應用雷射測距儀於校園室內立方地圖建構
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(2) 應用雷射測距儀於校園室內立方地圖建構 學生:李崇嘉. 指導教授:曾煥雯博士. 國立臺灣師範大學應用電子科技學系碩士班. 摘. 要. 近年來,機器人相關產業迅速發展。除了常見的工業用機器人之外,家 庭照護機器人或是救援機器人也相繼被開發出來並且運用在實際情況中。 由於自主型移動機器人機動性高的特性,所以可以應用的範圍非常廣。 許多研究多以超音波感測器、雷射測距儀或是立體攝影機協助進行地圖建構 的任務。本研究選擇使用雷射測距儀作為地圖建構的設備。 本研究之自主型移動機器人將雷射測距儀裝載於移動式掃描平台,藉由 改變掃描平台的角度以掃描環境,並記錄所回傳的距離資訊。本研究之雷射 測距儀也用於決定自主型移動機器人的移動模式以防止機器人隨機於環境 中移動。除此之外,研究者結合電子羅盤與 RFID 進行機器人基準點與方位 之判斷使地圖資訊能夠更加精確。 本研究將雷射測距儀回傳的距離資訊進行座標轉換後,擷取機器人前方 3.5 公尺至 4.5 公尺區間的距離資訊做聯集,其聯集後的資訊延展成為該區 間所擁有的障礙物情況。 本研究利用正立方體的方式來表示環境中障礙物的佔有情形,並稱之為 立方地圖。立方地圖能夠有效地建構出環境中障礙物的分佈情形,並且容易 進行地圖更新。. i.
(3) 本研究提出一套立方地圖建構的系統,經由研究者設計的機器人移動機 制,機器人能夠順利地在環境中行走,並且擷取環境中的距離資訊。將這些 大量的距離資料經過本研究的運算方法後,可以有效的減少運算量。在後續 研究中希望提供立方地圖給校園巡邏機器人作為火災偵測或巡邏使用。. 關鍵字:立方地圖、地圖建構、自主型移動機器人、雷射測距儀. ii.
(4) Application of Laser Range Finder for Campus Indoor Voxel Map Building student:Chung-Chia Lee. Advisors:Dr. Huan-Wen Tzeng. Department of Applied Electronics Technology National Taiwan Normal University. ABSTRACT. In recent years, the robot industry has developed rapidly. Besides industrial robots we are familiar with, family-care robots and rescue robots are developed and applied in practical conditions. Because autonomous robot has high mobility, it can be applied widely. In most researches, researchers commonly use ultrasonic sensor, laser range finder and stereo camera to do map building tasks. In our research, we use laser range finder to accomplish our research. We equip the laser range finder with scan platform. By pan-tilting the scan platform, we can receive and record range data of environment. We also take the advantage of range data to decide which movement mode to avoid robot moving randomly in the environment. In addition, we combine with electronic compass and RFID to improve our map more accurately. We transform range data into Cartesian coordinate system by trigonometric function calculation. We capture the interval of one meter between 3.5 meter and 4.5 meter which is in front of robot to be the union. The union stands for the condition of occupancy in the interval. We use voxels to present the condition of occupancy in the environment. We call it “Voxel Map.” We can establish the condition of occupancy in the environment and update map efficiently by applying voxel map. iii.
(5) We develop a system to build voxel map. Under the movement rules we design, the robot can move smoothly and collect range data in the environment. By calculating a great a quantity of range data in our algorithm, we can reduce the amount of computation efficiently. In future work, we can provide voxel map information to campus patrol robot for fire detection patrol or routine patrol.. Keywords: Voxel map, Map building, Autonomous robot, Laser Range Finder. iv.
(6) 謝. 誌. 時光荏苒,在臺灣師範大學已經六年了。從大學到研究所論文的付梓, 這麼多年來的學習,不管是歡笑還是艱辛的回憶都點滴在心頭。到了六年求 學生涯的尾聲,終將要離開校園的舒適圈,踏入社會。我非常誠摯的感謝指 導教授曾煥雯博士從大學專題到研究所這幾年來的指導與訓練,不管是分析 研究所需技術或是探討人生哲學裡的智慧,都使我在求學生涯中受益良多。 同時,更要感謝口試委員王順源教授、陳俊良教授、洪欽銘教授與曾煥雯教 授對本論文給予許多寶貴的建議和指導,使得本論文能夠更加完備。 在學習的過程中,同樣的要感謝臺灣師範大學提供非常好的學習環境與 多元的學校資源,使得在學習過程中能夠順利完成本論文之研究。同時也要 感謝所有教授們在研究時提供技術上的協助讓研究過程更加順利。 接著要感謝在研究所期間共同分享生活中喜怒哀樂的伙伴。誠心感謝宏 鎧、榮裔、玉典、永翔和文弘學長,當研究遇到瓶頸時能夠給予建議與協助; 也要感謝皓淳、拱北及苹源等共同奮鬥的好友,總能在空閒時適時的給予娛 樂和歡笑;更要感謝應電系辦的人員,在學業過程中提供許多幫忙與協助。 最後,要特別感謝我的父母和家人給予我強力的支持與鼓勵,讓我能夠 順利地完成碩士論文。期許自己在未來的日子,不論遇到任何困難的事情, 都能夠抱持著積極的態度去克服。. 李崇嘉. 謹誌. 中華民國 103 年 6 月 v.
(7) vi.
(8) 目. 錄. 中文摘要 ......................................................................................................... i 英文摘要 ....................................................................................................... iii 謝誌 .................................................................................................................v 目錄 .............................................................................................................. vii 表目錄 ........................................................................................................... xi 圖目錄 ......................................................................................................... xiii 第一章. 緒論...............................................................................................1. 1.1 研究背景與動機 ...............................................................................1 1.2 研究目的 ...........................................................................................2 1.3 研究限制 ...........................................................................................3 1.4 研究方法 ...........................................................................................4 1.5 研究步驟 ...........................................................................................5 第二章. 文獻探討與回顧...........................................................................7. 2.1 機器人及相關研究...........................................................................8 2.2 感測器及相關研究.........................................................................10 2.2.1. 超音波感測器 .................................................................... 11. 2.2.2. 立體攝影機 ........................................................................12. 2.2.3. Kinect..................................................................................12. 2.2.4. 電子羅盤 ............................................................................13. 2.2.5. RFID ...................................................................................13. 2.3 雷射測距儀及相關研究.................................................................14 2.3.1. 雷射測距儀的原理和特性 ................................................14. 2.3.2. 雷射測距儀的應用 ............................................................15. 2.4 地圖建構及相關研究.....................................................................17 vii.
(9) 第三章. 2.4.1. 佔有方格地圖 ....................................................................17. 2.4.2. 拓樸地圖 ............................................................................18. 2.4.3. 特徵地圖 ............................................................................19. 2.4.4. 3D 物件重現地圖 ..............................................................20. 2.4.5. 立方地圖 ............................................................................22. 2.4.6. 綜合比較 ............................................................................23. 系統架構分析.............................................................................25. 3.1 系統架構設計 .................................................................................25 3.2 機器人導航 .....................................................................................27 3.2.1 脈波控制 ..............................................................................27 3.2.2 雷射測距儀之配置 ..............................................................28 3.2.3 循邊模式 ..............................................................................29 3.2.4 避障模式 ..............................................................................33 3.2.5 避障模式─地面障礙物閃避機制 ......................................35 3.2.6 避障模式─水平障礙物閃避機制 ......................................37 3.2.7 機器人移動規則 ..................................................................37 3.3 根點定位 .........................................................................................40 3.3.1 環境根點之定義 ..................................................................41 3.3.2 電子羅盤之偵測 ..................................................................41 3.3.3 機器人轉向控制 ..................................................................42 3.4 雷射資料擷取與處理.....................................................................43 3.4.1 環境資訊擷取流程 ..............................................................44 3.4.2 雷射資料修正 ......................................................................45 3.4.3 雷射資料的座標轉換 ..........................................................46 3.4.4 雷射資料的擷取方法(一)─全掃描 ...................................47 3.4.5 雷射資料的擷取方法(二)─關鍵點全掃描 .......................47 viii.
