雷射測距儀

本 論 文 使 用 的 雷 射 測 距 儀 是 由 HOKUYO 公 司 製 造 ， 型 號 為 URG-04LX。URG-04LX 實體如圖 3.14 所示。URG-04LX 掃描弧度為 240 度，且最大半徑為 400 公分，每個掃描點相距 0.36 度，其規格如表 3.4 所示。

圖 3.14 URG-04LX 雷射測距儀實體圖

URG-04LX 的資料傳輸可使用 RS-232 或 USB，但為配合本論文使 用 RF 無線通訊模組做電腦與機器人間傳輸，所以本論文選擇 RS-232 傳 輸方式，鮑率設定 19200bps、無同位元檢查、資料位元數為 8 及 1 個停 止位元。

表 3.4 URG-04LX 雷射測距儀規格

RS-232C (19.2, 57.6, 115.2 ,500 ,750)

USB Version 2.0 FS mode (12000)

kbps

44H、68H，再各自減掉 30H 即 1H、14H、38H，之後再轉換成二進制即

000001₂、010100₂、111000₂，最後三個二進制作組合再轉換成十進制，

000001010100111000₂=5432 ，就可知 1DH 即為 5432mm。

5,432 mm = 1010100111000

↓ Hexadecimal Equivalent 31H 44H 68H

↓ Subtract 30H 1H 14H 38H

↓ Binary Equivalent 0000012 0101002 1110002

↓ Merge

000001010100111000₂

↓ Decimal Equivalent 5,432

之後必須轉換成 ASCII 碼表示即起點為 48 48 52 52 、終點 48 48 10(MD0044072501000)給雷射測距儀，雷射測距儀會持續量測資 料，直到收到關閉命令。

(2 bytes) LF(0AH) (電腦→雷射測距儀)

圖 3.17 MD 命令格式[53]

Front

Dead Zone 44 384

725

137 631

圖 3.18 雷射測距儀起、終點定義方式[53]

雷射測距儀收到正確的 MD 命令時便會開始量測，每量測的一點都會 產生 3bytes 的回傳資料，之後會依照資料量大小去對應回傳格式，其格式 依資料量分為三種如圖 3.19 所示。而當回傳掃描資料少於 64 bytes

（3bytes、12bytes）時就使用圖 3.19(a)格式一去解碼，若回傳掃描資料為 剛好 64 bytes 倍數（192bytes、384bytes）時就使用圖 3.19(b)格式解碼，

若回傳掃描資料為不為 64 bytes 倍數（189bytes、378bytes）時就使用圖 3.18(c)格式解碼，所以若對回傳資料解碼需要先計算回傳資料量大小，而

(2 bytes) LF(0AH)

9(39H) 9(39H) 時間標記

(4 bytes)

b(62H) LF(0AH) sum

(1 bytes) LF(0AH)

Data Sum LF(0AH) LF(0AH)

(2 bytes) LF(0AH)

9(39H) 9(39H) 時間標記

(4 bytes)

b(62H) LF(0AH) sum

(1 bytes) LF(0AH) Data Block 1

M(4dH) D(44H) 起點

(2 bytes) LF(0AH)

9(39H) 9(39H) 時間標記

(4 bytes)

b(62H) LF(0AH) sum

(1 bytes) LF(0AH) Data Block 1

(64 byte) Sum LF(0AH) (雷測測距儀→電腦)

回傳資料大於64 bytes，且不為64*N bytes

--- Sum LF(0AH)

表3.5 DUR5200規格

項目 規格 單位

輸入電壓 5.0 V

消耗電流 45 mA

工作頻率 40 KHz

量測距離 3~340 cm

尺寸 30×40 mm×mm

3.2.3 紅外線感測器

在sputnik智慧型機器人上的紅外線感測模組型號為GP2Y0A21YK，如 圖3.21所示。其量測距離範圍為10cm ~80cm之間，當紅外線模組開始測量 時，會先發射出直線信號，當訊號碰到障礙物後會反射到接收端。而紅外 線模組會依反射信號的強度大小輸出相對應電壓值，其電壓值之範圍為 0.4V~3.2V。

圖3.21 紅外線感測模組GP2Y0A21YK

紅外線感測器訊號需經過類比數位轉換，其電路如圖3.21所示，轉換 後可換算其輸出電壓。當得到轉換電壓後，利用圖3.23感測器的特性曲線 圖，即可對應出實際距離，但此特性曲線圖，只適用於10cm~80cm之間。

Signal Processing

circuit

Voltage regulator

Oscillation circuit

Output circuit LED drive

circuit

Distance measuring IC LED

PSD

GND Vcc 5v

Vo

Analog output

圖3.22 紅外線感測模組內部電路[55]

圖3.23 實際距離與輸出電壓之曲線圖[55]

Sputnik智慧型機器人可由個人電腦透過無線網路進行傳輸超音波感 測器、紅外線感測器資料，Sputnik智慧型機器人上採用WFS802b WiFi 802.11b 無線模組如圖3.24所示。其WFS802b之腳位說明如表3.6所示。

圖3.24 WFS802b 模組[56]

表3.6 WFS802b 腳位說明[56]

腳位 名稱 功能

1 Vcc +3.3V

2 RXD 資料接收

3 TXD 資料傳送

4 RST 請求傳送

5 CRTS 清除傳送

6 GND 電源接地

7 NC 保留

8 NC 保留

3.4 視覺系統

本論文視覺系統架構如圖 3.25 所示，電腦從 USB 下命令給網路攝影

機，網路攝影便開始拍攝動作，將抓取到的畫面傳回給電腦。當電腦收到 網路攝影機影像時，會將影像的縱向像素點數分成 0~144，橫向像素點數 分成 0~176，之後會開始辨識中紅色像素點數及位置，當紅色像素點數和

位置符合目標物時，機器人將往目標物方向前進，執行延目標物動作行為。

網路攝影機 USB PC

辨識影像 紅色像素點 圖 3.25 視覺系統架構

本論文使用的網路攝影機為 Microsoft Lifecam HD-5000 網路攝影 機，網路攝影機架設於機器人頂端的眼睛內部，如圖 3.26 所示

圖 3.26 網路攝影機架設位置

3.5 機器手臂控制系統

本論文手臂控制系統架構如圖 3.27 所示，一開始電腦經由 ZigBee 向 手臂控制器下命令，手臂控制器再操控機器手臂上伺服馬達以完成命令。

ZigBee Final Max Holding

Torque

Resolution 0.35 degree

Operating Angle 300 degree

Voltage 7~10 v

Max. Current 900 mA

ID 254 (0~253) -

Command Signal Digital Packet -

Feedback

Position, Temperature, Load, Input Voltage, etc.

-

圖 3.28 五軸機器手臂

機器手臂的控制方法有電腦直接控制及控制器控制。電腦直接控制需 連接USB2Dynamixel轉接器、SMPS2Dynamixel電源轉接板、電源等，其 操作畫面和接線方式如圖3.29所示。

(a)

機器手臂 控制器、電源，其接線方式如圖3.30所示，CM-5控制器為AX-12 AI伺服 馬達控制器如圖3.31所示。

接下例子中將設計一個例子，當按CM-5控制器按鈕S時，機器手臂手 指閉合。當按CM-5控制器按鈕U或CM-5控制器接收到2時，執行機器手臂 手打開。設計動作前，先依照圖3.30接線，之後打開Motion Editor動作編 輯如圖3.32所示，一開始先設計機器手臂第一個動作：先機器手臂手指打 開，在page number 輸入0，之後按page save 儲存動作，這時候機器手臂 手指開為動作0，接下來設計機器手臂第二個動作：將機器手臂手指閉合，

在page number 輸入1，之後按page save 儲存動作，這時候機器手臂手指 打開為動作1。

之後藉由Behavior Control Programmer來編輯程式，程式依照我們一開 手設定的要求來設計：當按CM-5控制器按鈕S時，機器手臂手指閉合，按

PC USB2Dynamixel CM-5 機器手臂 12V

圖3.30 控制器控制接線圖

圖3.31 CM-5控制器

圖3.32 Motion Editor操作畫面

圖3.33 Behavior Control Programmer 編輯程式

USB2Dynamixel CM-5 機器手臂 12V

ZigBee

PC ZigBee

圖3.34 無線控制器控制接線圖

3.6 電源系統

6、充電方式(25^◦ C)：循環使用→電壓從 14.4V 到 15V，最大電流 1.5A。

備用→電壓從 13.5V 到 13.8V。

7、使用年限： 225 次內循環使用，硫酸溶液深度減少 0%；250 次內循環 使用，硫酸溶液深度減少 20%；750 次內循環使用，硫酸

溶液深度減 50%。備用→3~5 年。

8、外盒材質：ABS(Acrylonitrile-butadience styrene plastics)，丙烯晴-丁二 烯-苯乙烯塑膠。

圖 3.36 12V 鉛蓄電池(WP1221W)

電源系統第二、三部份皆使用型號 TI-3450 萬用外接式電池如圖 3.37 所示。其規格如下[58]：

1、電池類型：Li-polymer 2、輸入規格：20V/3A 3、充電時間：4~5 小時

4、輸出電壓：DC 5V、6V、7.5V、9V、12V、14V、16V、 19V。

5、輸出電流：3.5A

電源系統第四部分是使用一般市面上的9V的錳鋅電池。第五部分為 sputnik 機器人上配置的兩組12V3800mAh電池組。

圖 3.37 TI-3450 萬用外接式電池

3.7 軟體介面設計

實驗介面使用 Visual Basic 軟體設計如圖 3.38 所示，分為 5 部分：

1、用來控制機器人正在執行的動作行為，即每個方塊內撰寫各個動作行 為之模糊系統，其各個動作行為模糊系統將在第四章介紹，而模糊系 統輸入，是由第 3 部分和第 4 部份取得。

2、擷取雷射測距儀前方 180 度的距離，每隔 30 度取一個最小值，即設定

每隔一段時間送出 MD 命令抓取 180 度距離，其顯示單位為公分，最 大值為 450cm。

3、擷取由無線網路接收 Sputnik 機器人傳來之紅外線和超音波距離感測器 資料，超音波距離感測器傳來資料單位為公分不需經過換算，紅外線 距離感測器需經過換算公式單位才可換算成公分。

4、無線網路接收 Sputnik 機器人影像顯示區，將傳來之影像尋找是否有紅 色目標，若有紅色目標物，計算其紅色在畫面中之畫素值，當作沿目 標物動作行為和抓取目標物動作行為之輸入。

5、手臂抓取操作區，需先經過第 4 部份影像辨識再決定手臂要上層夾取 或下層夾取，再由 ZigBee 下命令給手臂控制器，在每次夾取目標物 後，再下命令收起手臂。

圖3.38 Visual Basic軟體介面

各部分流程如圖 3.39 所示，一開始執行 Visual Basic 軟體介面第 2 部 份，由雷射測距資料來決定執行靜態避障動作行為、動態避障動作行為、

執行沿牆壁動作行為、沿目標物動作行為、抓取動作行為。

若執行靜態避障動作行為其輸入資料為 Visual Basic 軟體介面第 2 部 分取得雷射測距儀資料；若執行沿牆壁動作行為其輸入資料為 Visual Basic 軟體介面 Visual Basic 軟體介面第 3 部分取得紅外線感測器資料；若 執行動態避障動作行為其輸入資料為 Visual Basic 軟體介面第 2 部分取得 雷射測距儀資料。

若機器人無任何障礙物時，執行沿目標物動作行為其輸入資料為 Visual Basic 軟體介面第 4 部分取得網路攝影機影像。當機器人靠近目標 物時，執行抓取動作行為其輸入資料為 Visual Basic 軟體介面第 3、4 部分 取得超音波感測器資料和網路攝影機影像之畫素值。

開始

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

X₇ Sputnik 機器人上前側超音波感測器

在文檔中 移動機器人之階層模糊邏輯控制 (頁 39-0)