第四章 機器人軟硬體環境
5.2 研究實施與環境地圖建構之步驟
這小節主要是介紹環境方格地圖建構之步驟流程，圖 5-1 地圖建構流 程圖。
1. 建立一張全域方格地圖，未偵測空間(值為 2)。
2. 設定移動機器人的初始座標。
3. 移動機器人啟動邊尋功能，同時在邊尋過程中利用超音波感測器取得 環境周遭資訊。
4. 利用超音波偵測結果，取得移動機器人所在座標資訊P x y( ,r r)並且取得 障礙物座標位置。
5. 做邊緣臨界值判斷。
6. 聚集特徵點，將方格狀態填入，使用方格狀態:障礙物(值為 1)、空曠 空間(值為 0)、未偵測空間(值為 2)。
7. 判斷是否邊尋結束，若尚未則回到步驟 3。
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系統初始畫面:主要是建立 IPC 與微處理機之間的連 線。
設定起始點:機器人會依據 起始點(紅色方格)進行繪 製地圖的動作。
方格狀態偵測:依據所偵測 到的特徵點藉由特徵點聚 集辨識後將方格狀態繪出。
綠色方格:未偵測空間 紅色方格:初始位置 白色方格:自由空間 黑色方格:障礙物 完成繪製。
圖 5-1 地圖建構流程圖
5.3 環境測試與分析
本論文使用的超音波感測器之最大範圍 338cm，所以只要距離超過 338cm 即無法量測出正確的數值，因此在偵測上必須在於超音波最大範圍之內做要往左轉修正，圖 5-2 所示。
圖 5-2 邊尋偏差修正數據圖
第三項測試:主要是關注在入射角過大而產生偵測上產生誤差，在此將 藉由實驗來取得我們所需要的正確偵測範圍區間，首先機器人距離牆面 5 公分來做量測至 60 公分為止，前方超音波做 90 度的旋轉偵測，在此我們 能夠觀察出超音波偵測時所產生反射之角度，此測試可以讓機器人操作在 合理與安全範圍之內進行環境特徵的擷取，圖 5-3 入射角操作範圍，本研 究在環境擷取的操作上只要是操作在黑色區域中都可以得到正確的數 據，則操作在白色區域中就可能在偵測上造成超音波反射而導致數據不正 確。
圖 5-3 入射角操作範圍
第四項測試:方格中環境特徵點經由多次實驗數據統計主要特徵點達
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到 9 個時佔有率已達到 5 成，因此將門檻值 定義為 9，圖 5-4 聚集特徵 點之門檻值。
TH
9 TH =
圖 5-4 聚集特徵點之門檻值
5.4 實驗環境規劃
此小節主要先規劃出測試環境來做地圖建構，環境由簡單至複雜分別 規劃，利用保麗龍板與紙板隔成環境，並透過不同區域位置來觀察地圖建 構之狀態，測試環境分為四個分別為圖 5-5、圖 5-6、圖 5-7 與圖 5-8 表示。
圖 5-5 方形無障礙環境(Case1)
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圖 5-6 方形有障礙環境(Case2)
圖 5-7 研究室內環境(Case3)
圖 5-8 研究室內環境(Case4)
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5.5 實驗環境地圖建構
此章節將介紹四個環境所建構出來的地圖，並且將方格比對數呈現出 來再利用準確度與信賴度來對地圖做性能評估。
5.5.1 Case1 環境
機器人由起始點進行環境搜尋動作，進行邊尋模式開始時機器人必先 檢查是否定位於起始點，一開始放置機器人於起始點並且車頭會先轉至北 方、記錄離牆距離與前方距離做為原點位置修正之依據資料，提供第 2 次 以上邊尋時原點修正結束後才進行邊尋模式，環境為方形無障礙環境 Case1，本研究設計邊尋距離設為 20cm、偏差範圍介於 1cm 之間並且在邊 尋過程中不斷作調整，圖 5-9 為邊尋路徑點，經由實驗測試結果可以得知 原點偏差 x 軸:-0.98、y 軸:-1.15 在容許範圍之內，邊尋時的偏差修正情況 由圖 5-10 可得知。
圖 5-9 邊尋路徑點
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圖 5-10 邊尋修正情況
下列實驗在 Case1 因此 Case1 環境範圍區域較小所以方格尺寸大小設
定 與5 5 2，分別對未使用邊緣臨界值判斷與邊緣臨界值判斷在
