Движение по AruCo-меткам

Этот код реализует систему управления ровером, которая взаимодействует с сервером через протокол Socket.IO, управляет движением, поворотами и освещением ровера, а также анализирует изображения с камеры для обнаружения меток ArUco.

import time
import signal
import cv2
import numpy as np
import socketio
import asyncio
import aiofiles
from datetime import datetime

server = 'http://192.168.10.115:3006/' # адресс вашего ровера

# Создаем экземпляр асинхронного клиента Socket.IO
sio = socketio.AsyncClient()
diameter_of_wheel = 0.24  # Диаметр колеса в метрах
circumference = 3.14159 * diameter_of_wheel  # Окружность колеса

async def write_report(message): # Функция создания автоматического отчета
    filename = f'Отчет_Фамилия_Имя.txt'
    async with aiofiles.open(filename, mode='a', encoding='utf-8') as file:
        await file.write(message + "\n")
# Определяем обработчик события "connect"
@sio.event
async def connect():
    await write_report('Подключено к серверу Socket.IO')

async def on_move(result):
    await write_report(f'Command done: {result}')

async def perform_movement(distance_cm):
    max_speed = 0.5  # Максимальная скорость м/с (примерная, можно изменить)
    distance_m = distance_cm / 100.0  # Переводим сантиметры в метры
    time_to_travel = distance_m / max_speed

    start_time = time.time()
    while (time.time() - start_time) < time_to_travel:

        await sio.emit('command', {
        'id': 1,
        'type': "move",
        'value': {  
            'x': 0,
            'y': 1,
            'sensitivity': 1,
        },
        }, namespace='/vehicles', callback=on_move)
        await asyncio.sleep(0.2)

    movement_message = f"Команда движения отправлена, ожидайте {time_to_travel:.2f} секунд."
    await write_report(movement_message)
    print(movement_message)
    await asyncio.sleep(time_to_travel)

    await asyncio.sleep(1)

    completion_message = f"Движение завершено: Пройденное расстояние {distance_m} м."
    await write_report(completion_message)
    print(completion_message)

async def on_spin(result):
    await write_report(f'Spin command done: {result}')

async def perform_spin_angle(angle, clockwise=True):
    FULL_ROTATION_TIME = 1.1
    ACCELERATION_FACTOR = 0.0005
    rotation_time = (angle / 360) * FULL_ROTATION_TIME
    total_time = rotation_time + (rotation_time * ACCELERATION_FACTOR)

    start_time = time.time()
    while (time.time() - start_time) < total_time:

        await sio.emit('command', {
            'id': 1,
            'type': "spin",
            'value': {
                'state': True,
                'direction': clockwise
            },
        }, namespace='/vehicles', callback=on_spin)
        await asyncio.sleep(0.2)
    
    spin_message = f"Начат поворот на {angle} градусов, {'по часовой стрелке' if clockwise else 'против часовой стрелки'}"
    await write_report(spin_message)
    print(spin_message)

    completion_spin_message = f"Поворот на {angle} градусов завершён."
    await write_report(completion_spin_message)
    print(completion_spin_message)
    
    
async def on_lights(result):
    await write_report(f'Lights command done: {result}')

async def control_lights(on: bool):
    # Команда для управления светом
    lights_command = {
        'id': 1,
        'type': 'lights',
        'value': on
    }

    # Отправляем команду на сервер
    await sio.emit('command', lights_command, namespace='/vehicles', callback=on_lights)

    # Записываем сообщение в файл отчета и выводим его в консоль
    action = "включены" if on else "выключены"
    message = f"Команда на включение света {action} отправлена."
    await write_report(message)
    print(message)

