第三章 機器人之軟、硬體系統架構與設計
3.8 結論
本章節對整體硬體分成底層系統、距離感測系統、電源系統、馬達控 制系統做詳細介紹，並之後描述介面軟體之功能和設計理念，而將於第五 章使用五個實驗來驗證硬體執行各種動作行為和介面程式之效能。
第四章 移動機器人控制之階層模糊邏輯系統設計
在第四章將介紹本論文使用之階層模糊邏輯系統，分別介紹沿左牆壁 動作行為、沿右牆壁動作行為、靜態避障動作行為、動態避障動作行為、
沿目標物動作行為、抓取動作行為模糊系統。
4.1 簡介
機器人控制中，模糊邏輯控制器被廣泛應用[1]-[6]，但當面臨感測器 輸入數繁多、複雜時，規則數會指數增加，而使移動機器人反應變慢 [8][9][14]。在1991年時，Raju和Zhou等人就提出階層模糊邏輯控制器來解 決規則數增加問題[19]。
例如本論文實驗之機器人共有7個輸入(雷射測距儀3個、紅外線感測 器2個、超音波感測器1個、攝影機輸入1個)，假設每個輸入使用三個歸屬 函數，則共有37=2187條規則，系統會變得相當複雜。但當系統使用階層 模糊系統時，則可解決規則數過多問題[12][13]。
本論文階層模糊邏輯控制器將行為分成六種子動作行為模式如圖4.1 所示：沿左牆壁、沿右牆壁、靜態避障、動態避障、沿目標物、抓取，則 規則數只需要21條 (雷測測距儀4條、沿左牆壁3條、沿右牆壁3條、靜態 避障3條、動態避障3條、沿目標物3條、抓取2條)，系統設計變得相當容 易。本文將所有輸入訊號X1 ~X7（如表4.1所示）分成兩級，輸入X1為第 一級，輸入X2 ~X7為第二級。階層式模糊邏輯系統其之間各個動作行為切 換流程如圖4.3所示
Fuzzy System
Fuzzy Fuzzy Fuzzy Fuzzy Fuzzy
X1
Output Output Output Output
向左 向右
表 4.1 輸入訊號 X1 ~X7資料來源
輸入 輸入訊號資料來源
X1 雷射測儀所測量到的資料，依角度 60~120 度、120~180 度、
0~60 度分割為 X11 、X12 、X13如圖 4.2 所示
X2 Sputnik 機器人上左側紅外線感測器
X3 Sputnik 機器人上右側紅外線感測器
X4 雷射測儀，X11資料
X5 雷射測儀，X11資料
X6 網路攝影機
X7 Sputnik 機器人上前側超音波感測器
X11
X12 X13
機器人俯視圖
X11：60~ 120度 X12：120~180度 X13： 0 ~ 60 度 圖 4.2 雷射測距儀資料分割圖
開始
雷射測距儀 收集資料
靜態障礙物 Yes 執行靜態避障
No
左右障礙物 Yes 執行沿牆壁
No
動態障礙物 Yes 執行動態避障
No
原地旋轉 尋找目標物
發現目標物 Yes 執行沿目標
No
是否抓取距離 Yes
執行抓取
No
圖4.3 動作行為切換流程圖
階層式模糊邏輯系統第一級輸入為雷射測距儀所測量到的資料X11、 X12、X13和X11 , X12 , X13 三者之間的最小值[10][11]。雷射測距儀輸入所規 劃出歸屬函數如圖4.4所示，其模糊規則為：
IF X11 IS NEAR THEN AVOID OBSTACLES,
IF X12 IS NEAR THEN WALK ALONG THE LEFT WALL, IF X13 IS NEAR THEN WALK ALONG THE RIGHT WALL, IF Mim { X11 , X12 , X13 } IS FAR THEN TRACK GOAL.
1
0
cm
NEAR FAR
60 100
圖 4.4 雷射測距儀輸入歸屬函數
4.2 閃避障礙物之模糊邏輯系統
閃避障礙物模糊系統為第二級的模糊系統，本論文依雷射測距儀 X11 資料當作輸入，且依據前筆資料和後筆資料之差異大小來分為靜態或動態 障礙物。靜態障礙物模糊邏輯系統，輸入 X11之歸屬函數如圖 4.5 所示，
其規則為：
IF X11 IS FAR THEN Ө=Q1, IF X11 IS MED THEN Ө=Q2, IF X11 IS NEAR THEN Ө=Q3
其輸出歸屬函數使用單值如圖 4.6 所示，輸出為機器人旋轉角度。
0
cm
Near Med Far
45 65 25
圖 4.5 輸入 X11歸屬函數
120 deg.
