Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   10 ,  No.   3 June 2020, p p.   3022~3 034   IS S N: 20 88 - 8708 DOI: 10 .11 591/ ijece . v10 i 3 . pp3022 - 30 34     3022       Journ al h om e page http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   Effici ent  and  s ecure r eal - time  m ob ile robots c oope ration us ing  visual se rvoing       So umi B ou d ra 1 , N as r - Ed d ine B errache d 2 , A mi ne  Dah an e 3   1, 2 Inte lligen S y s te m s Re sea r ch  L abor at or y ,   El e ct r onic s Depa r tmen t,     Univer sit y   of   Sc ie nc es  and   Tech nolog y   of  Or an   US TO - MB ,   Alger ia   3 Resea rch   L abor at or y   in  Industr i al   Com puti ng   an Networks (RII R),     Univer sit y   of   Or an  Ahm ed  B en   Bella, Alge r ia        Art ic le   In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   A pr   13 , 201 9   Re vised  N ov  2 7 ,   2019   Accepte Dec  10, 201 9     Thi pape r   de al s   with  th ch al l en ging  proble m   of   navi ga ti on  in  fo rm at ion  of  m obil es  robots  fle e t.   For  tha pu rpose,   sec ur appr oac is  used  base on  visual   servo ing   to  cont rol   velocit i es  (l ine ar   a nd  angular)  of  the   m ult ip l e   robots.   To  construc our   s y st em,  we  dev el op  th intera ct ion   m at rix  whic h   combines  the   m om ent in  the   i m age   with  robot vel ocitie and  we  esti m ate  the   dept be twe en  ea ch  robot  a nd  the   ta rg e te obje c t.   Thi is  done  wi thout  an y   comm unic at ion  bet we en  th robots  which  el iminate  the   proble m   of    the   infl uen ce   of   ea ch  robot  err ors  on  the   who le .   For  succ e ss ful  visual   servoing,   we   pr opose  powerf ul  m ec han ism   to  execut e   safe l y   the   robo ts   navi ga ti on,   exploiti ng  robo acci den rep ort ing  s y stem  using  raspbe rr y   Pi 3 .   Thi rep ort ing  s y stem  te stb ed  is  u sed  to   sen an  a cc id ent   noti ficat ion,   in  the   form   of  spec ifica m essage .   Expe r imental  result are   pre s ent ed  using   nonholonomic  m obil es  robots  with  on - b oar r ea t ime  ca m er as,   to  s how   the   eff e ct iv ene ss   of   th proposed   m et hod.   Ke yw or d s :   Kinem at ic m o delin g   Mult i robo ts  syst e m   Secu re  nav i gation   Visu al  se r vo i ng   Copyright   ©   202 0 Instit ute of   Ad v ance Engi ne eri ng  and  Sc ie n ce   Al l   rights re serv ed .   Corres pond in Aut h or :   Soum ia    Bou dr a   In te ll igent  Syst e m s Resea rch   Lab or at ory , El ect ronics D e pa rtm ent,   Un i ver sit y o f S ci ences a nd Te chnolo gy  of Or an UST O - MB,   El M naou r,  BP  1505, B ir El  D j ir  3100 0 Or a n, Alge ria .   Em a il so um ia . boudra @univ - us to .d z       1.   INTROD U CTION   Roboti cs   is  com plex  en gine erin fiel be cause  as so ci at es  dee knowl edg e   of   se ve ra discipli nes  su c as  el ect ronic,  m echan ic   and   s of t war e ng i neer i ng.  Th is  com plexity  i com po unde with  the  transit ion   to   m ul ti - ro bot  sy stem s.   The  co op e rati ve  Mult R obot  Con t r ol  S yst em s   ( MR CS)   has  gro wn   co ns ide r ably   in    the  la st  decad e due  to  the  ex te ns ive  nee to   su ch  te c hnology  in  dif fer e nt   fiel ds   m a inly :   bio m edical   sc ie nce ,   rescu e i ng dis placem ent  of   heav it em s ,   su r veill ance  f or   e xam ple  cat ch ing   i nv a de r unde sur ve il la nce   areas  [ 1],  se nsor  netw orks  a nd  co operati ve  t ran s port T he  i dea  is  that  aut onom ou s,  c ollaborat ive  r ob ot s   can  achieve  bette resu lt s   the each  rob ot  separa te ly   [2 ] .Coop erati on   m eans  that  robo ts  m us co m m un ic at to   exch a nge in f orm at ion  and c oor din at e t heir  a ct ion s i n order   to accom plish  a   com m on   ta sk  [ 3,   4]   Howe ver,  buil ding  c ontrol   syst e m   fo a   gro up   of   aut onom ou r obots   is  ver com plex  wo r k.  Am on the  ad van ta ges  of  th MRCS we  can  ci te 1)   The   syst e m   can  react  qu ic kly  to  exter nal  interf eren ce   du t the  r obots  div isi on   of  la bour   ba sed  on   e nv i ronm ent  sh arin g,   sin ce   the  lim it at ion   of   the  fiel of  visio of   eac h   ind i vi du al   m ob il m akes  alm os t   i m po ssible  the  pe rcep ti on   of   the  r obot   entire  env ir onm ent;   2)  The  t rainin of  MR CS  m ai ntains  s pec ific   at ta ck  on   t he   ou tsi de   that   c an  e nh a nce  def e ns ca pa bili ti es;   3 It c a im pr ove the  ro bu st ne ss and e ff ic ie nc y of t he  syst e m .   