相同環境裡各作實驗，主要是特徵點會落在邊緣上讓特徵點無法準確判斷 而使機器人在移動時會造成碰撞，因此可以將移動安全範圍擴大來避免碰 撞發生，下列圖可以明顯表現出來，圖 5-11 實際環境(Case1)、圖 5-12 特 徵點分佈(Case 1)、圖 5-13 未經邊緣臨界值判斷 (Case1)、圖 5-14 邊 緣 臨 界 值 判 斷 (Case1) 、 圖 5-15 邊 緣 臨 界 值 判 斷 (Case1)5 5 ，因此，地圖建構時為了方便辨識狀態，在此利用四種不同 顏色來分別表示方格狀態:自由空間(狀態 0:白色)、障礙物空間(狀態 1:黑 色)、未偵測空間(狀態 3:綠色)及紅色為機器人起始點。
10 10cm× 2
×
× cm
2
10 10cm× 2
10 10cm× 2
cm
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圖 5-11 實際環境(Case1)
圖 5-12 特徵點分佈(Case1)
圖 5-13 未經邊緣臨界值判斷10 10cm× 2(Case1)
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圖 5-14 邊緣臨界值判斷10 10cm× 2(Case1)
圖 5-15 邊緣臨界值判斷5 5cm× 2(Case1)
下述表 5-3 與表 5-4 呈現 Case1 環境所建構出來的方格狀態表，再由
圖 5-16、圖 5-17 分別將 與 方格狀態數量圖來做比較，其
中參考地圖之定義，主要將實際環境尺寸放至不同方格內，再與電子羅盤 配合將環境與北方夾角考量進去，只要有環境邊緣或障礙物經過的方格即 表示障礙物空間，相反，境邊緣或障礙物未經過的方格即表示自由空間與 未偵測空間，最後將定義的參考地圖方格數量與建構地圖作比較。
10 10cm× 2 5 5cm× 2
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表 5-3 Case1 地圖方格狀態表10 10cm× 2 狀態
環境 自由空間 0 障礙物空間 1 未偵測空間 2 Total
Case1 115 62 0 177
Case1(邊) 112 65 0 177
Case1(參考地圖) 112 54 0 166
圖 5-16 Case1 方格狀態數量圖(
表 1 地圖方格狀態表
狀態 環境
自由空間 0 障礙物空間 1 未偵測空間 2 Total 10 10cm× 2)
5-4 Case 5 5cm× 2
Case1 422 137 0 559
Case1(邊) 415 44 0 559 1
Case1(參考地圖) 507 89 0 596
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圖 5-17 Case1 方格狀態數量圖(5 5cm× 2)
在 Case1 環境上佈置封閉正方形環境做為測試環境，並且使用小台機
器人做為測試平台，經由測試數據可觀察到尺寸 與 ，自由
空間的狀態方格數量明顯增加至於障礙物空間狀態方格就沒那麼明顯增 加，由此可知尺寸越小可以提升解析度，5.6 節將會介紹性能指標評估。
5 5cm× 2 10 10cm× 2
5.5.2 Case2 環境
下 列 實 驗 在 Case2 因 環 境 範 圍 區 域 較 小 所 以 方 格 尺 寸 大 小 設 定 與5 5 2，分別對未使用邊緣臨界值判斷與邊緣臨界值判斷在相 同環境裡各作實驗，圖 5-18 實際環境(Case2)、圖 5-19 特徵點分佈(Case2) 、 圖 5-20 未經邊緣臨界值判斷 (Case2)、圖 5-210 邊緣臨界值判斷
(Case2)、圖 5-22 邊緣臨界值判斷 (Case2)。
10 10cm× 2
10 10cm× 2
× cm
10 10cm× 2
5 5cm× 2
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圖 5-18 實際環境(Case2)
圖 5-19 特徵點分佈(Case2)
圖 5-20 未經邊緣臨界值判斷10 10cm× 2(Case2)
