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第 2 章 文獻探討
第二章將依序介紹與本研究相關的文獻資料。首先將針對線條跟隨的發展與 近年來的研究做相關文獻的探討，再來針對與狀態轉換相關的研究進行探討，並建 立狀態轉換與二維方向向量機率模型之間的關係。透過文獻探討，除了對於與本研 究相關的背景和技術有更深入的理解外，更能確立本研究方法的合理性。
2.1 線條跟隨
線條跟隨，或稱路徑跟隨，屬於機器人領域中的一種應用。先藉由線條偵測找 出欲跟隨的線條後，藉由控制算法進行線條跟隨。對於一台具備自動導航能力的無 人機來說，線條跟隨是最基本且應有的能力[8]。無人機透過線條跟隨，能自動的進 行一些耗時費力且危險的偵測任務，減少人力的開銷。然而無人機屬於機器人領域 中較為新興的研究領域，因此早期的線條跟隨研究主要使用地面上的機器人進行 研究與開發。
地面上的機器人會配備朝向地面的感測器，感測地面上的線條來進行線條跟 隨。如 Punetha 於 2013 年的研究[5]，讓機器人配備光照電阻器(LDR)來偵測與跟 隨地上黑色的線條，藉此在患者需要藥物時，機器人跟隨地上的黑線來到患者附近 提供藥物。Dupuis 於 2006 的研究[6]，機器人透過朝向地面的攝像機，獲取地面上 的線條影像後進行處理並跟隨線條。Ghani 於 2011 年的研究[13]，機器人透過紅外 線感測器，感測地面上的線條來進行線條跟隨。
由於地面上的機器人只能進行平面移動，因此在上一段中所提及之研究，基本 上都針對了地面上的線條進行線條跟隨。也因此當在空中飛行的無人機出現後，絕 大部分的線條跟隨研究應用在無人機上，仍然透過在無人機下方或是前下方裝上
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行線條跟隨，藉此完成鐵軌檢測任務。Brandao 在 2015 年的研究[9]亦使用下方的 攝像機進行河流與陸地的分界線偵測與跟隨。Cerón 在 2018 年的研究[15]，讓無人 機飛到高壓電塔上方，對高壓電線進行偵測與跟隨，藉此完成高壓電塔檢測任務。Hartley 在 2018 年的研究[16]，透過偵測地面上的道路，讓無人機自動沿著地面上 的道路進行飛行。 Sujit、Saripalli、Sousa 三位學者在 2013 年的研究[8]中所進行比較的五種算法：胡 蘿蔔追逐演算法(Carrot chasing algorithm)[20]、非線性導引原則(Non-linear guidance law)[21]、純追逐和基於 LOS(Line-Of-Sight)的路徑跟隨(Pure pursuit and LOS based path following, PLOS)[22] 、 基 於 向 量 域 的 路 徑 跟 隨 (vector field based path following)[7]以及基於線性二次調節器的路徑跟隨(linear quadratic regulator based path following, LQR)[23]，在進行控制計算時都是讓無人機向前移動，並將無人機 當前方位作為基準，與目標方位之夾角進行運算都出轉向角，讓無人機邊移動邊轉
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向，直至欲跟隨的線條上。
然而無人機並不是只能向前移動而已，無人機本身在空中進行移動，因此除了 向前以及調整轉向外，也能往上下以及左右進行移動。顯然當無人機進行地面上的 線條跟隨時不需要考慮到上下以及左右的移動，然而當無人機需要以前方的線條 為目標進行跟隨，如高壓電塔檢測[10]，摩天設備安檢[11]，調整轉向會使無人機 失去跟隨線條，需要讓無人機固定前方視野來決定跟隨方向，沿著設備的輪廓線條 進行上下左右的多方向性移動跟隨，完成設備檢測任務。在目前的線條跟隨研究中，
絕大多數的研究依然是讓無人機向前移動，並調整轉向角進行跟隨，甚少有使用前 方的線條為目標進行線條跟隨的研究。
對於地面上的輪型機器人來說，精準的線條跟隨能展現輪型機器人的自主智 慧，在線條跟隨的比賽中精準度亦為評分的重要項目。在研究[24]中的輪型機器人 具有精準的線條跟隨演算法，並在比賽中得名。對於無人機而言，精準的線條跟隨 除了是最基本且應有的能力[8]，對於目前的研究[9]、[12]中皆提到目前線條偵測的 技術並不是完美的，因此當無人機進行線條跟隨時，如果不在乎精準度，那無人機 偏離跟隨線條時，就有可能因為線條偵測的技術並非完美，導致無人機無法繼續跟 隨線條。研究[25]讓無人機精準的跟隨預定好的軌跡線條，產生的誤差非常小(釐米 等級)，適合用在城市道路導航上。
研究[26]中亦提到許多任務，如搜救(search and rescue)、監視(surveillance)以及 城市道路監控(urban highway traffic monitoring)會產生線條讓無人機精準的進行跟 隨以便完成任務。這些任務如果沒有辦法精準的跟隨線條，則很有可能任務無法完 成。如搜救任務，無法精準的跟隨線條，可能導致救援時間拖長，或是找不到搜救 目標。