# Функция для нахождения ближайшей к заданным координатам метки
def find_closest_marker(markers, target_x, target_y):
    closest_marker = None
    min_distance = float('inf')

    for marker in markers:
        center_x = marker['center'][0]
        center_y = marker['center'][1]
        distance = np.sqrt((center_x - target_x)**2 + (center_y - target_y)**2)

        if distance < min_distance:
            closest_marker = marker
            min_distance = distance

    return closest_marker

# Функция для нахождения угла поворота камеры
def calculate_rotation_angle(marker_center, target_x):
    marker_x = marker_center[0]
    delta_x = target_x - marker_x
    focal_length = 1000  # Пример фокусного расстояния камеры

    angle_rad = np.arctan(delta_x / focal_length)
    angle_deg = np.degrees(angle_rad)

    return angle_deg

def calculate_rotation_angles(marker_center, target_x):
    marker_x = marker_center
    delta_x = target_x - marker_x
    focal_length = 1000  # Пример фокусного расстояния камеры

    angle_rad = np.arctan(delta_x / focal_length)
    angle_deg = np.degrees(angle_rad)

    return angle_deg

def aruco_detect(frame,closest_id):
    # Преобразование в оттенки серого и поиск меток
        gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        aruco_dict = cv2.aruco.getPredefinedDictionary(cv2.aruco.DICT_4X4_100)
        parameters = cv2.aruco.DetectorParameters()
        corners, ids, _ = cv2.aruco.detectMarkers(gray, aruco_dict, parameters=parameters)

        if ids is not None:
            markers = []
            mass_id_mark=[]
            for i, marker_id in enumerate(ids):
                marker_center = np.mean(corners[i][0], axis=0)
                mass_id_mark.append([marker_id[0],corners[i][0]])
                markers.append({'id': marker_id[0], 'center': marker_center})

            # Находим ближайшую метку к x=360, y=10
            target_x = 960
            target_y = 1000
            closest_marker = find_closest_marker(markers, target_x, target_y)

            if closest_marker is not None:
                # closest_id = closest_marker['id']
                # closest_center = closest_marker['center']

                # Выводим информацию о найденной метке
                cv2.aruco.drawDetectedMarkers(frame, corners, ids)

                # Находим индекс первого элемента массива, у которого первый элемент равен closest_id
                y1=0
                y2=0
                ps=int(closest_id)
                for sub_arr in mass_id_mark:
                    # Проверяем, если первый элемент массива равен 5
                    if sub_arr[0] == ps:
                        mass=sub_arr[1] 
                        y1=int(mass[2][1])
                        y2=int(mass[3][1])  
                return y1,y2
        return 0,0
  
async def main():
    cap = cv2.VideoCapture("rtsp://localhost:8554/web")
    await sio.connect(server, wait_timeout=20, namespaces=['/vehicles'], auth={"token": '000c2287-011a-4228-844e-e31z44b06d65'})
    cv2.namedWindow('Frame',cv2.WINDOW_KEEPRATIO)
    cv2.resizeWindow('Frame',640,640)
    # while True:
        # Считывание кадра
    for i in range(1):
        _,frame=cap.read()

    
        # Преобразование в оттенки серого и поиск меток
        gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        aruco_dict = cv2.aruco.getPredefinedDictionary(cv2.aruco.DICT_4X4_100)
        parameters = cv2.aruco.DetectorParameters()
        corners, ids, _ = cv2.aruco.detectMarkers(gray, aruco_dict, parameters=parameters)

        if ids is not None:
            markers = []
            mass_id_mark=[]
            for i, marker_id in enumerate(ids):
                marker_center = np.mean(corners[i][0], axis=0)
                markers.append({'id': marker_id[0], 'center': marker_center})

            # Находим ближайшую метку к x=360, y=10
            target_x = 960
            target_y = 1000
            closest_marker = find_closest_marker(markers, target_x, target_y)

            if closest_marker is not None:
                closest_id = closest_marker['id']
                closest_center = closest_marker['center']

                await control_lights(True)

