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地圖在人類文明發展過程中是個不可或缺的角色,例如街道的地圖或者 是國際貿易所需要的航海地圖。隨著科技的發展,地圖也漸漸地由平面轉換 為立體,例如虛擬實境、博物館導覽或者校園導覽…等等[1]。不過,地圖需 要耗費大量人力和時間來進行編製,而且內容必須要精確地、詳細地標明標 的物,另外還需要符合不同的使用需求。為了降低人力與時間成本,研究者 直諫投入利用自主型機器人協助建構地圖的相關研究。有別於以往的平面地 圖,立體地圖不僅能夠提供平面地圖所記錄的資訊,而且更加真實地呈現室 內場景,進而可將此發展成校園安全巡邏或者是居家照護等等的延伸研究。

本章的內容架構主要分為五節進行說明,第一節說明本論文所進行研究 的背景與動機;第二節說明本論文的研究目的;第三節說明本論文在進行研 究時會面臨到的研究限制;第四節講述本論文所使用的研究方法;最後,第 五節說明本論文所進行的研究步驟。

1.1 研究背景與動機

在一些危險環境、精密加工、繁複且單調的工作下為了節省時間、降低 人力成本以及減少職業傷害…等等原因被自動化所替代的情形越來越明顯,

其中以機器人作為自動化的幫手為主要方向。然而,在科技蓬勃發展的現今,

機器人已不只應用在工業方面,也發展出能符合不同需求的機器人,例如搜 救機器人、巡邏機器人和居家照護機器人…等等。

地圖編制與建構需要投入大量的人力與時間才能夠精確地製作出所需 要的地圖。因此,利用自主型移動機器人搭配立體攝影機(Stereo Camera)或 者雷射測距儀(Laser Range Finder)來協助地圖建構的相關研究在近十年逐漸 地成為趨勢,進而將此研究延伸至其它應用層面。

傳統的地圖多以平面地圖為主,地圖所提供的資訊為該環境的剖面圖,

並標示一些關鍵的空間或物體。雖然平面地圖能夠提供使用者足夠的資訊,

但是缺乏了臨場感。然而,立體地圖可以提供使用者身歷其境的感受,不需 要藉由想像來模擬真實情境。本研究利用正立方體表示立體地圖,在本文中 稱為立方地圖。立方地圖的概念主要來自於方格地圖,並將此從二維平面發 展為三維空間。立方地圖能夠有效地記錄環境情形,並且容易進行更新,所 以本研究選擇立方地圖做為立體地圖的表示方法。

基於上述所說明的研究背景與動機,本論文所進行之研究將採用雷射測 距儀擷取立體場景中物體與雷射測距儀的距離資訊,並搭配自主型移動機器 人環繞室內空間,以期達到建構校園室內立方地圖的目的。

1.2 研究目的

我們生活在一個立體世界中。雖然平面地圖毫無疑問地可以提供我們一 些重要且需要的資訊,但是立體地圖讓我們置身其中,不需要自己想像場景;

給予我們更加身歷其境的感受。現今有許許多多的團隊在進行立體地圖的相 關研究,如遊戲產業、觀光名勝地區的虛擬導遊或者是搜救員無法進入救援 的重災區[1-2]。

因此,本研究之目的敘述如以下六點:

1. 相關文獻搜尋與統整,使研究內容能夠更加完備,並以最簡潔的方 式呈現本研究之結果。

2. 建構出一個自主型移動機器人,並搭載雷射測距儀與其他設備,進 而完成立方地圖建構之任務。

3. 設計出自主型移動機器人依不同環境而有不同的移動模式,以符合 環境之變化。

4. 提出有效且簡潔的立方地圖建構方法,以便完成地圖建構之任務。

5. 建立校園地圖資料庫,並提供立方地圖給校園內所有巡邏機器人依 不同需求選取不同解析度之地圖。

6. 根據本研究之設計構想,並將成果完整地呈現。

1.3 研究限制

由於本研究機器人機構與研究器材的關係,因此在實驗中會有一些研究 限制需要注意。在研究器材方面,本研究所使用之雷射測距儀當測量距離超 過一定距離後,其測量的準確度會下降許多。因此,本研究之成果樣本收集 以校園建築物內空間環境為主,若需要更多的樣本收集則需要後續的研究者 將之完善。在電源方面,由於許多器材,如電腦、雷射測距儀、單晶片和機 器人馬達…等等需要連接電源。因此,將機器人移動範圍設定在校園建築物 內的小區域中。

在未來,後續的研究者若能夠解決研究器材的限制和機器人與其他設備 的電源問題,則可以將機器人運用在校園外的環境,甚至運用在惡劣環境中 進行救援任務。

1.4 研究方法

為了達到本研究的目標與結果,將進行以下的方法進行實現:

1. 建構 3D 地圖之相關文獻和理論的探討與分析

參考各類文獻與理論尋找出適合進行 3D 地圖建構的方式,了解每種 3D 地圖表現方式的特色,並統整與分析其可行性,進而發展出適合 本研究使用的方法。

2. 機器人導航與定位之相關文獻和理論的探討和分析

機器人的導航與定位對於地圖建構的準確性實為重要。尤其在室內 環境中,物品的擺放會影響到機器人的導航與定位。因此,需要參 考有關於機器人導航與定位的相關文獻與理論,進而發展出適合本 研究的方法。

3. 雷射測距儀與旋轉平台用於地圖資訊的擷取與建構

結合雷射測距儀與旋轉平台所得到的地圖資訊要如何建構成 3D 地 圖是非常重要的課題。因此,參考相關文獻與理論以發展出適合本 研究的方法。

4. 性能指標的分析

本研究會針對系統的再現性、地圖解析度的影響和地圖更新進行探 討與分析,進而讓本研究之系統能夠增加其完善性與強健性,並且 探討其未來之發展性。

1.5 研究步驟

在提出研究方法之後,本研究將依照圖 1-1 所示的步驟作為本研究實行 的流程,並且明確地訂定出各步驟必須完成的事項,其說明如下:

1. 蒐集並統整國內外對於 3D 地圖建構相關研究的文獻與理論,以此了 解地圖建構之方法,並以此作為基礎發展出 3D 地圖建構系統。

2. 確定研究目標。

3. 規劃出整體系統的架構。

4. 實驗設備與環境的設計,如設備的配線規劃、室內環境中物體的擺 放位置…等等。

5. 分析本研究所需要的理論與演算法。

6. 進行程式撰寫以及除錯。

7. 於實驗室中進行實際的系統測試,並觀察與分析其實驗結果。

8. 利用實驗結果做為依據,進行程式的修改與結果探討。

9. 歸納與分析最後的實驗結果,並且客觀地分析與探討本研究所提出 的研究方法與實驗結果是否符合所設定的目標。

10. 撰寫研究報告。

研究階段 研究時程 研究步驟流程

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