雷射測距儀應用於輪型機器人自動導航

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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)

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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

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指導教授

鍾鴻源(Hung-Yuan Chung)

審核日期

2010-7-17

推文