                # Выводим информацию о найденной метке
                cv2.aruco.drawDetectedMarkers(frame, corners, ids)

                # Вычисляем угол поворота камеры
                angle_deg = calculate_rotation_angle(closest_center, target_x)
                print(f"Closest marker ID: {closest_id}, Rotation angle needed: {angle_deg} degrees")
                if angle_deg<0:
                    await perform_spin_angle(int(-angle_deg+10),True)
                elif angle_deg>0:
                    await perform_spin_angle(int(angle_deg+10),False)
                time.sleep(2)

                y_start = closest_center[1]
                y_end = 1920

                # Коэффициент пропорциональности (должен быть настраиваемым в зависимости от вашей конкретной ситуации)
                pixel_to_cm_ratio = 0.017

                # Вычисление расстояния в сантиметрах
                distance_cm = abs(y_end - y_start) * pixel_to_cm_ratio

                await perform_movement(distance_cm)

                ret, frame = cap.read()
                y1,y2=aruco_detect(frame,closest_id.T)
                if y1==0 and y2==0:
                    print("aruco is not detected")
                else:
                    angle_virav = calculate_rotation_angles(y1,y2)
                    print(f"Closest marker ID: {closest_id}, Rotation angle needed: {angle_virav} degrees")



    # Освобождение ресурсов
    cv2.destroyAllWindows()

# Запускаем асинхронный цикл main()
asyncio.run(main())

Теперь разберем подробно этот код:

ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ БИБЛИОТЕК

import time
import signal
import cv2
import numpy as np
import socketio
import asyncio
import aiofiles
from datetime import datetime

• time: Стандартная библиотека Python для работы со временем.

• signal: Стандартная библиотека Python для работы с сигналами ОС.

• cv2 (OpenCV) Библиотека с открытым исходным кодом для компьютерного зрения.

• numpy: Библиотека для работы с многомерными массивами и числовыми вычислениями.

• socketio: Библиотека для общения по протоколу WebSocket и Socket.IO.

• asyncio: Стандартная библиотека Python для написания асинхронного кода.

• aiofiles: Библиотека для асинхронной работы с файлами.

• datename: Стандартная библиотека Python для работы с датой и временем.

ЭКЗЕМПЛЯР АСИНХРОННОГО КЛИЕНТА SOCKETIO

sio = socketio.AsyncClient()
diameter_of_wheel = 0.24  # Диаметр колеса в метрах
circumference = 3.14159 * diameter_of_wheel # Окружность колеса

ОПИСАНИЕ ФУНКЦИЙ КОДА

1. write_report(message)

async def write_report(message): # Функция создания автоматического отчета
    filename = f'Отчет_Фамилия_Имя.txt'
    async with aiofiles.open(filename, mode='a', encoding='utf-8') as file:
        await file.write(message + "\n")

• Описание: Асинхронная функция для записи сообщений в файл отчета.

• Аргументы:

  • message: строка с сообщением, которое нужно записать.

• Действие: Открывает или создает файл отчета с именем Отчет_Фамилия_Имя.txt и записывает в него сообщение в асинхронном режиме. Сообщение записывается в конце файла.

1. connect()

@sio.event
async def connect():
    await write_report('Подключено к серверу Socket.IO')

• Описание: Асинхронный обработчик события connect, вызывается при успешном подключении к серверу через Socket.IO.

• Действие: Записывает сообщение о подключении к серверу в отчет с помощью write_report().

1. on_move(result)

async def on_move(result):
    await write_report(f'Command done: {result}')

• Описание: Обработчик обратного вызова, который вызывается после выполнения команды движения.

• Аргументы:

  • result: результат выполнения команды, переданный сервером.

• Действие: Записывает результат команды движения в отчет с помощью write_report().

