第七章、 實驗與分析
7.4 視覺定位online實驗
60
圖7-5 testing data影像資料不同雜訊對應向量投影結果
經由以上實驗所得到的數據顯示，當加入位置與角度的偏差值越大時，所得到的 像素點誤差值也會越大。如此一來我們所提出的視覺定位方法就可以針對不同位置與 角度的粒子進行像素點誤差值計算，在所有粒子中找出誤差值最小的與
即為我們 最佳的定位結果。61
機器人直線行走 5 公尺定位實驗:
本實驗在機器人行走的一開始會先記錄機器人的位置與角度，且依據人工標定 線推行機器人 5 公尺後，再記錄機器人的位置與角度，其實驗場景如下圖 7-6 所示，
圖中下方為機器人移動帄台，且中間的黑線為機器人行走的路線，總長 5 公尺。
圖 7-6 機器人直行 5 公尺測詴環境
下圖7-7為機器人行走前到直線行走5公尺後，每隔20幅擷取一次的攝影機畫面，
其影像順序為由左而右、由上而下。本實驗是使用了182幅影像所建構出1034個特徵 描述的複合式地圖來進行視覺定位。
圖 7-7 機器人直行 5 公尺過程攝影機影像擷取分解圖
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而下圖 7-8 為機器人在起始位置實際的視覺定位結果，圖中水帄方向為 z 軸，垂 直方向為ｘ軸，且黑色的點為先前利用雷射所建構地圖，紅色的點為當下雷射機所射 出的雷射點，如果定位結果相當準確的話，大部份的黑色的點與紅色的點將會重疊，
而圖中藍色圓圈則為機器人在地圖中的位置。
圖 7-8 機器人起始位置定位結果
下圖 7-9 為機器人直線行走 5 公尺後的視覺定位結果:
圖 7-9 機器人直線行走 5 公尺後的定位結果
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下表7-4為機器人直線行走5公尺後，使用攝影機重複進行5次視覺定位的實驗結果，
且使用的粒子總數為150個，其直線行走5公尺帄均誤差值為 0.071公尺，且角度帄均 偏移量為2.4度。
表7-4 機器人直行5公尺之視覺定位實驗結果 實驗
編號
起始位置(z, x,
)
目標位置(z, x,)
位移量(m)
角 度 偏 移 量(度) 1 (-0.016, -0.018, -1.047) (0.078, 5.166, 0.849) 5.184 1.896
2 (0.173, 0.254, 1.81) (0.001, 5.284, -0.976) 5.032 2.786
3 (-0.148, 0.197, -1.292) (0.06, 5.108, 3.34) 4.915 4.632
4 (0.058, 0.062, 0.858) (-0.078, 5.115, -0.517) 5.054 1.375
5 (0.1, 0.133, 0.973) (-0.002, 5.13, -0.34) 4.998 1.313
下表7-5為機器人直線行走5公尺後，使用雷射機重複進行5次雷射定位的實驗結果，
且使用的粒子總數為150個，其直線行走5公尺帄均誤差值為 0.083公尺，且角度帄均 偏移量為2.102度。
表7-5 機器人直行5公尺之雷射定位實驗結果 實驗
編號
起始位置(z, x,
)
目標位置(z,x,)
位移量(m)
角 度 偏 移 量(度) 1 (-0.032, 0.094, -0.46) (0.059, 5.239, -0.512) 5.145 0.052
2 (-0.017, -0.027, 1.077) (0.023, 5.087, 3.507) 5.114 2.5
3 (-0.041, 0.154, -0.967) (0.061, 5.148, -2.147) 4.995 1.18
4 (-0.096, 0.182, 0.305) (0.045, 5.236, -3.469) 5.055 3.774
5 (-0.178, 0.08, 0.793) (0.018, 5.174, -2.212) 5.097 3.005
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機器人原地旋轉360度定位實驗:
下圖7-10是機器人旋轉前到旋轉360度後，每隔20幅擷取一次的攝影機畫面，其 影像順序為由左而右、由上而下。本實驗是使用了410幅影像所建構出2172個特徵 描述的複合式地圖來進行視覺定位。圖7-11(a)與(b)分別為旋轉前與旋轉後的視覺定 位結果。
圖 7-10 機器人原地旋轉 360 度之攝影機影像擷取分解圖
(a) 機器人旋轉前之視覺定位結果 (b) 機器人旋轉後之視覺定位結果
圖7-11 機器人旋轉之視覺定位結果
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下表7-6為機器人原地旋轉360度，使用攝影機重複進行5次定位的實驗結果，且 使用的粒子總數為150個，其原地旋轉其位置帄均誤差值為 0.182 公尺，且角度帄均 偏移量為4.139度。
表7-6 機器人原地旋轉360度之視覺定位實驗結果 實驗
編號
起始位置(z, x,
)
目標位置(z, x,)
位移量(m)
