Obstacle Detecting & Avoidance for drones with Artificial Intelligence Algorithm
•
1 like•654 views
Final Thesis for my Bachelor Degree in Computer Science at University of Camerino
Obstacle Detecting & Avoidance for drones with Artificial Intelligence Algorithm
- 1. Tesi di Laurea Triennale in INFORMATICA Scuola di Scienze e Tecnologie Anno Accademico 2014/15 Obstacle Detecting & Avoidance for drones with Artificial Intelligence Algorithm relatore: Prof. Diletta Romana Cacciagrano correlatori: Prof. Roberto Lulli Dott. Lorenzo Massacci Dott. Michelangelo Guarise candidato: Marco Mancini Mat. 087517 marco.mancini.mm@gmail.com Creazione di un sistema di guida automatica attraverso l’utilizzo di sensori di distanza e intelligenza artificiale
- 2. INTRODUZIONE INTRODUZIONE I computer sono incredibilmente veloci, accurati e stupidi. Gli uomini sono incredibilmente lenti, inaccurati e intelligenti. Insieme sono una potenza che supera l'immaginazione. Albert Einstein (1879-1955).
- 3. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Chi sono L’idea Perché Coordinazione •Studente di Informatica @ Università di Camerino •Fondatore del Google Developers Group di Camerino •Maker & Evangelist @ UDOO Contatti: Mail: marco.mancini.mm@gmail.com Facebook: http://goo.gl/rBJCFu GitHub: http://github.com/MakerMark Skype: marco.mancini18 Twitter: http://goo.gl/Yup5I7 Sito: http://www.makermark.it
- 4. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Chi sono L’idea Perché Coordinazione Nelle slide seguenti ho voluto spiegare il mio progetto nonché primo prototipo di un sistema innovativo per droni. Verranno infatti presentati in una prima introduzione tutti gli aspetti positivi di un sistema automatico come quello sviluppato in questo progetto nonché elencato tutto ciò che è necessario avere o conoscere per poter costruire un primo prototipo. Potremmo poi vedere il lavoro svolto, diviso in fasi; per ogni fase verranno analizzate tutte le parti più importanti e discusse sulla risoluzione di tutti i problemi più grandi. Più avanti riporterò tutti i dubbi e le considerazioni fatte durante la raccolta dati e i vari test eseguiti in laboratorio per arrivare ad un prodotto performante e con caratteristiche di sicuro successo rispetto a sistemi simili già in commercio. Infine ringrazierò tutti i professori, aziende e persone che mi hanno aiutato nel completamento di questo enorme progetto che sarà comunque oggetto di miei studi futuri per arrivare ad un prodotto finito magari commercializzabile
- 5. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Chi sono L’idea Perché Coordinazione Nuove tecnologie poco sicure Necessario un passo successivo per renderle quasi autonome RENDERLE IN GRADO DI APPRENDERE E MODIFICARE IL PROPRIO STATO SECONDO IL MONDO ESTERNO
- 6. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Chi sono L’idea Perché Coordinazione Necessario • Tecnologia sufficientemente testata e affidabile; • Algoritmi in grado di apprendere e gestire qualsiasi occasione; In poche parole intelligenza artificiale e un buon hardware in grado di gestire una gran mole di dati
- 7. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Chi sono L’idea Perché Coordinazione Settore in forte espansione, tante nuove idee ma ancora l’intervento umano è necessario
- 8. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Chi sono L’idea Perché Coordinazione DHL così come Amazon stanno sviluppando sistemi per la consegna automatica dei pacchi In Olanda è stato sviluppato un primo prototipo funzionante di drone che trasporta un defibrillatore, questo permetterà di effettuare un primo soccorso più efficiente
- 9. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Chi sono L’idea Perché Coordinazione Tutto Molto Bello …Ma… Se incontro un ostacolo? Attualmente i mezzi in commercio non possono far nulla con l’unica possibile conseguenza e cioè l’incidente del mezzo con l’ostacolo e la possibile rottura di esso, non portando a termine quindi la missione
- 10. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Chi sono L’idea Perché Coordinazione Creare un sistema di guida automatica che riesca a percepire gli ostacoli e sappia schivarli mantenendo la rotta più sicura per arrivare ad un obbiettivo o per correggere un possibile errore umano
- 11. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Chi sono L’idea Perché Coordinazione Per poter completare un progetto di queste dimensioni servono tantissime risorse sia economiche che di persone che collaborano per il progetto. Si sono susseguiti infatti moltissimi incontri a Camerino e all’I.T.T. Montani di Fermo con i professori Diletta Romana Cacciagrano, Roberto Lulli e Alessandro Saltarelli per poter capire quale poteva essere il miglior modo per affrontare il progetto, quale poteva essere il giusto hardware e quale poteva essere il modo giusto per affrontarlo in termini di software. In seguito poi si è cercato di fare un team di lavoro per rendere il lavoro più facile dividendo i compiti tra i vari componenti. Sfortunatamente tutti i volontari interessati nel progetto hanno poi abbandonato l’idea per paura di non riuscire a completarlo e mi sono trovato da solo nell’ interezza del progetto. Dopo questi primi incontri per decidere come realizzare il progetto, lo sviluppo dei primi prototipi è stato portato avanti nei laboratori dell’I.T.T di Fermo e nei laboratori dell’Università di Camerino con incontri periodici ogni settimana e resoconti dei lavori in corso alla professoressa relatrice Diletta Romana Cacciagrano.