1. perform_movement(distance_cm)

async def perform_movement(distance_cm):
    max_speed = 0.5  # Максимальная скорость м/с (примерная, можно изменить)
    distance_m = distance_cm / 100.0  # Переводим сантиметры в метры
    time_to_travel = distance_m / max_speed

    start_time = time.time()
    while (time.time() - start_time) < time_to_travel:

        await sio.emit('command', {
        'id': 1,
        'type': "move",
        'value': {  
            'x': 0,
            'y': 1,
            'sensitivity': 1,
        },
        }, namespace='/vehicles', callback=on_move)
        await asyncio.sleep(0.2)

    movement_message = f"Команда движения отправлена, ожидайте {time_to_travel:.2f} секунд."
    await write_report(movement_message)
    print(movement_message)
    await asyncio.sleep(time_to_travel)

    await asyncio.sleep(1)

    completion_message = f"Движение завершено: Пройденное расстояние {distance_m} м."
    await write_report(completion_message)
    print(completion_message)

• Описание: Асинхронная функция, отправляющая команду на движение ровера.

• Аргументы:

  • distance_cm: расстояние, которое ровер должен пройти в сантиметрах.

• Действие:

  1. Вычисляет время для движения на заданное расстояние с максимальной скоростью.

  2. В цикле отправляет команды движения через sio.emit() с типом команды "move".

  3. Ждет завершения движения (по времени).

  4. Записывает результаты команд в отчет и выводит их на экран.

1. on_spin(result)

async def on_spin(result):
    await write_report(f'Spin command done: {result}')

• Описание: Обработчик обратного вызова для команды поворота.

• Аргументы:

  • result: результат выполнения команды поворота, переданный сервером.

• Действие: Записывает результат команды поворота в отчет.

1. perform_spin_angle(angle, clockwise=True)

async def perform_spin_angle(angle, clockwise=True):
    FULL_ROTATION_TIME = 1.1
    ACCELERATION_FACTOR = 0.0005
    rotation_time = (angle / 360) * FULL_ROTATION_TIME
    total_time = rotation_time + (rotation_time * ACCELERATION_FACTOR)

    start_time = time.time()
    while (time.time() - start_time) < total_time:

        await sio.emit('command', {
            'id': 1,
            'type': "spin",
            'value': {
                'state': True,
                'direction': clockwise
            },
        }, namespace='/vehicles', callback=on_spin)
        await asyncio.sleep(0.2)
    
    spin_message = f"Начат поворот на {angle} градусов, {'по часовой стрелке' if clockwise else 'против часовой стрелки'}"
    await write_report(spin_message)
    print(spin_message)

    completion_spin_message = f"Поворот на {angle} градусов завершён."
    await write_report(completion_spin_message)
    print(completion_spin_message)

• Описание: Асинхронная функция, которая поворачивает ровер на заданный угол.

• Аргументы:

  • angle: угол поворота в градусах.

  • clockwise: направление поворота, по умолчанию — по часовой стрелке.

• Действие:

  1. Рассчитывает время, необходимое для поворота на заданный угол.

  2. В цикле отправляет команду поворота через sio.emit() с типом команды "spin".

  3. Записывает сообщение о начале и завершении поворота в отчет и выводит их на экран.

1. on_lights(result)

async def on_lights(result):
    await write_report(f'Lights command done: {result}')

• Описание: Обработчик обратного вызова для команды управления светом.

• Аргументы:

  • result: результат выполнения команды, переданный сервером.

• Действие: Записывает результат команды управления светом в отчет.

1. control_lights(on: bool)

async def control_lights(on: bool):
    # Команда для управления светом
    lights_command = {
        'id': 1,
        'type': 'lights',
        'value': on
    }

    # Отправляем команду на сервер
    await sio.emit('command', lights_command, namespace='/vehicles', callback=on_lights)

    # Записываем сообщение в файл отчета и выводим его в консоль
    action = "включены" if on else "выключены"
    message = f"Команда на включение света {action} отправлена."
    await write_report(message)
    print(message)

• Описание: Асинхронная функция для управления светом ровера.

• Аргументы:

  • on: флаг включения света (True для включения, False для выключения).

• Действие:

  1. Создает команду для включения или выключения света.

  2. Отправляет команду через sio.emit() с типом команды "lights".

  3. Записывает сообщение о включении/выключении света в отчет и выводит его на экран.

