應用紅外線熱影像分析技術於校園安全巡視系統之應用研究

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(1)國立臺灣師範大學工業教育學系碩士論文指導教授：曾煥雯. 博士. 應用紅外線熱影像分析技術於校園安全巡視系統之應用研究 Application of Infrared Thermal Image Analysis Techniques Applied Research on Campus Security Patrol System. 研究生：張皓淳. 撰. 中華民國 103 年 6 月.

(2) 應用紅外線熱影像分析技術於校園安全巡視系統之應用研究學生：張皓淳. 指導教授：曾煥雯. 博士. 國立臺灣師範大學工業教育學系碩士班. 摘要本研究提出一套利用紅外線熱影像分析技術結合機器人移動、雷射掃描與平台控制等功能所組成的校園安全巡視系統。在科技發展快速之下，傳統需要由人力來進行巡邏的工作，逐漸被自動化電腦監視設備所取代，但在監視設備上很難確切掌握環境各個角落，因此，該如何有效地進行監視環境將是本研究的重點。在系統整體動作主要分為環境建置階段與巡視運作階段，先找出環境中的固定熱源將其建置熱源資料庫，而在後續進行巡視過程中，持續監控熱源資料庫內的熱源。在熱源偵測的部分，對前方狀況做由下而上分段擷取作為尋找熱源動作，而熱源分析的部分包含影像處理、熱源特徵萃取、計算熱源中心和地圖座標等各種資訊。最後，在本研究中採用一套系統性能指標，其中包含四個評估系統性能指標：準確性、有效性、敏感度和信賴度，並經由實驗測試結果顯示，不論是警示或警報的動作上都能達到 85%以上。. 關鍵詞：紅外線熱影像、雷射測距儀、火災偵測、專家系統、影像處理. i.

(3) ii.

(4) Application of Infrared Thermal Image Analysis Techniques Applied Research on Campus Security Patrol System. student：Jhang Hao-Chun. Advisors：Dr. Tzeng Huan-Wen. Department of Industrial Education National Taiwan Normal University. Abstract This study proposes a campus security patrol system that was using thermal image analysis technique, combined robot movement, laser scanning and platform control functions. With the rapid development of technology, the traditional of patrol work was needed to use the manpower, but it was gradually being replaced by automated of computer monitored equipment. However, the fixed monitoring equipment is difficult to master of the every corner of environment. Therefore, how to effectively monitor environment and find out the heat source will be focused on this study. In the overall system is divided into build the environment stage and patrol operational stage. First, find out the fixed heat source of environment and build the heat source database, and in the course of subsequent inspections, it will continue to monitor the heat source in the heat source database. In the detection of heat source, the environment captured images from the low to high position, it actions as looking for the heat source. In the analysis of heat. iii.

(5) source will get the various of information of heat source, and this action is contain image processing, extraction feature , calculate the center of heat source and tagging map coordinates, etc. Finally, this study uses a performance indicators to evaluation this system, it consists of four performance indicators: accuracy, validity, reliability and sensitivity, in the test results of the experiment shows, whether a warning or alert actions are can reach more than 85%.. Keywords: Infrared Thermal Imaging, Laser Range Finder, Fire Detection, Expert Systems, Image Processing. iv.

(6) 謝誌時光轉眼飛逝，在臺灣師範大學這幾年來的學習，隨著大學到研究所論文的付梓，雖然這段時光有艱辛、有快樂與不捨之情，但終將面臨碩士生涯的結束與本論文順利的完成，我誠摯的感謝指導教授曾煥雯博士這兩年來的教導與訓練，不論是研究的相關技術分析與人生哲理的探討，都使我在碩士生涯受益良多。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諸多的指導、指正與寶貴的意見，使得本論文能更加完備。在學習的過程中，同樣的要感謝臺灣師範大學提供如此難得的學習環境，並感謝各位不辭辛苦傳授知識的教授們，使得在學習過程中可善用學校資源與教授們的技術協助，藉此才能完成本論文之研究。接著要感謝的是在研究所期間一起共同分享生活中喜怒哀樂的伙伴。真誠感謝宏鎧、榮裔、玉典、永翔與文弘學長們，當研究遇到瓶頸時能適時給予建議與協助；也要感謝崇嘉、苹源及拱北等共同奮鬥的好友，總能適時的給予關懷及照護；更要感謝工教系與應電系的人員，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與家人，你們給予我支持與鼓勵一直是我最大的動力，讓我得以順利完成碩士論文，期許自我在未來的日子，不論遇到任何困難的事情，都能抱持著用心和努力態度去克服。. 張皓淳. 謹誌. 中華民國 103 年 7 月 v.

(7) vi.

(8) 目錄摘要 ..................................................................................................................... i Abstract .............................................................................................................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 .............................................................................................. 3. 1.3. 研究限制 .............................................................................................. 4. 1.4. 研究方法 .............................................................................................. 5. 1.5. 研究步驟 .............................................................................................. 5. 第二章文獻探討與回顧 ................................................................................ 7 2.1. 相關研究 .............................................................................................. 8. 2.1.1. 服務機器人 ................................................................................... 8. 2.1.2. 機器人控制系統 ......................................................................... 10. 2.1.3. 火災偵測 ..................................................................................... 11. 2.2. 紅外線熱影像 .................................................................................... 14. 2.2.1. 紅外線簡介 ................................................................................. 14. 2.2.2. 熱影像原理 ................................................................................. 15. 2.2.3. 熱影像優點 ................................................................................. 17. 2.2.4. 熱影像應用領域 ......................................................................... 17. 2.3. 雷射測距儀 ........................................................................................ 18. 2.3.1. 雷射測距儀原理 ......................................................................... 18 vii.

(9) 2.3.2 2.4. 雷射測距儀相關應用 ................................................................. 19. 根點定位工具 .................................................................................... 19. 2.4.1. RFID 原理 ................................................................................... 19. 2.4.2. 電子羅盤原理 ............................................................................. 20. 2.5. 專家系統 ............................................................................................ 22. 2.5.1. 專家系統發展 ............................................................................. 22. 2.5.2. 專家系統架構 ............................................................................. 23. 2.5.3. 知識擷取 ..................................................................................... 25. 2.5.4. 知識表現與推論 ......................................................................... 29. 第三章實驗設計與方法 .............................................................................. 31 3.1. 整體系統架構 .................................................................................... 31. 3.1.1. 環境建置階段 ............................................................................. 32. 3.1.2. 巡視運作階段 ............................................................................. 33. 3.1.2. 旋轉平台控制 ............................................................................. 34. 3.2. 機器人移動 ........................................................................................ 35. 3.2.1. 機器人運行方式 ......................................................................... 35. 3.2.2. 循邊探索模式 ............................................................................. 36. 3.2.3. 閃避障礙模式 ............................................................................. 40. 3.2.4. 根點定位模式 ............................................................................. 44. 3.2.5. 移動優先順序 ............................................................................. 48. 3.3. 雷射影像 ............................................................................................ 50. 3.3.1. 雷射掃描動作 ............................................................................. 50. 3.3.2. 雷射掃描校正 ............................................................................. 51. 3.4. 紅外線熱影像 .................................................................................... 52. 3.4.1. 影像濾波 ..................................................................................... 53. viii.

(10) 3.4.2. 二值化法 ..................................................................................... 54. 3.4.3. 數學形態學 ................................................................................. 55. 3.4.4. 物件連通 ..................................................................................... 57. 3.4.5. 邊緣偵測 ..................................................................................... 58. 3.4.6. 特徵萃取 ..................................................................................... 59. 3.5. 地圖熱源座標 .................................................................................... 60. 3.5.1. 調整熱源位置 ............................................................................. 60. 3.5.2. 計算熱源座標 ............................................................................. 62. 3.6. 專家系統判斷 .................................................................................... 64. 3.6.1. 障礙物判斷 ................................................................................. 66. 3.6.2. 熱源偵測 ..................................................................................... 67. 3.6.3. 熱源分析 ..................................................................................... 68. 3.6.4. 熱源收斂 ..................................................................................... 69. 3.6.5. 熱源登錄與更新 ......................................................................... 70. 第四章系統架構與實作 .............................................................................. 71 4.1. 實驗整體架構 .................................................................................... 71. 4.1.1. 系統架構 ..................................................................................... 71. 4.1.2. 軟硬體架構 ................................................................................. 72. 4.2. 實驗硬體規格 .................................................................................... 74. 4.2.1. 感測器部分 ................................................................................. 74. 4.2.2. 電腦周邊配備 ............................................................................. 77. 4.2.3. 機器人本體 ................................................................................. 78. 4.3. 實驗程式設計 .................................................................................... 80. 4.3.1. 熱影像擷取程式 ......................................................................... 80. 4.3.2. 影像處理與特徵擷取程式 ......................................................... 81. ix.

