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Projeto Final do Curso de Engenharia de Controle e Automação da UFMG

Controle de um dispositivo Ball and Plate por meio de visão computacional

O presente trabalho visa o controle de um sistema Ball and Plate por meio de visão computacional. Este sistema envolve uma superfície que pode ser rotacionada nos eixos x e y, em que se utiliza três servos motores para atingir a inclinação desejada, juntamente com uma bola que pode se movimentar livremente pela superfície. O objetivo principal é controlar a bola por meio de rotações na superfície, visando posicioná-la em uma referência pré-determinada. Para atingir esse objetivo, quatro temas principais são abordados. Em primeiro lugar, a visão computacional é empregada para determinar a posição da superfície e, posteriormente, a posição da bola.A partir disso, a cinemática inversa é utilizada para converter o ângulo desejadoda superfície em angulações específicas para os servos motores. A modelagem dosistema, fundamentada na mecânica lagrangiana, é empregada para obter a plantado sistema. Por fim, o controle é realizado por meio de dois controladores PIDs,os quais são responsáveis pelo gerenciamento da posição da bola sobre a superfície,ajustando a inclinação da mesa para controlar o movimento da bola. Os resultadosobtidos indicam êxito na construção do sistema, bem como na implementação detodos os recursos utilizados. No entanto, são apresentadas propostas de melhoriasque visam aprimorar a robustez e precisão do sistema.

🚀 Começando

Essas instruções permitirão que você obtenha uma cópia do projeto em operação na sua máquina local para fins de desenvolvimento e teste.

📋 Pré-requisitos

Para poder executar todos os códigos, é necessário ter as seguintes bibliotecas em suas respectivas versões:

imutils==0.5.4
numpy==1.24.3
opencv-contrib-python==4.7.0.72
opencv-python==4.7.0.72
PyQt5==5.15.4
scikit-learn==1.1.1
scipy==1.5.2

O código para o Arduino e programas auxiliares, como a calibração da câmera, podem ser encontrados na pasta Extras.

🔧 Instalação

É recomendada a criação de um ambiente virtual contendo os pacotes listados acima, para isso, ativar o ambiente e instalar as bibliotecas a partir do seguinte comando:

pip install -r requirements.txt

📦 Execução

Para executar o código principal, é necessário estar na pasta raíz e executar o seguinte comando:

python main.py

Para o código principal rodar, é necessário estar com a Câmera e o Arduino conectados.

🔧 Funcionamento

Aqui são explicados os principais arquivos do projeto.

Arquivos Principais

• main.py - Responsável pela execução do programa. Inicializa a GUI e todas as classes dependentes.

Cinemática Inversa

• CinematicaInversa/Plate.py - Classe da superfície. Define as coordenadas da 3a Junta e permite ajustar a altura e a rotação da superfície nos eixos x e y
• CinematicaInversa/Servo.py - Classe dos Servos. Responsável por ajustar a inclinação dos 3 Servos.
• CinematicaInversa/BallAndPlate.py - Classe principal que reúne as classes Plate e Servo. Responsável por obter a posição de todas as juntas e enviar a inclinação do servo para o Arduino via comunicação Serial.

Controle

• NoThread/Controle.py - Classe de Controle. Responsável pela implementação do PID e do Saturador.

Visão Computacional

• NoThread/CompVisual.py - Classe de visão computacional. Responsável pela detecção da superfície, através dos ChArUcos, e da bola.

Arquivos Extras

• Extras/Arduino/servo/servo.ino - Arquivo para carregar no Arduino que recebe os comandos via Serial do computador e envia as informações para o módulo PWM PCA9685 para o controle dos servos.
• Extras/CameraCalibration/Calibration.py - Arquivo para calibrar a câmera. Para fazer a calibração, é necessário imprimir o Chessboard que está localizado no mesmo diretório, pasta ChessBoardGen.

🛠️ Construído com

• QT Designer - Programa utilizado para gerar a interface

✒️ Autores

• Hugo Ferreira Marques - Trabalho e documentação
• Luciano Antonio Frezzatto Santos - Orientação

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Feito com base no modelo disponibilizado por Armstrong Lohãns