Marcus Arvidsson & Jacob Bernhard Version. Status Granskad Godkänd
Namn Ansvar Telefon E-post Hanna Pettersson Projektledare (PL) 0705-40439 hanpe369@student.liu.se Sanna Nilsson Informationsansvarig 0735-089 sanni93@student.liu.se (IA) Daniel Karlsson Testansvarig (TA) 0708-378337 danka9@student.liu.se Marcus Arvidsson Dokumentansvarig 0709-6079 marar094@student.liu.se (DOK) Emanuel W Designansvarig 0730-93087 emawa633@student.liu.se Viklund (DA) Johan Wågberg - 0730-464739 johwa78@student.liu.se Jacob Bernhard - 0768-996 jacbe807@student.liu.se Epostlista för hela gruppen: imaptsrt0@googlegroups.com Hemsida: http://www.isy.liu.se/edu/projekt/reglerteknik/0/bandvagn Beställare: Jonas Callmer, Linköpings universitet, 03-8 40 58, callmer@isy.liu.se Kund: Malin Ingerhed, Saab Dynamics, 03-86383, malin.ingerhed@saabgroup.com Kursansvarig: David Törnqvist, Linköpings universitet, 03-8 8 8, tornqvist@isy.liu.se Handledare: Johan Dahlin, Linköpings universitet, 03-8 3 06, johan.dahlin@isy.liu.se
Dokumenthistorik Version Datum Utförda förändringar Utfört av Granskad av 0. 0-09- Första utkast Marcus Jacob 0. 0-09-5 Ändrat efter handledare Alla Alla och beställares åsikter 0.3 0-09-6 Ändrade krav Alla Alla 0.4 0-09-9 Lagt till fler krav och Alla Alla åtgärdat några småfel.0 0-09-0 Första godkända versionen Marcus Daniel. 0-- Reviderad version Hanna Daniel 3
INNEHÅLL Innehåll Inledning 5. Parter...................................... 5. Syfte och Mål.................................. 5.3 Användning................................... 5.4 Bakgrundsinformation............................. 6.5 Definitioner................................... 6 Översikt av systemet 7. Översiktlig beskrivning av produkten..................... 7. Produktkomponenter.............................. 7.3 Beroende till andra system.......................... 7.4 Ingående delsystem............................... 8.5 Avgränsningar................................. 8.6 Designfilosofi.................................. 8 3 Masterenheten 8 3. Beskrivning av masterenheten......................... 9 3. 3D-kartering................................... 9 3.3 Gränssnitt.................................... 0 4 Scoutenheten 4. Positionering.................................. 4. Kollisionshantering............................... 3 5 Ekonomi 3 6 Leveranskrav och delleveranser 4 7 Dokumentation 4 4
Inledning Saab Dynamics vill utveckla en bandvagn som ska kunna kartlägga olika miljöer autonomt. Projektet inleddes våren 009 med utveckling av specifikationer, kontrollprogram, nätverkskommunikation, navigationstekniker med mera. Föregående projektgruppers uppgift var att ge bandvagnen grundläggande funktionalitet, samt att ge bandvagnen ögon genom att utrusta scoutenheten med en stereokamera. Både manuell och autonom drift är numera möjlig. Projektet bygger vidare på arbetet utfört av projektgruppen O hara s under våren 009, projektgruppen Carpe Locus under hösten 009 och projektgruppen 8Yare hösten 00 och har som huvuduppgift att skapa en 3D-karta av kört område. Förbättrad positionering är ett krav för att uppnå detta. Detta dokument innehåller de krav som ställs på produkten vid leverans. Varje krav har en rad i en tabell. Kraven inleds med ett genom dokumentet löpande kravnummer. Den andra kolumnen anger om kravet är original eller reviderat. Kolumn tre innehåller beskrivningen av kravet och den sista kolumnen innehåller kravets prioritet enligt följande definition: Prioritet : Krav som måste vara uppfyllt vid leverans. Prioritet : Krav som om möjligt uppfylls, påbörjas när samtliga krav är uppfyllda. Prioritet 3: Krav som bara uppfylls i mån av tid och intresse. Krav nr X Förändring Kravtext för krav nr X Prioritet. Parter Kunden är Malin Ingerhed på Saab Dynamics. Beställare är Jonas Callmer på avdelningen för Reglerteknik vid Linköpings Universitet. Johan Dahlin är handledare på avdelningen för Reglerteknik vid Linköpings Universitet. Saab Dynamics ska även tillhandahålla en handledare. Projektgruppen består av 7 studenter från Y-linjen.. Syfte och Mål Målet för projektet Scout-HT är att utveckla hård- och mjukvara som samlar in data och bygger en 3D-modell av