無使用控制器之機器人直線來回實驗

無使用控制器之機器人來回實驗，機器人由起始位置出發，以前章節所述之 演算法同時定位並建立地圖，當機器人到達所設定之目標點後，下達反向之速度 命令使機器人朝向角與運動方向迴轉 180 度，由此開始，機器人以建立好之特徵 點地圖資料庫做定位系統運算，當機器人回到起始點附近時，重新改變速度命令 使其運動方向與朝向一致，機器人便在這兩個速度控制變化下不斷重複運行，本 實驗以機器人來回一次為一趟，整個實驗來回 5 趟，移動距離約 30 公尺。

機器人由起點出發，系統同時定位與建立地圖將影像所取得的資訊化為特徵 點地圖資料庫並修正機器人狀態，建立地圖的階段是從起點開始直到三公尺遠的 折返點，當機器人完成最後一次地圖建立與修正機器人狀態後，運動命令使機器 人以後退的方式移動，此時系統從地圖建立的模式轉換為使用已建立之地圖資料 庫的模式，從此刻開始直到機器人停止運行系統使用已建立之地圖資料庫修正機 器人的姿態以及資料庫特徵點的三維座標。

使機器人在以此前進與後退之運動模式的情形下，我們發現機器人會有明顯 的角度變化，並隨著來回之次數提高，其角度差與起始朝向的差異也越嚴重，其 原由來自於本論文所使用之機器人移動平台架構，本論文所使用之移動平台為雙 獨立驅動輪，並於後方裝設一輔助輪，使機器人能自由且平滑的移動，但是，機 器人以直線前進後運動命令反向 180 度不轉朝向直接後退，輔助輪轉向必頇隨運 動方向轉 180 度，在這轉向過程中影響了原本機器人的朝向角，在機器人的運動 控制上，這會是個惱人的控制結果，但對於本論文而言，卻是驗證定位系統在機

器人狀態發生變異時是否能正確修正的極佳情境，而與 5.4.2 節利用運動制器修 正機器人朝向角的實驗不同之處在於，本小節之實驗驗證當機器人狀態發生變化 時定位系統之成效，5.4.2 節則證實以此定位系統的結果，我們能使機器人運行 於設定之軌跡，從而達到導航之目的。

圖 5.7 為機器人在本實驗所擷取之實際運行狀況，每一個子圖上方為機器人 實際於環境中的運行影像，在初始狀態下，機器人右輪對準綠色膠帶所標示的直 線上(如圖 5.7 的(a))，接著(b)~(h)則分別取機器人接近三公尺目標點與起始點之 結果，由子圖上方之外拍影像，可以觀察到機器人隨著來回趟數的增加，其偏離 原始設定之直線路徑越來越多，而子圖下方影像則為定位系統所得到之機器人狀 態向量和移動軌跡，以及環境特徵點地圖建立的結果，其中藍色箭頭為機器人狀 態，其箭頭尖端代表當時機器人的二維座標點，箭頭方向為機器人朝向，黃色箭 頭則是機器人之運動方向，箭頭長度則為速度與角速度總值之強度，藍色線條為 估測之機器人移動軌跡，而環境中散佈的特徵點，其中白色點為帶有距離的特徵 點，但不作為定位系統所使用，而紅色點則做為定位系統之輸入，由實驗結果所 估測的機器人移動軌跡與實際機器人在環境中行進的路線做比較，可以發現估測 的機器人軌跡隨著機器人來回的移動逐漸偏離原本設定的直線路徑，顯示系統能 夠藉由已建立之地圖特徵點訊息有效的估測機器人姿態，使估測的機器人狀態與 實際的機器人位置相符。

圖 5.8 為本實驗實驗結果與實際環境配置結合圖，其中藍色點為帶有距離資 訊之特徵點，其不做為定位系統之輸入，紅色點則為定位系統所使用，藍色線段 為整個實驗機器人的路徑軌跡，實際機器人的運動過程，機器人由前進轉為後退 再由後退轉為前進，隨著運行的時間越久，機器人朝向角的偏移越大，機器人姿 態也就與原本設定的直線軌跡相差越遠，而以本論文的系統所估測出來的機器人 路徑也是逐漸偏移的直線，顯示整體估測的趨勢是正確的，而位置估測的精確程 度本論文以機器人停在原點附近的估測值和量測值作為評估的依據。

本次實驗定位系統估測結果與實際位置的比較圖如表 5.3，量測的機器人位

圖 5.7 機器人來回實驗之過程變化圖

圖 5.8 無控制器直線來回實驗結果與實際環境配置對照圖

置資訊為靠近起始點附近的位置，Ground truth 的量測是將機器人初始狀態之座

標系統對應於實際環境中，量測機器人停置後的二維平面座標以及朝向角，其與 定位系統估測之機器人狀態資訊間的差異，以表 5.3 計算機器人位置與朝向角的 平均誤差，由實驗結果統計得知，X 方向的平均誤差為 3.98 公分，Y 方向的平 均誤差為 1.47 公分，平均角度差則為 2.32 度，圖 5.9 將二維平面座標的差值以 及角度差以直條圖的方式表示。

表 5.3 無控制器直線來回實驗之機器人位置估測結果 Ground truth EKF Estimation Error x(cm) y(cm) (°) x(cm) y(cm) (°) x(cm) y(cm) (°)

Experiment 1 19.67 28.91 96.32 18.21 31.35 99.5 -1.46 2.44 3.18 Experiment 2 22.31 27.86 98.5 17.03 27.29 96.67 -5.28 -0.57 -1.83 Experiment 3 18.21 29.21 97.8 12.83 28.46 95.32 -5.38 -0.75 -2.48 Experiment4 12.91 77.61 97.8 9.12 75.49 96.02 -3.79 -2.12 -1.78

(a) 二維座標誤差

(b) 角度差

圖 5.9 無控制器直線來回實驗之誤差直條圖

0 1 2 3 4 5 6

1 2 3 4

cm

order

X error (cm) Y error (cm)

0 1 2 3 4

1 2 3 4

degree

order

Angle error

圖 5.10 記錄無路徑控制器之機器人人直線來回實驗的運對軌跡，以本論文 所設計之定位系統所估測的機器人路徑，隨著來回趟數的增加機器人朝向角的變 化也越大，使得 X 方向的位移也越嚴重，而定位系統能正確的修正機器人狀態 向量，使估測結果趨近實際情況。