In   the  pr ese nt   stud y,  we  wa nt  to  i m ple m e nt  colla borat ive   co ntro l   sy stem   fo gro up   of   non - ho l onom ic   m o bile  robo ts usi ng   cam eras  aimi ng   at   tracking   obj ect a nd  perform ing   ta sk ba sed  on   visu a Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g   IS S N: 20 88 - 8708       Eff ic ie nt a nd s ecure re al - ti me  mob il e r obots  cooper atio n us ing  vis ual serv oing   ( So um i a   Bo ud r a )   3023   inf or m at ion   in  real - ti m e   con tr ol. T he  ap plica ti on of   m achine  vision   te c hn i qu e can  ge ne r al ly   be   cat ego r iz ed  into  tw cl ass es  base on  t he   re qu i rem ent  of  real - ti m processin g ;   Non - Tim e - Crit ic a l   Visio A pp li c at ion s   (N TC VA)  a nd   Tim e - Crit ic a l   Visio A pp li cat ion (TC V A) .   NTCV A   don re quire  visu al   fee db ac for   highb a nd  widt real - tim con t ro l.  E xam ples  inclu de  obj ect   rec ogni ti on   an din s pe ct ion   of   packagin   qu al it y   [5 - 7] TCVA   re quire s   r eal - ti m visu al   fee dback Exam ples  include   visi on - g ui ded  pic k - a nd - place,   al ign m ent  and   inse rtio [ 8].  T he   intr oductio t 3 - Dco m pu te vi sion   te c hn i ques  helpe t m ake    the  te chn i que m or so phist ic at ed  [ 9] sta nd a r intr oduc ti on   to v isual  s ervoin te ch ni qu e we re  al so  of  g reat   interest   [ 10 ] Seve ral  public at ion hav e   ap pear e in   rece nt  ye ars  do c um enting   diff e r ent   aspects  t cl assify     the v is ual se rvoin syst em [11 - 13]   as  sho w in   T a ble   1.       Table  1.  Cl assi ficat ion   of v is ua l servoin g sy stem s w it res pe ct  to  se ver al  a sp ect s   1.   The p o sitio n  of  the  ca m e ra  as e y e - in - h an d  and  ey e - to - h a n d   2.   The f eedb ack repr esen tatio n   m o d e p o sitio n - b ased i m a g e - b ased an d  hybr id  vis u al servo in g   3.   The co m b in atio n  of  vis io n  sen s o an d  con troller of  the j o in t - d y n a m ic loo k - an d   m o v e sy ste m   an d  direct vis u al servo  sy ste m   4.   The  u se  o f   th v isu al  in f o r m atio n   ( co n trol   m o d el d istin g u ish es  two   ty p es  o f   v isu al  serv o in g   syste m s:  k in e m atics - b ase d   v isu al sev o in g  an d  dyna m ic  vis u al se rvo in g       Gr eat   ef forts  ha ve  bee devo te to  num ero us   ap plic at ion s   of   visu al   ser voin in  r obotic s   in  the  la st   decad e It  can  be  us e as  soo as   visio sens or   is  avail able  and   ta sk   is  assigne to  dynam ic   s yste m   to   con t ro it m otion Nowa days,  visua servo ing   is  wi dely   us e in  dif fer e nt  fiel ds   m ai nl y;   g aze  con tr ol   for   ta rg et  tracki ng,  n avigati on   of   m ob il e ro bot t fo ll ow a w al l using  a om nid irect ion al  v is ion  se ns or,  gr a sp in ball  with  hum ano id  r obot assem bly  of   m ic ro el ect ro m echan ic al   syst e m   (MEM S)   an film   of   dia logue   within  t he  c onstrai nts  of   a   s cript  in   anim atio n.  Vi si on - ba sed  rob ot  co nt ro m et ho use s   the  visu al   da ta   to   con t ro t he  m otion   of  dynam i syst e m s.  c on t ro la has  to  be  co ns ide r ed  that  the  m e asur em ents  s( t )   reach     desire val ue   s * def i ning  e xa ct   reali zat ion   of  the  ta s k.  T he   obj e ct ive  is  t m ini m iz the   dif fer e nce  bet ween  the  curre nt  an wa nted  c onf igurat ion s .O ne   of   the  ce ntral   qu est io ns   that   m us be  proc essed  in  m ulti - r obot  syst e m reg ar dl ess  of  the  a pp li cat ion   dom ain is  how   to  c oope rate  ef fecti vely   an a utom at ic ally  m an robo t s   to  e xecu te   c om m on   ta sk .   Be cause  t he  sta bili ty   of   t he  visu a ser vo i ng  syst e m   [14 1 5 ] w m us bu il op tim a visu al   c har act e risti cs.  O ur   pro po sit io s houl sat isfy   se veral   crit eri m a inly sta bili t of   the  dy nam ic   sy stem rob us tness  to  cal ibrati on,  loc al   m ini m avo idan ce,  non - si ngularit and   m axi m al   deco up li ng  an li ne ar  li nk  betwee the  v isual  char act er ist ic and   the  degrees  of  f re edo m W de velo p ed  a   c ontrol  la to  c al culat e   the  velocit co m po nen ts  of  th r obots  pro vidi ng  ex pone ntial   decay  of  the   error.  T w m ain   as pects  ha ve  gr ea t   i m pact  on   the  beh a vio of  an visu al   ser vo i ng   sc hem e;   th sel ect ion   of  the  v is ual   featu res  us e as  in put  of   the  con t ro la w   and   the  f or m   of   the  co ntr ol  schem e.  