(11) 4.3.3. 雷射掃描成像程式 ..................................................................... 81. 4.3.4 管理員接收程式 ........................................................................... 83 4.4. 系統評估方式 .................................................................................... 84. 4.5. 實驗實施與數據處理 ........................................................................ 85. 4.5.1. 熱影像校正 ................................................................................. 85. 4.5.2. 熱源資訊擷取 ............................................................................. 87. 4.5.3. 建置專家系統知識庫 ................................................................. 93. 4.5.4. 系統測試環境說明 ..................................................................... 95. 4.5.5. 系統實測結果 ............................................................................. 97. 第五章結論與未來展望 ............................................................................ 103 5.1. 結論 .................................................................................................. 103. 5.2. 未來展望 .......................................................................................... 104. 參考文獻 ........................................................................................................ 105 自傳 ................................................................................................................ 111 附錄ㄧ. 整體巡視地圖座標 ........................................................................ 112. 附錄二. 機器人各種角度示意圖 ................................................................ 113. x.

(12) 表目錄表 1-1. 台灣近三年各類火災統計表 ............................................................. 2. 表 1-2. 台灣近三年火災發生原因統計表 ..................................................... 2. 表 3-1. 機器人移動控制規劃 ....................................................................... 36. 表 3-2. 各熱源計算出的變動率與判斷收斂情況 ....................................... 69. 表 4-1. 雷射測距儀規格 ............................................................................... 74. 表 4-2. 電腦周邊配備 ................................................................................... 77. 表 4-3. 四種數值評估的參數表示 ............................................................... 84. 表 4-4. 電烙鐵實驗所獲得各項熱源資料 ................................................... 88. 表 4-5. 電暖器實驗所獲得各項熱源資料 ................................................... 89. 表 4-6. 蠟燭火焰實驗所獲得各項熱源資料 ............................................... 90. 表 4-7. 蠟燭火焰實驗所獲得各項熱源資料 ............................................... 92. 表 4-8. 系統警示測試結果 ......................................................................... 102. 表 4-9. 系統警報測試結果 ......................................................................... 102. 表 4-10. 系統整體性能指標 ....................................................................... 102. xi.

(13) xii.

(14) 圖目錄圖 1-1. 研究步驟規劃流程圖 ........................................................................ 6. 圖 2-1. 清潔機器人(Roomba780) .................................................................. 8. 圖 2-2. 巡邏機器人(Reborg-Q) ...................................................................... 9. 圖 2-3. 導覽機器人(UPITOR) ..................................................................... 10. 圖 2-4. 光線中的光譜分布圖 ...................................................................... 15. 圖 2-5. 電子羅盤運作圖 .............................................................................. 21. 圖 2-6. 專家系統架構圖 .............................................................................. 23. 圖 2-7. 擷取知識過程 .................................................................................. 25. 圖 2-8. 知識擷取的三種模式 ...................................................................... 26. 圖 2-9. AND-OR Tree 表示方式 .................................................................. 27. 圖 2-10. AND-node 表示方式 ...................................................................... 28. 圖 2-11. OR-node 表示方式 ......................................................................... 28. 圖 3-1. 整體架構圖 ...................................................................................... 31. 圖 3-2. 環境建置流程圖 .............................................................................. 32. 圖 3-3. 巡視運作流程圖 .............................................................................. 33. 圖 3-4. 旋轉平台動作示意圖 ...................................................................... 34. 圖 3-5. 側邊雷射測距儀裝置位置 .............................................................. 37. 圖 3-6. 機器人前進示意圖 .......................................................................... 38. 圖 3-7. 循邊調整機制 .................................................................................. 38. 圖 3-8. 遠離牆面示意圖 .............................................................................. 39. 圖 3-9. 牆面安全機制 .................................................................................. 39. 圖 3-10. 前方雷射測距儀裝置位置 ............................................................ 41. 圖 3-11. 進行閃避示意圖............................................................................. 42. xiii.

(15) 圖 3-12. 障礙物閃避機制 ............................................................................ 42. 圖 3-13. 前方行走示意圖 ............................................................................ 43. 圖 3-14. 路面起伏迴避機制 ........................................................................ 43. 圖 3-15. 機器人移動說明 ............................................................................ 45. 圖 3-16. 根點定位模式 ................................................................................ 46. 圖 3-17. 根點設置示意圖 ............................................................................ 47. 圖 3-18. 巡視機器人整體判斷流程圖 ........................................................ 48. 圖 3-19. 雷射掃描動作圖 ............................................................................ 50. 圖 3-20. 雷射掃描成像圖 ............................................................................ 51. 圖 3-21. 兩種影像之比較 ............................................................................ 52. 圖 3-22. 影像濾波的結果差異 .................................................................... 53. 圖 3-23. 設定不同門檻值之比較圖 ............................................................ 54. 圖 3-24. 經數學形態學處理之結果 ............................................................ 56. 圖 3-25. 八相鄰的運行方式 ........................................................................ 57. 圖 3-26. 經八相鄰做物件連通 .................................................................... 57. 圖 3-27. 邊緣偵測採用的遮罩運算子 ........................................................ 58. 圖 3-28. 透過 Sobel 作邊緣化 ..................................................................... 59. 圖 3-29. 調整熱源中心位置 ........................................................................ 60. 圖 3-30. 面積中心調整方式 ........................................................................ 61. 圖 3-31. 影像成像示意圖 ............................................................................ 62. 圖 3-32. 熱源座標計算與環境場所 ............................................................ 63. 圖 3-33. 系統結合專家系統進行熱源分類 ................................................ 64. 圖 3-34. 整體熱源判斷流程 ........................................................................ 65. 圖 3-35. 巡視障礙物判斷流程 .................................................................... 66. 圖 3-36. 熱源偵測流程 ................................................................................ 67. xiv.

(16) 圖 3-37. 熱源分析流程 ................................................................................ 68. 圖 4-1. 整體系統架構圖 .............................................................................. 72. 圖 4-2. 機器人整體硬體架構 ...................................................................... 73. 圖 4-3. 機器人周邊的硬體設備 .................................................................. 73. 圖 4-4. 兩種雷射測距儀 .............................................................................. 75. 圖 4-5. 紅外線熱成像攝影機 ...................................................................... 75. 圖 4-6. 紅外線熱成像攝影機周邊設備 ...................................................... 75. 圖 4-7. RFID 125kHz 非接觸式讀卡機....................................................... 76. 圖 4-8. 電子羅盤模組 .................................................................................. 76. 圖 4-9. 影像擷取卡(RICE001) ..................................................................... 78. 圖 4-10. 光隔離轉換器與旋轉平台 ............................................................ 78. 圖 4-11. 可程式邏輯控制器......................................................................... 78. 圖 4-12. P5 伺服馬達圖 ............................................................................... 79. 圖 4-13. PU 伺服驅動器圖 .......................................................................... 79. 圖 4-14. 減速機構圖 .................................................................................... 79. 圖 4-15. 熱影像擷取程式 ............................................................................ 80. 圖 4-16. 影像處理與特徵擷取程式 ............................................................ 81. 圖 4-17. 雷射掃描影像程式 ........................................................................ 82. 圖 4-18. 前方出現未知障礙物 .................................................................... 82. 圖 4-19. 雷射掃描成像 ................................................................................ 82. 圖 4-20. 管理員接收端程式 ........................................................................ 83. 圖 4-21. 熱影像校正場景圖 ........................................................................ 85. 圖 4-22. 各個水溫的熱影像 ........................................................................ 86. 圖 4-23. 經校正後灰階值對溫度之關係 .................................................... 86. 圖 4-24. 各種熱源擺設的場景 .................................................................... 87. xv.

