雷射測距儀應用於輪型機器人自動導航

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：30

、訪客IP：18.223.172.199

姓名

林子揚(Zih-Yang Lin) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

雷射測距儀應用於輪型機器人自動導航
(Automatic Navigation of Wheeled Mobile Robot Using Laser Range Finder)

相關論文

★ 影像處理運用於家庭防盜保全之研究	★ 適用區域範圍之指紋辨識系統設計與實現
★ 頭部姿勢辨識應用於游標與機器人之控制	★ 應用快速擴展隨機樹和人工魚群演算法及危險度於路徑規劃
★ 智慧型機器人定位與控制之研究	★ 基於人工蜂群演算法之物件追蹤研究
★ 即時人臉偵測、姿態辨識與追蹤系統實現於複雜環境	★ 基於環型對稱賈柏濾波器及SVM之人臉識別系統
★ 改良凝聚式階層演算法及改良色彩空間影像技術於無線監控自走車之路徑追蹤	★ 模糊類神經網路於六足機器人沿牆控制與步態動作及姿態平衡之應用
★ 四軸飛行器之偵測應用及其無線充電系統之探討	★ 結合白區塊視網膜皮層理論與改良暗通道先驗之單張影像除霧
★ 基於深度神經網路的手勢辨識研究	★ 人體姿勢矯正項鍊配載影像辨識自動校準及手機接收警告系統
★ 模糊控制與灰色預測應用於隧道型機械手臂之分析	★ 模糊滑動模態控制器之設計及應用於非線性系統

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

[檢視]

[下載]

本電子論文使用權限為同意立即開放。
已達開放權限電子全文僅授權使用者為學術研究之目的，進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。
請遵守中華民國著作權法之相關規定，切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送，以免觸法。

摘要(中)

本篇論文採用一個雷射測距儀做為輪型機器人的感測器，並運用雷射測距儀得到輪型機器人周遭的環境資訊，建立出一個即時的地圖，透過一些影像處理的程序可以得知每一個障礙物的位置、大小和形狀，並測出每一個障礙物的邊角，接著再利用障礙物的邊角找到不會發生碰撞且可以順利到達目標點的路徑，另外也使用了基因演算法來讓整個避障方法更加完善。
為了達到定位的效果，本篇論文使用了一個位置控制器來記錄輪軸旋轉的資料，根據這些資料可以計算出輪型機器人目前的所在位置和方向，使輪型機器人在未知環境中不會迷失且能往目標點移動。
在實驗的部分，做各種不同的場景的模型，輪型機器人可以成功的避過各個障礙物，並順利且精準地到達目標點，這項功能也在研究室中測試，讓輪型機器人扮演運送物品的角色，物品送達後輪型機器人也可以順利的回到原位，驗證了本篇論文所提出的方法的可行性。

摘要(英)

It uses a laser range finder as sensor for the wheeled mobile robot (WMR) in this thesis. To apply the environmental data from the wheeled mobile robot around can build a local map immediately. Through some image processing one can realize every obstacle’s position, size and shape. After finding every obstacle’s corners, we use them to find collision-free path to the target. Besides, the genetic algorithm is used to perform the adjustment of the obstacle avoidance.
For positioning the WMR, we record the rotating conditions from wheel axle by using a position controller. Base on the data, we can compute the WMR’s position and direction and make sure that it wouldn’t stray in the unknown area.
In the experiment, WMR can avoid the obstacles successfully and reach the target accurately in different scenarios. This function is applied to take the WMR as a porter who would return the former place after delivering the article.

關鍵字(中)

★ 雷射測距儀
★ 機器人
★ 自動導航

關鍵字(英)

