Coprocessador baseado em FPGA para a visão de um robô futebolista

Abstract

A área da robótica encontra-se em constante evolução, assumindo, nos dias de hoje, uma elevada importância nas mais diversas áreas. Uma grande parte das soluções desenvolvidas neste campo tem como requisito o reconhecimento visual do meio envolvente, possibilitando ao sistema robótico reconhecer determinados objetos ou formas, e/ou tomar decisões e reagir perante determinadas situações. Por outro lado, a visão computacional assume-se como uma ciência de ampla aplicação, o que implica a necessidade de optar pelo sistema de visão mais adequado a cada realidade. A competição RoboCup surge como uma iniciativa internacional com o objetivo principal de promover a investigação e desenvolvimento da inteligência artificial, robótica e demais áreas relacionadas. Embora existam outras, as principais competições presentes nesta iniciativa envolvem a organização de encontros anuais, onde equipas de robótica de todo o mundo jogam futebol entre si. Estas competições encontram-se agrupadas em determinadas categorias, sendo que a mais relevante no âmbito deste projeto é a liga de robôs médios (RoboCup MSL), onde a equipa CAMBADA representa a Universidade de Aveiro. Neste tipo de competição, o sistema de visão assume uma importância vital, uma vez que a perceção da bola, das linhas brancas e obstáculos, bem como o seu consequente processamento, de forma rápida e eficiente, são uma mais-valia para a tomada de decisão de um robô, face a uma determinada situação. No entanto, os algoritmos associados ao processamento de imagem são tipicamente muito exigentes, quer em termos de recursos, quer em termos de processamento, podendo o tempo necessário ao seu processamento comprometer uma resposta eficaz e, por conseguinte, todo o sistema. Esta dissertação resulta da necessidade de melhorar continuamente a prestação desta equipa nas competições em que participa, através do desenvolvimento e implementação de um coprocessador baseado em FPGA, o que se apresenta como uma mais-valia, dado permitir a redução do peso computacional da visão por computador da CAMBADA. Este coprocessador será responsável pela execução de uma parte dos algoritmos de visão, nomeadamente, segmentação de cor, compressão de imagem e deteção de bolhas de cor, baseando-se em diversos núcleos de processamento, quer genéricos, quer especializados, explorando, desta forma, o paralelismo normalmente disponível neste tipo de algoritmos. Este sistema possui ainda capacidade de adquirir de forma autónoma as imagens, processando-as individualmente e disponibilizando os resultados ao computador principal. O presente projeto pretende demonstrar a aplicabilidade e a supremacia da implementação de tarefas computacionalmente intensivas em hardware reconfigurável.

The eld of robotics is evolving, assuming, nowadays, a high importance in several areas. A large part of the solutions developed in this eld have as a requirement, the visual recognition of the surrounding environment, allowing the robotic system to recognize certain objects or shapes, and/or make decisions and react to certain situations. Moreover, computer vision is assumed as a science of wide application, which implies the need to choose the most appropriate vision system to each situation. The RoboCup competition emerges as an international initiative with the main objective to promote research and development of arti cial intelligence, robotics and other related areas. Although there are other competitions, major competitions present in this initiative involve the organization of annual meetings, where robotics teams from around the world play soccer between them. These competitions are grouped into certain categories, where the most relevant in the context of this project is the Middle Size League of robots (RoboCup MSL), where CAMBADA team represents the University of Aveiro. In this type of competition, the vision system is of vital importance, since the perception of the ball, the white lines or obstacles, as well as their subsequent processing quickly and e ciently, are an added value for decision making of a robot to a speci c situation. However, the algorithms associated with the image processing are typically very demanding, both in terms of resources, as in terms of processing, which enables the overall processing time can compromise an e ective answer and therefore, the whole system. This work stems from the need to continuously improve the performance of this team in the competitions in which it participates, through the development and implementation of an FPGA-based coprocessor, which is presented as an advantage, since it allows a weight reduction of vision computation in each computer of CAMBADA. This coprocessor is responsible for executing a portion of vision algorithms, namely, color segmentation, image compression and detection of color bubbles, based on various processing cores, either generic or specialized, thus exploiting the parallelism usually available in this type of algorithms. This system also has the ability to autonomously acquire the images, processing them individually and providing the results to the main computer. This project aims to demonstrate the applicability and supremacy of the implementation of computationally intensive tasks on recon gurable hardware.