Visu al   info rm at ion   obta ined  from   t he  i m age  pr oc essin can  be  us e to  extracti ng  2D  featur e s.  It  can   al so   be  us e f or   est im ating   pose  pa ram et ers  by  e m plo yi ng  po s e   est i m ation   al gorithm   fr om   c om pu te visio n.   T he  est im a t ed  pose  is  tra ns f or m ed  into   the  3D   featu r es  an d   the   2D  a nd/o 3D  feat ur es   ar then   use in   the  c on t ro sc hem e   [16] He nce,  o pti m iz at i on  te ch niques,   rob ot   dynam ic   and   r obot  kin em at ics  are   us e in   t he   m od el ing   of  t he  c ontrol   sche m es.  The   ai m of  the   prese nt  s tud y   are  fi rstly desi gn  an de velo ne sec ur e   synopti base on  the  a ppr oa ch  of  the  visua servoin t con t rol   li near   a nd  a ngula velocit ie of  m ulti ple  rob ots.  Sec on dly,  to   s ho cl early   th int erest  of   t he  a cci den t   repor ti ng  syst em , esp eci al ly  i the  outd oor  e xp e rim ents.   The  rem ai nin sect ion a re  outl ined  as   f ollow s:  In  sect io we  presen br ie f   s ur ve of   relat ed   works   on  vis ua servoin sche m es.  S ect ion   3,  is  devoted  t introd uce  an e xp la in  t he  r ob otic  visu al   se rvoin syst e m an  em ph a sis  is  pu t   on  th im ple m e ntati on  of  t he  pro po se d   syst em   enco m passi ng  se ver al   m od ule s .   Sect ion   4,  we   pr ese nt  an  il lustrati on  of  th resu lt obta ined  in  order   t achieve  our   ultim at e   go al   wh il con cl us io ns  a nd  per s pecti ves   are  offer e in  s ec ti on   5.       2.   RE LATE D  W ORKS   The  inter est   in  us in MR CS   is  d ue  to  their  cha racteri sti cs  reali zed  with  dif fer e nt   ty pes  of   auto no m ou ve hicle su ch  as  gro und  m ob il ro bots,  un derwate ve hicle [17],  unm ann ed  aerial   veh ic l es,  and  ai rcr aft.  M ulti - r obot  co ordi nation   pur pos e   is   to  le t   ro bots   s har i ng   any  inf or m at ion   bet ween  them .   Fo e xam ple, a   ro bot p os it ion   can b e sh a red   with o the rs  in o r der  to  com pute   m or e p recise other  robot p osi ti on  and  av oid  colli sion .   I t he  co ntext  of   c om pu te visio f ra m ewo r k,   vis ua servoin g te ch niques  ca be  us e d   t adjust  the   tra je ct or ie of   t he   m ob il ro bot fleet T he  present  w ork   c on sist of   de fi ning  m et hod  that  com bin es  v is ua ser vo i ng  an c ontrol,   to   tr ack  a   gr oup  of   m ob il ro bots.  The  be hav i or  of   the  loop  syst e m   dep e nds  on  the   cho ic of   visua inform atio and   t he  ass ociat ed  co ntr ol  la w The re  is  la rg num ber   of  visu a l   pr im itive inf orm at ion scat egor iz ed  into  tw o m ai gro up s , t hat  that ca n be  us e in  v is ual s ervoin ta s k s :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &   C om En g,   V ol.  10 , No 3 J une  2020 :   30 22  -   3034   3024   The   first  cat eg or us es  m easur em ents  co ntained  i the   im age  plane   an will   be  re fere nced  un de r     the  acr on ym   IBV S   (I m age - Ba sed  Visu al   Ser vo i ng).   T he  c on tr ol  la is  cal culat e f r om   i m age  error ,   so   that  the  be hav i or   in  3D   sp ace  is  no di rectl con stra ined.   T his  ty pe  of   co ntr ol  is  robu st  to  s um m ary   cal ibrati on   of  the  intrinsic  c a m era  par am eter s.  Geo m et ric  pr im itives,  suc as  points segm ents,  li nes  an el li ps es,  wer t he  fi rst  to  be  s tud ie d.  [ 18 ]   Propose co ntr ol  schem based   on  sig det ect ion   al gorith m s   fo m ob il ro bot  pl at fo rm   us ing   Harris  co rn e po i nt  detect or  with  ei ge nval ue dec om po sit ion t trac th path.   Accor ding  to  [19],  Me ba rk i   p r opos e m ome nt’s   i m age  al lowing   acc eptable  res ults   in  the  2D  a nd   3D  beh a viors  for  bi nar iz ed  im ages.  m et ho f or  co ntr olli n four  d e gr ees o f reedom   has  be en  pr opos e by  [20],   requirin im age  processin a nd   ta king  into  account  the  pi xe value  of  the  i m age.  H om ography   was  inte gr at e in  the  con tr ol  s chem to  con tr ol  the  six  degr ees  of   f reedom   of   rob ot   [21] In s pire by  this  wor k,  plan ni ng   was   pro po se to  e nsure  r obus tne s to  cal ibrati on   error f or   la r ge   ca m era  m ov e m ents   [22] I order   t av oid   these  i m age  processi ng  ste ps,  s uch  as  segm en ta ti on  or  pr im itive  tracki ng,  [ 23 ]   stud ie a   "di rect"  vis ual  se rvoin g   schem e,   ta kin into  acc ount  the  pix el   val ue of   the  curre nt  and   de sire i m ages  as  pr im itive .   