60 90
Q1 Q2 Q3
圖 4.6 輸出之歸屬函數
而動態靜態障礙物角度模糊邏輯系統，輸入為 X11 前後筆資料的差，即 Xd=X11(k+1)-X11(k)，其歸屬函數如圖 4.7 所示，其規則為：
IF Xd IS S THEN Ө=Q1 , IF Xd IS M THEN Ө=Q2, IF Xd IS B THEN Ө=Q3
其輸出歸屬函使用單值如圖 4.8 所示，輸出為機器人旋轉角度。
0
cm B
M S
50 75 25
1
圖4.7 輸入Xd歸屬函數
deg.
45 60 20
Q1 Q2 Q3
圖 4.8 輸出之歸屬函數
機器人動態避障礙動作行的旋轉方向由動態移動方向模糊邏輯系統 來決定，輸入為雷射測距儀左右邊 X12 、X13資料當作輸入，其規則為：
IF X12 IS LESS THAN X13 THEN RIGHT ROTATION , IF X13 IS LESS THAN X12 THEN LEFT ROTATION ,
輸出為決定機器人向左原地旋轉或向右原地旋轉，機器人原地旋轉方向即 可尋找較少障礙物方向旋轉。
4.3 沿牆面之模糊邏輯系統
沿牆面之模糊邏輯系統為第二級的模糊系統，輸入 X2 、X3為 Sputnik 機器人上左右側紅外線感測器，左側紅外線感測器輸入 X2其歸屬函數如 圖 4.9 所示，其規則為：
IF X2 IS FAR THEN Ө=Q1, IF X2 IS MED THEN Ө=Q2, IF X2 IS NEAR THEN Ө=Q3
其輸出歸屬函數使用單值如圖 4.10 所示，輸出為機器人行走偏移角度。
偏右行走定義為正，偏左行走定義為負。當機器人沿左牆行走時，左側紅 外線感測器便啟動偵測，當機器人太接近左牆面，機器人下一步就會偏右 前進，機器人即遠離牆面；若左側紅外線感測器偵測到太遠離左牆面，機 器人下一步就會偏左前進，機器人即接近牆面。
0
cm Near Med Far
85 35 60
1
圖 4.9 輸入 X2歸屬函數
40 deg.
Near Med Far
85 60 35
1
圖 4.11 輸入 X3歸屬函數
40 deg.
-40 0
Q1 Q2 Q3
圖 4.12 輸出之歸屬函數
4.4 抓取目標物之模糊邏輯系統
當機器人確定無任何障礙物時，機器人開始原地旋轉，經由 Sputnik 機器人影像尋找紅色目標物，找到目標物後往目標物方向行進。其模糊邏 輯系統輸入為紅色目標物所在的橫向像素點，由左到右 0~176，其輸入歸 屬函數如圖 4.13 所示，其規則為：
IF X6 IS L THEN Ө=Q1, IF X6 IS M THEN Ө=Q2, IF X6 IS R THEN Ө=Q3
其輸出歸屬函數使用單值如圖 4.14 所示，輸出為機器人行走偏移角度。
偏右行走定義為正，偏左行走定義為負。
0
Pixel
L M R
150 110
75
圖 4.13 輸入 X2歸屬函數
40 deg.
-40 0
Q1
Q3 Q2
圖 4.14 輸出之歸屬函數
當機器人距離目標物 20 公分處，機器人便執行抓取行為，抓取行為 其模糊系統輸入為 Sputnik 機器人影像，其模糊邏輯系統輸入為紅色目標 物所在的縱向像素點，由上到下分成 0~144，其輸入歸屬函數如圖 4.15 所示，其規則為：
IF X6 IS UP THEN HIGH, IF X6 IS DOWN THEN LOW.
輸出為決定機器人手臂往上層夾取或往下層夾取，上層夾取約高度約 103 公分，下層夾取約高度約 80 公分。
1
0
Pixel Down Up
36 108
圖 4.15 輸入 X6歸屬函數
4.5 結論
本章分別介紹沿左牆壁、沿右牆壁、靜態避障、動態避障、沿目標物、
抓取動作行為模糊系統，可得知階層模糊邏輯系統設計過程簡單且規則數 相當少且實現容易。而將於第五章將會使用五個實驗執行各種動作行為效 能及驗證本章之階層模糊邏輯系統。
第五章 實驗和討論
本章將用沿牆面自動導航實驗、抓取目標物實驗、靜態避障實驗、動 態避障實驗和靜態、動態避障抓取目標物實驗來驗證本移動機器人軟、硬 體及本論文設計之階層模糊邏輯系統。
5.1 沿牆面自動導航實驗
沿牆面自動導航實驗。平面圖如圖 5.1 所示，走道中間有一個曲面牆 壁，一開始機器人擺放於走道偏右位置。實驗中執行沿右牆壁動態行為，
其模糊邏輯系統定義如 4.3 節所描述。實驗詳細過程如圖 5.2。
機器人 錄影機
終點
.