omgivningen i ett område utomhus av typen Trädgårdsföreningen i Linköping. Detta skall uppfyllas genom att använda de sensorer som är placerade på sensorplattan, nämligen GPS, stereokamera samt optometer. Tidigare års arbete ska delvis förbättras och det grafiska användargränssnittet ska vidareutvecklas. Eventuellt kommer fler projektgrupper eller examensarbeten vidareutveckla produkten ytterligare..3 Användning Produkten ska användas för flera olika ändamål. Ett exempel är att scoutenheten skall kunna användas för att jaga mördarsniglar. Bandvagnen skall då autonomt kunna kartera ett givet område, identifiera objekt i omgivningen och klassificera dessa enligt hur åtråvärda de är i en snigels ögon. Därefter ska scoutenenheten leta efter sniglarna kring de växter som sniglar föredrar. 5
.4 Bakgrundsinformation.4 Bakgrundsinformation Projektet har initierats av Torbjörn Crona och Pelle Carlbom på Saab Dynamics. Projektarbetet är en vidareutveckling av tre tidigare projektarbeten av grupperna O Hara, Carpe Locus och 8Yare. Mycket funktionalitet finns redan, men en del av det tidigare arbetet kan behöva revideras då mycket hårdare krav på positioneringen nu ställs. Redan nu kan bandvagnen följa en rutt som beskrivs av en serie GPS-positioner och skapa en djupkarta med hjälp av bilder från stereokameran. Idén är att denna information ska fusioneras för att möjliggöra kartering och senare autonomt AI-beteende. En trådlös kommunikation för dataöverföring mellan scoutenheten och masterenheten är redan upprättad..5 Definitioner Följande termer och förkortningar används i dokumentet: Masterenheten - laptopen hos användaren, med det grafiska gränssnittet. Navigationsenheten - den industridator som sitter på bandvagnen. Scoutenheten - hela bandvagnen med alla tillbehör (inklusive navigationsenheten). ARM - Framdrivningsenhet (Advanced RISC Machine). GPS - Global Position System. Systemet bestämmer bandvagnens globala position. SLAM - Simultaneous Localisation And Mapping. En teknik för samtidig lokalisering och kartering. Stereobildpar - Två monobilder tagna med två rektifierade kameror. Stereobildparet kan fusioneras till en 3D-bild. Djupbild - En färgskalad bild som representerar djupet i scenen. GUI - det grafiska användargränssnittet. Position - koordinaterna för x, y, z, girvinkel ψ, tippvinkel θ och rollvinkel φ. Punktmoln - Ett stort antal punkter i en 3D-ritning beskriver föremåls yttre form. Punktmolnsvärld - Ett område uppbyggt av punktmoln. 6
Översikt av systemet I Figur ses en översiktlig bild över hur systemet är uppbyggt. Det tekniska systemet är uppbyggt av två delsystem, masterenheten och scoutenheten. Masterenheten används för att kontrollera och övervaka scoutenheten, samt att behandla informationen som skickas från scoutenheten. Figur : En översikt av systemet.. Översiktlig beskrivning av produkten Det första delsystemet är en laptop som används för att styra bandvagnen (scoutenheten). Denna kallas masterenheten. Det andra delsystemet är själva bandvagnen. Dessa två delsystem kommunicerar med varandra via ett trådlöst nätverk. Scoutenheten är i sin tur uppbyggd av två delsystem: navigationsenheten och framdrivningsenheten ARM. De sensorer som ingår är en GPS som är kopplad till navigationsenheten, två odometrar som är kopplade till ARM-processorn och en stereokamera som även den är kopplad till navigationsenheten.. Produktkomponenter I leveransen till kund ska enheter levereras som motsvarar de krav av prioritet som beskrivs i detta dokument. Dessutom ska det levereras en användarhandledning och dokumentation över produkten. I mån av tid ska även krav med prioritet uppfyllas och därefter krav med prioritet 3..3 Beroende till andra system GPS:en är beroende av satelliter. I övrigt är produkten relativt fristående och har inga direkta beroenden till andra system. 7