(17) 圖 4-25. 四種熱源的面積變化率 ................................................................ 93. 圖 4-26. 校園安全巡視專家系統知識庫 .................................................... 94. 圖 4-27. 走廊平面方格地圖 ........................................................................ 95. 圖 4-28. 實際走廊環境 ................................................................................ 96. 圖 4-29. 機器人進行實驗模擬情形 ............................................................ 96. 圖 4-30. 實測狀況中熱源偵測之擷取畫面 ................................................ 98. 圖 4-31. 實測狀況中熱源調整之擷取影像 ................................................ 98. 圖 4-32. 實測狀況中熱源座標 .................................................................... 98. 圖 4-33. 機器人回傳的資訊(無熱源)畫面 .................................................. 99. 圖 4-34. 機器人回傳的資訊(偵測到熱源)畫面 ........................................ 100. 圖 4-35. 警報通知管理員動作畫面 .......................................................... 100. 圖 4-36. 警示通知管理員動作畫面 .......................................................... 101. 圖 4-37. 熱源進行登錄畫面 ...................................................................... 101. xvi.

(18) 第一章緒論在現今科技發展快速之下，使得各式感測元件日趨普遍，而在許多需要人力從事操作或管理的工作，都逐漸被擁有自動化設備、電腦監控和人工智能等技術所取代。其中以校園安全為例，校園內的保安從單純由人力的看守，伴隨著監視器材的使用，透過監視設備來記錄環境動態視頻影像，但在事件發生時無法立即發現，可能錯過最佳時機，倘若由人力來進行監視的話，又會增加過多的人力資源，然而即使派遣人員監視，也未必能達到百分之百的掌控，難免會發生有人員疏失造成事件處理不及。為了減少人力成本和把握最佳處理時機，若能發展一套自動化的設備，運用電腦程式進行監控並搭配各種感測元件，適度地將資訊回報給管理員。當事件發生時能迅速通報管理員前往處理，透過自動化設備進行監控能避免人員疏失和監視器材的死角問題，有效增加監控區域範圍。因此，本研究將發展一套校園安全巡視系統，利用機器人移動進行巡視室內環境，當遇到障礙物時能進行障礙物判斷，並將偵測到的熱源進行熱源判斷分類與登錄，藉此監控校園室內環境，有效達到預防意外事件與火災發生的可能。. 本章的架構分別為 1.1 節敘述本研究之背景與動機；1.2 節說明研究目的為何；1.3 節中介紹本研究之方法；1.4 節則說明本研究的限制為何；最後 1.5 則是透過文字敘述與圖示顯示本研究操作步驟。. 1.1. 研究背景與動機現今社會受到少子化的衝擊，為了確保學童的所處環境安全考量，校. 園內環境安全將是一項重要的工作，其中教育部校安中心將校園安全事件主要區分成八大類[1]，而在本研究將以其中的「安全維護事件」為主。在安全維護事件處理上，當機器人在進行巡視環境的過程，若遇到未知的 1.

(19) 障礙物會先進行障礙物判斷，而不是單純的機器人閃避障礙物，當到達根點時，進行熱源偵測與分析來判斷環境是否正常，或者出現新的熱源則會進行熱源評估，將未知的熱源進行分類並將判斷結果決定採用警示或警報的方式，通知管理員前來處理。. 根據內政部消防署火災統計資料顯示[2]，雖然近年來火災發生的次數逐年的降低，但若從下表 1-1 統計數據顯示，目前我國火災發生的原因有很高的比例都發生在建築物內，而其中建築物的樓層來說，主要都集中在 1-5 層居多，可想而知一件事，大部分在建築物火災事件的發生都是屬於較為老舊的建築物內，由於政府並沒有強制要求老舊建築物內須裝設火災探測器；而在表 1-2 的統計資料中，可清楚的看出建築物火災發生的原因，在不考慮人為因素的考量下，一半都是以電器設備走火為主，而所謂的電器設備走火大多都是老舊建築物內電線老舊脫落等因素造成短路或負載過大而釀成火災的發生。. 表 1-1. 台灣近三年各類火災統計表(資料來源：內政部消防署). 年代. 建築物. 車輛. 森林田野. 總計. 100. 1248. 213. 166. 1772. 101. 1199. 204. 42. 1574. 102. 1109. 190. 28. 1451. 表 1-2. 台灣近三年火災發生原因統計表(資料來源：內政部消防署). 年代. 電器設備. 縱火. 亂丟菸蒂. 廚房烹調. 機具設備. 100. 640. 184. 103. 78. 54. 101. 508. 205. 131. 76. 57. 102. 508. 210. 135. 63. 41. 2.

(20) 由於科技不斷推陳出新，人們為了滿足不同的需求，製造出各種不同功用的機器人，因此機器人在各種層面都有很大的提升，從當初為了取代人力從事危險或重複性高的工業生產加工，到現今為了居家清潔與看護之用，在各處逐漸都能看到機器人的身影。就目前來說，建築物內的火災警報器，若以感測方式可分成煙霧、溫度與熱輻射等方式，都必須事先進行安裝，若要大面積的使用則需花費較高的資金來裝設。因此許多研究者提出各種方法來加強火災預警的部分，其中一部分研究者採取視頻的方式進行，透過傳統攝影機影像或紅外線熱影像方式來捕捉環境中的影像，以達到火災發生的預防。. 由於室內環境溫度的變化並不像戶外那麼明顯，為了要減少電器設備所引發的火災，本研究透過紅外線熱影像的方式偵測室內環境的熱源，並透過對熱影像的處理結果進行登錄，以用來監控環境中各種熱源。. 1.2. 研究目的就目前來說，關於紅外線熱影像的研究中，並沒有廣泛地運用在檢視. 環境中的熱源，而大部分的研究都是以偵測、辨識或跟蹤行人的肢體動作，進而從事某些研究所需，鮮少會運用在尋找環境中的熱源。因此本研究希望結合機器人移動、巡視與熱源偵測等相關技術，製作一套校園安全巡視系統來巡視校園室內環境，利用紅外線熱影像與雷射測距儀進行偵測，當移動途中遇到障礙物時，能藉此來獲得資訊以判斷其類型，而在根點處對區域進行偵測時，若發現未登錄之熱源時，先進行影像處理與擷取特徵，並結合所在位置進行登錄方便後續關注之用，藉此達到對校園室內環境的安全把關，同時能避免火災發生的可能。. 3.

(21) 因此本研究之目的有以下這五項： 1.. 由火災偵測和機器人巡邏等相關研究文獻著手，藉此找尋出適用於本研究之方法，並評估其可行性。. 2.. 找出校園內教室與走廊等可能出現之熱源，並開發出用來判斷熱源的軟體程式，以方便對熱影像進行處理分析。. 3.. 透過雷射測距儀掃描周圍環境輪廓、電子羅盤等相關感測器進行位置的確認與已知的地圖資訊相互結合，以協助機器人達到能自主實際移動之目的。. 4.. 利用紅外線熱影像與雷射掃描成像的方式來做為障礙物判斷依據，能解決使用單一種偵測工具所造成的錯誤，藉此提高辨識障礙物與熱源之功用。. 5.. 依照本研究的需求與功能設計機器人並將成果呈現。. 研究限制. 1.3. 由於溫度的高低對紅外線熱成像來說影響頗大，因此研究場所限制為校園室內環境，減少部分實驗上的困難處，並為了方便作實驗測試，選擇在公共的走廊地方進行，並依照室內可能出現的熱源做模擬情境，並且登錄環境內的熱源位置以方便監控，至於火災的模擬必須透過人為進行。鑑別於本研究的時間、經費與人力等因素考量，並由上述所提到的背景、動機與目的，本研究的範圍限制將遭遇到的問題與解決辦法如下：. 1.. 在實際火災發生難以進行模擬，因此僅透過酒精燈火焰或蠟燭火焰來做為異常燃燒火災發生的情境。. 2.. 由於機器人搭載各式設備導致不易搬動，很難移動到其他的場所進行實驗，並由於室內火災多半是電器走火引起，因此場所選用在校園室內為主進行。 4.