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圖 5-21 邊緣臨界值判斷10 10cm× 2(Case2)
圖 5-22 邊緣臨界值判斷5 5cm× 2(Case2)
下述表 5-5 與表 5-6 呈現 Case1 環境所建構出來的方格狀態表，再由 圖 5-23、圖 5-24 分別將10 10cm× 2與5 5cm× 2方格狀態數量圖來做比較。
表 5-5 Case2 地圖方格狀態表10 10cm× 2 狀態
環境 自由空間 0 障礙物空間 1 未偵測空間 2 Total
Case2 98 75 4 177
Case2(邊) 95 78 4 177
Case2(參考地圖) 98 65 3 166
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圖 5-23 Case2 方格狀態數量圖(10 10cm× 2)
表 5-6 Case 2 地圖方格狀態表5 5cm× 2 狀態
環境 自由空間 0 障礙物空間 1 未偵測空間 2 Total
Case2 361 169 29 559
Case2(邊) 351 176 32 559
Case2(參考地圖) 392 109 20 521
圖 5-24 Case2 方格狀態數量圖(5 5cm× 2)
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在 Case2 環境上佈置封閉正方形環境裡面多一個障礙物來做為測試環 境，經由測試數據可觀察到尺寸 與 ，由 Case1 與 Case2 環 境比較可以發現我們的方法在處理凹角牆面的區域能力比較不理想，但是 機器人移動都要與牆面維持一定的安全距離，因此凹角牆面讓機器人判斷 是障礙物空間的話可以避免不必要的碰撞。
5 5cm× 2 10 10cm× 2
5.5.3 Case3 環境
環境 Case3 主要是使用電機工場 4 樓研究室內當作測試場景，方格尺 寸設定 與 ，圖 5-25 與圖 5-26 實際測試環境，圖 5-27、
圖 5-28 與圖 5-29 將最後完整地圖呈現。
30 30cm× 2 20 20cm× 2
圖 5-25 測試實驗環境-1(Case3)
圖 5-26 測試實驗環境-2(Case3)
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圖 5-27 未經邊緣臨界值判斷30 30cm× 2(Case3)
圖 5-28 邊緣臨界值判斷30 30cm× 2(Case3)
圖 5-29 邊緣臨界值判斷20 20cm× 2(Case3)
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下述表 5-7 與表 5-8 呈現 Case1 環境所建構出來的方格狀態表，再由 圖 5-30、圖 5-31 分別將30 30cm× 2與20 20cm× 2方格狀態數量圖來做比較。
表 5-7 Case3 地圖方格狀態表30 30cm× 2 狀態
環境 自由空間 0 障礙物空間 1 未偵測空間 2 Total
Case3 117 89 4 210
Case3(邊) 117 89 4 210
Case3(參考地圖) 135 69 3 207
圖 5-30 Case3 方格狀態數量圖(30 30cm× 2)
表 5-8 Case3 地圖方格狀態表20 20cm× 2 狀態
環境
自由空間 0 障礙物空間 1 未偵測空間 2 Total
Case3 320 147 14 481
Case3(邊) 326 143 12 481
Case3(參考地圖) 350 103 13 466
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圖 5-31 Case3 方格狀態數量圖(20 20cm× 2)
在 Case3 環境上以研究室室內做為測試環境，並且使用大台機器人做
為測試平台，由於測試環境較大因此尺寸使用 與 來建
構，比較不適合使用比 更小的尺寸來建構地圖，5.6 節將會介紹
性能指標評估。
20 20cm× 2 30 30cm× 2 20 20cm× 2
5.5.4 Case4 環境
環境 Case4 主要是使用電機工場 4 樓研究室內當作測試場景，方格尺 寸設定 與 ，圖 5-32、圖 5-33 實際測試環境，圖 5-34、