Kadhi m   an d   Abd ulsahi [ 24]   desig n e veh ic le   as  rob ot - m ou nte se ns ors  ca pa ble  of   ca rr yi ng  the   sens or of  the   m et al  and   ob sta cl e.  In   or der   to  im pr ov the  accuracy  of  ide ntific at ion   of  obj ect   in  dif fe ren il lum inatio a nd   backg rou nd   c onditi ons,  howe ver   a uthor do  no stu dy  the  ki nem a ti m od el of   r obot  w hich  help  to  va li date   or   ve rify  by  cal culat ion   the  m echan ic al   pe rfor m ances  of   syst e m .   Lat e rone ,   m utu al   i nfor m at ion   betwee n   the  cu r re nt  im age  a nd  the   de sired  im age  was  pro po s ed   in  or der   t o   i nc rease  rob us tne ss  to  occ ultat ion  an changes   of  il lum inati on   [ 25] A no t her  crit erio base on  t he  diff e re nc bet ween  th cu rr e nt  im a ge  a nd   the  ref e re nce  im age,  update accor ding  to  i ll u m inati on   of   t he  cu rr e nt  im age was  pro po s ed   t m anag e   any   changes  in  li gh ti ng  a nd  m ult   i m od al ity [26] .   The  sec ond  a ppr oac h,   PB VS   (positi on - base vis ual  ser vo i ng)  use pose  est i m atio afte local iz at ion   al gorithm   [2 7] T he  3D  s pac is  well   c onst raine d howe ve r   this   is  n lo ng e t he  case   for  t he  im age  sp ace,   wh ic m ay  lead   to  o utput  pri m it ive  i m age.  Furthe rm or e to  properly   do  the  3D  w or k,   it   is  i m po rtant  to   accuratel cal ibrate  the  c am era.  T he  m a in   pro blem   of   the   PB VS   ap proach   is  t hat  th geo m et ric  m od el   of    the  obj ect   s hould   be  kn own   for  pose  est im at ion ,   w hic m akes  it   m od el - based   m et ho c o m par ed  t o   the  im age - base m et ho d.  T he   cam era  cal ibrati on   is  requir ed  to   obta in   th e   unbiase Ca r te sia posit io ni ng   t ov e rc om the   sensiti vity   of   th ca m era  cal ibrati on   e rror . H y br i d   ap proac he com bin ing   2D  an 3D   pri m it ives  associat ion   the ir  adv a ntages  t be nef it   from   bette 3D   be hav i or   [ 28]   or   to   keep   the   p ri m itives  in  the  fiel of  view  [ 22] Sel ect i ng   go od   vi su al   cha racteri sti is  cru ci al   aspect  of   vis ual  ser vo i ng   a it   is  nece ssary  for  achievin opti m al   velocit ie s   an in creasi ng  accu racya nd  reli abili ty   of  im age  m easur em ents aff ect s   perform ance an d   r obus t ness of vis ual ser vo ing   [ 29 ]   Im aging   m eas ur em ents  are  ei ther  use di rectl in  the  con t ro lo op  or   us e for  r el at ive  po s e   es tim ation T he   nu m ber   of   de gr ees  of   f ree do m   (D OF)  to   be  con tr olled   by  the  e m plo ye con t ro sc hem e   determ ines  the   m ini m u m   num ber   of   i nd e pe nd e nt  feature re qu ir ed .V is ual  feat ur es   ca be  sel ect ed   in  2D   i m age  sp ace  as  po int  co or din at es,  par am et ers  represe nting   strai ght  li nes  or  el li ps es,  reg i on   of   interest   and  co ntour [30,   31] T he se  featu res  a r def i ne f rom   i m age  m ea su rem ents  [ 32] In   ca se  of  i m age    po i nts,  Ca rtesi an   c oor din at es   are  ge ner al ly   us e d   howe ve r it   is  possi ble  to  us t heir  pola a nd  cy li ndrical   coor din at es  [33]. In  ge ner al al par am et ers  def i ning the  int ern al  cam era c al ibrati on are  re qu i red.    Im age  m o m ents  can  al so   be   us ed  i n   vis ual  ser vo i ng   [34]  giv es  be tt er  resu lt co m par ed  to     the  cl assic al   visu al   servoin g   schem e I m age  m o m ents   al lo ge ner ic   re presentat ion   a nd  are  able  to  ha nd l e   si m ple  geo m etr ic al   pr im it ives   and   al so   co m plex  ob j ect s   with   unknow sh a pes.   It  is  sh own   that  m o m ent   inv a riants  can  be  us e to  des ign   decou pled  2D   visu al   ser voin schem and   t m ini m ize  the  nonlinea r it of     the  interact io m at rix  relat ed  to  the  sel ec te visua fea tures   [ 35] Ge ner a ll y,  ob j ect   m od el   an im age  m easur em ents  are  us ed   to  cal culat e   or   the   r el at ive  pose  be tween  o bj ect   a nd  cam era  fr a m es  in  the  Ca r te sia n   sp ace ,   or   t re const ru ct   the  3D  co ordinates .   Ther e fore,  an   adv a nce kn owle dge  ab out  the  cam era  cal i br at io par am et ers  are  require d   [36] .   In   t his  sect ion,   we  re view  s om visu al asp ect s   and   pr im itives  inf orm ation   that  can  be  use in  visu al   servoin ta s k .   A lso  we  st udy  so m m ulti   ro bot  sce na rio s   desig and   analy sis.   