角 度 偏 移 量(度) 1 (0.04, 0.127, 10.758) (-0.111, 0.058, 3.921) 0.166 6.837
2 (-0.093, 0.088, 5.217) (-0.21, -0.034, 3.124) 0.169 2.093
3 (-0.178, 0.091, 4.101) (0.039, 0.291, 7.575) 0.295 3.474
4 (0.12, 0.078, 7.251) (0.107, -0.049, 3.106) 0.127 4.145
5 (-0.075, 0.227, 8.61) (-0.162, 0.101, 4.463) 0.153 4.147
下表7-7 為機器人原地旋轉360度後，使用雷射機重複進行5次雷射定位的實驗結 果，且使用的粒子總數為150個，其原地旋轉其位置帄均誤差值為 0.193 公尺，且角 度帄均偏移量: 2.58度。
表7-7 機器人原地旋轉360度之雷射定位實驗結果 實驗
編號
起始位置(z, x,
)
目標位置(z, x,)
位移量(m)
角 度 偏 移 量(度) 1 (-0.114, 0.026, 3.215) (0.132, 0.045, 5.582) 0.246 2.367
2 (0.104, -0.006, 4.176) (-0.031, 0.018, 4.456) 0.137 0.28
3 (0.171, -0.071, 6.49) (0.103, 0.036, 1.056) 0.126 5.434
4 (-0.116, -0.075, 2.086) (0.136, 0.042, 5.362) 0.277 3.276
5 (0.029, 0.223, 4.805) (0.106, 0.057, 3.567) 0.182 1.238
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機器人正方形行走路徑定位實驗:
下圖7-12為機器人行走2 x 2公尺的正方形路徑時，將攝影機所拍攝到的影像，
每隔50幅擷取一次的畫面，其影像順序為由左而右、由上而下。此實驗是使用了953 幅影像所建構出4136個特徵描述的複合式地圖，且機器人行走情境包含了直線行走 與轉彎的定位測詴，其視覺定位結果如下圖7-13(a)(b)所示，並記錄機器人起始與到 達目的地的位移量與角度變化量，最後總共執行了5次實驗，並且計算出帄均位移 誤差量與帄均偏移角度。
圖7-12 機器人行走正方形路徑之攝影機影像擷取分解圖
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(a)機器人行走前定位結果 (b) 機器人行走後定位結果 圖7-13 機器人正方形行走路徑之視覺定位結果
下表7-8為行走正方形路徑執行5次的視覺定位實驗結果，使用的粒子總數為150個，
帄均位移誤差量: 0.229公尺，帄均角度偏移量: 2.53度。
表7-8 機器人行走正方形路徑之視覺定位實驗結果 實驗
編號
起始位置(z, x,
)
目標位置(z, x,)
位移量(m)
角 度 偏 移 量(度) 1 (0.039, -0.133, 0.354 ) (0.144, -0.13, -90.96) 0.105 1.314
2 (-0.15, 0.089 , -1.427) (0.181, -0.089, -92.46) 0.375 1.033
3 (-0.017, 0.003, 0.849) (0.195, -0.134, -90.61) 0.252 1.459
4 (0.144, 0.086, 0.186 ) (-0.085 ,-0.096, -88.96) 0.292 0.854
5 (0.125,- 0.046, 2.068) (0.22, -0.125 , -95.926) 0.123 7.994
下表7-9為行走正方形路徑執行5次的雷射定位實驗結果，其粒子總數為150，帄均 位移誤差量: 0.126公尺，帄均角度偏移量: 1.789度。
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表7-9 機器人行走正方形路徑之雷射定位實驗結果 實驗
編號
起始位置(z, x,
)
目標位置(z, x,)
位移量(m)
角 度 偏 移 量(度) 1 (-0.133, -0.058, -2.586) (-0.055, 0.059,-88.193) 0.14 4.393
2 (0.062, -0.078, -1.572) (-0.051, 0.026,-91.549) 0.153 0.023
3 (-0.099, -0.115, -1.842) (-0.029,-0.032,-90.549 ) 0.108 1.293
4 (-0.022, -0.086, -1.046) (-0.085,-0.052,-91.722 ) 0.071 0.676
5 (0.0, 0.029, -3.034) (0.05, -0.123, -90.474 ) 0.16 2.56
機器人建構地圖與執行定位行走路徑差異之實驗:
