостоятельно учиться и повышать квалификацию в течение всего периода профессиональной деятельности.
Требования ФГОС (ПК-4, ПК-8,
ОПК3, ОПК-4, ОК-5, ОК-6, ОК-7,
ОК-8). Критерий 5 АИОР (2.6), согласованный с требованиями международных стандартов EUR-
ACE и FEANI.

4
Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Школа: Информационных технологий и робототехники
Направление подготовки: 15.04.06 - Мехатроника и робототехника
Отделение школы (НОЦ): Автоматизации и робототехники
УТВЕРЖДАЮ:
Руководитель ООП
_____ _______ Малышенко А.М.
(Подпись) (Дата) (Ф.И.О.)
ЗАДАНИЕ
на выполнение выпускной квалификационной работы
В форме:
Магистерской диссертации
(бакалаврской работы, дипломного проекта/работы, магистерской диссертации)
Студенту:
Группа
ФИО
8ЕМ61
Надин Иван Сергеевич
Тема работы:
Техническое зрение для системы управления сортировочного робота
Утверждена приказом директора (дата, номер)
Срок сдачи студентом выполненной работы:
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ:
Исходные данные к работе
(наименование объекта исследования или
проектирования; производительность или нагрузка;
режим работы (непрерывный, периодический,
циклический и т. д.); вид сырья или материал изделия;
требования к продукту, изделию или процессу; особые
требования к особенностям функционирования
(эксплуатации) объекта или изделия в плане
безопасности эксплуатации, влияния на окружающую
среду, энергозатратам; экономический анализ и т. д.).
Интеграция системы технического зрения в систему управления сортировочным роботом.
Осуществить калибровку камер с помощью библиотеки
OpenCV.Выбрать подходящий метод технического зрения для осуществления сортировки по признакам.
Перечень подлежащих
исследованию, проектированию и
разработке вопросов
(аналитический обзор по литературным источникам с
целью выяснения достижений мировой науки техники в
рассматриваемой области; постановка задачи
исследования, проектирования, конструирования;
содержание процедуры исследования, проектирования,
конструирования; обсуждение результатов
выполненной работы; наименование дополнительных
Анализ основных функциональных аспектов технического зрения.
Обзор готовых существующих решений по внедрению систем технического зрения в промышленную робототехнику. Разработать алгоритм работы системы управления сортировочным роботом.
Программно реализовать алгоритм. Провести тестовые испытания для определения его работоспособности.

5
разделов, подлежащих разработке; заключение по
работе).
Перечень графического материала
(с точным указанием обязательных чертежей)
Консультанты по разделам выпускной квалификационной работы
(с указанием разделов)
Раздел
Консультант
«Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»
Петухов Олег Николаевич, доцент ОСГН ШБИП ТПУ
«Социальная ответственность»
Бородин Юрий Викторович, доцент ОКД ИШНКБ
«Иностранный язык»
Горбатова Татьяна Николаевна, старший преподаватель
ОИЯ ШБИП
Названия разделов, которые должны быть написаны на русском и иностранном
языках:
Дата выдачи задания на выполнение выпускной
квалификационной работы по линейному графику
01.02.2018
Задание выдал руководитель:
Должность
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Профессор
Сырямкин В.И. д.т.н.
01.02.2018
Задание принял к исполнению студент:
Группа
ФИО
Подпись
Дата
8ЕМ61
Надин Иван Сергеевич
01.02.2018

6
ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛА
«ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ
И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ»
Студенту:
Группа
ФИО
8ЕМ61
Надин Иван Сергеевич
Школа
ИШИТР
Отделение
Автоматизации и робототехники
Уровень
образования
Магистр
Направление/специальность
Мехатроника и робототехника
Исходные данные к разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение»:
1. Стоимость ресурсов научного исследования (НИ):
материально-технических,
энергетических,
финансовых, информационных и человеческих
Итоговая стоимость затрат на НИ
составила 176867,57
2. Нормы и нормативы расходования ресурсов
Тарифные ставки заработной платы рабочих,
нормы амортизационных отчислений, нормы
времени на выполнение операций и др
3. Используемая система налогообложения, ставки
налогов, отчислений, дисконтирования и
кредитования
Отчисления во внебюджетные страховые
фонды (30 %)
Перечень вопросов, подлежащих исследованию, проектированию и разработке:
Перечень графического материала
(с точным указанием обязательных чертежей):
Задание выдал консультант:
Должность
ФИО
Ученая
степень,
звание
Подпись
Дата
Доцент ОСГН ШБИП
ТПУ
Петухов О.Н. к.э.н., доцент
Задание принял к исполнению студент:
Группа
ФИО
Подпись
Дата
8ЕМ61
Надин Иван Сергеевич
Дата выдачи задания для раздела по линейному графику