(22) 3.. 依照障礙物的分類上分成「是否具備熱源？」與「該熱源是否會造成危險？」。至於，偵測出具備熱源可能為生物或物品，將只考慮是否對環境造成危險，一旦偵測出具備熱源則會在熱源分析時，該熱源將會被持續觀察一段時間，再決定採用「警示」或「警報」來通知管理員。. 1.4. 研究方法欲達到之前提到的各項研究目的，本研究將實行下述的研究方法：. 1.. 對火災偵測、機器人巡邏技術進行文獻探討和回顧，蒐集與本研究設備使用相似的書籍與論文，了解其相關研究與應用，用來評估機器人巡邏搭配火災偵測等技術之可行性。. 2.. 將校園內可能之熱源分類、偵測與登錄，並進行模擬情境。. 3.. 找尋適用本研究之機器人移動之方法。. 4.. 將紅外線熱影像進行影像處理，並將特徵資訊建置成熱源資料庫，以作為後續熱源分析所需。. 5.. 將機器人移動巡邏與熱源偵測搭配使用，佈置環境來模擬室內可能產生的熱源，並進行測試。. 6.. 1.5. 評估成果的正確性與可行程度，以便對系統進行改善。. 研究步驟依照研究方法提出的各項，可依圖 1-1 所示將本研究的研究流程規劃. 完畢。並明確說明各階段應當執行的內容，依照時間逐步的完成本研究，在下述則說明本研究的整體步驟說明： 1.. 蒐集關於紅外線影像運用與雷射掃描的相關文獻，藉此了解研究設備的特點。 5.

(23) 2.. 規劃機器人的整體架構。. 3.. 找出本研究所需的規則與演算式。. 4.. 分別撰寫程式模擬後，簡化與製作成套的程式。. 5.. 熱影像處理與導航之模擬及採集數據進行分析處理。. 6.. 建置熱源資料庫，將實作測試的環境進行熱源登錄。. 7.. 在模擬的情境進行系統測試，並記錄成果。. 8.. 程式修改與分析探討研究成果。. 9.. 整理並撰寫研究報告。. 日期. 研究階段. 研究時程. 研究步驟流程建立研究目標. 102/4 | 102/10. 研究規劃階段. 進行文獻探討. 六個月. 規劃整體機器人架構. 定義系統判斷規則程式撰寫、偵錯與修改 102/10 | 103/4. 研究實現階段. 模擬資料收集. 六個月. 專家系統資料庫建置否. 達成實驗設立的目標？. 是 103/4 | 103/6. 研究完成階段. 圖 1-1. 撰寫研究報告. 二個月. 研究步驟規劃流程圖. 6.

(24) 第二章文獻探討與回顧所謂的機器人是指結合硬體與軟體相互搭配，以自動或半自動的方式，來進行控制機器運作以達到所要的目的，其中包含模仿人和動物的行為或思想都可稱之為機器人。而在現今科技不斷進步之下，人們為了生活過得更為便利、安全和舒適，製造出各種不同用途的機器人，以用來協助或取代人類在一些較危險或須長時間關注的工作場域進行作業。但就機器人來說，為了能夠順利進行移動，機器人將面臨三項最根本的問題：. (1)目前所在的位置在哪？ (2)目前要執行什麼動作？ (3)要如何移動到目標位置？. 這三項問題是相當重要的，為了讓機器人能自主移動就必須要先獲得周圍環境的資訊，知道自己所在確切位置或座標點，可經由已知的地圖來做為判斷位置，但機器人要了解周遭環境，還是必須經由感測元件來獲得周圍環境現況，透過電腦系統程式進行分析處理，進而從分析結果判斷該如何移動，才能使機器人順利移動前往目標，隨著上述的動作逐步完成後，將可使機器人在已知地圖的環境下工作。. 本章中主要探討在機器人移動與熱源偵測等相關知識介紹、方法與用途。因此在本章的各小節將分別做說明：2.1 節將呈現機器人發展的現況、機器人控制方式與火災偵測的相關研究；2.2 節將對紅外線熱影像原理做詳細的說明與介紹；2.3 節則為雷射測距儀之原理做說明介紹；2.4 節分別對 RFID 與電子羅盤定位用途做簡述；最後 2.5 節的部分，則是將專家系統的使用做說明。 7.

(25) 2.1. 相關研究本節重點為將著重於介紹近幾年關於自主移動機器人發展與產品，以. 及說明火災偵測相關研究方式，以幫助了解現今在這兩大主題的實際狀況如何。 2.1.1. 服務機器人現今隨著科技的進步，機器人的應用相對廣泛，但它們仍然有個共同. 目標，那即是為了服務人們使生活過的更舒適，不論從事生產製造或看護保全都將逐漸出現運用在人們的生活當中，將使得機器人成為人類的最佳助手。而就現在市面上經常見到的機器人來說，例如：美國的 iRobot 公司從原先生產軍事機器人到現在成為全球家用機器人的領先品牌[3]，依圖 2-1 中可看出此為一款家用清潔機器人「Roomba780」，主要功用是進行清掃地面維持整潔的機器人，它可以用來清潔平時難以清潔之區域，如傢俱與地板的間隙等，用來代替傳統由人工進行清潔的方式，並且會自動避免直接撞擊牆壁，此類型的機器人逐漸能被大眾所接受並選購使用。. 圖 2-1. 清潔機器人(Roomba780). 8.

(26) 依圖 2-2 中為日本綜合警備保障株式會社(ALSOK)所生產的一款能自動巡邏、滅火和保安用的機器人—Reborg-Q[4]，它具備雷射和超音波感測器來進行偵測，並依照規定的路線進行巡邏動作；當偵測出火災時先通知保安人員，並由於它本身有裝載滅火器因此會先行將火勢撲滅；保安方面它透過攝影機影像進行人臉辨識以確保非入侵者。. 圖 2-2. 巡邏機器人(Reborg-Q). 而我國在機器人現況中，依圖 2-3 中為 2008 年由財團法人精密機械研究發展中心所推出的最新款導覽型機器人—UPITOR[5]。在感測部分，採用雷射掃描器來進行地圖建構，同時搭配超音波感測器來做為閃避障礙之用途；在移動的部份，採用兩輪差速驅動的方式進行，並在後頭各別都裝有輔助輪做為平衡之用；在顯示部分，除了讓遊客藉由胸前的觸控螢幕上能獲得資訊外，頭部裝有兩組 7×7 LED 等陣列可顯示表情符號，可以與遊客做互動，並裝設喇叭來做為語音導覽之用途；在控制部分，頭部裝有兩顆馬達控制「點頭」與「搖頭」，手臂部分採用三軸控制，可擺出各種不同的姿勢，而手掌則在 2009 年改成較為精緻的控制。. 9.

(27) 胸前裝有觸控螢幕提供各式服務以及撥放影片、投影片與動畫. 頭部具有兩顆馬達做為點頭和搖頭裝有LED燈陣列能顯示表情符號. 腹部裝有一對喇叭與放大器可用來語音導覽介紹. 手掌部分裝有四顆顆馬達運用連桿機構與球面機構來帶動. 手臂的部分一共裝有 4顆馬達肩膀為三軸交於一點的關節手肘為單軸的關節. 背後下方為安置鋰電池的地方電力大概提供 4小時的活動時間. 肚子裝有許多的超音波感測器主要是避障之功用. 移動採用兩輪差速驅動架構左右輪分別由伺服馬達獨立驅動在後面各別有小尾輪做支點. 肚子下方裝有雷射掃描器做地圖建構的資訊與避障之功用. 圖 2-3 2.1.2. 導覽機器人(UPITOR). 機器人控制系統任何機器人被製造出來都有它所要做的任務，雖然傳統的工業生產加. 工所用到的機器人，多半屬於重複性高、不需要具備太繁瑣的計算，可以達到自動化生產。而到目前為止，各種功能的機器人先後問世，例如上一小節所提到的導覽機器人和巡邏機器人是屬於事先規劃路線或特定區域內進行動作，而像其他類型如救災機器人，則是必須先規劃動作法則，當機器人行進過程中能進行判斷並移動。. 在機器人控制系統上，主要可分為遠端操作控制或自主移動控制，一般所謂的遠端操作控制，又可稱為遙控系統，顧名思義即為在遠處操控機器人來做某些事情，例如：重大事件的災害現場為了避免救援隊伍的人員受到二度傷害，透過在遠處操控救援機器人前往現場勘查，降低人員發生意外的可能[6]，或是人類無法到達的地方或具有一定風險的區域，皆能透過遠端操作機器人，藉著上頭裝設的傳統攝影機即可將資訊傳回到操作端，但遠端操作最大的問題是若無線通訊的品質不好，可能發生延遲的問 10.