W ca e num erate   the contri bu ti ons  of our p ape r  as foll ows:     Pr op os al   of  MR CS  based   on  vis ual   servoin g,   in cl ud in the  desig an de velo pm ent  of    an  e xp e rim ent al   protoc ol  al lowi ng   t he  c ollaborat io bet w een  m ob il robo ts  fo ll ow i ng  m ast er  ro bo that i s b ase d at  f irst  on the   d et erm inati on  of e ach  rob ot co m pu te posit i on .       The   syst e m   is  able  to  al lo m ul ti   ro bots  na viguati ng  in  form ation   usi ng  t he  kin em at ic   m od el   of   m ob il e   rob ot s   an c a m era   to  c onstruct  a   com m a nd  l aw .   As  vis ual  pri m i ti ves  in  the   ser voin lo op,   we   use     the m o m ents ex tract ed  fro m  the c urren t i m age.     Our   wor is  well - su it ed   f or  real  a pp li cat ion s   as  it   is  robu st a nd  le ad to  fast  im plem entat ion   of    the m ulti  r obots  vis ual ser vo c on t ro l i ss ue .     It sho ws   cl earl y t he  interest  of a   rob ot acci de nt d et ect io n r eporti ng syst e m .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g   IS S N: 20 88 - 8708       Eff ic ie nt a nd s ecure re al - ti me  mob il e r obots  cooper atio n us ing  vis ual serv oing   ( So um i a   Bo ud r a )   3025   3.   R OBOT I C VI SUAL SE RVOIN G S YS TE M   We  de velo pe an  ex per im ental   pr oto c ol  to   con tr ol  gro up   of   r obots  base on  the  inf or m at ion   pro vid e by  c a m eras  m ou nted  on  eac robo t.  desire value  i the  i m age  is  deter m ined  f or   eac r obot   ind e pende ntly   of   the  ot her   r obot.  The  vis ual  servoin a i m   is  to   con trol   the  current   value  by  fo ll ow i ng   the  desire val ue  in  the  im ag by  est i m a ti ng   the  de pth   betwee the  obj ect   an th c a m era.  The  f ollow in Figure  s hows  the  diag ram  o f  our vis ual ser voin syst em .           Figure  1.  Sc he m at ic  o r oboti c v is ual ser voing  syst em       An  IB VS   co nt ro ll er  is  m ai nl i m po rtant  to  con ti nuously   adjust  the  w he el   velocit ie a nd   the refore   adjust  the  r obot  to  m ov th i m age  coo r di nates  of   the  tracke ob j ect   to  the  desire po sit io in  the   i m age  plane.   T he  des ired  posit ion   m us t   be  def ine as  (ud,vd).  We  then  get  an  error   e qu at io for  our  im age  plane   coor din at es:     d d uu e vv      (1)     3.1.    Visu al  fe at u res    The  inf or m at i on   c ollec te by   the  vision   sens or   dec rease the  sta bili ty  pro blem s   if  th m ov em ent  carried   out  by   the  r obot   is   com plex.   T he refor e sel ect ing   t he  a ppr opriat in form a ti on   is  im po rt ant  to  accuratel ap pl yi ng   the  re quired  ta s k.   Wh il sever al   c ho ic es  of  s   e xis t,  we  ha ve  c hose in  the  presen wo r the  inv a riant  m o m ents,  as  vi su al   inf or m at i on.  Im age  m o m ents  can  be  com pu te f rom   set   of   po ints  or   well - se gm ented  re gion  in  t he  im age.   The   ge om et ric  m o m ents  of   a   2D   distrib utio f un ct io f( x,y)   can  be   expresse as:     ( , ) pq pq R m x y f x y d x d y    (2)     w ith   f( x,  y )   ≥  be  real  bo unde f un ct io with  s uppor on   com pact  reg i on   R . R   is  the  area  occ upie by   the  obj ect   in  th i m age  and   p q   is  the   m o m e nt   order.  In   thi pap e r,   bi nar y   i m age  fu nctio ns   (i.e f( x,  y)   ca only   ta ke  or   val ue or   im age  reg io n s,   def i ne by  cl os e c o ntours  a re  co nsi der e d.   I nvari ance   to  tra ns la ti on   an scal ing  ca n be  com pu te d from  m o m ents ( 2) a s foll ow s:     ( 2 ) / 2 00 pq pq pq m    (3)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &   C om En g,   V ol.  10 , No 3 J une  2020 :   30 22  -   3034   3026   Fo r  ce ntered m om ents µ pq is  def ine d by:     ( ) ( ) ( , ) pq p q g g R x x y y f x y d x d y    (4)     w he re :     1 0 0 1 0 0 0 0 gg mm x a n d y mm    (5)     x g   and   y g   rep re sent the co or din at es o the gr avity  center,  an m 00 =a= n   is t he  obj ect  area.  T he  m a in o rie ntati on   is o btained  from   the seco nd  orde ce ntere d m o m ents   [37] :     11 2 0 0 2 2 1 a r c t a n 2       (6)     Fr om  ell ipse param et ers,  w can e xpress  the  centere m ome nts  o f o rd e r 2,  w ha ve:     2 2 2 2 2 0 0 0 1 2 2 2 2 2 0 2 0 0 1 2 2 2 2 1 1 0 0 1 2 ( ( ) / 4 ( 1 ) ) ( ( ) / 4 ( 1 ) ) ( ( ) / 4 ( 1 ) ) m a a t t m a t a t m t a a t   (7)     3.2.    