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避障模式─水平障礙物閃避機制

第三章 系統架構分析

3.2 機器人導航

3.2.6 避障模式─水平障礙物閃避機制

輪軸 機器人中心

機器人 轉軸中心

10cm 15cm 25cm 25cm

圖 3-17 機器人相關規格

機器人在移動時主要以循邊模式為主,當遇到障礙物時在進行避障模式 來防止撞擊。接下來要介紹機器人在實際環境中行走時會遇到的情況,並且 依照機器人轉軸中心來設計移動規則中的一些距離參數,讓機器人在轉彎後 都能夠與牆面保持循邊模式中所設定的距離值。

本研究之機器人移動控制流程圖,如圖 3-18 所示。一開始機器人需要 先進行初始定位,如人工定位和設備的初始化。接著利用前方的雷射測距儀 量測走道寬度,若走道寬度大於 1 公尺則機器人可以進入該走道進行地圖建 構任務;反之,則進入窄巷規則,如圖 3-19(a)所示。當右側之雷射測距儀偵 測到大於或等於 4 公尺的距離資料時,則代表機器人的右方有走道,此時進 入右轉規則,如圖 3-19(b)所示。如果沒有右轉的情況時,則在判斷前方雷 射測距儀所偵測的距離資料是否小於或等於 55 公分。若條件達成,則進入 左轉規則,如圖 3-19(c)所示,反之持續執行循邊模式。

窄巷規則主要是為了防止機器人進入無法行走的走道而設計。但是為了 地圖能夠較為完整,所以場景還是需要進行掃描,然後在迴轉離開。

右轉規則會先讓機器人前進 50 公分後再右轉 90°的用意在於讓機器人

開始

3.3.1 環境根點之定義

其中θ 為電子羅盤指向的方向與地磁北極所夾之角度;Sm為作用在 Xm

TL C D

3.4.1 環境資訊擷取流程

雷射測距儀所擷取到的資料為一條直線上的距離資訊,並非一整個平面 的距離資訊。然而,若改變雷射測距儀的高度或是掃描的俯角,並組合不同 高度或是俯角下取得的距離資訊,就可以取得整個平面的距離資訊。因此,

本研究利用裝載在機器人上的掃描平台使雷射測距儀由上而下掃描並擷取 空間中雷射測距儀與物體之間的距離資訊。

本研究所使用的雷射掃描機構,如圖 3-24 所示,是將雷射測距儀固定 在掃描平台上,其運作流程圖如圖 3-25 所示,其中 i 為現在已掃描的次數;

scan_times 為平台掃描的所需次數。掃描平台運動範圍為俯角 19°至傾角 59°;

雷射測距儀掃描的範圍為 45°到 135°。首先,將掃描平台轉動到初始掃描位 置。接著利用雷射測距儀掃描得到距離資訊,若未達平台掃描的所需次數,

則會調整平台的角度讓測距儀可以得到不同角度的距離資訊。若達到平台掃 描的所需次數,平台復歸到初始掃描位置。

圖 3-24 雷射掃描機構

開始

平台到達初始掃描位置

雷射測距儀掃描

i=scan_times?

掃描平台移動

結束 是

復歸

i+1

圖 3-25 雷射掃描流程圖 3.4.2 雷射資料修正

研究者將雷射測距儀裝置在掃描平台上,藉由改變掃描平台的俯角的方 式,掃描整個平面的距離資訊。然而,藉由此機構所得的距離資訊是將空間 中的距離資訊投影至球面,而非投影到平面上,所以會造成誤差。因此,需 要進行雷射資料的修正,以取得正確的值,其示意圖如圖 3-26。

要將投影於球面的距離資訊轉換到平面時,需要將每個點的距離資訊、

掃描角度和掃描平台的俯角納入修正的公式當中。首先,將 X 軸所得之距 離資訊做修正,如圖 3-26(a),並以 3-6 式作運算。接著對 Y 軸所得之距離 資訊作修正,如圖 3-26(b),並以 3-7 式作運算。

θ

HD

其中θVD為掃描平台的傾斜角度;D 為雷射測距儀所回傳的距離資訊;

θHD為雷射測距儀掃描的角度;xc、yc分別為機器人所在位置的座標;zc為 雷射測距儀所在的高度。

3.4.4 雷射資料的擷取方法(一)─全掃描

本研究所使用的第一種擷取方法為全掃描。機器人依照先前所設計的移

動方式於空間中移動。機器人由起始點出發,每前進 1 公尺就掃描環境資訊 一次,其中掃描一次完整的資料量為掃描平台由下而上取得 180 筆不同高度 的資料,每一筆雷射測距儀所回傳的資料為 180 筆,即完整掃描完一次為 180 筆×180 筆。

由於雷射測距儀距離越遠的資料會有所誤差,所以研究者擷取位於機器 人前方 3.5 公尺至 4.5 公尺之間較為準確的距離資料作聯集,並以聯集後的 資料代表前方 3.5 公尺至 4.5 公尺之間的值。當前方出現牆面而導致不足 3.5 公尺時,則只取牆面的相關距離資料作為增強牆面資料。

3.4.5 雷射資料的擷取方法(二)─關鍵點全掃描

由於 3.4.4 小節的擷取方法所花費的時間較長,因此本研究所使用的第

二種方法為簡化全掃描的方法,其機構與全掃描相同,不同點在於減少擷取 環境資訊的位置數量。此方法的主要內容為機器人移動至關鍵根點時才進行 擷取環境資訊的動作。其中掃描一次完整的資料量為掃描平台由下而上取得 180 筆不同高度的資料,每一筆雷射測距儀所回傳的資料為 180 筆,即完整 掃描完一次為 180 筆×180 筆。藉由取得多個關鍵根點掃描的環境資訊,經 過座標轉換和結合建構出完整地圖。

