實驗 C - 實測區間型權重卡爾曼濾波於簡單環境之效果與分析

由模擬實驗 B 中可看出區間權重型卡爾曼濾波器濾波修正效果優於傳統卡爾曼濾 波^,在此實驗 C將以實驗 B之參數系統模型觀察機器人於實測環境中效果^,比較在簡單 環境下區間型權重卡爾曼濾波器濾波效果是否同於模擬實驗 _B 結果 。 實測環境設定在長 400 cm 、 寬 _{150 cm} 、 高 _{60 cm} 之保麗龍牆面與黑色地磚場地中 ^,其環境場地上方架 設一台無線網路攝影機 EdimaxIC-3115W ,如圖 _4.24 。 經無線網路攝影機透過網路即 時錄影^,紀錄機器人避障導航之移動軌跡^,以供後續作分析與討論 。

60cm 370cm

圖 _4.24: 實測影像架設之直線環境

實驗中分別設定針對正向 ₀ 度角與傾斜 ₃₀ 度角於直線場地兩種角度擺向作測試 ^, 如圖 _4.25。 經由實驗觀察對於角度差異^,其濾波修正效果是否如模擬實驗中區間型權重 卡爾曼濾波器仍保有其優越性 。 實驗中初始參數設定為:

圖_4.25: 直線之環境

• 卡爾曼濾波參數 : ˆX0 = ˆP0 = 35 , Ak = Bk = Hk = I , Qk = 0.0001 , Rk = 0.001。

• 區間型權重卡爾曼濾波為: ˆX0^I = ˆP0^I = [33 36] , A^I_k = B^I_k = H_k^I = 單位區間矩 陣_{, Qk} = 0.0001 , Rk = 0.001。

其兩種環境實測移動路徑結果如圖_4.26與_{4.27 ,}圖中藍色圓點為機器人起始點 ^,紅色圓 點為機器人停止點^, 白色箭號為機器人移動方向^,綠色線為其機器人移動路徑軌跡 。 以 下為各個不同角度實驗說明:

• 正向 0 度角環境:機器人以左向右方式移動於環境場地中^,如圖 4.26。 由實驗結 果路徑圖可觀察出卡爾曼濾波 、 區間型卡爾曼濾波與區間型權重卡爾曼濾波三種方 式^,在此環境中機器人移動上並沒有太多偏移量^, 但可觀察在對於感應器有誤差時 卡爾曼濾波效果不佳 ^,導致路徑上有些微的偏差 ^,如圖_4.26。 由實驗超音波與輪轉 速數據^, 可觀察得之應用區間型卡爾曼濾波與區間型權重卡爾曼濾波^, 所量測超音 波數據小於 _{15 cm} 之警示次數少於卡爾曼濾波^,顯示在簡單環境區間型卡爾曼濾 波與區間型權重卡爾曼濾波下有不錯的效果^,而由輪轉速變異量可發現 ^,卡爾曼濾

(a)卡爾曼濾波器

(b)區間型卡爾曼濾波器

(c) 區間型權重卡爾曼濾波器

圖_4.26: 直線環境正向 ₀ 度角之路徑圖

波存在有部分變異量高達 _{101-200 ,}這導致機器人在移動上會有忽快或忽慢的不穩 定情況^, 而反觀區間型卡爾曼濾波與區間型權重卡爾曼濾波都有著低變異量^,使機 器人穩定移動及偏移量低^,如表 _4.5 與圖_4.28 。

(a)卡爾曼濾波器

(b)區間型卡爾曼濾波器

(c) 區間型權重卡爾曼濾波器

圖 _4.27: 直線環境傾斜 30度角之路徑圖

• 傾斜₃₀度角環境:機器人以左向右方式移動於環境場地中^,如圖_4.27 。 由實驗結 果路徑圖可觀察出區間型權重卡爾曼濾波對於變化下有較佳的濾波靈敏度與反應及 時效果^, 而區間型卡爾曼濾波在環境變化下則失去濾波效果^,使機器人貼行沿牆面 移動 。 而由實驗超音波與輪轉速數據得知應用區間型權重卡爾曼濾波所量測超音波

表 _4.5: 直線環境正向 ₀ 度角_SA 變異量之結果 變異量 _0-1 2-3 4-5 6-10 11-20 21-200

KF 194 4 0 6 2 12

IKF 212 2 3 0 0 1

WIKF 213 4 1 0 0 0

0 50 100 150 200 250

0 ~ 1 2 ~ 3 4 ~ 5 6 ~ 10 11 ~ 20 21 ~ 200

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KF IKF WIKF

圖_4.28: 直線環境正向₀ 度角 _SA 變異量之分布

數據^,小於_{15 cm}之警示次數少於其他方法 ^,且在輪轉速變異量上小 ^,使機器人穩

定移動^, 如表 _4.6 與圖 _4.29。

由實驗 _B 得知區間型權重卡爾曼濾波有其較佳濾波修正效果 ^,使機器人有穩定的移 動路徑及安全的距離 。 而區間型卡爾曼濾波則因為先前所提到的發散效果導致濾波不佳^, 此方法不適用於研究中 。

表_4.6: 直線環境傾斜 ₃₀度角 _SA 變異量之結果