- 12. FASI FASI Non ho paura dei computer, ma della loro eventuale mancanza. Isaac Asimov (1920-1992).
- 13. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test 3 categorie testate Ultrasuoni Laser Infrarossi Micro Impulsi Ad Alta Energia 360 Gradi
- 14. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test RPLIDAR LIDAR LITE SRF-02 Prezzo 349$ 99$ 12$ Portata 20 Centimetri - 6 Metri 15 Centrimetri - 40 Metri 15 Centrimetri - 11 Metri Raggio 360° Punto Specifico Punto Specifico su brevi distanze, circa 40 ° alla massima distanza Accuratezza < 1.5 Metri +/- 0.025 Metri Non Specificato ma comunque da test risulta molto impreciso Tempo di Acquisizione 0.0005 Millisecondi < 0.02 Secondi 0.000025 Secondi Modalità di Funzionamento Seriale I2C o PWM I2C o PWM Dimensioni 70 x 98.5 x 60 Millimetri 21 x 48.3 x 35.5 Millimetri 24 x 20 x 17 Millimetri Peso 200 Grammi 16 Grammi 4.6 Grammi Lista degli indirizzi Non supporta il protocollo I2c 0x62: Indirizzo I2C del Lidar- Lite; 0x00: Registro per le modalità ; 0x04: Registro dove è memorizzata l’ultima registrazione; 0x8f: Registro dove sono contenute misurazione minima e misurazione massima. 0xE0: Indirizzo di default I2C del SRF-02; 0x50: Misurazione in Pollici; 0x51: Misurazione in centimetri; 0x52: Misurazione in micro- secondi; 0x5C: Trasmettere 8 cicli di segnale senza ricevere misurazione; 0x60: Autotune.
- 15. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test RPLIDAR - Robopeak
- 16. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test Lidar Lite - PulsedLight
- 17. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test Lidar Lite - PulsedLight
- 18. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test Lidar Lite - PulsedLight
- 19. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test SRF-02
- 20. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test SRF-02
- 21. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test 2 board Necessarie In volo A terra
- 22. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test In volo VR Micro Brain • Micro controllore ARM Cortex M4F a 168Mhz con possibilità di processare segnale digitale (DSP) e un’unità in virgola mobile (FPU); • 1024Kb di memoria flash e 192Kb di memoria RAM; • Accelerometro, barometro e giroscopio con tecnologia MEMS; • 1 slot Micro SD fino a 64 Gb; • Porta Jtag per fare debug in realtime; • 1 Bus I2C; • 3 porte seriali: 1 per il GPS, 1 per la connessione SBUS e 1 per la telemetria; • 3 Switch digiali. VR Brain • 2 Bus i2c; • 8 output a 490hz; • Accelerometro e giroscopio integrato;
- 23. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test A terra
- 24. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test 100+ email scambiate 1000+ € di partnership Tante aziende e tanta fiducia Roberto Navoni – Virtual Robotix; Dennis Corey – Pulsed Light; Shikai Chen – RoboPeak; Maurizio Caporali – UDOO; Michele Focanti – E-xtrategy
- 25. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test Protocolli di connessione dei sensori I2C SPI
- 26. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test I2C SDA – Serial Data SCL – Serial Clock Vcc – 5V o 3,3V GND L'I2C ha 7 bit di indirizzo e quindi 128 possibili indirizzi diversi (detti nodi). Di questi però 16 sono riservati quindi i dispositivi che possono essere collegati sullo stesso bus sono al massimo 112. • nodo master – il dispositivo che emette il segnale di clock • nodo slave – il nodo che si sincronizza sul segnale di clock senza poterlo controllare
- 27. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test SPI SCK - Serial Clock MOSI - Master Output, Slave Input MISO - Master Input, Slave Output. CS - Slave Select
- 28. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test PWM La modulazione di larghezza di impulso (pulse-width modulation), è un tipo di modulazione digitale che permette di ottenere una tensione media variabile dipendente dal rapporto tra la durata dell'impulso positivo e di quello negativo, allo stesso modo è utilizzato per protocolli di comunicazione in cui l'informazione è codificata sotto forma di durata nel tempo di ciascun impulso. Grazie ai moderni microcontrollori è possibile attivare o inattivare un interruttore ad alta frequenza e allo stesso modo rilevare lo stato e il periodo di un impulso.