.4 Ingående delsystem.4 Ingående delsystem Systemet består av två delsystem, masterenheten och scoutenheten. Via masterenheten kommer en operatör kunna styra hela systemet samt kunna se de bilder kameran tagit och de 3D-vyer som skapats med hjälp av tillhörande mjukvara. Masterenheten kommunicerar med scoutenheten via en trådlös router och scoutenheten kommunicerar i sin tur med stereokameran via firewire..5 Avgränsningar Produkten kommer att begränsas till de komponenter som Saab Dynamics tillhandahållit och den tid projektgruppen har att disponera på projektet. De komponenter som Saab Dynamics tillhandahållit är två datorer och en bandvagn med stereokamera, router, industridator samt en GPS. Kraven i detta dokument kommer förtydliga avgränsningarna för systemet. Antaganden som har gjorts är att: Scoutenheten ska starta på en öppen yta med minst m till närmaste objekt. Inga rörliga objekt skall kunna karteras. Med objekt/hinder menas ett stationärt föremål som är mer än 0 cm brett och mer än 0 cm högt. Inga brytpunkter får placeras i ett hinder. Objekt som är oåtkomliga för scoutenheten skall inte kunna karteras. Området som skall karteras ska inte vara större än 00x00 m. Den del av ett objekt som är mer än 5 m över marken ska inte karteras i 3D-världen. Objekt som är mer än 0 m bort skall inte behöva detekteras. Scoutenheten skall inte behöva ha full funktionalitet vid förhållandena: regn, snö eller mörker. Om inget annat anges är kraven specificerade för plan mark (likt en fotbollsplan)..6 Designfilosofi Arbetet inom projektet ska bygga på de tre tidigare gruppernas arbeten och där det är möjligt använda befintlig kod och struktur. Dock ska den senaste gruppens metoder vidareutvecklas om extra prestanda behövs. Mindre grupper i projektet skall ansvara för att områdena positionering, 3D-kartering, GUI-utveckling, rutt-planering samt kollisionshantering skall uppfylla kraven som definieras av detta dokument. 3 Masterenheten Masterenheten är i huvudsak en laptop med tillhörande mjukvara som kommunicerar trådlöst med scoutenheten. Scoutenheten skickar data till masterenheten för behandling. Det går även att styra scoutenheten från masterenhetens gränssnitt. 8
3. Beskrivning av masterenheten 3. Beskrivning av masterenheten Masterenheten består utav en laptop där operativsystemet Ubuntu är installerat som är en linuxdistribution. Datorn har ett nätverkskort installerat som används för att kommunicera med scoutenheten. På masterenheten finns ett gränssnitt mot användaren. Detta används för att kunna styra roboten manuellt eller genom att sätta ut en brytpunktsbana. Viss funktionalitet finns redan och gränssnittet ska vidareutvecklas med nya funktioner. 3. 3D-kartering Masterenheten ska kunna bygga upp en värld från djupkartorna som erhålls via stereokameran samt information om position och vinkel för scoutenheten. Med en 3D-värld menas: En omgivning i tre dimensioner som är genererad via OpenGl, begränsad av en skybox innehållande platt mark och objekt genererade av polygoner som vävts samman. Polygonerna behöver ej vara texturerade. Krav nr Original En djupbild ska kunna konverteras till ett punktmoln. Krav nr Original Ett punktmoln ska kunna triangulariseras. Krav nr 3 Original Två punktmoln ska kunna sättas ihop till ett punktmoln. Krav nr 4 Original Punktmolnens upplösning/täthet ska vara så hög att objekt på upp till 0 m avstånd ska upptäckas. Krav nr 5a Original Ett punktmoln ska kunna genereras av en kontorsstol. Krav nr 5b Reviderat Ett punktmoln ska kunna genereras av ett träd. Krav nr 6a Original En punktmolnsvärld av vårt projektrum ska kunna genereras. Krav nr 6b Reviderat En punktmolnsvärld av vårt projektrum ska kunna genereras. Krav nr 7a Original En punktmolnsvärld ska kunna genereras av en av B-husets innergårdar. Krav nr 7b Reviderat En punktmolnsvärld ska kunna genereras av en av B-husets innergårdar. Krav nr 8 Original En punktmolnsvärld av ett område som är 00x00 m ska kunna genereras. 9