(28) 題產生。而所謂的自主移動控制則是藉由電腦來進行資料的擷取與處理分析後，依照編撰好的法則來進行移動判斷，在行進過程中完全不用人員控制，但在遇到複雜環境的狀況下，可能會因為擷取出的數據太過混亂或計算時間過久造成電腦判斷延遲，進而導致機器人動作錯誤。所以 Hayato Mano 等人將遙控與自主兩種控制系統結合，藉由依照環境進行切換系統來達到有效的機器人移動與搜尋[7]，可以解決遙控系統在通訊傳輸上的限制與延遲和自主系統部分運算時間過長或判斷錯誤，互補兩者之間的短缺處可以有效的提升整體的成果。. 對於機器人控制一開始採用遙控操作，透過人工來分析判斷，在複雜的環境中行走，可減少電腦運算的時間，而由於科技的進步，逐漸朝著自主機器人發展，雖然無須藉由人員進行操作，但相對於電腦運算時間相對會變長，儲存資料量也相對提供，並且較不適用於複雜的環境之下。 2.1.3. 火災偵測熱源偵測主要是源自於火災偵測這類的研究，早期火災偵測的研究，. 是以煙霧感測或溫度感測為主，進而發展出火警探測器這一類的產品，在根據我國消防法對於建築物的要求，凡是新建的建築物與公共場所在一定的面積下都必須裝置火警探測器，火警探測器若以感測方式主要可分成煙霧、溫度與熱輻射等方式進行，當探測出煙霧或溫度變化劇烈時，雖然能幫助人員滅火或逃生時間，但也可能因為探測故障而錯失逃生時間，若能在火災發生前就偵測到熱源產生，就可以有效防止火災發生的機率，也避免造成因火災財產受損。. 11.

(29) 近年來有些學者提出此問題，若只採用單一感測器來感測火災，比較容易發生判斷錯誤的狀況產生，而早期火災偵測採用感測煙霧或溫度的方式，若要感測出火災的發生則必須直接與煙霧或溫度做接觸，進而造成探測器的延遲反應，並且都須等到火災有一定程度的煙霧或溫度來觸發探測器，將造成延遲反應的時間增加。因此像是 R. C. Luo 等人在 2002 年發展出一種藉由多種感測器火災偵測演算法(MSFDA)，是利用煙霧、溫度與火焰感測器來達到自我調適的火災偵測[8]，並在同年發表一套火災偵測系統故障檢測與隔離的研究，採用兩組多種感測器進行，其包含煙霧、溫度與火焰感測器，當感測器發生故障時，能精準找出故障元件加以隔離不影響其他感測器之功用[9]。採用複合式感測器雖然可以增加判斷火災發生的正確性，減少誤判斷的發生，並同時對不同的目標進行偵測，但因為採用複合的關係，對於成本考量來說相對提高許多，在系統上面相對複雜許多。. 隨著時代的進步，火災偵測的研究朝著以影像視頻的方式[10]，雖然視頻火災偵測的優點為非接觸和提供較快的反應速度，在一般視頻利用影像中的色彩資訊作為火災之判斷[11]，會有較高的機率判斷錯誤。因此，像是 T. H. Chen 等人提出一種早期火災偵測方式，採用顏色資訊 RGB 值與視頻動態的特徵，來提取出真實的火焰與煙霧，作為判斷的依據[12]； M. Zhibin. 等人提出結合顏色與動態特徵的視頻火焰偵測方法，透過提取. 候選區域內特徵點的速度向量和分析火焰的動態特徵，來達到有效的視頻火災偵測[13]。W. Philips III 等人依火焰變動與顏色找出火焰範圍[14]； A. M. Panditrao 等人透過搭配溫度感測器，將火焰依照 RGB 成分，找出與溫度相關方程式，來達到溫度預測[15]。但這類的研究對於火災偵測也只能比以前接觸式來的迅速些，但會受到顏色的影響容易判斷錯誤，只能. 12.

(30) 用於火焰或煙霧出現的情況下，並無法找出其他熱源，相對於火災的預防還是無法達到。. 因此，有另外一群學者透過紅外線熱影像視頻處理技術進行[16]，像是 W. H. Kim 等人透過影像中的較亮區域作為溫度區域，可以有效的尋找熱源[17]；J. H. Hwang 等人為了克服單一熱感測器造成視野狹窄問題，設計一套火災偵測裝置[18]，而 W. K. Wong 等人提出一套運用紅外線熱影像來監視運作中的機器，採取搭配一組雙曲面反射鏡的方式，並透過對數極座標的方式將影像做轉換處理，作為偵測機器運作的狀況[19]。使用紅外線熱成像攝影機除了能顯示出火焰外，能將環境中的熱輻射呈現在熱影像中，有助於了解哪些可能是會造成火災的來源，並且由於紅外線在室外環境使用會受到陽光照射的因素，造成環境溫度升高難以辨別的影響，因此紅外線運用在室外基本只能在夜晚或較寒冷的時候進行[20]。. 在火災偵測的相關研究發展至今，逐漸將其技術搭配在機器人上，主要是透過機器移動過程中做火災偵測，當找尋到火災時會即時通報，像是 R. C. Luo 等人將煙霧、火焰、溫度感測器裝置在一個巡邏機器人上面，採用一種自適應融合火災探測演算法的方式，透過機器人移動來偵測火源，透過網路傳輸的方式，將偵測到火災的資訊通知給用戶[21]。而 H. Xu 等人設計一套使用移動機器人搭配遠端火災警報系統，在移動機器人的功用為偵測火焰、煙霧與溫度和從事移動避障、紀錄移動距離，以及無線傳輸發送火災訊息與更新紀錄，當火災發生時立即通報[22]。雖然上述的都只是運用一般傳統感測器搭配在機器人上，但由於火災視頻處理技術不斷的改善其準確性，因此也逐漸在機器人上的運用，像是中正大學所發展的另一種保安機器人，運用雷射測距儀與超音波等感測元件進行閃避障礙物，. 13.

(31) 搭配影像視頻來辨識人臉與火源，當有問題發生時會做出相對應的動作流程，是一套不錯的消防保安之機器人[23]。. 2.2. 紅外線熱影像在本研究中為了達到熱源偵測之目的，須採用紅外線熱影像的方式，. 針對環境中的熱輻射狀況進行擷取影像，以便之後進行熱源分析與登錄。因此，本研究在此節將針對紅外線熱影像的相關知識做探討，故主要分成四個部分：(1)針對紅外線做介紹，以了解其動作方式；(2)說明紅外線熱影像的原理與相關方程式；(3)說明紅外線熱影像具備的優點；(4)最後呈現紅外線熱影像相關應用的工作。 2.2.1. 紅外線簡介一般紅外線的運用可分成光與熱兩種，紅外線光的應用有測距、分析. 物質與防盜等各種功用，而紅外線熱的應用，除了作為加熱產品來達到加工的功用外，透過捕捉環境中各種物品的熱輻射，可判斷出各點的溫度，以達到熱分析或監控追蹤熱源等。. 在十七世紀中，艾薩克·牛頓從光學實驗中發現到光譜，是將太陽白光照射在三稜鏡，隨著不同的折射率，會產生出各種不同顏色的色帶，並經測量找出可見光的範圍約為 400 奈米到 700 奈米，直到十九世紀初，英國倫敦的皇家學會中的弗雷德里克 ·威廉 ·赫謝爾 (Frederick William Herschel)爵士利用溫度計測測經三稜鏡後的各色光源，結果在實驗中發現當量測到紅光以外，其溫度會逐漸上升，但相較量測紫光以外，其溫度值沒做太大變化，因此認為光譜應該除了可見光的部分外，應該存在其他肉眼不可見光的部分如圖 2-4 所示，而紅外線即表示在可見光中的紅光以 14.