7
Задание для раздела «СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ»
Группа
ФИО
8ЕМ61
Надин Иван Сергеевич
Школа
ИШИТР
Отделение
Автоматизации и робототехники
Уровень образования Магистр
Направление/специальность Мехатроника и робототехника
Исходные данные к разделу «Социальная ответственность»:
Описание рабочего места (рабочей зоны, технологического процесса, механического оборудования) на предмет возникновения:
Рабочим местом является аудитория № 109 в Научном парке
Томского политехнического университета. В аудитории рабочей зоной является место за персональным компьютером, отведённое студенту для выполнения работы. Технологический процесс представляет собой разработку системы управления сортировочного робота с помощью технического зрения. Основным оборудованием, на котором производится работа, является персональный компьютер с периферийными устройствами.
Вредными факторами производственной среды, которые могут возникнуть на рабочем месте, являются: недостаточная освещённость рабочей зоны, отсутствие или недостаток естественного света, повышенный уровень шума, повышенный уровень электромагнитных излучений, повышенная или пониженная влажность воздуха, повышенная напряжённость электрического поля.
Опасными проявлениями факторов производственной среды, которые могут возникнуть на рабочем месте, являются: электрический ток.
Чрезвычайной ситуацией, которая может возникнуть на рабочем месте, является возникновение пожара.
Перечень вопросов, подлежащих исследованию, проектированию и разработке:
1. Производственная безопасность
1.1. Анализ выявленных вредных факторов при разработке и эксплуатации проектируемого решения в следующей последовательности
1.2. Анализ выявленных опасных факторов при разработке и эксплуатации проектируемого решения в следующей последовательности:
Анализ выявленных вредных факторов:

отсутствие или недостаток естественного света;

уровень шума;

уровень электромагнитных излучений;

напряжённость электрического поля;

микроклимат.
Анализ выявленных опасных факторов:

электрический ток
2.
Охрана окружающей среды:
Воздействие объекта на атмосферу, гидросферу не происходит.
В работе проведён анализ воздействия на литосферу
(образование отходов при поломке ПК, отходов при печати, при утилизации ламп).
3.
Защита в чрезвычайных
ситуациях:
В аудиторном помещении возможно ЧС техногенного характера – пожар (возгорание).

8
4.
Правовые и организационные
вопросы обеспечения безопасности:
Рабочее место при выполнении работ в положении сидя должно соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.032-78.
Требования к организации оборудования рабочих мест с ПК регулируются в СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.
Дата выдачи задания для раздела по линейному
графику
Задание выдал консультант:
Должность
ФИО
Ученая
степень,
звание
Подпись
Дата
Доцент ОКД ИШНКБ
Бородин Ю.В. к.т.н., доцент
Задание принял к исполнению студент:
Группа
ФИО
Подпись
Дата
8ЕМ61
Надин Иван Сергеевич

9
Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Школа: ИШИТР
Направление подготовки: Мехатроника и робототехника
Уровень образования: магистратура
Отделение школы (НОЦ): автоматизации и робототехники
Период выполнения: весенний семестр 2017/2018 учебного года
Форма представления работы:
Магистерская диссертация
(бакалаврская работа, дипломный проект/работа, магистерская диссертация)
КАЛЕНДАРНЫЙ РЕЙТИНГ-ПЛАН
выполнения выпускной квалификационной работы
Срок сдачи студентом выполненной работы:
Дата
контроля
Название раздела (модуля) /
вид работы (исследования)
Максимальный
балл раздела (модуля)
15.02.2018 г. Актуальность использования систем технического зрения в промышленных робототехнических комплексов
15 25.02.2018 г. Интеграция технического зрения в систему управления промышленным роботом
15 10.03.2018 г. Геометрические параметры камеры
20 12.04.2018 г
Практическая реализация системы технического зрения
20 15.05.2018 г. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение
10 18.05.2018 г. Социальная ответственность
10 21.05.2018 г. Английский язык
10
Составил преподаватель:
Должность
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Профессор
Сырямкин В. И. д.т.н.
СОГЛАСОВАНО:
Руководитель ООП
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Профессор
Малышенко А.М. д.т.н.

10
Реферат
Выпускная квалификационная работа содержит 115 страниц, 52 рисунка, 12 таблиц, список используемых источников содержит 37 наименований.
Ключевые слова: компьютерное зрение, промышленный манипулятор, калибровка камеры, распознавание QR, поиск контура.
Объектом исследования является определение положения изделия в пространстве и его принадлежность к определенному классу.
Предметом исследования является техническое зрение, использующее алгоритм поиска изделия по цвету.
Цель данной работы – разработка системы управления сортировочным роботом с применением технологии компьютерного зрения, способной без участия человек осуществлять сортировку изделий на конвейерной линии по заданным зараннее признакам.
В процессе исследования были изучены основные функции и сферы применения технического зрения. Проведен анализ готовых решений от мировых производителей промышленной робототехники. Разработан алгоритм работы системы управления сортировочным роботом. Выбран способ размещений камер. Был протестирован метод поиска изделия по цвету и метод распознавания QR кода. Проводились определение социальной ответственности, расчет финансовой эффективности проекта.
В результате исследования была создана недорогостоящая и простая система управления с использованием методов технического зрения, способная находить изделие в пространстве и производить его классификацию по определенно заданным признакам.
Область применения: разработанная система технического зрения может использоваться, как основа, для внедрения в производственную систему управления сортировочным роботом.