(10) 3.4.6 雷射資料的擷取方法(三)─特定掃描 ...............................48 3.4.7 雷射資料的擷取方法(四)─簡要掃描 ...............................48 3.5 立方地圖建構 .................................................................................49 3.5.1 正立方體規劃與設計 ..........................................................50 3.5.2 機器人移動與座標的關係 ..................................................50 3.5.3 立方地圖之狀態登錄 ..........................................................52 3.5.4 建構初始地圖 ......................................................................53 3.5.5 立方地圖的定期更新 ..........................................................54 第四章. 系統設計與實作.........................................................................57. 4.1 系統整體架構 .................................................................................57 4.2 硬體設備與軟體環境.....................................................................58 4.2.1 硬體設備 ..............................................................................58 4.2.2 軟體環境 ..............................................................................62 4.3 場景規格與建置 .............................................................................63 4.4. 實驗成果.....................................................................................64 4.4.1 機器人移動路線 ..................................................................65 4.4.2 擷取方法(一)─全掃描的結果 ...........................................66 4.4.3 擷取方法(二)─關鍵點全掃描的結果 ...............................67 4.4.4 擷取方法(三)─特定掃描的結果 .......................................69 4.4.5 擷取方法(四)─簡要掃描的結果 .......................................70 4.4.6 結果比較 ..............................................................................71 4.4.7 總結 ......................................................................................72. 第五章. 結論與後續研究.........................................................................73. 5.1 結論 .................................................................................................73 5.2 後續研究 .........................................................................................75 參 考. 文. 獻 ...........................................................................................77 ix.
(11) 附錄一. 實驗場景地圖 ...............................................................................83. 附錄二. 立方地圖(方法一) ........................................................................84. 附錄三. 立方地圖(方法二) ........................................................................85. 附錄四. 立方地圖(方法三) ........................................................................86. 附錄五. 立方地圖(方法四) ........................................................................87. 作者簡介 .......................................................................................................88. x.
(12) 表目錄 表 2-1. 地圖建構方法之比較 ............................................................23. 表 3-1. 機器人移動時輸入脈波之種類 ............................................28. 表 4-1. 雷射測距儀規格 ....................................................................59. 表 4-2. 電腦配備與軟體環境 ............................................................63. 表 4-3. 四種方法之比較 ....................................................................71. xi.
(13) xii.
(14) 圖目錄 圖 1-1. 研究步驟之流程 ......................................................................................6. 圖 2-1 救援機器人 ................................................................................................8 圖 2-2 醫療照護機器人 ........................................................................................9 圖 2-3 導覽機器人 ..............................................................................................10 圖 2-4 超音波感測器 .......................................................................................... 11 圖 2-5 立體攝影機 ..............................................................................................12 圖 2-6 Kinect ........................................................................................................12 圖 2-7 電子羅盤 ..................................................................................................13 圖 2-8 RFID 讀取器 .............................................................................................14 圖 2-9 SICK 雷射測距儀 .....................................................................................15 圖 2-10 Hokuyo 雷射測距儀 ...............................................................................15 圖 2-11 (a)地圖 1(b)地圖 2(c)地圖 1 與地圖 2 之整合......................................18 圖 2-12 拓樸地圖 ................................................................................................19 圖 2-13 特徵地圖 ................................................................................................19 圖 2-14 特徵地圖運用於增廣實境 ....................................................................20 圖 2-15 (a)水槽模型(b)辨識結果 ........................................................................21 圖 2-16 (a)環境影像(b)物件重現地圖 ................................................................21 圖 2-17 立方地圖 ................................................................................................22 圖 3-1 系統架構規劃 ..........................................................................................25 圖 3-2 系統運作流程圖 ......................................................................................26 圖 3-3 機器人導航架構圖 ..................................................................................27 圖 3-4 雷射測距儀之配置(a)整體配置(b)前方雷射測距儀配置 .....................28 圖 3-5 循邊模式示意圖 ......................................................................................29 圖 3-6 循邊模式偵測角度配置 ..........................................................................30 圖 3-7 循邊模式流程圖 .......................................................................................30 圖 3-8 偏移校正流程圖 .......................................................................................31 xiii.
(15) 圖 3-9 機器人偏移牆面示意圖(a) DSa > DSc (b) DSa < DSc ................................32 (c)與牆面距離不為 40 公分 ................................................................................32 圖 3-10 避障模式運作流程圖 .............................................................................34 圖 3-11 水平障礙物閃避機制偵測角度配置 .....................................................34 圖 3-12 地面障礙物閃避機制運作流程圖 .........................................................35 圖 3-13 平坦路面且無障礙物 .............................................................................35 圖 3-14 樓梯/路面不平 ........................................................................................36 圖 3-15 障礙物 .....................................................................................................36 圖 3-16 水平障礙物閃避機制流程圖 .................................................................37 圖 3-17 機器人相關規格 .....................................................................................38 圖 3-18 機器人移動控制流程圖 .........................................................................39 圖 3-19 機器人移動規則(a)窄巷規則(b)右轉規則(c)左轉規則 .......................40 圖 3-20 環境根點示意圖 .....................................................................................41 圖 3-21 電子羅盤測量示意圖 .............................................................................41 圖 3-22 電子羅盤方向角示意圖 .........................................................................42 圖 3-23 機器人轉向控制流程圖 .........................................................................43 圖 3-24 雷射掃描機構 .........................................................................................44 圖 3-25 雷射掃描流程圖 .....................................................................................45 圖 3-26 雷射資料修正示意圖 .............................................................................46 圖 3-27(a)水平掃描機構(b)水平掃描規格(c)垂直掃描機構(d)垂直掃描規格 49 圖 3-28 正立方體規劃 .........................................................................................50 圖 3-29 機器人移動方向 .....................................................................................51 圖 3-30 地圖登錄流程圖 .....................................................................................52 圖 3-31 建構初始地圖流程圖 .............................................................................54 圖 3-32 地圖更新流程圖 .....................................................................................55 圖 4-1 系統整體架構圖 .......................................................................................57 圖 4-2 實體架構圖 ..............................................................................................58 xiv.
(16) 圖 4-3 雷射測距儀 ..............................................................................................59 圖 4-4 RFID Reader 與 Tag ..................................................................................60 圖 4-5 HM55B 電子羅盤 ....................................................................................60 圖 4-6 BASIC Stamp 微處理器教學板 ...............................................................60 圖 4-7 掃描平台與雷射測距儀機構 ..................................................................61 圖 4-8 PLC 控制器 ...............................................................................................61 圖 4-9 P5 伺服馬達圖 ..........................................................................................62 圖 4-10 PU 伺服馬達驅動器 ...............................................................................62 圖 4-11 減速機構 ................................................................................................62 圖 4-12 走廊場景 ................................................................................................63 圖 4-13 整體實驗場景 ........................................................................................64 圖 4-14 機器人移動路徑 ....................................................................................65 圖 4-15 整體方格地圖─全掃描(全景) .............................................................66 圖 4-16 整體方格地圖─全掃描(上視圖) ..........................................................67 圖 4-17 擷取位置與方向 .....................................................................................67 圖 4-18 整體方格地圖─關鍵點全掃描(全景) .................................................68 圖 4-19 整體方格地圖─關鍵點全掃描(上視圖) .............................................68 圖 4-20 整體方格地圖─特定掃描(全景) .........................................................69 圖 4-21 整體方格地圖─特定掃描(上視圖) .....................................................69 圖 4-22 整體方格地圖─簡要掃描(全景) .........................................................70 圖 4-23 整體方格地圖─簡要掃描(上視圖) .....................................................70 圖 5-1 垂直掃描機構 ..........................................................................................76. xv.
(17) xvi.
(18) 第一章. 緒論. 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。. 1.
(19) 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]。. 2.
(20) 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。 3.
(21) 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。. 4.
(22) 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。. 5.