1. find_closest_marker(markers, target_x, target_y)

def find_closest_marker(markers, target_x, target_y):
    closest_marker = None
    min_distance = float('inf')

    for marker in markers:
        center_x = marker['center'][0]
        center_y = marker['center'][1]
        distance = np.sqrt((center_x - target_x)**2 + (center_y - target_y)**2)

        if distance < min_distance:
            closest_marker = marker
            min_distance = distance

    return closest_marker

• Описание: Функция для поиска ближайшей метки ArUco к заданным координатам.

• Аргументы:

  • markers: список меток с их центрами.

  • target_x, target_y: координаты целевой точки.

• Действие:

  1. Перебирает все метки и вычисляет расстояние до целевой точки.

  2. Возвращает метку, которая находится ближе всего к целевой точке.

1. calculate_rotation_angle(marker_center, target_x)

def calculate_rotation_angle(marker_center, target_x):
    marker_x = marker_center[0]
    delta_x = target_x - marker_x
    focal_length = 1000  # Пример фокусного расстояния камеры

    angle_rad = np.arctan(delta_x / focal_length)
    angle_deg = np.degrees(angle_rad)

    return angle_deg

• Описание: Функция для вычисления угла поворота камеры для наведения на метку.

• Аргументы:

  • marker_center: координаты центра метки.

  • target_x: целевая горизонтальная координата.

• Действие:

  1. Вычисляет горизонтальное смещение метки относительно целевой координаты.

  2. Рассчитывает угол поворота в градусах с помощью арктангенса и возвращает его.

1. calculate_rotation_angles(marker_center, target_x)

def calculate_rotation_angles(marker_center, target_x):
    marker_x = marker_center
    delta_x = target_x - marker_x
    focal_length = 1000  # Пример фокусного расстояния камеры

    angle_rad = np.arctan(delta_x / focal_length)
    angle_deg = np.degrees(angle_rad)

    return angle_deg

• Описание: Аналогична функции calculate_rotation_angle, но принимает только одну координату центра метки.

• Аргументы:

  • marker_center: координата по оси X центра метки.

  • target_x: целевая горизонтальная координата.

• Действие:

  • Вычисляет угол поворота, аналогично предыдущей функции, и возвращает результат.

1. aruco_detect(frame, closest_id)

def aruco_detect(frame,closest_id):
    # Преобразование в оттенки серого и поиск меток
        gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        aruco_dict = cv2.aruco.getPredefinedDictionary(cv2.aruco.DICT_4X4_100)
        parameters = cv2.aruco.DetectorParameters()
        corners, ids, _ = cv2.aruco.detectMarkers(gray, aruco_dict, parameters=parameters)

        if ids is not None:
            markers = []
            mass_id_mark=[]
            for i, marker_id in enumerate(ids):
                marker_center = np.mean(corners[i][0], axis=0)
                mass_id_mark.append([marker_id[0],corners[i][0]])
                markers.append({'id': marker_id[0], 'center': marker_center})

            # Находим ближайшую метку к x=360, y=10
            target_x = 960
            target_y = 1000
            closest_marker = find_closest_marker(markers, target_x, target_y)

            if closest_marker is not None:
                # closest_id = closest_marker['id']
                # closest_center = closest_marker['center']

                # Выводим информацию о найденной метке
                cv2.aruco.drawDetectedMarkers(frame, corners, ids)

                # Находим индекс первого элемента массива, у которого первый элемент равен closest_id
                y1=0
                y2=0
                ps=int(closest_id)
                for sub_arr in mass_id_mark:
                    # Проверяем, если первый элемент массива равен 5
                    if sub_arr[0] == ps:
                        mass=sub_arr[1] 
                        y1=int(mass[2][1])
                        y2=int(mass[3][1])  
                return y1,y2
        return 0,0

• Описание: Функция для обнаружения меток ArUco на изображении и нахождения вертикальных координат метки.

• Аргументы:

  • frame: кадр изображения, на котором выполняется детекция.

  • closest_id: идентификатор метки, которую нужно отслеживать.

• Действие:

  1. Преобразует кадр в оттенки серого и выполняет обнаружение меток ArUco.

