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研究生:卓元裕
研究生(外文):Yuan-Yu Jhuo
論文名稱:具有電腦視覺及遠端監控之自主式智慧型多機器人系統
論文名稱(外文):An Intelligent Autonomous Robot System with Computer Vision, Remote Monitoring, and Control
指導教授:鄭智湧鄭智湧引用關係
指導教授(外文):Chih-Yung Cheng
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:87
中文關鍵詞:影像處理電腦視覺多重機器人系統視覺伺服
外文關鍵詞:image processingcomputer visionmulti-robot systemsvisual servoing
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  本論文主要利用視覺伺服實現了多機器人的系統。論文中母體機器人與各個子機器人皆各自擁有自己的視覺影像系統,並利用影像做為多機器人之主要回授與溝通介面,但又共用運算中心,使其資訊皆位於同一平台,達到快速資料流通之目的,更節省許多通訊上的困難,從中實現各項合作目的。
  論文中藉由電腦視覺的感測獲得多項資訊,以此做為系統主要回授以達到具有即時、穩定且準確之效能。例如利用視覺進行人臉膚色區塊偵測而完成人機互動或監控模式下之保全行為、以及延伸上述功能使機器人提供茶水服務,甚至完成大型機器人載送小型機器人以進行地面探勘與物品搬運之任務。
  本論文之機器人機構是以壓克力與塑膠材料設計組裝而成以達到降低機體重量。在本系統中利用低價USB介面之CCD攝影機(母體機器人)及藍芽介面手機之攝影機(小型子機器人)擷取即時影像並經由影像處理,將獲得資訊分析與處理後,將控制訊號經由RS232串列埠傳至AI馬達與MCS-51單晶片之週邊電路,控制板接收指令後再控制多顆直流與伺服馬達,達到多工以及使得機器人主體與機器手臂進行正確的運動控制,並搭配RF無線收發電路,驅動小型機器人,進行多機器人系統之合作研究。
  論文中使用Borland C++ Builder開發軟體完成人機控制介面,並搭配MATLAB影像處理函式庫進行影像判別與決策資訊,使用Keil C語言進行MCS-51單晶片開發並搭配週邊電路實現直流與伺服馬達之驅動來縮短開發時間。
  This thesis focuses on the research of how to apply visual servoing techniques to integrate and coordinate a multi-robot system. Each individual robot owns its video camera and the images captured are used for the feedback and mutual interaction. Furthermore, we utilize a centralized computing kernel to coordinate total information to speed up the communication between robots and simplify the connection.
  The robot tasks are achieved mainly through computer vision. For example, the security monitoring task uses human face image detection, the service of providing water uses images to make sure proper robot and human interaction, and the system uses images for robots to cooperate for the surface exploring and object transporting.
  The mechanism of robots is made up of acrylic fiber and plastic, which reduces the weight of robots. A USB web camera and a mobile phone camera with Bluetooth interface are chosen for the large and small robots respectively. After images are processed in an embedded notebook, the motor control decision is sent to AI and DC motors through RS-232. For the moving freedom of small robots, RF wireless modules are used for command transmission.
  Finally, the software control interface is written by Borland C++ Builder and the MATLAB image processing toolbox is effectively combined to shorten coding time. And we use Keil C to develop MCS-51 firmware to integrate peripheral and motor control circuits.
摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
圖目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI
表目錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

第一章 緒論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 研究動機與目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 研究方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 論文架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

第二章 系統之軟硬體架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 系統概觀. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 機器人母體機構介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 機構設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 自製控制板. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3 行進機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5
2.2.4 機器手臂與夾具控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6
2.3 小型子機器人機構介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7
2.3.1 機構設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7
2.3.2 自製控制板. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8
2.3.3 行進機構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1
2.3.4 夾具控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2
2.4 馬達系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3
2.4.1 AT89C51 單晶片介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3
2.4.2 直流馬達驅動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5
2.4.3 伺服馬達. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8
2.4.4 AI馬達. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0
2.5 攝影機與影像處理系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2
2.6 信號傳輸介面介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3
2.6.1 RS232串列通訊傳送與接收. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3
2.6.2 RF無線傳送與接收. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5
2.6.3 Ethernet網路傳送與接收. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7
2.7 軟體開發架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 3 9
2.7.1 8051C 程式語言和Keil C51編譯器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9
2.7.2 Protel 99 SE 軟體. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0
2.7.3 Borland and C++ Builder 軟體. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0
2.7.4 MATLAB 軟體. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1
2.7.5 所完成之人機介面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2
第三章 機器人視覺處理與控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4
3.1 數位影像處理程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4
3.2 色彩模型及色彩轉換介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5
3.2.1 RGB模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5
3.2.2 HSV模型及RGB與HSV之間的轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6
3.3 二值化影像. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9
3.4 連接區塊標記法與去除雜訊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0
3.5 目標物之質心與面積. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3
3.6 人臉偵測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6
第四章 實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8
4.1 任務一: 母體機器人搜尋與偵測任務. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8
4.1.1 任務目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8
4.1.2 程式流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9
4.1.3 實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1
4.2 任務二: 母體機器人遞送水杯之任務. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3
4.2.1 任務目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3
4.2.2 程式流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4
4.2.3 實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5
4.2 任務三: 小型機器人輔助搜尋與搬運任務. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 9
4.3.1 任務目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 9
4.3.2 程式流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 0
4.3.3 實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4

第五章 結論與未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3
5.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3
5.2 未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4

參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 5
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