起點
圖 5.1 沿牆面自動導航實驗平面圖
實驗截圖 說明
動作 行為
(a)
機 器 人 開 始 往 右 牆 壁 偏 移。
沿右 牆壁
(b)
機 器 人 沿 牆 壁 不 斷 修 正 前進。
沿右 牆壁
(c)
機 器 人 遇 到 曲 面 牆 ， 往 外偏移。
沿右 牆壁
(d)
機 器 人 通 過 曲 面 牆 ， 往 內偏移。
沿右 牆壁
(e)
機 器 人 沿 牆 壁前進。
沿右 牆壁
(f)
到 達 終 點 ， 實驗完成。 -
圖 5.2(a)~(f) 沿牆面自動導航實驗結果
沿牆面自動導航實驗結果跟預期結果符合，機器人能確實沿著牆面自 行移動至終點，機器人移動的軌跡圖如下圖 5.3 所示。
圖 5.3 沿牆面自動導航實驗軌跡圖
5.2 抓取目標物實驗
抓取目標物實驗平面圖如圖 5.4 所示，一開始機器人擺放目標物前 方，但未面對目標物。實驗中執行動作行為流程如圖 5.5 所示，其各個動 作行為模糊邏輯系統定義如第四章所描述。抓取目標物實驗詳細結果如圖 5.6 所示。
2750mm
2800mm
機器人
錄影機 目標物
圖 5.4 抓取實驗平面圖
沿目標物 動作行為
抓取動作 行為 開始
結束
圖 5.5 抓取目標物實驗動作行為流程圖
實驗截圖 說明
動作 行為
(a)
原 地 旋 轉，找尋 紅 色 目 標物。
沿目 標物
(b)
(e)
利 用 影 像 判 斷 目 標 物 在 上 層 或下層。
抓取
(f)
經 過 判 斷，目標 物 位 於 上層，舉 起 機 器 手臂。
抓取
(g)
開 始 夾 取 目 標 物。
抓取
(h)
夾 到 目
標物。 抓取
(i)
目 標 夾 取後，舉 起 目 標 物。
抓取
(j)
手 臂 舉 起 目 標 物，機器 人 往 後 退。
抓取
(k)
將 目 標 物 交 給 使 用 者 準 備 拿 取。
抓取
(l)
使 用 者 拿 到 目 標物。
抓取
(m)
完 成 動 作，收手 臂。
-
圖 5.6(a)~(m)抓取目標物實驗結果
抓取目標物實驗結果跟預期結果符合。機器人自行尋找到目標物後，
往目標物前進，並確實抓取到目標物。機器人移動的軌跡圖如下圖 5.7 所 示。
圖 5.7 抓取目標物實驗軌跡圖
5.3 靜態避障實驗
靜態避障實驗平面圖如圖 5.8 所示，一開始機器人右側靠牆，目標物 置於機器人前方，兩者間放置紙箱當做靜態障礙物，錄影機一開始拍攝於 攝影機 1 的位置，當機器人開始抓取目標物時，拍攝位置移動到攝影機 2，
實驗中執行動作行為流程如圖 5.9 所示，其各個動作行為模糊邏輯系統定 義如第四章所描述。靜態避障實驗詳細結果如圖 5.10 所示。
錄影機 1
機器人
目標物
900mm
錄影機 2
靜態障礙物
圖 5.8 靜態避障實驗平面圖
沿牆壁 動作行為
靜態避障 動作行為
沿目標物 動作行為
靜態避障 動作行為
沿目標物 動作行為
抓取動作 行為 開始
結束
圖 5.9 靜態避障實驗動作行為流程圖
實驗截圖 說明 動作
行為
(a)
機 器 人 沿 右 牆 壁行走。
沿牆壁
(b)
(f)
(i)
(l)
舉 起 機 器 手 臂 準 備 抓 取 目 標 物。
抓取
(m)
夾 取 目
標物。 抓取
(n)
舉 起 目 標物，完 成動作。
抓取
圖 5.10(a)~(n) 靜態避障實驗結果
靜態避障實驗結果跟預期結果符合。機器人自行尋找到目標物後，
往目標物前進，且在遇到障礙物能確實執行靜態避障行為。避障後往目標 物前進，確實夾取目標物。機器人於靜態避障實驗移動的軌跡圖如下圖 5.11 所示。
圖 5.11 靜態避障實驗軌跡圖
5.4 動態避障實驗
動態避障實驗平面圖如圖 5.12 所示，一開始目標物置於機器人前方，
但機器人並無直接面對目標物。實驗過程中，動態障礙物將出現於目標物 和機器人之間。錄影機一開始拍攝於攝影機 1 的位置，當機器人開始抓取 目標物時，拍攝位置移動到攝影機 2，實驗中執行動作行為流程如圖 5.13
但機器人並無直接面對目標物。實驗過程中，動態障礙物將出現於目標物 和機器人之間。錄影機一開始拍攝於攝影機 1 的位置，當機器人開始抓取 目標物時，拍攝位置移動到攝影機 2，實驗中執行動作行為流程如圖 5.13