  2. Находит ближайшую метку.

  3. Если метка найдена, возвращает координаты её сторон по вертикальной оси.

1. main()

async def main():
    cap = cv2.VideoCapture("rtsp://localhost:8554/web")
    await sio.connect(server, wait_timeout=20, namespaces=['/vehicles'], auth={"token": '000c2287-011a-4228-844e-e31z44b06d65'})
    cv2.namedWindow('Frame',cv2.WINDOW_KEEPRATIO)
    cv2.resizeWindow('Frame',640,640)
    # while True:
        # Считывание кадра
    for i in range(1):
        _,frame=cap.read()

    
        # Преобразование в оттенки серого и поиск меток
        gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        aruco_dict = cv2.aruco.getPredefinedDictionary(cv2.aruco.DICT_4X4_100)
        parameters = cv2.aruco.DetectorParameters()
        corners, ids, _ = cv2.aruco.detectMarkers(gray, aruco_dict, parameters=parameters)

        if ids is not None:
            markers = []
            mass_id_mark=[]
            for i, marker_id in enumerate(ids):
                marker_center = np.mean(corners[i][0], axis=0)
                markers.append({'id': marker_id[0], 'center': marker_center})

            # Находим ближайшую метку к x=360, y=10
            target_x = 960
            target_y = 1000
            closest_marker = find_closest_marker(markers, target_x, target_y)

            if closest_marker is not None:
                closest_id = closest_marker['id']
                closest_center = closest_marker['center']

                await control_lights(True)

                # Выводим информацию о найденной метке
                cv2.aruco.drawDetectedMarkers(frame, corners, ids)

                # Вычисляем угол поворота камеры
                angle_deg = calculate_rotation_angle(closest_center, target_x)
                print(f"Closest marker ID: {closest_id}, Rotation angle needed: {angle_deg} degrees")
                if angle_deg<0:
                    await perform_spin_angle(int(-angle_deg+10),True)
                elif angle_deg>0:
                    await perform_spin_angle(int(angle_deg+10),False)
                time.sleep(2)

                y_start = closest_center[1]
                y_end = 1920

                # Коэффициент пропорциональности (должен быть настраиваемым в зависимости от вашей конкретной ситуации)
                pixel_to_cm_ratio = 0.017

                # Вычисление расстояния в сантиметрах
                distance_cm = abs(y_end - y_start) * pixel_to_cm_ratio

                await perform_movement(distance_cm)

                ret, frame = cap.read()
                y1,y2=aruco_detect(frame,closest_id.T)
                if y1==0 and y2==0:
                    print("aruco is not detected")
                else:
                    angle_virav = calculate_rotation_angles(y1,y2)
                    print(f"Closest marker ID: {closest_id}, Rotation angle needed: {angle_virav} degrees")



    # Освобождение ресурсов
    cv2.destroyAllWindows()

# Запускаем асинхронный цикл main()
asyncio.run(main())

• Описание: Основная функция для управления ровером на основе детекции меток ArUco с камеры.

• Действие:

  1. Открывает видеопоток RTSP с камеры и подключается к серверу.

  2. Обрабатывает кадры видео и находит ближайшую метку ArUco.

  3. Выполняет поворот и движение ровера в зависимости от угла и расстояния до метки.

  4. Повторно проверяет положение метки после движения и корректирует угол, если нужно.

РЕЗУЛЬТАТ РАБОТЫ КОДА И ЗАПОЛНЕНИЕ ОТЧЕТА

ПРИМЕЧАНИЕ: Как вы могли заметить, в данном коде есть две функции main: main и main2. main нужен для вызова базовых движений ровера, а main2 для выполнения кода работы с AruCo маркерами.

Когда вы запустите код, ровер начнет ехать примерно по такой траектории к ближайшему AruCo маркеру:

Yandexdisk.yandex.ru

Ссылка на видео

Параллельно движениям ровера в отчет записываются данные о том, какие движения делал ровер: