設計概念

一般在自走式機器人的移動過程中，可以使用里程計(Odometer)的回傳資訊 以及已知的機器人初始位置與朝向角來估測機器人目前的位置與朝向角，但是使 用這種定位方法最常遇到的問題就是累積誤差(Accumulate Error)。也就是說，機 器人在每次移動之後，其對本身位置資訊的不確定性範圍就會不斷變大。如圖 3-1 所示，當機器人依序經過 A Æ B Æ C Æ D Æ E 時，我們可以發現其對本身

Robot

A B C

D E

Uncertainty Region

圖 3-1 機器人對其位置的不確定性範圍示意圖

位置的不確定性將會愈來愈高，這種情況在自走式機器人的應用當中是不被允許 的，因為這容易造成機器人產生錯誤的後續動作。因此在機器人定位系統中還必 須加上其它感測器的使用與一套有效的定位演算法，才能確實解決自走式機器人 定位問題。

本論文以粒子濾波器演算法結合地圖比對的方式設計機器人定位系統，並使 用雷射掃描儀(Laser Range Finder)作為用來得到環境資訊的感測器。在機器人朝 向角估測方面，將雷射掃描儀量測的機器人與環境周圍的相對距離，以最小平方 法做線段擬合可以得到用來表示機器人周圍環境的線段組合，而這些線段組合是 代表機器人在目前的位置與朝向角所面對的局部環境地圖。所以我們將此線段組 合與機器人已知的內建地圖做比對，進行比對的時候須加上機器人前一時刻的位 置與朝向角資訊，如此可以減少比對結果的多種可能性(Ambiguity)，而從最後的 比對結果我們便可以估測出機器人的朝向角。

因此要由線段比對來估測機器人朝向角，必須要有機器人的位置資訊當作輸 入，位置資訊愈準確則得到的朝向角也會愈準確。所以在設計上，我們以粒子濾 波器來進行位置的估測，希望能估測出精確的位置資訊，進而使線段比對的朝向 角估測方法也能精確地估測朝向角。

首先，將雷射掃描儀所量測的機器人與環境周圍的相對距離，以最小平方法 產生用來表示機器人周圍環境的線段組合，然後將此環境線段組合的線段表示法 從以機器人為座標中心的區域座標系轉換成以內建地圖座標原點為中心的全域 座標系，如此便可得到環境線段組合與內建地圖的對應關係，再由機器人與環境 線段組合中線段的相對距離可以得到機器人在環境中的位置資訊，最後經由粒子 濾波器對機器人的位置做估測。

根據上面陳述的概念，本論文所設計的自走式機器人定位系統的架構圖，如 圖 3-2 所示，系統包含了兩個感測器，分別是里程計(軸編碼器)與雷射掃描儀。

Odometer

Predict

Update

Laser range finder Line

extraction

Map matching

Robot orientation θk

綜合以上的討論，本論文所設計的機器人定位系統運作之前必須有兩個已知 條件：

1) 機器人在環境中的初始位置與朝向角。

2) 機器人所處環境的地圖。