(32) 外，無法由肉眼所觀看的部分。其中紅外線依照其波長範圍主要可以區分成三種不同距離：(1)近紅外線(Near Infrared, NIR)；(2)中紅外線(Middle Infrared, MIR)；(3)遠紅外線(Far Infrared, FIR)[24]。. 380奈米. 780奈米. 可見光源範圍 X-射線. 紫外線. 微波. 紅外線. 780奈米. 3000奈米. NIR. 圖 2-4. MIR. 1毫米. 50微米 FIR. 光線中的光譜分布圖. 這三種不同波長的紅外線其功能各不相同，如：(1)近紅外線被用於光纖通訊的用途，主要是對於玻璃材質的衰減率較低，而對影像的變化非常敏感，也被使用在夜視設備上；(2)中紅外線被用於紅外線標幟路線與追熱導向飛彈技術等；(3)遠紅外線被運用於熱成像，不需要借助外部熱源或光線[25]。 2.2.2. 熱影像原理紅外線熱成像攝影機(Infrared thermal Camera)是利用光電技術，經由. 被動的感光元件吸收環境中的熱輻射轉換成視頻影像的方式呈現，由於不同的熱輻射量所對應的紅外線波段都不相同，因此在成像上也會以不同的灰階值做為表示。透過此種紅外線熱影像的方式進行，將能解決人類受光線不足，而無法察覺周遭環境造成的困擾與麻煩，也就算是處於四周無任何光線的地方，只要在絕對零度以上的任何物體，都會對四周散發出熱輻 15.

(33) 射，也就是說熱影像的成像並不受到光線強弱的影響，主要取決於物體本身的熱輻射量的多寡來決定成像的灰階與面積。. 所謂的紅外線熱影像是藉由熱輻射量的方式來呈現，那所謂的熱輻射量是指絕對零度(0K = −273.15 ℃)上的物體所散發出電磁輻射的多寡，若要了解熱輻射就要先來了解由馬克斯·普朗克(Max Plank) 所提出的黑體輻射定律如(2-1)式，其中的 E 為能量、h 為普朗克(Plank)常數約為 6.625×10-34 (J·s)，而此處的 v為輻射的頻率。倘若要將輻射表示為單位體積、波長之輻射能量密度(u𝜆)如(2-2)式，其中 k 為波茲曼(Boltzmann) 常數約為 1.38×10-23 (J/molecule · K)、c 為光速約為 3×108 (m/s)，T 為絕對溫度 (K) 和𝜆為波長(m)。若將能量密度對波長積分，最後會得放射總量與溫度成正比如(2-3)式，其中 σ 為史蒂芬-波茲曼(Stefan-Boltzmann) 常數約為 5.669×10-8 (W/m2·K4)。而所謂的黑體指的是理想條件下的物體，其吸收率 (Absorptivity, α) 與發射率(Emissivity, ϵ) 都為 100%的情況下，若為非黑體的物體其公式將改寫(2-3)式，並須多乘上吸收率或發射率即可如(2-4) 式，隨著不同的物體其吸收與發射率都不相同[26]。. E = hv = mc 2. (2-1) (2-2). E E. b理想. b實際. = σT 4 (2-3).   T 4 (2-4). 16.

(34) 熱影像優點. 2.2.3. 本研究採用紅外線熱影像的方式進行，所以關於熱影像的優點整理成以下做說明[27]：. 1.. 紅外線熱影像具有非主動操作而較具隱蔽作用，以前多用於軍事用途上，作為偵測環境中的熱影像來確認周圍狀況，若只光靠肉眼來確認是不明智的行為，而現今則運用在工廠等須嚴格控溫的場所。. 2.. 為了避免造成維護上的困難，而不採用直接接觸的感溫裝置，透過非接觸式紅外線熱成像，可以達到即時與維護簡單等好處，同時也不會影響到檢測物的狀況。. 3.. 除了環境中的熱輻射外，其餘的環境因素皆對熱影像的影響不大，可達到 24 小時的監控，至於一般攝影機常受到光源強弱的影響，對於熱影像來說影響相當小，並且能具有很好的辨識與靈敏度。. 2.2.4. 熱影像應用領域本研究是利用熱影像方式進行熱源偵測，在此節關於熱影像的應用範. 疇將做說明，熱影像的運用層面涵蓋警政、消防、軍事、人臉辨識[28-29]、生物特徵[30]、醫療…等等，主要都是透過熱影像來達到對特定的目標進行偵測、尋找與監視，從這些運用的領域來看，可讓研究者在熱源偵測的部分，確實可以透過紅外線熱影像的方式，將其對室內環境進行有效的監控，避免火災發生的可能。. 17.

(35) 2.3. 雷射測距儀在本研究中為了達到機器人移動與障礙物判斷之目的，分別採用兩種. 不同的雷射測距儀，為了幫助機器人進行移動會擷取環境中的距離資訊，並協助進行障礙物判斷。因此，本研究在此節將針對雷射測距儀的相關知識做探討，故主要為說明雷射測距儀以了解其動作方式，並說明雷射測距儀之相關應用領域。 2.3.1. 雷射測距儀原理一般來說，雷射的應用包含下列各種領域：光纖通信、雷射測距、雷. 射切割、雷射掃瞄、雷射治療等等相當的廣泛。而其中雷射測距儀為透過雷射光來進行測量與目標的距離，其動作方式為一邊發射雷射脈衝，並一邊計算時間，當接收反射脈衝時才計時結束，類似於聲納的方式進行，將所需的時間量轉換為距離值，而並非只針對一點進行，雷射測距儀能同時對一個扇面發射多個脈衝點和間隔發射脈衝。可透過克里斯提昂．都卜勒（Christian Doppler）所提出的都卜勒效應如(2-5)式，藉由雷射發射源與目標物體間的相對運動，來確認物體是靠近還是遠離[31]。. v±v fo = (. o )f i vv i. (2-5). 在上式中，v 為雷射在該介質的進行的速度，vi 為雷射發射源的移動速度，vo 為目標物體的移動速度，fi 為雷射發射源在該介質中的原始發射頻率值，fo 為到達目標物反射回的頻率值，而「+」和「−」代表的是移動的方向。. 18.

(36) 2.3.2. 雷射測距儀相關應用在雷射測距儀的用途方面，主要是能快速且較準確的方式，得到所要. 量測出的距離值，而許多原先採用超音波進行的工作，逐漸都被雷射測距儀所取代，如：機器人地圖建構[32]、人體偵測追蹤[33-34]或需要較精確的距離數據的研究，主要是因為雷射比起其他的方法來說，確實具備快速的資訊獲得與準確性高。從這些運用的領域來看，可讓研究者在機器人移動的距離資料獲得的部分，確實可以透過雷射測距儀的方式，將其對環境進行有效的距離資訊測量，有效達到機器人移動控制之數據獲得。. 2.4. 根點定位工具在本研究中為了達到機器人根點定位之目的，裝置 RFID 與電子羅盤. 的方式，針對已知的地圖資訊進行座標與位置的確認，以便之後從事熱源偵測。因此，本研究在此節將針對 RFID 與電子羅盤的相關知識做探討，故主要為說明 RFID 與電子羅盤的動作方式。 2.4.1. RFID 原理無線射頻辨識(Radio Frequency Identification , RFID)為一種無線通訊. 的運用，其主要分成兩個部分 Reader 和 Tag 的組合。動作方式則是透過感應器(Reader)發射無線電波，給不具電壓的天線(Tag)產生電流，藉此來達到激磁作用，並將 Tag 內部所存取的資料發送出去，由 Reader 將其傳回的電波接收。. RFID 的運用相當的廣泛，依照其頻率和距離有各種不同的用途，一般常見的像是悠遊卡、門禁卡或動物識別等等運用，並非每一個 Reader 都只搭配一到兩個 Tag，而是只要頻率與距離的條件下，Reader 都可以讀 19.

(37) 取到 Tag 的資訊，但問題是若沒有將其設定，回傳的值只是一堆毫無意義的數字，因此透過網路連線的方式，可將資料做共享的用途，像是悠遊卡的運用，除了可用在搭大眾運輸工具外，也能運用在商店的消費，故未來只要將其系統整合在一起，就可以達到出門只需帶張卡或晶片。而在本研究將透過 RFID 來達到已知地圖的根點設置[35-36]，以提供巡視機器人在各個根點處進行區域的監控，並搭配電子羅盤所提供的方向資訊，使機器人能順利的到達根點。 2.4.2. 電子羅盤原理電子羅盤(Electronic compass)為一種感測磁場極性方向來達到定位的. 裝置，與傳統指針式羅盤的最大差別，主要在於不使用磁針，而改用磁阻感測器進行，並採用霍爾效應(Hall effect)作為依據如(2-6)式，當電子羅盤內部受到磁場變化的影響，在內部電荷會因勞倫茲力(Lorentz force)的磁力來導致偏移，在電荷偏移的過程會產生電位差，進而在內部會形成電場，最後電場與磁力之間會達到一個平衡。. F = q(E + v × B). (2-6). 依(2-6)式中各符號所代表分別為：F 為勞倫茲力、q 為帶電粒子電荷量、E 為電場強度、v 為帶電粒子速度、B 則是磁場強度。而有關電子羅盤的運作則如圖 2-5 所示，其中電子羅盤本身具有 Xm 軸與 Ym 軸相互垂直，θ 為 Xm 軸與地磁方向所夾的角度，ψ 為 Ym 軸與地磁反方向所夾的角度，x 為電子羅盤 Xm 軸方向所產生的數值，y 為電子羅盤在 Ym 軸方向所產生的數值。. 20.