圖 5-35 經邊緣判斷後完整地圖呈現。
30 30cm× 2 20 20cm× 2
圖 5-32 實際測試環境-1(Case4)
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圖 5-33 實際測試環境-2(Case4)
圖 5-34 邊緣臨界值判斷30 30cm× 2(Case4)
圖 5-35 邊緣臨界值判斷20 20cm× 2(Case4)
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下述表 5-9、表 5-10 呈現 Case4 環境所建構出來的方格狀態表，再由 圖 5-36、圖 5-37 分別將30 30cm× 2與20 20cm× 2方格狀態數量圖來做比較。
表 5-9 Case4 地圖方格狀態表(30 30cm× 2) 狀態
環境 自由空間 0 障礙物空間 1 未偵測空間 2 Total
Case4 107 86 1 194
Case4(邊) 109 84 1 194
Case4(參考地圖) 138 69 0 207
圖 5-36 Case3 方格狀態數量圖(30 30cm× 2)
表 5-10 Case4 地圖方格狀態表(20 20cm× 2)
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狀態
環境 自由空間 0 障礙物空間 1 未偵測空間 2 Total
Case4 313 136 2 451
Case4(邊) 313 136 2 451
Case4(參考地圖) 349 117 0 466
圖 5-37 Case3 方格狀態數量圖(20 20cm× 2)
在 Case4 環境上以研究室室內做為測試環境，並且使用大台機器人做 為測試平台，5.6 節將會介紹性能指標評估。
5.6 性能指標評估
此小節藉由 5.5 節所述得到的方格狀態數量，並且找出方格狀態之比 對數量來做兩種系統性能指標:1.方格狀態準確度、2.信賴度，針對本論文 所建構之地圖做詳細探討。
5.6.1 性能指標評估Case1 與Case2
表 5-11、表 5-12 分別表示環境 Case1 與 Case2 與不同尺寸之狀態比對 數與準確率，表 5-13 依據地圖經由邊緣判斷後的地圖來做信賴度的評估。
表 5-11 系統性能指標 1:方格狀態準確度(地圖尺寸10 10cm× 2) 環境 Case1 Case1(邊) Case2 Case2(邊)
方格狀態比對數 142 145 136 139
方格狀態準確率% 85.5 87.4 81.9 83.7
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表 5-12 系統性能指標 1:方格狀態準確度(地圖尺寸5 5cm× 2)
表 5-15 系統性能指標 1:方格狀態準確度(地圖尺寸20 20cm× 2)
表 5-18 系統性能指標 1:方格狀態準確度(地圖尺寸20 20cm× 2)
圖 5-38 環境建構時間
由圖 5-38 可以觀察到相同環境之下經過邊緣判斷過後的時間與沒有 經過邊緣判斷所需時間有些微不同，並且建構所需要的時間會因搜尋的室 內面積大小而有所改變。
圖 5-39 尺寸飽和區間
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由圖 5-39 可觀察方格尺寸介於 至 方格狀態準確度
上的表現都超過 80%以上，其他方格尺寸方格狀態準確度上的表現都低於
80%以下，因此，方格尺寸設計上取 至 之間方格狀態準
確度表現上會比其他尺寸好。
20 20cm× 2
20 20cm× 2
40 40cm× 2
40 40cm× 2
5.7 地圖擴充
最後本論文對已建構的地圖在擴充區域的問題上，在此會做討論，要 擴充地圖區域的話，首先必須將機器人放置 Case3 初始點做原點修正後做 為擴充位置基礎點才能進行地圖區域之擴充，這樣可以降低在於不同位置
最後本論文對已建構的地圖在擴充區域的問題上，在此會做討論，要 擴充地圖區域的話，首先必須將機器人放置 Case3 初始點做原點修正後做 為擴充位置基礎點才能進行地圖區域之擴充，這樣可以降低在於不同位置