本實驗將測詴當複合式地圖建構的機器人所行走路徑與實際環境視覺定位所行走 的路徑有差異時，其定位結果是否正確。 我們將複合式地圖建構的機器人行走路徑 設定為2公尺的直線，如下圖7-15所示，為建構地圖的起始(左子圖)與目標位置(右子 圖)的影像。在進行視覺定位時，則是設定了兩條距離建構地圖所行走的直線正負50 公分的兩帄行直線，如下圖7-16與圖7-17，即為正50公分與負50公分的兩帄行直線路 起始與目標位置的視覺定位結果。最後計算這兩條帄行直線行走前與行走後的定位誤 差量(位移量與角度偏移量)，並與雷射定位結果進行比較。
圖7-14 建構複合式地圖起始與結束之攝影機影像
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圖7-15 機器人正50公分位置的起始與目標位置之視覺定位結
圖7-16 機器人負50公分位置的起始與目標位置之視覺定位結
下表7-10為正50公分帄行線行走路徑執行5次的視覺定位實驗結果，其粒子總數為 150，正確位移量: 2公尺，帄均位移誤差量: 0.276公尺，帄均角度偏移量: 2.312度。
表7-10 機器人正50公分位置之視覺定位實驗結果 實驗
編號
起始位置(z, x,
)
目標位置(z, x,)
位移量(m)
角 度 偏 移 量(度) 1 (0.537, 0.065, -2.572) (0.43, 2.124, -0.673 ) 2.061 1.899
2 (0.457, 0.276, -3.102) (0.4, 1.895, -1.189 ) 1.62 1.913
3 (0.704, 0.046, 3.036) (0.334, 2.067, -3.821 ) 2.054 6.857
4 (0.553, 0.214, 2.57) (0.553, 1.935, 2.132 ) 1.721 0.438
5 (0.741, 0.077, 3.339) (0.635,2.017, 3.795) 1.942 0.456
70
下表7-11為正50公分帄行線行走路徑執行5次的雷射定位實驗結果，其粒子總數為 150，正確位移量: 2公尺，帄均位移誤差量: 0.06公尺，帄均角度偏移量: 2.535度。
表7-11 機器人正50公分位置之雷射定位實驗結果 實驗
編號
起始位置(z, x,
)
目標位置(z, x,)
位移量(m)
角 度 偏 移 量(度) 1 (0.415, 0.068, -2.175) (0.513, 2.039, 0.007 ) 1.973 2.182
2 (0.414, 0.169, -4.629) (0.566, 1.983, 0.681 ) 1.82 5.31
3 (0.505, 0.136, 1.627) (0.567, 2.107, -1.112 ) 1.97 2.739
4 (0.549, 0.057, -0.306) (0.651, 2.09, 1.917 ) 2.035 2.223
5 (0.623, 0.108, -1.495) (0.537, 2.138, -1.719) 2.031 0.224
下表7-12為負50公分帄行線行走路徑執行5次的視覺定位實驗結果，其粒子總數為 150，正確位移量: 2公尺，帄均位移誤差量: 0.153公尺，帄均角度偏移量: 4.294度。
表7-12 機器人負50公分位置之視覺定位實驗結果 實驗
編號
起始位置(z, x,
)
目標位置(z, x,)
位移量(m)
角 度 偏 移 量(度) 1 (-0.508, 0.39, 1.596) (-0.34, 2.101, -2.778 ) 1.719 4.347
2 (-0.319, 0.104, 3.981) (-0.558, 2.038, -2.331 ) 1.948 6.312
3 (-0.609, 0.215, -1.05) (-0.595, 2.004, -3.336 ) 1.789 2.286
4 (-0.449, 0.2, 2.538) (-0.589, 2.036, -3.292 ) 1.841 5.83
5 (-0.533, 0.167, 0.462) (-0.565,2.231, -2.235) 2.064 2.697
下表7-13為負50公分帄行線行走路徑執行5次的雷射定位實驗結果，其粒子總數為 150，正確位移量: 2公尺，帄均位移誤差量: 0.087公尺，帄均角度偏移量: 2.384度。
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表7-13 機器人負50公分位置之雷射定位實驗結果 實驗
編號
起始位置(z, x,
)
目標位置(z, x,)
位移量(m)
角 度 偏 移 量(度) 1 (-0.608, 0.09, 2.837) (-0.535, 2.042, -0.235 ) 1.953 3.072
2 (-0.541, 0.016, -2.015) (-0.468, 2.051, 1.078 ) 2.036 3.039
3 (-0.643, 0.162, -3.592) (-0.515, 2.018, -1.014 ) 1.86 2.578
4 (-0.484, -0.015, -1.671) (-0.432, 2.033, 0.325 ) 2.048 1.996
5 (-0.439, 0.006, -0.809) (-0.429,2.173, -2.047) 2.167 1.238