3.3 Gränssnitt Krav nr 9a Original En polygoniserad 3D-bild av en kontorsstol ska kunna genereras. Krav nr 9b Reviderat En polygoniserad 3D-bild av ett träd ska kunna genereras. Krav nr 0 Original En polygoniserad 3D-värld ska kunna genereras av vårt projektrum. Krav nr Original En polygoniserad 3D-värld ska kunna genereras av en av B-husets innergårdar. Krav nr Original En polygoniserad 3D-värld ska kunna genereras av ett område som är 00x00 m. Krav nr 3 Original Punkterna i ett punktmoln ska kunna färgläggas med originalfärg från stereobilden. Krav nr 4 Original Polygonerna i en 3D-värld ska kunna färgläggas utifrån punkternas färg. Krav nr 5 Original Det ska finnas stöd för att texturera ytor som skapats i 3D-världen. Krav nr 6 Original Objekt som skapas i 3D-världen ska textureras så att inga hål i texturerna finns. Krav nr 7 Original Masterenheten ska kunna kartera en given rutt, under de antaganden som specificeras i avsnittet.5. Krav nr 8 Original Masterenheten ska kunna kartera ett av användaren markerat område utefter en brytpunktsbana. Krav nr 9 Original Masterenheten ska kunna ta hänsyn till ojämnheter i marken vid kartering. 3 3 3.3 Gränssnitt Det finns två gränssnitt. Det första mot scoutenheten för att kunna skicka och ta emot data. Det andra gränssnittet ska användas för interaktion med användaren. Krav nr 0 Original En punktmolnsvärld ska kunna visas i användargränssnittet. Krav nr Original Användaren ska kunna välja en fast position och betraktningsvinkel i en punktmolnsvärld som visas i användargränssnittet. 0
3.3 Gränssnitt Krav nr Original Användaren ska kunna följa bandvagnens bana i en punktmolnsvärld som visas i användargränssnittet Krav nr 3 Original Användaren ska kunna röra sig fritt i en punktmolnsvärld som visas i användargränssnittet. Krav nr 4 Original Markeringar för bandvagnens position och riktning ska kunna visas i punktmolnsvärlden som visas i användargränssnittet Krav nr 5 Original En polygoniserad 3D-värld ska kunna visas i användargränssnittet. Krav nr 6 Original Användaren ska kunna välja en fast position och betraktningsvinkel i en polygoniserad 3D-värld som visas i användargränssnittet. Krav nr 7 Original Användaren ska kunna följa bandvagnens bana i en polygoniserade 3D-värld som visas i användargränssnittet. Krav nr 8 Original Användaren ska kunna röra sig fritt i en polygoniserad 3D-värld som visas i användargränssnittet. Krav nr 9 Original En 3D-värld ska kunna visas i gränssnittet innehållande ett fast komplett objekt byggt utifrån ett antal djupbilder. Komplett innebär att objektet ska vara omslutet av polygoner. Krav nr 30 Original Användaren ska kunna förflytta sig i den uppbyggda 3D-världen utan texturer, utan att kollidera med de uppbyggda objekten. Krav nr 3 Original Krav 8 och 30 skall uppfyllas med texturering. Krav nr 3 Original Användaren ska kunna se en översiktskarta (ex flygfoto) över det område som har karterats. Krav nr 33 Original D-kartan i krav 3 ska uppdateras online Krav nr 34 Original Användaren ska kunna markera det område som scoutenheten ska kunna kartera. 3 3 3
Krav nr 35 Original Användaren ska kunna markera förbjudna områden i det grafiska användargränssnittet (t.ex. vatten). 4 Scoutenheten Scoutenheten består av en bandvagn av typ MMP30 samt en dator som använder operativsystemet Ubuntu. På bandvagnen sitter två stycken DC-motorer, en på vardera sidan, som driver enheten. Plattformen innehåller även två batterier som via en spänningsregulator tillhandahåller spänning till motorer och övrig elektronik i bandvagnen. Scoutenheten är utrustad med odometrar på motorerna, en stereokamera och en GPS. 4. Positionering Scoutenheten ska använda data från sensorerna för att få en så noggrann positionering som möjligt. Krav nr 36 Original Information från GPS, hjulsensor och kamera ska fusioneras för positionering. Krav nr 37a Original Utifrån djupbilder ska det gå att bestämma robotens position och vinkel relativt startpunkten, mha endast visuell odometri. Krav nr 37b Reviderad Robotens position ska kunna skattas i en simulerad värld med simulerade landmärken med hjälp av simulerad sensordata. Krav nr 38a Original Roboten ska kunna snurra runt sin egen axel och med hjälp av visuell odometri inse när den har snurrat 360 grader och stanna innan den roterat ytterligare 45 grader. Krav nr 38b Reviderat Krav 38 stryks Krav nr 39a Original Givet en viss rutt på upp till tio brytpunkter spridda över ett område på maximalt 0x0 m, ska bandvagnen kunna följa den och återgå till startpunkten med en noggrannhet på m. Krav nr 39b Reviderat Givet bilder som är tagna under en rutt på 0 x 0 m ska information från gps, odometer och bilder kunna fusioneras ihop och skatta bandvagnens position.