★ Robot
★ Laser Range Finder
★ Automatic Navigation

論文目次

中文摘要
英文摘要
目錄………………………………………………………………… I
附圖目錄…………………………………………………………… I
附表目錄………………………………………………………… VIII
第一章緒論……………………………………………………… 1
1.1 前言…………………………………………………………… 1
1.2 距離感測器之發展…………………………………………… 1
1.3 研究背景……………………………………………………… 3
1.4 研究動機與目的……………………………………………… 4
1.5 論文架構……………………………………………………… 6
第二章硬體架構………………………………………………… 7
2.1馬達與位置控器……………………………………………… 7
2.1.1直流馬達………………………………………………… 7
2.1.2位置控制器……………………………………………… 9
2.2雷射測距儀…………………………………………………… 11
2.3 BASIC Stamp 2px微處理器………………………………… 15
2.4藍芽模組……………………………………………………… 17
2.5電力系統……………………………………………………… 19
第三章影像處理與導航演算法……………………………… 21
3.1 雷射測距儀資料處理………………………………………… 21
3.2 形態學處理…………………………………………………… 23
3.2.1 侵蝕………………………………………………… 23
3.2.2膨脹………………………………………………… 24
3.3連接區塊標記法……………………………………………… 27
3.4避障方法……………………………………………………… 29
3.4.1找尋障礙物邊角…………………………………… 29
3.4.2由邊角搜尋子目標點……………………………… 31
3.4.3由基因演算法求子目標點………………………… 33
第四章輪型機器人之動態系統與控制………………………… 38
4.1輪型機器人之動態系統……………………………………… 38
4.2控制原理……………………………………………………… 40
4.3利用模擬退火法求馬達控制器參數………………………… 43
第五章模擬與實驗結果……………………………………… 50
5.1避障路徑模擬………………………………………………… 50
5.2實驗與應用………………………………………………… 54
第六章結論與未來展望………………………………………… 60
6.1結論…………………………………………………………… 60
6.2未來展望……………………………………………………… 61
參考文獻…………………………………………………………… 63
附錄…………………………………………………………… 68
附圖目錄
圖2.1 直流馬達工作原理 8
圖2.2 佛萊明左手定則 8
圖2.3 Parallax#27958外觀圖 9
圖2.4 加裝encode disk的輪軸 9
圖2.5 輪軸鎖合系統 10
圖2.6 Position Controller外觀 10
圖2.7 Position Controller I/O PIN 11
圖2.8完整的左輪外觀圖 11
圖2.9雷射測距原理 12
圖2.10雷射掃描原理示意圖 13
圖2.11 SCIP通訊規格 13
圖2.12偵測範圍示意圖 15
圖2.13回傳資料的格式 15
圖2.14 URG-04LX外觀圖 13
圖2.15 BASIC Stamp 2px接腳圖 17
圖2.16 ZX-BLUETOOTH 19
圖3.17 NP4-6和NP7-12外觀 20
圖2.18 XP4000外觀 20
圖3.1 實景與雷射影像對照圖 23
圖3.2 將雷射影像格子化 24
圖3.3 結構元素B 25
圖3.4 侵蝕過程示意圖 26
圖3.5 結構元素B 27
圖3.6 膨脹過程示意圖 28
圖3.7 雷射影像經形態學處理 28
圖3.8 八連通方向示掃瞄順序圖 29
圖3.9 區塊標記法示意圖 30
圖3.10遮罩B的標記 31
圖3.11 遮罩B上的4個分量 32
圖3.12 利用雷射影像找障礙物邊角流程 33
圖3.13 邊角搜尋結果圖 33
圖3.15 障礙物邊角選擇 34
圖3.17 子目標點搜尋流程 38
圖3.16 第一代種群的7個方向 37
圖3.18 自動避障導航流程圖 39
圖4.1 WMR座標架構 42
圖4.2 WMR目前位置和目標位置關係圖 43
圖4.3 移動控制方塊流程圖 45 圖4.4 模擬退火法示意圖 46
圖4.5 模擬退火法流程圖 49
圖4.6 WMR前進50公分 50
圖4.7 WMR前進100公分50圖4.8 WMR右轉90度 50
圖4.9 WMR左轉45度 51
圖5.1 模擬避障路徑介面圖 52
圖5.2 模擬狀況一 53
圖5.3 模擬狀況二 53
圖5.4 模擬狀況三 54
圖5.5 模擬狀況四 54
圖5.6 模擬狀況五 55
圖5.7 模擬狀況六 55
圖5.8 模擬狀況七 56
圖5.9 WMR導航實驗一 57
圖5.10 WMR導航實驗 58
圖5.11 WMR導航實驗三 59
圖5.12 WMR導航實驗四 60
圖5.13 WMR運送物品實驗 61