(38) N Xm x. θ. E y. ψ Ym. 圖 2-5. 電子羅盤運作圖. 從圖 2-5 中，可以發現 θ + ψ 剛好互補成 90 度，因此可透過簡單的三角函數來表示電子羅盤與地磁之間的夾角數值，如(2-7)到(2-9)式，即為圖 2-5 中所表示各資訊間的關係。. x y tan θ. N os θ. N os ψ y x. > θ. (2-7). N sin θ tan 1 (. (2-8) y ) x. (2-9). 在(2-7)與(2-8)式中，x 與 y 所代表的意思為電子羅盤上感應環境中的磁力線，並將其大小轉換在 Xm 與 Ym 軸上，但其值只會受到電子羅盤與地磁間的夾角 θ 值，因此 x 與 y 值僅僅為與磁力線轉換，而從 2-9 式中可以看出 θ、x 與 y 值之間的關係，而在本研究中 x 與 y 值並無直接使用，只利用 θ 值來做為電子羅盤所提供的方向考量。對於傳統羅盤與電子羅盤的比較來說，雖然都會受到外在干擾，傳統的只要磁針受到異常磁化影響而造成損壞，但電子羅盤可經校正的方式，將感應的誤差修復即可，並且不因外在震動造成測量上的麻煩，同時也對資訊進行補償[37]。. 21.

(39) 2.5. 專家系統所謂的「專家」是在某一領域內經不斷訓練累積相當多經驗的人，因. 為擁有豐富的知識經驗在，對於問題解決的成效與時間都比未經訓練的人好；而「專家系統」是某一領域內的專家們所擁有的知識與經驗，透過對知識進行分析處理，來建立一套利用推理機制來達到問題解決的系統。. 在專家系統中，除了擁有解決事件所帶來的問題外，更需具備人性化的推理與思考能力，使系統的處理類似於實際專家真正在進行解決問題。就廣義來說專家系統是利用電腦程式來模擬專家的思考判斷，並用來協助或幫助非專家的操控者進行處理與解決事情[38]。. 在本研究中為了達到熱源分析判斷之目的，採用專家系統針對現有的知識進行分類判斷，以便達到本研究的需求。因此，本研究在本節將針對專家系統做詳細介紹，主要依照內容區分成四個部分：(1)針對專家系統的發展做介紹；(2)解釋專家系統的架構為何；(3)說明知識該如何做擷取； (4)最後有關專家系統該如何進行知識推論與表現。 2.5.1. 專家系統發展由於專家的培養需耗費長時間，但可能因各種內外在因素造成知識的. 流失，而經驗知識的保存方式有編製成文獻或傳授給他人，但這兩種方式都存在一些不穩定因素在，因此從二十世紀中期開始，許多的研究者嘗試製作以知識法則來進行推理的智慧型程式。. 在專家系統發展史中較為重要的事件，美國史丹佛(Stanford)大學在 1965 年發展出第一套專家系統「Dendral」，而後又在 1972 年開發出的專 22.

(40) 家系統「MYCIN」中得到專門知識為解決事情的關鍵，才促使專家系統這領域蓬勃發展，在 1978 年美國的卡內基梅隆(Carnegie Mellon)大學與數位儀器公司(Digital Equipment Corporation, DEC)合作開發一套專家系統「R1」，依顧客需求架構而成的電腦系統，其系統之後改稱「XCON」系統，這也導致專家系統的運用從學術研究轉入商業應用上[39]。. 傳統電腦程式系統與專家系統的比較，主要是形式上的差異；其差異在於專家系統中推理機制與解題知識這兩部分是分開外，若要加強專家系統的解題模式，則只需修改現有的知識庫內容即可，比其傳統來說必須從程式主體進行重新撰寫[40]。 2.5.2. 專家系統架構在專家系統的架構主要包含以下六大部分，依圖 2-6 中呈現分別為知. 識庫(Knowledge Base)、推理機(Inference Engine)、工作記憶區(Working Memory) 、解釋裝置 (Explanation Facility) 、知識擷取介面 (Knowledge Acquisition Interface)、使用者介面(User Interface)[41]。. 圖 2-6. 專家系統架構圖 23.

(41) 1.. 知識庫：此為專家系統的核心所在，是用來儲存處理問題的資訊，其中包含專家的知識與經驗與事實狀況等等，有助於系統進行問題解決。. 2.. 推理機：將知識庫的資訊與現實遇到的問題進行推理比對的機制，藉此類似於專家在遇到問題時，所運用的邏輯思考方式來解決問題。. 3.. 工作記憶區：將提供暫時存放的空間，給正在進行推理過程中，當時所獲得的資訊與知識等暫存區域。. 4.. 解釋裝置：將呈現當面臨事件處理的過程，有助於使用者對整體系統的了解。. 5.. 知識擷取介面：將由專家學者所提供的經驗與知識，透過程式編撰者共同將資訊處理轉換成電腦所採用的形式。. 6.. 使用者介面：當使用者進行此系統時，作為與電腦端的專家系統相互溝通的管道。. 上述所呈現的即為本研究所參考的專家系統架構之各部分的功能，其中操作溝通介面、知識庫與推理機為傳統專家系統的架構，對於專家系統來說是最為重要的部分。使用者透過電腦操作介面將訊息告訴專家系統，而系統根據內容經推理機來比對，跟知識庫選擇適當的資訊回應使用者 [42]。而在專家系統內部運作主要可分成三個階段進行，其為知識的擷取、表現與推論，將在後續分別作說明。. 24.

(42) 2.5.3. 知識擷取在發展專家系統的過程中，知識的取得、表示與推理最為關鍵的部分，. 而從知識獲得的來源主要分外顯知識與內隱知識這兩部分，將在下述分別作說明：. 1. 外顯知識(Explicit Knowledge)：此為有清楚明確表達與條理分明的知識，此類的知識常常早已被歸納出，因而易於用在專家系統的知識擷取。. 2. 內隱知識(Implicit Knowledge)：此為專家個人的經驗與知識，需透過與專家進行說明後，才能表達應用的知識，雖然專家的知識與經驗相當重要，但此類的知識擷取不易，隨著個人的見解而有所不同，並且很難將其表示運用於專家系統上，此為專家系統建立的一項困難的考驗。. 在專家系統擷取知識的過程中，將其分成四個階段進行，依圖 2-7 所示。. 圖 2-7. 擷取知識過程. 25.

(43) 按照擷取知識過程的順序分別為：. (1)指認：確定解決問題所對應的相關變數，其包括自變數與依變數或設計、目標與限制之變數。 (2)結構化：將各種變數關係架構成問題的機制，其包含階層、因果與程序等關係，可將問題條件區分更清楚。 (3)關聯化：找出各項條件共同所代表的含意，進而規劃建置一套知識法則的機制。 (4)測試：為確保專家與系統編撰者的知識一致性，須實際擷取知識來檢查，事實上各階段都須有測試的機制，只有在符合目標後才進入下一階段。. 依照專家系統中的知識擷取方式，依圖 2-8 主要分成人際溝通、人機交談與機器學習模式。在人際溝通模式中，可區分成「直接」與「間接」兩種，其中直接是透過語言或文字的方式，與專家進行協調擷取知識，如：觀察、交談、問卷等方法進行；而間接則是採用圖形、表格或數學表示為工具，透過使用這些工具來間接擷取知識，如：決策樹、流程圖、且或樹等各種圖形呈現，而在本研究中將採用「AND-OR Tree」的方式進行。. 人際溝通模式知識編撰者人機交談模式交談式知識擷取軟體. 專家知識. 機器學習模式機器學習軟體. 範例庫. 圖 2-8. 知識擷取的三種模式. 26. 知識庫.