N onhol onomic  m ob il robot     The  un ic yc le   m ob il ro bot  a show i Fi gure  is   ty pical ly   nonholon om ic   syst e m   [3 8]   an ca be   descr i bed  by  t he  nonhol onom ic   con strai nt s.  T her are  t wo  ty pes  of  c on st raints:  the   ro ll in a nd  the   sli ding  const raint s .           Figure  2 U nic yc le   m ob il e robo t       The  sta te   ve ct or   q =( x,y, de no te s   t he   po s ture  of   t he  r obot.   ( x,y repr esents  the  m ass  center   of     the  r obot.   is  t he  or ie ntati on   of   t he  rob ot  ac cordin t the   horizo ntal  axis .   ν ( t )   an ω ( t )   are  t he  tra ns l at ion   vel ocity   and   t he  an gu la vel ocity wh ic a re  us e as  the   con tr ol  inputs The  no nholono m ic   con strai nt  for     the m ob il e rob ots is  giv e n by:     ( ) s i n ( ) ( ) c o s ( ) ( ) 0 x t y t t     (8)     gen e ral  k i nem at ic   m od el   of   t he  m ob il rob ot  obta ine from   the  nonho l onom ic   const raints  is  gi ve by   the foll owin e qu at io n:     ( ) c o s ( ) 0 () ( ) s i n ( ) 0 () ( ) 0 1 x t t t y t t t t      (9)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g   IS S N: 20 88 - 8708       Eff ic ie nt a nd s ecure re al - ti me  mob il e r obots  cooper atio n us ing  vis ual serv oing   ( So um i a   Bo ud r a )   3027   3.3   C ontr ol law   The   ai m   of   the  con tr ol  schem is  to  eli m inate  the  err ors  bet ween   the  init ia and   the  desir ed  posit io ns   of f eat ures  on t he  im age p la ne T he  e xpressio n of t hese e rro r s is d e fine as:       (10)     is  the  vecto r of vis ual f eat ure. Mo del  of  t he  contr oller is  ve locit y con tr oller a nd it  can be  co m pu te a s:     * ˆ () s L s s    (11)     w he re           re pr e sents  the  veloc it vector   of   t he   cam era  including  tra ns la ti onal   an d   ro ta ti onal   com ponen t an            is pse udo - in verse o the  app roxim a ti on  of im age Jac obia n m at rix .     3. 4   In tera c ti on  m atri   We  ass um e   that  the  obj ect   i co ntin uous  su r face,  t her e fore,  t he   de pt Z   of  each  3D  point  is   expresse as  a  functi on  of  t he x   a nd  y   c oor din at es  of  it pro j ect ion i n t he  i m age.  Mo re  s pe ci fical ly , w e ha ve :     0 , 0 1 pq pq pq A x y Z    (12)     In the case  wh ere the  ob j ect  is p la nar   or  has a  surf ace  of the  p la na li m bs , its eq uation i t he  cam era  fr am e is expres sed by:     1 2 0 Z X Y Z    (13)     us in t he  e qu at ion s  of the   pe rs pecti ve pr oject ion     , XY xy ZZ    (14)     we  ca n deduce :     1 A x B y C Z   (15)     with:     12 0 0 0 1 ,, A B C Z Z Z     (16)     for  eac h po i nt  with c oor din at es  x =( x , y )  in  t he  i m age whose  corres pondin g 3 d po i nt h a de pth   Z ,   we ha ve :     x x L v   (17)     wh e re,  the i nteracti on m at rix  L is give n by:     2 2 1 / 0 / ( 1 ) 0 1 / / 1 x Z x Z x y x y L Z y Z y x y x      (18)     us in g (15 in  (18),  (17) ca n b e wri tt en  as:     2 2 ( ) . ( ) . . ( 1 ) . . ( ) . ( ) . ( 1 ) . . . xz x y z yz x y z x A x B y C v x A x B y C v x y w x w y w y A x B y C v y A x B y C v y w x y w x w   (19)   * ( ) ( ) e t s t s  s L ˆ s L ˆ Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &   C om En g,   V ol.  10 , No 3 J une  2020 :   30 22  -   3034   3028   In   t he  m at rix  Lx,   any  c on t rol   schem that  us es  t his  f or m   of   t he  inte racti on  m at rix  m us est i m at or  appr ox im at e the v al ue  of Z .   F ro m  this equat ion,  we ob ta in:     ( 2 ) 2 ( 2 ) 2 x z x y y y z x y x A v A x B y C v y w x w x y B v A x B C v y w x w y   (20)     we have :     1 1 ij ij f i x y x f j x y y   (21)     T he  i nteracti on  m a trix ass ociat ed  with  the  m om ent  m ij   can  then be  d et e rm i ned   by :     m i j v x v y v z w x w y w z L m m m m m m   (22)     w he re:     1 , 1 1 , 1 , 1 , 1 1 , , 1 , 1 , 1 1 , 1 , 1 , 1 1 , 1 () () ( 3 ) ( ) ( 3 ) ( 3 ) v x i j i j i j i j v y i j i j i j i j v z i j i j i j i j w x i j i j w y i j i j w z i j i j m i A m B m C m A m m j A m B m C m B m m i j A m B m C m C m m i j m j m m i j m i m m i m j m       (23)     Fr om   the  ge ne ral  form   giv en   in  ( 22),   we  de du ce  t he  inter a ct ion   m at rix  of  the  surface  of   the  ob j ect  m 00   ( we  c onsid er  i=j = 0),  a nd  the  intera ct ion     m at rix  relat ed   to  t he  c oor dina te s   x g   a nd  y g   of  the   gravit y   center   of   a ob j ect   in  the  i m age. The  visu al   se rvoin al go rit hm   that  we  prese nt  bel ow   is  base on   the  ideas  pr opos e by [1 4 23 35]   with m od ific at ion s  m ade f or  our  a ppli cat ion .     