4. Kollisionshantering Krav nr 40 Original Krav 39 ska uppfyllas för ett område på en storlek upp till 00x00 m fast med en osäkerhet på m. Krav nr 4 Original Scoutenheten ska kunna beräkna en rutt för fullständig kartering autonomt, givet ett område. Krav nr 4 Original Scoutenheten ska skatta lutningsvinklarna på bandvagnen för att kunna skatta relativ höjd så att 3D-världen byggs upp med höjdskillnader. 3 4. Kollisionshantering För att skydda scoutenheten och för att kunna kartera samt undvika att köra på föremål ska kollisionshantering införas. Detta innefattar detektering samt korrigering av rutt. Krav nr 43 Original Scoutenheten ska automatiskt undvika av användaren förbjudna områden. Krav nr 44 Original Scoutenheten ska detektera ett stationärt hinder innan avståndet är mindre än 0.5 m. Krav nr 45 Original Scoutenheten ska göra en motaktion för att förhindra krock med stationära hinder. Krav nr 46 Original Efter att scoutenheten har gjort en motaktion för att förhindra krock med ett hinder ska den återuppta sin färd mot nästa brytpunkt. Krav nr 47 Original Om en motaktion för att förhindra krock med stationära hinder ej är möjlig ska scoutenheten stanna innan kontakt med ett hinder. 5 Ekonomi Följande ekonomiska krav finns på projektet: Krav nr 48 Original Handledningstiden på Saab Dynamics får maximalt omfatta 50 timmar. Krav nr 49 Original Handledningstiden på ISY får maximalt omfatta 30 timmar. 3
6 Leveranskrav och delleveranser Följande leveranser ska genomföras: Krav nr 50 Original BP (0-09-0):, projektplan inklusive tidplan och systemskiss ska levereras. Krav nr 5 Original BP3 (0-0-04): Designspecifikation och testplan ska levereras. Krav nr 5a Original BP5 (0--): All funktionalitet, testprotokoll och användarhandledning ska levereras. En presentation som visar vilka krav som är uppfyllda ska genomföras. Krav nr 5b Reviderat BP5 (0--4): All funktionalitet, testprotokoll och användarhandledning ska levereras. En presentation som visar vilka krav som är uppfyllda ska genomföras. Krav nr 53 Original BP6 (0--06): Teknisk rapport, en efterstudie med uppföljning av resultat och använd tid, posterpresentation, hemsida som beskriver projektet och en film om projektet ska levereras. Krav nr 54 Original En presentation som visar projektets resultat ska genomföras för Saab Dynamics. Krav nr 55 Original En demonstration som visar systemets funktionalitet ska genomföras för Saab Dynamics. 7 Dokumentation Förutom dokumenten som finns med i leveranskraven skall även följande dokument skrivas och tas fram: Krav nr 56 Original Mötesdokument - Vid varje möte skall ett mötesdokument skrivas. Krav nr 57 Original Varje mötesprotokoll skall justeras och sparas. Krav nr 58 Original Varje vecka skall projektledaren lämna in en statusrapport till beställaren och handledaren. 4
Krav nr 60 Original Projektet skall dokumenteras så att Saab Dynamics samt efterföljande grupper skall kunna sätta sig in i och förstå arbetet. Krav nr 6 Original Dokument som skall skrivas enligt krav 50-53. 5