四軸機結合機器視覺之開發

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姓名

蘇許武(Hsu-Wu Su) 查詢紙本館藏

畢業系所

光機電工程研究所

論文名稱

四軸機結合機器視覺之開發
(Quadcopter combined with machine vision development)

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摘要(中)

本論文將使用Arduino作為主控，利用IMU融合四元數之算法偵測機身俯仰、翻滾、偏航之角度及角速度，並且透過多層PID的結構進行負回授控制以實現機身的自平衡，機器視覺方面是使用RaspberryPi作為影像處理之工具，並將解算後的訊號透過UART回傳至Arduino對姿態進行補償，其中有利用光流法實現懸停，以及霍夫轉換實現追蹤地面目標，本論文將會介紹系統架構、姿態算法、PID回授控制結構、感測器校正、以及如何使用機器視覺補償姿態之原理。

摘要(英)

Thesis will use Arduino as the main control, using IMU fusion quaternion algorithm to detect the pitch, roll, yaw angle and angular velocity of the fuselage, and negative feedback control through the structure of multi-layer PID to achieve self-balancing of the fuselage, In machine vision, RaspberryPi is used as a tool for image processing, and the decoded signal is transmitted back to the Arduino through the UART to compensate for the attitude. Among them, the optical flow method is used to achieve hovering, and the Hough transform is used to track the ground target. thesis will introduce the system architecture, attitude algorithm, PID feedback control structure, sensor calibration, and how to use machine vision to compensate for the attitude.

關鍵字(中)

★ 四軸機
★ 機器視覺
★ 光流
★ 霍夫轉換
★ 四元數

關鍵字(英)

★ Arduino
★ RaspberryPi
★ Qudacopter
★ Machine Vision
★ Optical flow
★ Hough transform
★ IMU
★ quaternion

論文目次

緒論 1
1.1 背景介紹 1
1.2 研究動機 1
1.3 文獻回顧 2
1.4 論文結構 2
2 系統架構及硬體元件介紹 4
2.1 硬體通信介面 4
2.2 系統架構 9
2.3 硬體元件介紹 10
2.3.1 姿態感測系統 12
2.3.2 遙控系統 15
2.3.3 馬達系統 17
2.3.4 電源系統 20
2.3.5 機架 21
2.3.6 機器視覺系統 22
2.3.7 飛控系統 22
2.4 機構配置 23
2.4.1 槳葉靜平衡校正 24
3 飛行姿態演算 28
3.1 前言 28
3.2 四元數之運算規則 28
3.3 尢拉角、旋轉矩陣與四元數之關係 29
3.3.1 尤拉角(Eulerengle) 29
3.3.2 旋轉矩陣(Rotationmartix) 30
3.3.3 旋轉向量(Rotationvector)與四元數旋轉矩陣 31
3.4 IMUJ輸出資料轉化四元數 33
3.4.1 角速度-->四元數 34
3.4.2 利用加速度計補償陀螺儀 36
3.4.3 演算步驟 38
3.5 實驗結果 40
4 感測器校正 42
4.1 前言 42
4.2 最小平方法 42
4.3 以最小平方法校正感測器 44
4.3.1 地磁計(hmc5883)之校正 45
4.3.2 實驗結果 46
5 四軸機之機器視覺 49
5.1 光流法應用 49
5.2 光流法實驗結果 49
5.3 特徵圖像追蹤 52
5.4 霍夫轉換理論基礎 52
5.5 利用ROI與HSV分析圓內之資料 53
5.6 判斷特徵圖像 54
5.7 特徵圓追蹤實驗結果 55
6 控制流程設計 57
6.1 離散PID控制器之設計 57
6.2 控制流程 59
6.3 輸入資料與回授資料 62
6.3.1 輸入資料 62
6.3.2 回授資料 62
6.4 基於球座標系之姿態控制 63
6.4.1 高度控制器 63
6.4.2 姿態控制器 64
6.4.3 平移控制器 64
6.5 基於機身座標系之姿態控制 67
6.5.1 角速度控制器 67
6.6 飛行原理與馬達輸入配置 68
7 結論與未來展望 72
8 參考文獻 73
附錄A 裝置列表 75

參考文獻

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[2]Diebel, J. (2006). Representing attitude: Euler angles, unit
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[11]Kou, Kit Ian, and YongHui Xia. ”Linear Quaternion Differential
Equations: Basic Theory and Fundamental Results.” Studies in
Applied Mathematics 141.1 (2018): 3-45.
[12]xrdp 系統安裝程序:
http:// blog.pulipuli.info/ 2008/08/ windowslinuxxrdpvncserver.html
[13]機構配置 :
https://www.rotordronemag.com/guide-multirotor-motors/
[14]I2C接線圖 :
http:// www.mbeddedc.com/ 2017/05/ i2c-bus-communicationprotocol-tutorial.html
[15]I2C通信步驟圖 :
http:// ww1.microchip.com/ downloads/ en/ DeviceDoc/
20001203U.pdf
[16]UART 時序圖 :
http://magicjackting.pixnet.net/blog/post/135222109-uart

指導教授

羅吉昌(Ji-Chang Lo)

審核日期

2018-8-15

推文