(44) 所謂的「AND-OR Tree」是由許多的節點組成，依圖 2-9 所示，其中包含「AND-node」和「OR-node」，藉由不同的子節點(Child-Node)的組合，產生類似樹狀分散的圖形。. 動作程序 AND. OR. 條件條件一. 圖 2-9. 條件二. 條件三. AND-OR Tree 表示方式. 在每一個節點都應該有其相對應的子節點，而若完全符合子節點的條件，才會使該節點成立並執行其設定狀況，而系統程序就能根據其符合的狀況做處理。因此，以下將對「AND-node」與「OR-node」做說明：. 1.「AND-node」：只要「AND-node」下的所有的子節點全部都符合時，它才會被成立；若有一項子節點沒符合，則它就不會成立；若它沒有任何子節點，則會直接視為成立。依照圖 2-10 所示，系統是透過由左而右檢查其每項子節點的「條件是否符合」，若當檢查出全部的子節點都符合時，「AND-node」才會被成立並執行某項程序。. 27.

(45) 動作程序 AND. 條件一. 條件二. 圖 2-10. 條件三. 條件 N. AND-node 表示方式. 2. 「OR-node」：只要「OR-node」下的其中某個子節點符合時，它才會被成立；而若沒有任何子節點符合時，則它就不會成立；若它沒有任何子節點，則會直接視為不成立。依照圖 2-11 所示，系統是一樣是由左而右檢查其每項子節點的「條件是否符合」，若當檢查出某個子節點符合時，「OR-node」就會被成立並執行某項程序。. 動作程序 OR. 條件一. 條件二. 圖 2-11. 條件三. 條件 N. OR-node 表示方式. 28.

(46) 2.5.4. 知識表現與推論在專家系統的知識表現中，為了將擷取得到的知識轉換成系統所能處. 理的形式，並轉存入知識庫中，目前常用的表現方式有：法則式 (Rule-based) 、物件式 (Object-based) 、邏輯式 (Logic-based) 、框架式 (Frame-based)等系統的呈現方式。而知識推論則是為了建立適合的解決問題之推論機制，用以控制推論過程，在目前常用的推論方式有：前向、後向、繼承等推理方式。但由於在本研究中採用的是法則式進行，因此下述只針對「法則式系統」作詳細介紹。. 所謂的法則式系統，是早期發展中較為普及而最典型的知識表現與推論方式，主要的觀念為將知識表現成「IF…，Then…。」的格式。其中「IF…」的部分稱之為條件(Condition)又或是前提(Premise)；而「Then…」的部分稱之為動作(Action)或是結論(Consequnt)，在條件或前提成立之下，系統才會執行相對應的動作或下結論，這就代表條法則被發使用。. 在法則式系統在知識推論上，又可區分成「法則式前向推理」與「法則式後向推理」，在本研究中採用法則式前向推理，是因為前向推理處理的對象為結論較多而條件較少的問題，是由條件到結論從下而上的推論，並屬於平行搜索的方式進行，其動作方式則先選擇一條法則來驗證其前提是否為真，若不符則另外選擇一條法則；若前提成立則假設其結果同樣可以算是成立，方可結束本次推論。. 29.

(47) 30.

(48) 第三章實驗設計與方法本章重點將呈現本研究所規劃的實驗設計與方法，將描述本篇實驗的整體架構與運行方式，並使各個部分相互搭配，以達到本研究所要的功能。因此將本章內容分成六個小節分別介紹：3.1 節將說明本研究的整體系統架構與旋轉平台動作；3.2 節敘述有關自主巡視機器人移動方式；3.3 節說明雷射掃描成像的動作與修正；3.4 節介紹紅外線熱影像處理與擷取特徵； 3.5 節說明該如何獲得地圖相對應的熱源座標；最後 3.6 節機器人搭配專家系統進行障礙物判斷、熱源偵測與分析。. 3.1. 整體系統架構本節將依循文獻探討後，為了降低人力需求提出一套利用自主巡視機. 器人來進行環境的監控，當行進過程遇到障礙物時會進行判斷並做出相對應的動作，倘若在進行監視固定電器熱源則會將結果登錄到環境資料庫內，作為後續追蹤之參考，如圖 3-1 為本研究的整體架構，主要區分成四個不同的部分來說明：(1)機器人移動採用循邊探索、閃避障礙與根點定位三種模式來進行定點巡視之功用；(2)當機器人行進過程中遇到障礙物時，將透過雷射成像資訊與紅外線熱影像來進行判斷障礙物的種類；(3)若偵測到室內環境的可能之熱源，利用熱影像處理與特徵擷取；最後(4)透過專家系統將影像處理所得到的特徵資訊進行熱源判斷和分類。巡視機器人之熱源偵測與登錄. 機器人移動. 障礙物判斷. 圖 3-1. 熱源偵測. 整體架構圖 31. 熱源判斷.

(49) 3.1.1. 環境建置階段為了讓機器人能正常運作，會先對環境進行資料庫建置，依圖 3-2 所. 示，主要是方便機器人後續進行熱源偵測時，能區分是否為環境原始固定熱源，若在巡視過程中遇到與環境資料庫不同時，方可透過專家系統判斷來確保校園室內環境的安全。. 圖 3-2. 環境建置流程圖. 在環境建置這部分，除了對校園室內環境進行資料建置外，也進行地圖資訊的確認與根點的設置過程，建立完整的巡視路徑以便之後機器人動作。因此在這邊所提到的讀取機器人位置包含地圖資訊和電子羅盤等相關資訊以確保資料的正確性，而當到達設置的根點處進行環境的擷取資訊時，也記錄地圖所在位置與電子羅盤的方向作為後續移動參考依據，而影像處理與建置資料庫主要是系統程式在執行動作，當完成建置後才會移動到下一個根點處進行資訊擷取與建置過程，直到資料都建置完畢為止。 32.

(50) 3.1.2. 巡視運作階段機器人在環境建置完成後，依照系統整體架構進行機器人的各項動作，. 而機器人會行進到各個根點作為機器人巡視之路徑上的規劃，藉由機器人的移動巡視室內環境，持續對環境進行更新並建置完善的環境資料庫，以達到巡視室內環境之功用，而圖 3-3 為整體巡視運作流程圖。. 圖 3-3. 巡視運作流程圖. 一開始先讀取機器現在所在的位置資訊後，進行機器人的移動巡視部分，途中若遇到障礙物時會先透過紅外線熱影像與雷射掃描影像分別擷取資訊來做判斷，並依照障礙物的種類進行不同的處理，而當行進至根點時會對環境進行偵測，若遇到未登錄的熱源，則會在一次擷取熱影像，並利用影像處理找出其特徵，與原始環境資料庫比對，最後依照熱源比對的結果進行不同的處理動作。 33.

(51) 3.1.2. 旋轉平台控制為了解決監視的死角問題，採用旋轉平台來進行上下左右的移動，本. 研究是透過巡視機器人搭配旋轉平台來改變紅外線熱成像攝影機與雷射測距儀(SICK)的視野位置，因此在此部分將介紹有關旋轉平台的運作方式，由於此種旋轉平台並沒有記憶位置的功能，所以在旋轉平台的程式設計上，如圖 3-4 即為旋轉平台的控制流程，依照其功能主要分成「持續移動模式」與「延遲時間模式」兩種模式進行。開始串列是否連接是模式判斷. 持續移動模式. 請確認否串列埠. 延遲時間模式. 結束. 圖 3-4. 旋轉平台動作示意圖. 其中，所謂的「持續移動模式」就是當下達指令開始後，平台會依照指令下達的方向持續動作，除非有再下達其他指令，否則平台會持續移動到各個極限位置，這主要是用在雷射掃描影像的部分。而所謂的「延遲時間模式」則是下達指令後，平台會依照時間設置的長短進行移動，當時間數到後會送出停止的指令，因此平台動作會呈現間斷移動，主要是用在要進行熱源偵測的部分。而不管是哪一種模式都會先進行判斷是否與電腦保持連接，若沒連接則會通知再確認，而在實際動作的情況則是依照要進行的為雷射掃描或熱影像擷取才決定平台的動作，並利用這兩種模式的設計可以滿足各種狀況。 34.