Algori th m     Be gin    1:   Set t he  p a ra m et ers  us e d;// λ=0.6   2:  Co nn ect  t t he  m ast er r ob ot  an d C li ent 1 a nd Cl ie nt 2 ;   3:  Determ ine c a m era p ar am eter (cali br at io n);     4:  Ac quirin a im age;   5:  Im age d is play ;   6:  Creat e the  s urface to  foll ow ( t he  ta r get);   7:  Ca lc ulate  th e m o m ents in  the im age;   8:  Determ ine the c oor din a te of the  desire t arg et  t f ollo w (f or each  robot );   9:  Ca lc ulate  th e interact io m at rix  L x =S xd ;   10:  Determ ine ( Z/Z* );   // Z*: t he desire d dep t h of t he fo rm  i s learne a nd e qu al  t the      init ia l dep th;   11:  Ca lc ulate      // Tran s form at io n of t he  cam era f ra m e to the   eff ect or  of the   m ob il e ro bot,      this tran sf or m at ion  m akes it p os sible t cal c ulate  the  veloci ti es expresse i the  end    eff ect or  fr am e into th e  cam era f ram e;   12:   F or ( i= 0   ;i <=n   ; i ++)// n   is t he nu m ber   of im ages in  th e v ide o   13:         F or (x= 1; x <=y x++)  //  y:  is the num ber o se rv e r robo ts        Be gin               Be gin   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g   IS S N: 20 88 - 8708       Eff ic ie nt a nd s ecure re al - ti me  mob il e r obots  cooper atio n us ing  vis ual serv oing   ( So um i a   Bo ud r a )   3029   14:            A cq ui rin a im age;   15:            Ca lc ul at e the ar ea t o fo ll ow; (cal c ul at ing  the  m o m ents in  the im a ge)   16:            U pdat e the c urren t  x  featur e s;   18:            U pdat e the inte racti on m at rix;   19:            U pdat e the  global er r or(s - s *);   20 :            Ca lc ul at e fo r  eac se rv e r rob ot the c on t ro l l a w: V = - λ*(L * c V e * e J e ) + *error(s - s *) ;   2 1:            Se nd t he veloci ti es to  the  rob ot;            E nd F or            E nd F or        End .       4.   E X PERI MEN TAL RES ULTS   The  e xper i m ents  wer e   p e rfo r m ed  with   tw o   rob ots  Pio nee r   3 - AT   an Pio neer  3 - D e quip ped  with     cam era The  i m age  reso l ution  in  th ex pe r i m ents  was  640x480.  All  co m pu ta ti on s,  e xc ept  f or  the  lo w - le vel  con t ro l,  wer perform ed  on   la pto with  2.5  G Hz  In te l   Core  (T M)  i 5 - 4200U   CPU with  4 - GB  RAM.   The  na viga ti on  ex per im ent  was  pe rfo rm e onli ne.   O ur syst e m   is  i m p l e m ented  unde Vis ual  S tud i with     the  hel of  A r ia   and  O pe nC li brary.  H oweve r ,   the  r obot  re portin sy stem   is  i m ple m ented  wit h   P yt ho 3.     The  ex pe rim en ts  wer e   pe rfo r m ed  in  an  in door  en vir onm e nt   inside  la borat or an corrid or   with  λ  0.6.  The  pionee 3DX   an 3AT  m ob il es  ro bots   are  unic yc le non - ho l onom i cs  with   dif fe r entia dr i ve  W MR .     P3 - D has  ind e pende nt  dri ving  w heels,   t hat  ca n n o’ be  ste ere d   on   the  sam axis  an fr ee   sw ing i ng     off - ce nter  w he el The  w ho le   syst e m   su m m a rize  in  F ig ure  3.   W dev el ope   serv er  ap pl ic at ion   us in the  C+ +   pro gr am m ing   la nguag wh ic is  instal le in  the  robo t   PC.  It  per f or m s   the  sever a l   fu nctio ns m ai nly:   m anag in g   the  com m un ic at ion   to  and   from   the  m edial  serv e by  sen din in form at io ab ou the  sta te   of    the  r obot  a nd   receivin in str uctions  f ro m   the  use r ,   c ontr ol li ng   t he  m ob il ro bot  m ov e m ents  and   m anag i ng    the m ob il e rob ot se ns ors.   The  de velo pe sys tem   con s ist of   acci de nt  repor ti ng   s yst e m Fo rthe   reali zat ion   of  our  syst e m   we use the  foll ow in e quipm ent num ber ed   as sho wn in Fi gure  a nd F i gure  4   (1)  P ower  sup pl y 5V .   (2)  P ushbutt on .   (3)  Accele r ome te MPU 6050 .   (4)  GP S  m od ul e GY - NE O6 M .   (5)  Se nsors   ( S ho c k, flam e).     (6)  F TD c onve rter.   (7)  Ra s pb e rry  Pi 3  ca r d.   (8)  S IM8 08  G SM m od ule.   (9)  P ower  sup pl y 12   V.           Figure  3 Gl obal  v ie of the   pro po se s che m e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &   C om En g,   V ol.  10 , No 3 J une  2020 :   30 22  -   3034   3030   Ba sed  on  the  RPi   wh ic i us ed  to  c omm un ic at with  GS and   a   glo bal  posit io ning  syst e m   ( GPS )   m od ule   us in the  U A RT  li nk di ff e r ent  sens or s   we re  us e to  e nsure  the  detect ion   of   th acci den t.     The  G PS prov i des  three  di m ension al   posi ti on   as  well   as  current  ti m e   and   date  an is  a vaila ble  eve ry  wh e re.   [39 , 40 ]   Using   GP S G PRS  a nd   GS Tech no l og for  si m ple  acci de nt  de te ct ion   but  in   our  case our  syst e m   pro po se A D RS   ( Accide nt  Detect ion   Re portin Syst e m )   al lowing  t he  rob ots  na vig at ing   s afely ,thin that     rem ai ns   chall eng in ta sk   i m any  research   w orks Th dev el op e d   s yst e m   was  at t ached   t the  t op   of   th e   r obots  i or der   t detect   a cci den in   the  re al   tim e reco r the  accu rate  lo cat ion   of   t he  a cci den t   a nd  s e nd   an   autom at ic  alert  m essage to  the  em erg ency ce nter   [41] .           Figure  4 Ro bot acc ident  dete ct ion   repor ti ng syst e m  test bed (ADRS )       The  syst em   was  powe rin g   up   an d   dif fe ren sens ors   wer te ste d.   Each  of  sens or   com m and   the  Ra spbe rr Pi3  to   gen e rat s pecific  S MS  al ert  with  the  ty pe  of  the   acci de nt.  T he   te stbed   detect tw cases  of   re ve r sal Ri gh turno ve r,   Le ft  turnov e as  show in  F ig ure  5.   We  us e d   the  a ccel ero m et er  data  to   cal culat the  incli natio of  the   ro bot  al ong  th axis.   The   value  > 46 °  ind ic at es  that  th ro bot  is  ov e rturne on the  rig ht.   If  the incli natio n al ong  the  X axi s is <=  - 70° , thi s i m plies t hat the  rob ot is ove rturne to  the  left.   We  us e li ghte to  li ght  fire,  the  flam sens or   w as  che cked   us in norm l   li gh te an the  se ns or   su cces fu ll   dete ct ed  and   repo r te the  fire  to  the  Ra sp be rr Pi3   Fig ur 6.   The   la tt er  will   gen e rate  war ni ng   m essage  in dicat ing   that  fire  has  occurre d.  The  s hock  sen so was  te ste by  creati ng  sm al ob sta cl to  report   the  colli sio ( Figure  7 ) .   T he   sens or s   w he r able  to  dete ct   and  re port  the  prob le m in  ti m no ex ceed ing   20   seco nds T he   rob ot  m ast er  P3 - A ca rr ie plana ob j ect   ( F ig ur e   8 ) .   Aft er  the  bl ob  de te ct ion the  c onto ur   of   the  intere ste reg i on  is  ob t ai ned   to  f ur t he acq uire  the  centr oid wh ic will   be   con du ct ed  in  each  con t ro l   loop. T he  m o m ents  are  c om pu te at   the  vide rate  a fter  bin arizat io of  t he  im age,  the  resu lt ar sho wn   a s     F ig ure  9,   we  s uc cess fu ll detect   the  con to ur The  im age  ac qu i red   at   the  de sired  cam er po sit io is  dis play e in  Fig ur 10 The  r obot  tra je ct or is  sat isf act or us i ng  the  vis uals  feat ur es in  our  c ontrib utio we  hav t est i m at e the d epth  Z   for  eac i te rati on .           Figure  5 Ri gh t  turn ov e te st, l eft turn ov e te s t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om En g   IS S N: 20 88 - 8708       Eff ic ie nt a nd s ecure re al - ti me  mob il e r obots  cooper atio n us ing  vis ual serv oing   ( So um i a   Bo ud r a )   3031         Figure  6 Flam e senso te st         Figure  7 S ho c se nsor  te st         Figure  8 N on  sy m m e tric al  p la nar o bject  tra ckin g             Figure  9. Re su l ts of detect in g t he  bl ob cont our     Figure  10. Des ired  im age       The  ef fecti ve ne s of   t he  de ve lop e ds yst em   d epends  on   t he  pr eci sio of   m at ching   betwee the  cu rrent   and  de sired   posit ion   of  the  vi su al   in form at io n,   a s how in   F igure  11(a a nd  F ig ure  12(a wh ic c onfir m   that  the  syst em   is  sta ble  an co nv erg es   to   the   de sired   val ues .T he   cal culat ed   er ror  betwee th cur re nt  inf orm at ion   and  the   de sire i nfor m at ion   (fo a nd  y is  relat ively   unc hangin duri ng  the   first   3m s,  this  is   du e   to   the  non - holo no m ic   natur of   t he  r obots H oweve r,   at   32 - 37m the  syst e m   con ve rg e to  the  rig ht   p os it ion   an the  fi nal  er ror   was  0.0 1. In  this  stu dy,  we  discusse t he  m ot ion   c on t ro l   pro blem   and  visua ser voing  of   non - holo nom ic  wh eel e m ob il es  ro bots. We   pr ese nted  kinem at ic   m od el   of   th r obot  in  ad diti on   t their   con t ro pr op e rt ie s.  The  sim ul at ion   res ult sh ow  that  the  de velo ped   c ontr ol  la co ntr ols  the  velocit ie of   al l   us e r obots  i rob us an preci se  way T he   de velo ped   c on t ro ll er  is  a bl to  dri ve  a   se of   wheel ed  m ob il e   rob ots  to  ta rget   obj ect   un ti the  cam eras  ob s erv the  desire vis ual  char ac te r ist ic s   as  sh own  in  Fig ur 11( b ) - Figure  12( b) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.