Zastosowanie środowiska MATLAB i Simulink w robotyce podwodnej
Studenckie Koło Naukowe AGH Marines
Akademia Górniczo – Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Członkowie zespołu AGH Marines wraz z opiekunem dr hab. inż. Bartłomiejem Borkowskim, prof. AGH
O zespole
Koło Naukowe AGH Marines jest bardzo młodym kołem, które stawia sobie za cel pokazanie nowego oblicza robotyki na Akademii Górniczo-Hutniczej. Powstało 11 września 2018 r. z inicjatywy czwórki pasjonatów. Zespół składa się z grupy studentów inżynierii mechatronicznej zafascynowanych tematyką robotyki podwodnej. Członkowie koła zajmują się tworzeniem zdalnie sterowanych pojazdów podwodnych – ROVs (ang. Remotely Operated Vehicles). Obecnie realizują projekt bezzałogowego, zdalnie sterowanego robota podwodnego „Gupik”, który weźmie udział w międzynarodowych zawodach MATE ROV Competition 2021. Młodzi inżynierowie zgłosili również swój projekt do prestiżowego międzynarodowego konkursu RoboSub.
Członkowie koła realizują swoje rozwiązania w dziedzinach takich jak sterowanie, przetwarzanie obrazu, symulacje 3D, modelowanie matematyczne oraz obliczenia numeryczne. W swojej pracy intensywnie wykorzystują oprogramowanie MATLAB i Simulink, które pozwala im na przyspieszenie i ułatwienie wielu zadań projektowych, z którymi muszą się zmierzyć.
Model matematyczny robota i symulacje
Jednym z projektów, nad którym w 2020 roku pracował zespół, był model matematyczny robota podwodnego w przestrzeni zmiennych stanu, stworzony w środowisku Simulink. W toku dalszych prac dodano do modelu system sterowania oparty o regulator liniowo-kwadratowy i przeprowadzono symulacje jego działania. Po dostrojeniu układu uzyskano bardzo dobre charakterystyki czasowe. Kolejnym krokiem było stworzenie symulacji 3D, która umożliwiła wizualizację trajektorii robota. Dzięki możliwościom platformy Robot Operating System udało się połączyć oprogramowanie Simulink z symulatorem Gazebo, służącym w tym projekcie do symulacji środowiska podwodnego. Przy użyciu oprogramowania MATLAB i Simulink stało się możliwe przetestowanie oraz wizualizacja różnych rozwiązań z dziedziny teorii sterowania, bez konieczności wychodzenia z laboratorium i wykorzystania rzeczywistych prototypów. Proces ten pozwolił drużynie na znaczne przyspieszenie prac nad układem regulacji, kontrolującym położenia robota.
Własny pędnik
Zespół mechaników w AGH Marines podjął się wymagającego zadania polegającego na stworzeniu własnego pędnika, który swoimi osiągami przekraczać będzie konstrukcje komercyjne, dostępne na rynku. W tym celu należało zaprojektować oraz wytworzyć śrubę oraz okalającą ją dyszę. Z pomocą przyszedł MATLAB, który umożliwił wykonanie szeregu obliczeń numerycznych, pozwalających wyznaczyć konieczne parametry konstrukcyjne śruby w celu stworzenia optymalnego projektu. Pędnik został wytworzony w technologii druku 3D oraz przetestowany na autorskiej hamowni. Testy wykazały, że stworzona konstrukcja może pochwalić się ponad dwukrotnie lepszą sprawnością niż rozwiązania dostępne na rynku.
System wizyjny
Tworząc system wizyjny robota, w pierwszej kolejności należało skalibrować kamery, poprzez wyznaczenie parametrów określających zależności między układem podstawowym, a układem związanym z kamerą, które występują łącznie z transformacją perspektywy. W kolejnym kroku powstały dwa programy do rozpoznawania obrazu. Pierwszy służył do oceny stanu kolonii koralowców, imitowanej z wykorzystaniem rurek PCV. Wbudowana aplikacja pomogła stworzyć maski, dzięki którym wyodrębniane były ważne elementy, następnie ekstrahując ich cechy można było ocenić jakie zachodziły zmiany. Drugi program stworzony został na potrzeby przepłynięcia wyznaczonej trasy, oraz zmapowania terenu, co możliwe było dzięki wykorzystaniu transformaty Hougha, przy pomocy której można wykryć brzegi toru.
Plany na dalszą pracę
Środowisko MATLAB i Simulink okazało się niezbędnym narzędziem w realizacji projektu zdalnie sterowanego robota podwodnego. Przede wszystkim pozwoliło na wprowadzenie wielu innowacyjnych rozwiązań, które z pewnością przełożą się w pozytywny sposób na wyniki uzyskane w czasie nadchodzącego konkursu. Ponadto, w 2021 roku oprogramowanie MATLAB i Simulink zostanie także wykorzystane w celu stworzenia autonomicznego robota podwodnego, w którym kluczową rolę, oprócz algorytmów sterowania, będą odgrywać algorytmy przetwarzania obrazów oraz sieci neuronowe.