(23) 日期. 研究階段. 研究時程. 研究步驟流程 文獻蒐集與統整. 102/07 | 102/11. 研究規劃階段. 確定研究目標. 六個月. 規劃系統架構. 理論與演算法的分析 102/11 | 103/04. 程式撰寫與除錯 研究實現階段. 系統測試. 六個月. 否. 達成實驗設立的目標?. 是 103/04 | 103/06. 研究完成階段. 圖 1-1. 二個月. 研究步驟之流程. 6. 撰寫研究報告.
(24) 第二章. 文獻探討與回顧. 近年來,機器人領域的相關研究如雨後春筍般地不斷有許多新的開發成 果,例如:醫療照護機器人(Health Care Robots)、人形機器人(Humanoid Robots)、救援機器人(Rescue Robots)、服務型機器人(Service Robots)和巡邏 機器人(Patrol Robots)…等等。上述數種機器人技術的開發,能夠讓機器人成 為人的得意助手,協助人類社會往前邁進。. 由於自主型移動機器人(Autonomous Mobile Robot)擁有高機動性的優 點使得自主型機器人能夠應用在許多地方,舉凡是工廠、醫療院所、辦公室 甚至軍事機構。自主型機器人擁有需多優秀的能力,例如自動行駛、智慧型 配送、協助傷殘人士、探索未知環境和建構地圖…等等。最理想的目標是讓 自主型機器人能夠有複雜且細微的行為,並且能與人類進行互動。然而,這 些目標是需要在人工智慧(Artificial Intelligence)和即時運算兩方面中發展出 更多革新的技術與秉持著努力不懈的研究精神[3-4]。. 開發一個自主型機器人能在動態的環境中移動是一件大工程。首先,要 瞭解四個問題: 1. 機器人在哪裡? 2. 機器人周圍有什麼? 3. 機器人想要去哪裡? 4. 機器人如何前往目的地? 從以上四個問題可以歸納出自主 式機器人的研究有四個面向─定位 (Localization)、地圖建構(Mapping)、任務規劃(Task Planning)和路徑規劃(Path Planning)。然而,上述都需要有精準的感測器、有效率的演算法和良好的即 時運算系統…等等的支持,才能夠讓機器人在未知的環境順利地移動[5]。 7.
(25) 2.1 機器人及相關研究 近年來有關於機器人的研究中以任務型機器人為主的研究非常多,其原 因是在於讓機器人能夠深入人類無法進入的重災區協助救災人員救援。. 在 2012 年,Michael Brunner 等人[6]利用履帶機器人並結合發表者所提 出的運動規劃演算法使得履帶機器人[7]能夠順利地在崎嶇的地方移動。其演 算法是利用由雷射測距儀掃描地形起伏所建立的地圖進行路徑規劃。發表者 也將機器人驅動器與其穩定度…等等限制納入考量。因此,機器人於崎嶇的 地方移動時能夠較為穩定。實際測試如圖 2-1,圖 2-1(a)中實線為演算法所 推算出來的最佳路徑;虛線為機器人實際走的軌跡。圖 2-1(b)為機器人於實 際崎嶇的環境行走情形。. (a). (b) 圖 2-1 救援機器人 8.
(26) 機器人逐漸走入人群之中,就如同電影變人(Bicentennial Man)或是機 械公敵(I, Robot)中所提到的。在未來的人類世界中,人類與機器人之間的互 動必定會是相當重視的議題。在 2013 年,Manida Swangnetr 和 David B. Kaber[8]認為美國的護士數量不足,在未來的醫療照護機器人(healthcare service Robot)勢必需要與病人直接互動,所以機器人必須適時察覺病人的狀 況,提供適切的協助。因此,發表者利用感測器量測病人的心跳頻率(Heart Rate, HR)和皮膚電阻響應(Galvanic Skin Response, GSR),並將這些訊息利用 小波分析(Wavelet Analysis)來分析病人的情緒狀況。圖 2-2 中左邊為醫療照 護機器人與病人同樣身高,並利用攝影機進行身分辨識。病人的 HR 和 GSR 經過小波分析後可以提供病人一些建議與提醒。. 圖 2-2 醫療照護機器人 機器人除了可以運用在崎嶇的地區和醫療院所之外,也可作為導覽機 器人[9-10]運用於博物館或是校園。在日本,Takuya Sasai 等人[11]開發出導 覽機器人。此導覽機器人裝載了雷射測距儀(Laser Range Finder)和全向攝影 機(Omnidirectional Camera)可以偵測周圍的人,並選取最近的人作為操作者。 9.
(27) 使用者可以用簡單的姿勢控制機器人,機器人會依照使用者的命令將資訊 投影在地面、牆面或是天花板,並與參觀者作互動。圖 2-3 為導覽機器人的 硬體配置,主要有裝載全向攝影機、雷射測距儀、旋轉平台、網路攝影機、 投影機和電腦。. 圖 2-3 導覽機器人. 2.2 感測器及相關研究 近幾年來,利用自主式移動機器人進行地圖建構的研究越來越多。為了 能夠建構地圖除了機器人之外,還需要裝載一些感測器協助建構地圖。因此, 有 些 研 究 裝 載 超 音 波 感 測 器 (Ultrasonic Sensor)[12] 、 立 體 攝 影 機 (Stereo Camera)、Kinect[13]或是雷射測距儀(Laser Range Finder)來協助地圖建構的, 進而將此研究延伸至其它應用層面[14]。. 本節將針對超音波感測器、立體攝影機和 Kinect 作簡介,而本研究會 使用的雷射測距儀將會在 2.3 節中做詳細的介紹。 10.
(28) 2.2.1. 超音波感測器. 超音波為聲波的一種,其頻率大於 20kHz 是人類聽覺無法聽到的範圍。 在測量應用上,超音波是指 20kHz 到 20MHz 間的頻率。一般常見的超音波 感測器主要分為動態型(Dynamic)和壓電型(Piezoelectric)。圖 2-4 為一壓電 型超音波感測器。. 動態型超音波感測器組成主要為以金屬膜所包覆的被動式電磁元件。 此種超音波感測器適用於小於 100kHz,通常應用於警報系統。壓電型超音 波感測器主要由壓電晶體組成。當輸入訊號的頻率與晶體的共振頻率相同 時,壓電晶體會開始振動。壓電晶體振動時,振動量會傳到想要測量的物 體上。同理,當壓電晶體接收到與共振頻率相同頻率的聲波時,也會產生 相同頻率的輸出訊號。因此可以藉由此特性將壓電晶體作為發射器與接收 器使用,並且利用發出與接收到的時間差推算出與物體之間的距離[15]。如 [16]將超音波感測器裝置在自主型機器人上,藉由超音波感測器所回傳的距 離資訊進行地圖建構。與物體之間的距離公式如 2-1 式所示。. t D c TOF 2. T m / s , c 331.31 1 273.15 . (2-1). 其中,D 為所測得之距離;c 為音速;tTOF 為發射與接收的時間差;T 為操作環境的溫度(℃)。圖 2-4 為超音波感測器照片。. 圖 2-4 超音波感測器. 11.
(29) 2.2.2. 立體攝影機. 立體攝影機(Stereo Camera)具有兩個或者兩個以上的鏡頭分別取得不 同的影像,如圖 2-5。立體攝影機的多鏡頭可以模擬人眼,每個鏡頭所捕捉 到的影像可以組合成人眼所看見得影像。因此,有研究者利用立體攝影機來 建構 3D 地圖。如[17]中,研究者為了能夠將複雜且大範圍的室外環境進行 3D 重建,因此利用多個立體攝影機於高空中擷取影像,並將影像作整合來 建構場景。如[18]中,將立體攝影機裝設在汽車上擷取環境資料,進而利用 佔有方格分析環境中的靜態障礙物和動態物體追蹤。. 圖 2-5 立體攝影機 2.2.3. Kinect. Kinect 可以擷取三種資料─3D 深度影像、彩色影像和聲音資訊。如圖 2-6 所示,3D 深度感測器是由紅外線發射器與紅外線攝影機所組成。藉由 發射人眼看不見的紅外線到測量環境中,並由紅外線攝影機取得紅外線的 資料,並利用時間差推算出環境中的距離資訊。除此之外,可以利用底座 的傾斜馬達讓 Kinect 能夠得到範圍更大的影像。如[19]中,研究者利用 Kinect 擷取深度影像進行人體辨識與追蹤。如[13]中,研究者利用 Kinect 進行地圖 建構與遠端遙控。. 圖 2-6 Kinect 12.
(30) 2.2.4. 電子羅盤. 電子羅盤(Electronic Compass)主要是用來量測物體所在之處的地球磁 場方向。電子羅盤主要是由一對相互垂直的線圈所組成,藉由量測兩個線 圈因電流磁效應而產生的電壓值來推算出磁場方向。如[20]中,研究者利用 電子羅盤偵測移動機器人的方向,藉此控制移動機器人能夠走出接近圓形 的路線。本研究所使用的電子羅盤為 Hitachi HM55B Compass Module,電子 羅盤的實體照片如圖 2-7。. 在現今有關於定位的研究多是利用環境中設置參考目標,其缺點在於 每到新的環境時必須重新設置新的參考目標。然而一般的定位系統的定位 方法為航位推測法(Dead reckoning),但是其缺點在於會有累積誤差的問題。 因此,在[21]中的研究者為了改善現今常見的定位方法提出利用電子羅盤配 合比例積分微分控制(Proportional-Integral-Derivative Control, PID Control)使 機器人能夠在執行指令動作時能夠減少移動的偏移量。. 圖 2-7 電子羅盤 2.2.5. RFID. RFID 為“Radio Frequency Identification”的縮寫,其主要由讀取器(Reader) 與標籤(Tag)所構成。RFID 的原理是利用讀取器發射無線電波,當標籤經電 波觸動後,讀取器會讀取標籤中所儲存的資料。RFID 實際應用案例主要有 悠遊卡、高速公路的電子收費與住宅安全的身分辨識磁卡…等等。以身份辨 識磁卡為例,磁卡中都有裝置標籤,而讀取器裝置在出入口或是電梯中,每 次進出門或是搭乘電梯時須用磁卡接觸讀取器以進行資料讀取,進行身分確 13.
(31) 認與辨識。如[22]中,研究者利用裝置在移動機器人上的讀取器去讀取設置 在環境中的標籤。藉由移動讀取器的讀取範圍來推算出標籤的位置,進而也 可以了解機器人於室內環境的位置。RFID 讀取器的實體照片如圖 2-8。. 圖 2-8 RFID 讀取器. 2.3 雷射測距儀及相關研究 在本研究中,雷射測距儀需要協助移動機器人進行導航和地圖建構的 任務。因此,在本節中會針對雷射測距儀的原理特性與應用範圍進行探討。. 2.3.1. 雷射測距儀的原理和特性. 雷射測距儀[23] 的量測原理與雷達相同,其原理為利用測距儀中的雷射 二極體發射出雷射脈衝,當雷射光遇到物體反射回到測距儀後,測距儀利用 光電二極體接收雷射光。藉由計算雷射脈衝發射到返回掃描儀之間的時間差, 進而推算出雷射測距儀和物體兩者之間的距離,此方法稱為飛行時間法或是 時間差法(Time-of-fight Method, TOF)。. 然而,雷射脈衝為一種經振盪增幅的可見光,因此接觸到黑色物體時, 其能量會被吸收導致能量衰減,所以雷射測距儀無法量測黑色物體。除此之 外,雷射若打在會反光的物體,例如鏡子,或者是發生全反射時,其雷射光 會被該物體的表面反射到其它地方,而導致所量測的距離數值無法量測到正 14.
(32) 確的數值。因此,在利用雷射測距儀進行量測時,應該要避免黑色和反光的 物體。本文所使用的雷射測距儀有兩種,一種為 SICK LMS100,另一種為 Hokuyo URG-04LX,分別如圖 2-9 與圖 2-10。. 圖 2-9 SICK 雷射測距儀. 2.3.2. 圖 2-10 Hokuyo 雷射測距儀. 雷射測距儀的應用. 在雷射測距儀開發出來之後,由於其量測的準確度比聲納較好[24],因 此許多研究紛紛改為利用雷射測距儀。以下將針對現今利用雷射測距儀完 成任務的領域分別作介紹:. 1. 逆向工程(Reverse Engineering) 在建築工程和結構工程領域中,具有高準確度的雷射測距儀對 於 3D 模型建構與分析是非常好的得力幫手。隨著技術的進步,使 得雷射測距儀能夠在短時間內擷取到細微的距離資訊,並且能夠取 得大範圍的資料,使得工程師能夠藉由所得到的資訊加以分析物體 的表面和內部構造[25]。. 15.
(33) 在製造工程中,為了能夠製造出品質優良的產品,許多研究多 使用雷射測距儀進行產品 3D 建模與重建。因此,在汽車工業中也 常見此項技術。利用雷射從車門取得的資訊進行去除雜訊和校正後, 建構出車門的基本模型,接著建構出表面,最後進行 3D 建模[26]。. 隨著雷射測距儀掃描技術的發展,在牙醫領域中也逐漸使用類 似的系統進行口腔修復。藉由建構出病人口腔的 3D 模型讓醫生能 夠更加了解病人的情形,並且精準地進行牙齒修復或重建[27]。. 2. 物體辨識和追蹤(Object Recognition and Tracking) 在物體辨識方面,研究者利用雷射測距儀取得雷射掃描影像, 並以掃描影像進行物體辨識。雷射掃描影像中包含物體的距離資訊, 並將距離資訊投影到3D空間。首先,將這些距離資訊進行梯度分類 (Gradient-Based Classification) , 接 著 再 利 用 遞 迴 物 件 連 通 標 記 (Recursive Connected Component Labeling, RCCL)標記相連的區域, 進而進行物體辨識[28]。. 在[29]中,Ryosuke Murai等人將自主型機器人放在醫院這類的 動態環境中,並且利用雷射測距儀判斷前方是否有輪椅或病人以方 便閃避。在[30]中,洪榮裔將雷射測距儀裝置在一個掃描機構上,藉 由改變雷射測距儀掃描的俯角以截取一個平面的雷射掃描影像。利 用擷取到的雷射掃描影像辨別是否有人跌倒的情形。. 在物體追蹤方面,研究者利用雷射測距儀量測環境,藉由取得 的距離資訊,分析其中的變化來辨別環境中人或是物體如何移動。 此研究可以應用在大型購物商場來判斷人潮移動方向[31][32]。. 16.
(34) 2.4 地圖建構及相關研究 自主式移動機器人(Autonomous Mobile Robot)的基本特徵是能夠在未 知或者是部分已知的環境中獨立運作。其中「自主式」(Autonomous)一詞是 指機器人應該能夠在任務中應變靜態障礙物和無法預知的動態事件[33]。為 了能夠達到這個目標,開發過程中必須審慎思考在本章前言中所提及的四 個面向─定位(Localization)、地圖建構(Mapping)、任務規劃(Task Planning) 和路徑規劃(Path Planning)。. 地圖的表示方法主要有五種─佔有方格地圖(Occupancy Grid Map)、拓 樸地圖(Topological Map)、特徵地圖(Feature Map)、3D物件重現地圖(3D Object Map)和立方地圖(Voxel Map)。前三者主要表示於平面,後兩者主要 表示於立體。然而,近年來為了能夠提供更可靠的地圖資訊,也有研究提 出整合前述的地圖表示方法之想法,即混合佔有方格地圖和拓樸地圖建構 出Grid-Topological地圖[16],提供更為準確的地圖資訊。. 2.4.1. 佔有方格地圖. 所謂的方格地圖本質為一種資料結構,主要用來表示空間中障礙物是 否存在的確定程度。其可以將機器人周圍之環境資訊以0到1之間的數值呈 現。通常佔有障礙物為1,無障礙物為0,其餘以機率的方式表示0到1之間 的數值。每一格方格代表真實環境中的一個區塊,當有新的環境資訊進來 時,改變舊有的地圖資料[34]。. Andreas Birk 和Stefano Carpin 發展出一套方法來整合多個機器人所 建構的佔有方格地圖,其能夠有效地加快地圖建構的速度。由於每個機器 人在建構地圖時都是獨立的,無法辨識其餘機器人所在地與狀態,因此必 須尋找不同機器人所建構出來的地圖之間的關係[35]。 17.
(35) 如圖2-11所示,其中(a)為1號機器人所建構出來的地圖;(b)為2號機器 人所建構出來的地圖;(c)為整合兩者之地圖。藉由演算法將地圖2旋轉或平 移來判斷兩者地圖之間最大重疊的部分,進而將兩張地圖整合成同一張地 圖。若利用更多機器人則能夠更有效率完成大範圍的地圖建構任務。. (a). (b). (c). 圖 2-11 (a)地圖 1(b)地圖 2(c)地圖 1 與地圖 2 之整合 A .Gonzalez-Ruiz、A. Ghaffarkhah和Y. Mostofi 利用機器人群建立具有 閉塞區塊的障礙物佔有方格地圖。機器人群除了搭載雷射測距儀測量障礙 物的外圍之外,同時也搭載無線測量儀器測量雷射測距儀無法測量到的閉 塞區塊。最後再將機器人群所有地圖資訊合併成包含閉塞區塊的地圖[36]。. 2.4.2. 拓樸地圖. 拓樸地圖主要由節點(Node)和弧線(Arc)所組成。其中節點代表環境中 重要的地方,例如房間或是起/終點等等;邊代表環境中空間的連結。因此, 拓樸地圖主要是用來進行路徑規劃。. Kwangro Joo等人發展出利用佔有方格地圖產生出拓樸地圖的方法,其 主要應用於清理機器人行走的路徑規劃。首先,取得佔有方格地圖並且將 地圖簡化與修整。接著擷取出地圖的角落,即凹處和凸處。擷取出角落後, 挑選出門可能座落的位置。之後再搭配基因演算法產生拓樸地圖並且進行 18.
(36) 優化[37],其成果圖如圖2-12。其中,黃點為重要空間;黃線為地圖邊界; 藍線為門的位置;紅線為連接線。. 圖 2-12 拓樸地圖. 2.4.3. 特徵地圖. 特徵地圖利用環境中的幾何特徵,如點或線等等,來表示環境。Folker Wientapper等人[38]發展出一套藉由擷取影像中的特徵建立出特徵地圖的資 料庫,並將此資料庫實運用於增廣實境(Augmented Reality)中。將物體的特 徵從影像中擷取出來建立特徵地圖的資料庫,如圖2-13所示。在增廣實境中, 會運用資料庫中的特徵,改變其外表來模擬物體改變後的狀況。從別的視 角來觀看時,會追蹤其特徵變化而調整增廣實境中的圖樣,如圖2-14。. 圖 2-13 特徵地圖. 19.
(37) 圖 2-14 特徵地圖運用於增廣實境. 2.4.4. 3D 物件重現地圖. 物件重現地圖是一種高結構性的地圖,其藉由物體辨識的結果放置在 地圖表示地平面上來表示。3D 物件重現地圖常常被運用在移動型機器人, 並利用 CAD 模型或是一些簡單的線和多邊形來建立模型。除此之外,物件 重現地圖的困難處在於物件分割,尤其是在複雜性的環境和物體。. Masahiro Tomono 利用攝影機連續擷取環境的影像,並利用尺度不變特 徵轉換搜尋環境中物件的特徵。尺度不變特徵轉換的特點為所擷取的特徵 點具方向性,因此同一個特徵在不同角度所擷取的影像中視不辨的,所以 比較容易進行物件分割[39]。. 20.
(38) 圖 2-15(a)為利用 SIFT 擷取水槽影像中的特徵點所建立出來的模型;圖 2-15(b)和圖 2-15(c)為攝影機於不同角度取得水槽影像後,進行物體辨識之結 果,顯示出其辨識結果不因角度和物體體積大小不同而產生判讀錯誤。圖 2-16(a)為攝影機所擷取的環境影像;圖 2-16(b)為物件重現地圖。. (a). (b). (c) 圖 2-15 (a)水槽模型(b)辨識結果. (a). (b) 圖 2-16 (a)環境影像(b)物件重現地圖 21.
(39) 2.4.5. 立方地圖. 立方地圖的概念主要來自佔有方格地圖,從二維平面發展成為三維空間。 立方地圖的基本單位為一正立方體,此正立方體會紀錄是否佔有障礙物。由 於立方地圖是一種簡單的 3D 地圖表示方法,因此有研究利用立方地圖進行 機器人的導航[40]與環境建模[41]。立方地圖的運算量較低且不需要佔用太 多的記憶體。反之,若要描述細部環境時,必須要增加運算量與記憶體空間。 除此之外,當感測器取得環境狀態後,將資料轉換成正立方體時,會出現一 些誤差,導致地圖不精準[42]。. Yungeon Choe 等人以立方地圖表示多變的都市環境[43]。發表者將雷 射測距儀、GPS、羅盤和相機裝置在車子上,利用這些儀器擷取都市環境, 進而製作出立方地圖。此篇研究與一般立方地圖不同的想法在於其正立方體 除了紀錄是否有障礙物之外,也記錄其幾何特徵。圖 2-17 為所建立的立方 地圖,利用幾何特徵可以分辨出路面、牆面或是樹。. 圖 2-17 立方地圖. 22.
(40) 2.4.6. 綜合比較. 經過前面三小節對於佔有方格地圖、拓樸地圖、特徵地圖 3D 物件重現 地圖和立方地圖的探討之後,在本小節中會把三種地圖的表示方式進行綜 合比較,比較表如表 2-1[44]。. 表 2-1 地圖建構方法之比較 地圖種類 表示方法. 優點. 利用相同大小的方 佔有方格地圖. 格表示。其方格可 以表現出相對環境. 缺點 進行大範圍建構地. 容易建構和更新。. 中障礙物的狀態。. 圖時,需要耗費較 多的運算時間和較 大的儲存空間。. 利用節點與弧線表 示。其中,節點為 可 以 有 效 進 行 規 由於較少的測量資 拓樸地圖. 重要標的;弧線為 劃 和 較 低 的 空 間 訊導致無法精準定 連結兩兩相關之節 複雜度。. 位和辨識。. 點。 利用點、線或是弧 有 較 多 的 測 量 資 特徵地圖. 線來表示環境的特 訊,適合靜態環境 徵。. 和自我定位。. 較難運用在未結構 化的環境中。無法 確切分辨出單一的 障礙物。. 利用 SIFT 將物件的 不 因 影 像 擷 取 時 需要提升辨識物件 3D 物件重現地圖. 特徵擷取出來進行 距 離 和 角 度 變 換 的準確度時,需要 地圖建構。. 立方地圖. 將立體空間利用正 立方體表示。. 而有所失真。. 較多比對資料量。. 簡單建構,運算量 進行細部描述時會 低 且 記 憶 體 容 量 需要較多的運算量 不會佔用太多。 23. 和記憶體容量。.
(41) 24.
(42) 第三章. 系統架構分析. 本章節將依照研究目標,針對本論文所提出的研究方法進行詳細敘述。 本章第一節是介紹系統的整體架構與規劃;第二節是介紹本研究的機器人導 航與定位;第三節是針對雷射資料擷取與處理作深入的探討;第四節是介紹 如何以空間的距離資訊建構出立方地圖。. 3.1 系統架構設計 本論文的系統架構設計與規劃如圖 3-1 所示,主要有包括四個部分:機 器人導航、雷射資料擷取與處理、根點定位和立方地圖建構。在機器人導航 部分會探討如何控制機器人在室內環境移動以利進行雷射掃描,詳細內容會 在 3.2 節中深入講解。在根點定位部分會探討如何利用電子羅盤和 RFID 進 行定位使得地圖資訊能夠較為準確,詳細內容會在 3.3 節中深入探討。在雷 射資料擷取與處理部分會探討如何利用雷射測距儀與掃描平台取得環境資 訊,詳細內容會在 3.4 節中深入探討。最後,在立方地圖建構部分會探討如 何使用雷射測距儀所取得的環境資訊進行立方地圖建構,詳細內容會在 3.5 節中深入探討。. 應用雷射測距儀於校園室內立方地圖建構. 機器人導航. 根點定位. 雷射資料擷取與處理. 圖 3-1 系統架構規劃. 25. 立方地圖建構.
(43) 本論文的系統運作流程如圖 3-2 所示,其中 i 為現在已掃描的次數; scan_times 為掃描完整空間的所需次數。在開始時,需要對本研究之系統進 行初始化,例如:設定雷射測距儀的初始狀態、調整掃描平台的初始位置和 機器人的初始定位等等。接著,結合雷射測距儀和掃描平台進行環境資訊的 掃描,將雷射測距儀所回傳的距離資訊存取到地圖建構資料庫中,利用資料 庫中所存取的環境資訊來建構立方地圖。在一個定位點掃描完成之後,判斷 是否已達掃描完整空間的所需次數。若未達次數則移往下一個定位點進行掃 描,直到達到掃描完整空間的所需次數。 開始. 機器人初始化. 擷取 雷射掃描資訊. 移動至下一個 定位點. 地圖建構 資料庫. 否. i=scan_times?. i+1. 是 結束. 圖 3-2 系統運作流程圖 將整體的立方地圖建構系統做了概要的介紹之後,在接下來的第二節至 第四節中將會細述第一節所提及的各個區塊。. 26.
(44) 3.2 機器人導航 不管在室內或是室外、未知或是已知環境中,機器人的導航在地圖建構 中是不可或缺的一部分。因此,在本小節中會詳細的闡述本論文對於室內環 境中機器人導航法則與移動方式以達到將整體環境進行地圖建構的目的。. 本論文所提出的機器人導航架構圖如圖 3-3,其中主要包含三個部分─ 循邊模式、避障模式和機器人移動規則。循邊模式是利用裝載在機器人側邊 的雷射測距儀作為修正的輔助,避免移動機器人在行走時產生誤差。利用避 障模式判斷是否有障礙物影響機器人行走,並以此作為機器人閃避障礙物方 式的依據。機器人移動規則讓機器人能夠順利在空間行走。 機器人導航. 循邊模式. 避障模式. 機器人移動規則. 圖 3-3 機器人導航架構圖 3.2.1 脈波控制 機器人移動的方式主要有雙輪式、四輪式、雙足式和履帶式…等等。本 研究所採用的移動方式為雙輪式。機器人為前輪趨動,其餘無動力的輪子作 為輔助輪。前輪利用伺服馬達配合減速機構進行控制。本研究所使用的控制 方法為脈波控制,即日本控制。脈波控制是利用脈波的頻率與數量控制,其 中脈波頻率控制運動速度;脈波數量控制運動量。輸出脈波主要有兩種─ Forward Pulse 和 Reverse Pulse。藉由控制兩種脈波的頻率和數量讓前輪能夠 依照指令進行運動。以下表 3-1 探討前輪如何動作使機器人移動或轉彎。. 27.
(45) 表 3-1 機器人移動時輸入脈波之種類 機器人動作 左前輪之輸入脈波. 右前輪之輸入脈波. 前進. Forward Pulse. Forward Pulse. 後退. Reverse Pulse. Reverse Pulse. 原地左轉. Reverse Pulse. Forward Pulse. 原地右轉. Forward Pulse. Reverse Pulse. 3.2.2 雷射測距儀之配置 雷射測距儀的配置必須視研究需要來決定其位置。由於本研究的雷射測 距儀主要用途在循邊模式和避障模式。因此,本研究的雷射測距儀分別設置 在機器人的掃描平台與右側。掃描平台上的雷射測距儀在進行場景掃描前會 先進行避障模式,而右側的雷射測距儀作為循邊模式之用。雷射測距儀之整 體配置如圖 3-4(a)所示。研究者將雷射測距儀設置在機器人右側的原因在於 讓機器人模仿一般人靠右方行走的走路習慣。. 裝置於掃描平台的雷射測距儀有一個傾斜角度,使得雷射測距儀能夠擷 取到前方路面的資訊。有別於放置於水平面,傾斜一個角度除了讓機器人可 以得知前方是否有障礙物,也可以得知前方是否遇到階梯或者不平的路面, 進而提早閃避以防機器人卡住或損毀。. (a). (b). 圖 3-4 雷射測距儀之配置(a)整體配置(b)前方雷射測距儀配置. 28.
(46) 3.2.3 循邊模式 機器人為了能夠在空間中順利地行走,必須收集與瞭解周遭環境的情況 來判斷如何行走。本研究為了能夠收集室內環境的資訊和減少機器人在空間 中隨機移動的時間。因此,提出以循邊模式來讓機器人能夠沿著平面前進。 在室內環境中,牆壁為環境中可以依循的平面,讓機器人在空間能夠依照牆 面行動以防止隨機移動和誤差產生。循邊模式的概念為利用裝置在機器人右 側的雷射測距儀擷取與牆壁之間的距離資訊,以此距離資訊來控制機器人離 牆壁一段距離 D 並且直線前進,其示意圖如圖 3-5 所示。. D. 圖 3-5 循邊模式示意圖 機器人行走時,由於左右輪胎轉動量不相等或者路面與輪胎摩擦力等原 因,導致機器人與牆面間無法維持平行的關係。因此,當機器人有偏移時, 必須將機器人校正回到與牆面平行的狀態。 當機器人有偏移時,必須利用裝置於機器人右側的雷射測距儀所擷取到 的距離資訊進行機器人的移動修正。雷射測距儀的偵測角度配置如圖 3-6 所 示。本研究擷取掃描範圍 0°到 180°中的三點─Sa(45°)、Sb(90°)和 Sc(135°)進 行判斷,其判斷的流程如圖 3-7 所示。. 29.
(47) 在本研究中,機器人循邊的距離設定為 40 公分。主要原因在於讓雷射 測距儀能夠在走廊中央進行掃描。首先取得機器人與牆面之間的直線距離─ DSb,判斷 DSb 是否與牆面距離 40 公分。若機器人與牆面距離為 40 公分, 則機器人持續前進。反之,機器人需要進行偏移校正的動作,其校正流程如 圖 3-8 所示。 0°. Sc. 45°. Sb. Sa. 90°. 135°. 180°. 圖 3-6 循邊模式偵測角度配置 開始. 取得Sb之距離值(DSb). 是. DSb是否為40公分?. 機器人前進. 否 偏移校正. 圖 3-7 循邊模式流程圖. 30.
(48) 開始 取得Sa、Sb和Sc之距離值 (DSa、DSb和DSc) DSa=DSc. DSa、DSb、DSc 數值判斷 DSa>DSc 計算θCCW. DSa<DSc 計算θCW. DSb數值判斷 DSb<40公分. 機器人逆時針 轉動θCCW. 機器人順時針 轉動θCW. DSb>40公分. 機器人左轉90°. 機器人右轉90°. 機器人前進 (40-DSb)公分. 機器人前進 (DSb-40)公分. 機器人右轉90°. 機器人左轉90°. 結束. 圖 3-8 偏移校正流程圖 機器人偏移的狀況主要有三種─DSa > DSc、DSa < DSc 和機器人與牆面之 間的距離不為 40 公分,如圖 3-9 所示。當機器人前方偏向牆面時,如圖 3-9(a) 所示,需要逆時針轉正;當機器人前方遠離牆面時,如圖 3-9(b)所示,需要 順時針轉正;當機器人與牆面平行時,但是與牆面之距離不為 40 公分時, 如圖 3-9(c)所示,需要做距離調整。以下將討論三種情況讓機器人能夠降低 行走時的誤差。. 31.
(49) θCCW D0°. DShortest. D180°. DShortest. θCW. (a). (b). DSb>40公分或是 DSb<40公分. (c) 圖 3-9 機器人偏移牆面示意圖(a) DSa > DSc (b) DSa < DSc (c)與牆面距離不為 40 公分 A. 機器人前方偏向牆面(DSa > DSc) 當 DSa > DSc 時,如圖 3-9(a),需要計算 θCCW 值以機器人修正其行 走路徑。此時 θCCW 值的運算需要兩個距離資訊─D0°與 DShortest,其中 D0°為雷射測距儀於掃描角度 0°時所得到的距離資訊;DShortest 為機器人與 牆面之最短距離,其雷射射線與牆面垂直。θCCW 值計算公式為以下 3-1 式所示,計算出 θCCW 值之後,以逆時針方向轉動 θCCW 來修正機器人。. D0 D Shortest . CCW sin 1 32. (3-1).
(50) B. 機器人後方偏向牆面(DSa < DSc) 當 DSa < DSc 時,如圖 3-9(b),需要計算 θCW 值以機器人修正其行 走路徑。此時 θCW 值的運算需要兩個距離資訊─D180°與 DShortest,其中 D180°為雷射測距儀於掃描角度 180°時所得到的距離資訊;DShortest 為機 器人與牆面之最短距離,其雷射射線與牆面垂直。θCW 值計算公式為以 下 3-2 式所示,計算出 θCW 值後,以順時針方向轉動 θCW 來修正機器人。. D180 DShortest . CW sin 1 . (3-2). C. 與牆面距離不為 40 公分 當機器人與牆面距離不為 40 公分時,如圖 3-9(c),需要計算 DSb 與 40 公分的差距以修正機器人。當 DSb < 40 公分時,先計算(40 - DSb)之值,接著 機器人左轉 90°後前進(40 - DSb)公分,機器人再右轉 90°回到原本的行進方向; 另外一種情況則是當 DSb > 40 公分時,先計算(DSb - 40)之值,接著機器人右 轉 90°後前進(DSb - 40)公分,機器人再左轉 90°回到原本的行進方向。. 3.2.4 避障模式 在室內空間中常會出現一些障礙物,例如桌椅、箱子或櫃子…等等。當 機器人在進行地圖建構時,出現障礙物阻擋機器人的行走,則障礙物閃避功 能將是重要的課題需要去審慎思考與設計。若機器人在行走中閃避不當,可 能會對機器人和裝載的設備造成損壞。. 本研究將避障模式分為兩個部分─地面障礙物閃避機制與水平障礙物 閃避機制,其執行流程如圖 3-10 所示。因此,本研究將避障模式所使用的 雷射測距儀與地面之間夾一固定角度,如圖 3-4(b)所示。其目的在於建立地 面障礙物閃避機制以偵測機器人前方環境的狀況,例如障礙物、樓梯或者是 路面不平…等等,藉著地面障礙物閃避機制來避免移動機器人因路面不平或 33.
(51) 是障礙物造成的損傷。水平障礙物閃避機制主要功用在於輔助移動機器人如 何閃避障礙物,其角度配置圖如圖 3-11 所示。研究者將雷射測距儀的掃瞄 範圍中選取出三個偵測點─Fa、Fb 和 Fc,其距離值分別為 DFa、DFb 和 DFc。 其中 DFb 主要作為地面障礙物閃避機制之判斷依據;DFa 和 DFc 主要作為水平 障礙物閃避機制之判斷依據。. 開始 擷取距離資訊 地面障礙物閃避機制 水平障礙物閃避機制 結束 圖 3-10 避障模式運作流程圖 135° 45°. Fb 135°. Fa. Fc. 0°. 180°. 圖 3-11 水平障礙物閃避機制偵測角度配置. 34.
(52) 3.2.5 避障模式─地面障礙物閃避機制 研究者將機器人前方地面可能發生的環境狀況主要分為三種─平坦路 面且無障礙物、樓梯/路面不平和障礙物,其判斷流程如圖 3-12 所示。以下 將對這三種情形作更深入的探討。 開始 取得距離資訊 DFb>門檻值. 停止. DFb門檻值判斷. DFb<門檻值. 停止. DFb=門檻值. 水平障礙物 閃避機制. 後退 迴轉180° 直線行走 結束. 圖 3-12 地面障礙物閃避機制運作流程圖 A. 平坦路面且無障礙物: 如圖 3-13 所示,當移動機器人前方的環境狀況為平坦路面且無障 礙物時,前方的雷射測距儀所傳回來的距離資訊─DFb 會等於所設定的 門檻值。因此,可以確定前方路面平坦且沒有障礙物。 前進方向. 路面平坦且無障礙物. 圖 3-13 平坦路面且無障礙物 35.
(53) B. 樓梯/路面不平 如圖 3-14 所示,當移動機器人前方的環境狀況為樓梯或路面不平 時,前方雷射測距儀所傳回來的距離資訊─DFb 會大於所設定的門檻值。 因此,可以確定前方可能是樓梯或這是路面不平。此時,將移動機器 人停止並且向後退之後,迴轉 180°遠離樓梯或路面不平的環境狀況。 前進方向. 樓梯或路面不平. 圖 3-14 樓梯/路面不平 C. 障礙物 如圖 3-15 所示,當移動機器人前方的環境狀況為有障礙物時,前 方的雷射測距儀所傳回來的距離資訊會小於所設的門檻值。因此,可 以確定前方可能是有障礙物的情況。此時,將移動機器人停止之後, 進入水平障礙物閃避機制進行移動判斷,並且閃避具有障礙物的環境 狀況。水平障礙物閃避機制將在 3.2.6 節中作深入的探討。. 前進方向. 障礙物 圖 3-15 障礙物 36.
(54) 3.2.6 避障模式─水平障礙物閃避機制 當移動機器人遇到前方有障礙物時,如圖 3-15 所示,利用雷射測距儀 擷取距離資訊─DFa 和 DFc 來進行移動判斷,其角度分配如圖 3-11 所示。將 此距離資訊作為機器人動作判斷的依據,其判斷流程圖如圖 3-16 所示。. 當 DFa 小於門檻值時,機器人向右轉動 90°。當 DFc 小於門檻值,此時 會判斷 DFa 是否大於門檻值。若 DFa 大於門檻值時則機器人向左轉動 90°。 反之,機器人向右轉動 90°。移動機器人轉動完成之後,直線行走閃避前方 的障礙物。 開始 取得距離資訊. DFa <門檻值. DFc <門檻值. DFa、DFc 門檻值判斷 否. DFa>門檻值. 機器人 向右轉動90°. 是. 機器人 向左轉動90°. 直線前進 結束. 圖 3-16 水平障礙物閃避機制流程圖 3.2.7 機器人移動規則 這小節主要在於探討機器人於實際環境中會遇到的情形,並且做出相對 應的移動規則以輔助機器人移動。首先,簡單地介紹機器人的相關規格,如 圖 3-17 所示,並將這些規格運用在移動規則中。. 37.
(55) 機器人中心 機器人 轉軸中心. 25cm. 10cm 15cm. 輪軸. 25cm. 圖 3-17 機器人相關規格 機器人在移動時主要以循邊模式為主,當遇到障礙物時在進行避障模式 來防止撞擊。接下來要介紹機器人在實際環境中行走時會遇到的情況,並且 依照機器人轉軸中心來設計移動規則中的一些距離參數,讓機器人在轉彎後 都能夠與牆面保持循邊模式中所設定的距離值。. 本研究之機器人移動控制流程圖,如圖 3-18 所示。一開始機器人需要 先進行初始定位,如人工定位和設備的初始化。接著利用前方的雷射測距儀 量測走道寬度,若走道寬度大於 1 公尺則機器人可以進入該走道進行地圖建 構任務;反之,則進入窄巷規則,如圖 3-19(a)所示。當右側之雷射測距儀偵 測到大於或等於 4 公尺的距離資料時,則代表機器人的右方有走道,此時進 入右轉規則,如圖 3-19(b)所示。如果沒有右轉的情況時,則在判斷前方雷 射測距儀所偵測的距離資料是否小於或等於 55 公分。若條件達成,則進入 左轉規則,如圖 3-19(c)所示,反之持續執行循邊模式。. 窄巷規則主要是為了防止機器人進入無法行走的走道而設計。但是為了 地圖能夠較為完整,所以場景還是需要進行掃描,然後在迴轉離開。. 38.
(56) 右轉規則會先讓機器人前進 50 公分後再右轉 90°的用意在於讓機器人 轉向後還能夠與牆面維持循邊模式中所設定的 40 公分,接著再判斷走道寬 度是否可以讓機器人進入。若走道寬度夠寬的話,則前進 1 公尺使機器人側 邊的測距儀能夠偵測到牆面,以利進行循邊模式;反之,則進行窄巷規則。. 左轉規則主要是當機器人走入死巷後,讓機器人能夠走出死巷的機制。 在機器人左轉之前,會先判斷與前方障礙物的距離是否小於或等於 55 公分, 其用意在於轉向後還能夠與牆面維持循邊模式中所設定的 40 公分。機器人 左轉 90°後進入循邊模式繼續行走。 開始 初始設定. 機器人 窄巷規則. 否. 測量走道寬度 是否大於1公尺? 是 循邊模式. DSb ≥ 4公尺?. 是. 機器人 右轉規則. 是. 機器人 左轉規則. 否 DFb ≤ 55公分? 否. 圖 3-18 機器人移動控制流程圖. 39.
(57) 開始. 開始. 開始. 前進50公分. 掃描場景. 左轉90°. 右轉90°. 迴轉180° 測量走道寬度 是否大於1公尺?. 否. 機器人 窄巷規則. 循邊模式. 循邊模式 是. 結束. 前進1公尺. 結束 循邊模式 結束. (a). (b). (c). 圖 3-19 機器人移動規則(a)窄巷規則(b)右轉規則(c)左轉規則. 3.3 根點定位 地圖建構除了需要完善的導航機制和感測器資料的分析之外,在環境中 的定位也是另一個重要課題與研究項目。因此,必須要將這些部分完善的搭 配才會有較為準確的地圖。研究者利用電子羅盤和 RFID 進行機器人的根點 定位,機器人與根點時之轉向角度和位置或角度的誤差修正,以免累積誤差 造成地圖不精確。. 本節將分為五個部分講解如何進行根點定位與誤差修正。在 3.3.1 節中 將要介紹本研究中環境根點的定義與其設置在環境中的位置;在 3.3.2 節中 將要介紹電子羅盤的偵測角度的原理與其角度的算法;在 3.3.3 節中將要介 紹如何利用電子羅盤所偵測到的角度資訊來協助機器人準確地轉向;在 3.3.4 節中將要介紹如何利用電子羅盤和 RFID 進行根點定位。. 40.
(58) 3.3.1 環境根點之定義 機器人的定位對於地圖建構時地圖的準確度是重要的因素之一。為了能 夠讓機器人能夠快速地知道所處位置,本研究將環境中一些重要標的,如轉 角或路口作為環境的定位根點。研究者將可能出現在室內環境的情形分為主 要根點和次要根點。主要根點分為六種狀況─起始點、結束點、左轉路口、 右轉路口、T 型路口和十字路口,其示意圖如下圖 3-20。然而,次要根點則 是設置於兩個主要根點之間的直線路徑。次要根點設置的數量是依照兩個主 要根點的距離而放置,其主要目的在於減少移動時產生過大的偏移量。. (a). (b). (c). (d). 圖 3-20 環境根點示意圖 3.3.2 電子羅盤之偵測 本研究利用電子羅盤協助機器人進行定位,因此必須利用單晶片從電子 羅盤中擷取出測量的數據資料。電子羅盤測量示意圖如圖 3-21 所示,為了 計算出與地磁北極之間所夾的角度,必須取得兩個分量─Xm 和 Ym 對於地磁 的作用強度進行三角函數的運算。 N Xm. 地球磁場方向. θ X=Smcosθ W Y=Smsinθ. E. θ Ym. S. 圖 3-21 電子羅盤測量示意圖 41.
(59) 其中 θ 為電子羅盤指向的方向與地磁北極所夾之角度;Sm 為作用在 Xm 和 Ym 的地磁磁場強度;X 為 Xm 與地磁同方向之分量;Y 為 Ym 與地磁反方 向之分量。計算 θ 值的方程式如 3-3 式。. tan . Sm sin Y 1 Y , tan Sm cos X X . (3-3). 3.3.3 機器人轉向控制 機器人在室內環境行走時,不會只有直線前進的情境,就如圖 3-14 所 示或者前方有障礙物時,可能會遇到需要轉彎的情形。雖然機器人裝有旋轉 編碼器可以得知機器人馬達移動的狀況,但是機器人的輪子因為摩擦力等等 因素使得機器人轉向角度產生誤差。因此,本小節將要介紹如何以電子羅盤 的資料來協助機器人有更準確的轉向。本研究將電子羅盤裝置在機器人的前 端,其方向角示意圖如圖 3-22 所示。北邊為 0°;東邊為 90°南邊為 180°; 西邊為 270°。 0° N 車子行進方向. 270° W. E 90°. S 180°. 圖 3-22 電子羅盤方向角示意圖 機器人轉向控制流程如圖 3-23 所示。首先從電子羅盤擷取機器人面向 的角度,接著計算機器人需要轉到的目標角度。若為左轉時,其計算式如 3-4 式;若為右轉時,其計算式如 3-5 式。機器人轉向到目標角度後,停止 轉向並且準備進行下一步驟。其中 θTL 為向左轉的目標角度;θTR 為向右轉的 目標角度;θC 為目前的角度;θD 為欲轉向的角度。 42.
(60) TL C D. (3-4). TR C D. (3-5). 開始 擷取機器人面向的角度 左轉. 機器人轉向判斷. 右轉. 計算 機器人左轉角度 θTL = θC - θD. 計算 機器人右轉角度 θTR= θC + θD. 機器人左轉θTL. 機器人右轉θTR. 停止轉向 結束. 圖 3-23 機器人轉向控制流程圖. 3.4 雷射資料擷取與處理 本研究主要是以雷射測距儀進行地圖建構的任務。因此,必須要有效地 擷取雷射測距儀所回傳的資料,並且將這些資訊進行修正與處理以建構出精 準的地圖。本節將分為 3.4.1 小節介紹本研究擷取空間中距離資訊的流程; 3.4.2 小節將介紹如何將所得之距離資訊作修正;3.4.3 小節將介紹如何將所 得之距離資訊換算成空間座標;3.4.4 至 3.4.7 小節將介紹本研究距離資料擷 取的四種方法以用來做比較。. 43.
(61) 3.4.1 環境資訊擷取流程 雷射測距儀所擷取到的資料為一條直線上的距離資訊,並非一整個平面 的距離資訊。然而,若改變雷射測距儀的高度或是掃描的俯角,並組合不同 高度或是俯角下取得的距離資訊,就可以取得整個平面的距離資訊。因此, 本研究利用裝載在機器人上的掃描平台使雷射測距儀由上而下掃描並擷取 空間中雷射測距儀與物體之間的距離資訊。. 本研究所使用的雷射掃描機構,如圖 3-24 所示,是將雷射測距儀固定 在掃描平台上,其運作流程圖如圖 3-25 所示,其中 i 為現在已掃描的次數; scan_times 為平台掃描的所需次數。掃描平台運動範圍為俯角 19°至傾角 59°; 雷射測距儀掃描的範圍為 45°到 135°。首先,將掃描平台轉動到初始掃描位 置。接著利用雷射測距儀掃描得到距離資訊,若未達平台掃描的所需次數, 則會調整平台的角度讓測距儀可以得到不同角度的距離資訊。若達到平台掃 描的所需次數,平台復歸到初始掃描位置。. 圖 3-24 雷射掃描機構. 44.
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