參考文獻

[1] J. Illingworth and A. Hilton, “Automatic construction of static object models using computer vision”, Electronics & Communication Engineering Journal, Vol.10, Issue.3,pp.103-113, June 1998.
[2] W. Li, R. Zhang, Z. Liu, Zhao, and R. Shibasaki - “An approach of laser-based vehicle monitor ”Applied Mathematics and Computation, Vol.8, pp. 372-378, 2007 - Elsevier.
[3] 工研院南分院家庭網路科技中心鄭耿璽工程師、鄭合詞副工程師,“感測器技術於智慧型車輛防撞之技術現況與趨勢”,2006年6月
[4] A. Discant, A. Rogozan, C. Rusu and A. Bensrhair, “Sensors for obstacle detection a survey,” 30th International Spring Seminar on Electronics Technology, Cluj-Napoca ROMANIA, pp. 100-105, 2007.
[5] B. Barshan, and R. Kuc, “Differentating sonar reflections from orners and planes by employing an intelligent sensor ”IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol.12, No.6, pp.560-569, June 1990.
[6] M. Hebert, “Active and passive range sensing for robotics”, Proc. Int. Conf. on Robotics and Automation, San Francisco, CA, April, pp. 102-110, 2000.
[7] L. Zhang and B. K. Ghosh, “Line segment based map building and localization using 2D laser rangefinder”, Proc. IEEE Int. Conf on Robotics and Automation, pp.2538-2543, 2000.
[8] M.Rioux,F. Blais,J. Beraldin and P.boulanger,“Range imaging sensors development at NRC Laboratories”, Interpretation of 3D Scenes”, pp.154-160,1990.
[9] 郭嘉興，“遠端監控功能之順從式足型機器人”，國立中央大學電機工程系碩士班，碩士論文，民國93 年
[10] W. G. Han, S. M. Baek and T. Y. Kuc, “Genetic algorithm based path planning and dynamic obstacle avoidance of mobile robots,” 1997 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, Vol.3, pp.2747-2751, 1997.
[11] X. Hu, C .Xie, “Niche genetic algorithm for robot path planning,” Third International Conference on Natural Computation, pp 774-778, 2007
[12] S. X. Yang and M. Meng, “An efficient neural network approach to dynamic robot motion planning”, Neural Networks, Vol. 13, pp. 143-148, 2000.
[13] M. Sharir, “Algorithmic motion planning in robotics”, Computer, Vol. 22, pp. 9-19, March 1989.
[14] M. B. Montaner and A. R. Serrano, “Fuzzy knowledge-based controller design for autonomous robot navigation,” Expert Systems with Applications, Vol. 14, pp. 179-186, 1998
[15] R. Chatterjee and F. Matsuno, “Use of single side reflex for autonomous navigation of mobile robots in unknown environments.” Robotics and Autonomous Systems, Vol. 35, pp. 77-96, 2001.
[16] J. E. N. Rico, A. Ismael, G. O. Juan and E. F. Camacho, “Mobile robot path tracking using a robust PID controller,” Control Engineering Practive, Vol. 9, No. 11, pp. 1209-1214, 2001.
[17] Z. P. Jiang and N. Henk, “Tracking control of mobile robots: a case study in back stepping,” Automatica, Vol. 33, No. 7, pp. 1393-1399, 1997.
[18] E. Maalouf, M. Saad, and H. Saliah, “A higher level path tracking controller for a four-wheel differentially steered mobile robot”, Robotics and Autonomous Systems 54, pp.23-33, 2006
[19] 施宗榮，“GPS於模型車自動導控系統之設計與應用”，國立中央大學電機工程系碩士班，碩士論文，民國88 年
[20] H. Makela and K. Koskinen, “Navigation of outdoor mobile robots using dead reckoning and visually detected landmarks,” IEEE Fifth International Conference on Advanced Robotics, Robots in Unstructured Environments, Vol. 2, pp. 1051-1056, June 1991.
[21] M. W. Han and T. Kolejka, “Artificial neural networks for control of autonomous mobile robots,” Intelligent Manufacturing System, pp. 157-162, 1994.
[22] P. Kampmann and G. Schmidt, “Indoor navigation of mobile robots by use of learned maps,” Information Processing in Autonomous Mobile Robots, Proceedings of the International Workshop, pp. 151-169, 1991.
[23] Parallax Inc, Motor Mount and Wheel Kit (#27971) with Position Controller (#29319)
[24] C. Ye and J. Borenstein, “Characterization of a 2-D laser scanner for　mobile robot obstacle negotiation,” IEEE International Conference　on Robotics & Automation, pp.2512-2518, 2002
[25] Hokuyo Automatic co Ltd, URG-Series Communication Protocol Specification (SCIP Version2.0)
[26] Parallax Inc, BASIC Stamp® 2px Microcontroller (BS2PX-IC) Brief
[27] Parallax Inc, ZX-BLUETOOTH Slave Embedded Serial Bluetooth board
[28] R.C. Gonzalez and R.E. Woods, ‘‘Digital image processing second edition,’’ Addison-Wesley Publishing, NY, 2002
[29] 陳俊達，“以頭部姿勢辨識應用於家電與足型機器人之研究”，國立中央大學電機工程系碩士班，碩士論文，民國98 年
[30] C.C.Wong, H.Y.Wang, K.HChen, C.J.Yu, and H.Aoyama, “Motion controller design for two-wheeled robot based on a batch learning structure”, SICE Annual Conference 2008, pp.772-776, 2008
[31] 鄭永順，“輪型機器人之自動航行與路徑規畫”，國立中央大學電機工程系碩士班，碩士論文，民國94年
[32] 李欽舜，“輪型機器人之運動控制與避障路徑規畫”，國立中央大學電機工程系碩士班，碩士論文，民國93年
[33] 王文俊，認識Fuzzy 第三版，全華書局，2001
[34] D.Chen, L.Zhan, X.Chen, “Mobile robot Path planning based on Behavior Information Potential Field in unknown Environments”, Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, pp.683-687, 2004
[35] 周鵬程，“遺傳演算法原理與應用-活用MATLAB”，全華書局，2001年
[36] 黃肆海，“混合型模擬退火法於結構工程之應用”，國立成功大學航空太空工程研究所，碩士論文，2003年

指導教授

鍾鴻源(Hung-Yuan Chung)

審核日期

2010-7-17

推文