3.4.6 雷射資料的擷取方法(三)─特定掃描

由於本研究的實驗場景為固定且構造簡單,因此本研究所使用的第三種

方法為簡化全掃描的方法,其機構與全掃描相同,不同點在於取值的方式不 同。此方法的主要內容為機器人移動至關鍵根點時才進行擷取環境資訊的動 作。每次所擷取的環境資訊為 3 筆,分別為掃描平台俯角 19°、掃描平台與 地面平行和掃描平台傾角 59°。

藉由取得俯角 19°和傾角 59°的數值計算出地面至天花板的距離,而利 用與地面平行的掃描資料來計算場景的平面座標,最後將平面座標和地面至 天花板的距離結合建構出完整地圖。

3.4.7 雷射資料的擷取方法(四)─簡要掃描

由於本研究的實驗場景為固定且構造簡單,因此本研究所使用的第四種 方法為快速擷取。此方法的主要內容與特定掃描類似,機器人移動至關鍵根 點時才進行擷取環境資訊的動作,不同的地方在於機構和擷取的資料數。在 機構方面,藉由將放置雷射測距儀的高度降低,可以避免水平掃描時雷射穿 透玻璃的情況產生。在擷取資料數方面,每次所擷取的環境資訊為 2 筆,分 別為掃描空間的水平面與垂直面,其水平和垂直掃描機構如圖 3-27 所示。

藉由取得空間水平面的距離值得以運算出場景的平面座標;空間垂直面 的距離值得以運算出場景的高度值,最後將平面座標和高度值結合建構出完 整地圖。

48 公分 12 公分

25 公分

(a) (b)

48 公分 5公分

25 公分

(c) (d)

圖 3-27(a)水平掃描機構(b)水平掃描規格(c)垂直掃描機構(d)垂直掃描規格

3.5 立方地圖建構

經過 3.2 節至 3.4 節分別介紹本研究中會使用的機器人導航與雷射資料 處理。本節將要介紹如何利用雷射測距儀所回傳的距離資訊進行表示。

本研究擷取環境資訊的方法是由移動機器人上的掃描平台使雷射測距 儀由上而下掃描並擷取空間中雷射測距儀與物體之間的距離資訊進行空間 座標的運算,進而將此結果轉換到立方地圖(Voxel Map)來表示。其中,立方 地圖是基於方格地圖(Grid Map)發展而成,並將在之後的小節作詳細說明。

3.5.1 正立方體規劃與設計

45°、90°、135°、180°、225°、270°和 315°,如圖 3-29 所示。X 軸與 Y 軸的

3.5.3 立方地圖之狀態登錄

立方地圖主要是用來表示機器人利用感測器所認知到的環境。立方地圖 是由 n3 cm3 的正立方體所組成,每個正立方體都有值來表示,稱為環境值 (Environment Value, EV)。EV 有三種狀態─空曠空間、佔有障礙物空間和未 偵測空間。

在地圖建構之前,研究著先預設地圖中每個正立方體的環境都為未偵測

機器人初始設定

判斷前方是否有堆放物體。若有堆放物體則執行地圖更新,反之則繼續移動 至下一個關鍵根點直到機器人走完空間中的所有關鍵根點。

開始 到達初始定位根

是否為關鍵定位根點 執行循邊模式

與避障模式

執行地圖更新

是否到達終點

結束 執行根點定位

是否有物體堆放

圖 3-32 地圖更新流程圖

第四章 系統設計與實作

腦端將 HOKUYO、RFID 讀取器和電子羅盤所回傳的資訊進而選擇機器人 移動模式。對機器人端而言,電腦端選擇移動模式後,將機器人欲移動的模 式資訊傳送給機器端的 PLC(Programmable Logic Controller)。接著 PLC 讀取 資訊後,利用脈波控制依照所選擇的模式讓機器人做出相對應的移動。整體 之實體圖如圖 4-2 所示。

圖 4-2 實體架構圖

4.2 硬體設備與軟體環境

本節針對本研究會使用到的軟體工具與硬體設備進行介紹與說明如何 應用在實驗中。於軟體工具部分,主要使用 Visual C# 2008、MATLAB、

Parallax Basic Stamp Editor 和 FXGPWIN 進行系統程式編寫;硬體設備部分 則採用雷射測距儀、RFID Reader、電子羅盤、PTZ 掃描平台、PLC 控制器 (FX2N)和機器人趨動。

4.2.1 硬體設備

本小節將要介紹本研究會使用到的硬體設備與在本研究中的使用方式,

主要有六項─雷射測距儀、RFID Reader、電子羅盤、PTZ 掃描平台、PLC 控制器(FX2N)和機器人趨動,以下將對這六項進行詳細介紹。

1. 雷射測距儀

本研究所使用的雷射測距儀主要有兩種─HOKUYO(URG-04LX)與 SICK(LMS100),分別如圖 4-3。兩者之規格如表 4-1 所示。

圖 4-3 雷射測距儀 表 4-1 雷射測距儀規格

種類 HOKUYO (URG-04LX) SICK (LMS100)

掃描角度 240∘ 270∘

掃描距離 4 公尺 20 公尺

角度解析 0.36∘ 0.25∘

傳輸介面 USB2.0 與 RS232 Ethernet

由於 HOKUYO 的掃描距離較近且角度解析較 SICK 低,因此主要應 用於近距離偵測的機器人導航部分,其裝設於機器人前方與左側。裝設 於機器人前方之雷射測距儀主要進行避障模式,而裝設於機器人左側之 雷射測距儀主要進行循邊模式。

由於 SICK 掃描距離較遠且角度解析較 HOKUYO 高,因此將其應用

由於 SICK 掃描距離較遠且角度解析較 HOKUYO 高,因此將其應用

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