- 29. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test I2C Multiplexer Indirizzi non modificabili su Lidar Lite
- 30. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test ARDUPILOT
- 31. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test VRPad Station
- 32. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test UDOO + VR Pad Station • Android; • Touch Screen; • MavLink; • Google Apps.
- 33. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test VR Brain + APM:Copter • Nuttx; • RTOS; • Driver; • Modalità di Volo; • ll40ls vs ll40lsM.
- 34. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test
- 35. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test
- 36. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test SIMULAZIONE
- 37. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Ricerca dei Sensori Ricerca delle Board Ricerca Sponsor Studio dell’Hardware Studio del Software Modifiche ai sistemi Montaggio Test SIMULAZIONE
- 38. CONSIDERAZIONI CONSIDERAZIONI Chiedersi se un computer possa pensare non è più interessante del chiedersi se un sottomarino possa nuotare. Edsger Dijkstra (1930-2002).
- 39. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Pro e Contro del Progetto Futuro Difficoltà Riscontrate PRO CONTRO • Costoso; • Ancora da migliorare; • Punti Morti; • Necessità di una grande mole di dati; • Elaborazioni Pesanti. • Performance; • Ancora da migliorare; • Nessun particolare competitor che faccia la stessa cosa; • Open Source; • Non necessità di intervento umano; • Compatibilità .
- 40. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Pro e Contro del Progetto Futuro Difficoltà Riscontrate Lo scopo del progetto è arrivare il prima possibile ad un sistema funzionante da poter mettere su droni normalmente in vendita per rendere il volo più sicuro e per aprire opportunità in ambienti dove l’uomo risulta ancora necessario. Seguendo i consigli del Prof Lulli e della Professoressa Cacciagrano, il sistema completo verrà ultimato nei prossimi anni e portato poi nella Magistrale adottando algoritmi di intelligenza artificiale su tre livelli che verranno comunque implementati parallelamente: • un primo livello che si occuperà di generare esperienza e quindi basato su delle regole iniziali secondo la logica Fuzzy (come visto anche nella simulazione); • Un secondo livello verrà implementato attraverso le reti neurali che daranno razionalità e una base di apprendimento per generare autonomamente nuove regole da rispettare; • Infine un sistema di emergenza nel caso vi siano casi in cui sia la logica Fuzzy che le reti neurali falliranno.
- 41. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Pro e Contro del Progetto Futuro Difficoltà Riscontrate Nuove discipline prima sconosciute Driver mai implementati Elettronica mai studiata Poca collaborazione Trovare Sponsor
- 42. RINGRAZIAMENTI RINGRAZIAMENTI In fourth grade, my robotics’ teacher told me to build a small robot for the science fair. I quickly finished it & named it Optimus prime. Tony Stark(Iron Man).
- 43. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Università Sponsor Famiglia Professoressa Diletta Romana Cacciagrano Professore Roberto Lulli Professoressa Margherita Bonanni (I.T.T. Fermo)
- 44. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Università Sponsor Famiglia 100+ email scambiate 1000+ € di partnership Tante aziende e tanta fiducia Roberto Navoni – Virtual Robotix; Dennis Corey – Pulsed Light; Shikai Chen – RoboPeak; Maurizio Caporali – UDOO; Michele Focanti – E-xtrategy
- 45. INTRODUZIONE FASI CONSIDERAZIONI RINGRAZIAMENTI Università Sponsor Famiglia Mauro Mancini Cecilia Albanesi Mauro Tomassoni Gessica Stortoni Maria Verdolini Marcello Mancini e tutti i miei fratelli e sorelle la mia fidanzata Filomena Ricciardi che ogni giorno è stata accanto a me anche nei momenti più difficili, i miei amici più cari, il Gruppo Tamburi del Palio di San Floriano di Jesi e tutte quelle persone che hanno sempre creduto in me. Marco Mancini
- 46. RINGRAZIAMENTI GRAZIE GRAZIE ALLA COMMISSIONE DI LAUREA PER L’ASCOLTO E L’ATTENZIONE