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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:黃仁昌
研究生(外文):HUANG,REN-CHANG
論文名稱:運用LEGO NXT 於視覺跟隨載具之研究
論文名稱(外文):A Study on Control of Visual Following Vehicles – anApplication of LEGO NXT
指導教授:朱正民朱正民引用關係
指導教授(外文):ZHU,ZHENG-MIN
口試委員:林炎成包冬意朱正民
口試委員(外文):LIN,YAN-CHENGBAO,DONG-YIZHU,ZHENG-MIN
口試日期:2011-06-28
學位類別:碩士
校院名稱:中州科技大學
系所名稱:工程技術研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:106
中文關鍵詞:影像辨識跟隨機器人模糊控制NXT 智慧型控制器
外文關鍵詞:image recognitionfollowing robotfuzzy controlNXT wisdom controller
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摘要
一般跟隨機器人常使用高解析度攝影鏡頭,並配上高階的影像處
理軟體,對跟隨物體之影像進行辨識,在影像辨識過程中常因為影像
的解析度過高,進一步增加影像辨識的複雜度,導致無法快速辨識跟
隨物體影像而且耗電量也高問題。
為解決上述問題,本研究採用樂高NXT 嵌入式系統以達到省電的
目的。運用低解析度攝影鏡頭擷取低階影像,進行跟隨物體辨識,以
達到快速辨識跟隨物體的功效。物體的距離與位置由NXT 核心運算模
組計算模糊控制訊號,再將結果傳送到載具馬達上的控制晶片,進而
控制直流馬達做出相對的正轉與逆轉移動。達到跟隨物體之目的。
本研究應用樂高NXT 嵌入式系統實作出一種具顏色判別能力的跟
隨機器人,並使用模糊移動策略,解決機器人在移動時所產生的非線
性與不確定性問題,使得跟隨機器人具影像辨識時間短,能夠即時跟
隨移動物體之優點。期望未來此技術能進一步與業界合作。
關鍵字:影像辨識、跟隨機器人、模糊控制、NXT 智慧型控制器
Abstract
Generally, following robots are equipped with high-resolution cameras and
high-end image processing software to conduct the task of object image
recognition. However, problems such as rapid recognition of images of
the target objects and high-power consumption appear when the resolution
of images is beyond their performance.
To achieve the purposes of following objects, we use LEGO NXT
embedded systems to save power, and adopt a low-resolution camera to
achieve the effectiveness of recognizing following objects. The core
module of LEGO NXT embedded systems can further calculate the
distance and location of the target objects and send signals to the control
chips in the motor of the carrier, and thus control the DC motor to move
forwards and reversely.
In the study an object following robot is developed by using Lego NXT
embedded system and fuzzy movement. The robot has the advantages of
telling colors and recognizing images efficiently with respect to the time
consumed in the practice of recognizing images and doing following
movement. According to the findings, we highly recommend the realization
of the technique of embedded systems in the business market through the
cooperation of academia and industry.
Keywords: image recognition, following robot, fuzzy control, NXT
wisdom controller
目錄
摘要.... .............................................. I
Abstract ............................................. II
誌謝.... ............................................ III
第一章 緒論........................................... 1
1.1 研究背景.................................... 1
1.2 研究動機與目的............................... 2
1.3 系統架構.................................... 2
1.4 研究限制.................................... 3
第二章 文獻探討....................................... 4
2.1 動態影像追蹤技術............................. 4
2.1.1音頻分析技術......................... 4
2.1.2 紅外線感測技術....................... 5
2.1.3 超音波感測技術....................... 5
2.1.4 動態影像追蹤技術比較................. 6
2.2 畫面色彩空間................................ 7
2.3 模糊理論.................................... 8
2.3.1 模糊理論基本架構..................... 8
2.3.2 模糊理論主要特性..................... 9
V
2.3.3 歸屬函數............................ 11
2.3.4 模糊補集............................ 13
2.3.5 模糊集合之交集...................... 13
2.3.6 模糊集合之聯集...................... 14
2.3.7 解模糊化法.......................... 14
第三章 系統架構設計.................................. 17
3.1 載具架構................................... 17
3.2 硬體介紹................................... 18
3.2.1 視訊攝影機.......................... 19
3.2.2 NXT控制器與套件簡介................. 20
3.2.3 NXT按鍵配置及輸出入介紹............. 21
3.2.4 NXT控制器硬體規格................... 22
3.2.5 NXT控制器選單簡介................... 23
3.2.6 NXT感測器簡介....................... 24
3.2.7 NXT八通道伺服機控制器簡介........... 30
3.2.8 直流馬達驅動電路.................... 31
3.2.9 驅動馬達............................ 32
3.2.10 全向輪簡介.......................... 34
3.3 開發軟體................................... 36
VI
3.3.1 LEGO NXT 開發平台簡介............... 38
3.3.2 NXT開發平台軟體物件................. 38
3.3.3 NXT Cam View簡介.................... 43
第四章 研究方法...................................... 46
4.1 系統流程................................... 47
4.2 攝取影像畫面分析............................ 49
4.3 目標物搜尋................................. 53
4.4 辨識物體距離............................... 56
4.5 物體移動規則............................... 58
4.6 物體中心點判斷.............................. 61
4.7 物體偏移修正............................... 62
4.8 位移量測分析............................... 63
4.9 全向輪移動模式.............................. 66
4.10 模糊控制移動架構........................... 69
4.10.1 歸屬函數........................... 70
4.10.2 模糊規則庫......................... 72
4.10.3 解模糊化........................... 76
4.10.4 跟隨移動方式....................... 77
第五章 實驗結果...................................... 81
VII
5.1 初始物體偏移轉動跟隨實測.................... 81
5.2 加入距離遠近跟隨判別實測.................... 83
5.3 應用模糊系統改善跟隨穩定.................... 84
5.4 使用跟隨機器人載貨物........................ 86
第六章 結論與未來展望................................ 88
6.1 結論....................................... 88
6.2 未來展望................................... 89
參考文獻............................................. 91
VIII
圖目錄
圖2.1 RGB色彩模型.................................. 7
圖2.2 RGB的層疊示意圖............................... 7
圖2.3 模糊控制器的基本架構圖........................ 9
圖2.4 三角形歸屬函數............................... 11
圖2.5高斯歸屬函數.................................. 11
圖2.6梯形歸屬函數.................................. 12
圖2.7單值歸屬函數.................................. 12
圖2.8模糊集合A之平衡點............................ 13
圖3.1載具機構圖................................... 18
圖3.2視訊攝影機................................... 19
圖3.3 NXT控制器感測器.............................. 20
圖3.4 NXT按鍵配置及輸出入介紹圖.................... 21
圖3.5 NXT智慧控制器................................ 22
圖3.6 NXT智慧控LCD畫面............................ 23
圖3.7 紅外線感測器................................. 24
圖3.8 超音波感測器................................. 25
圖3.9 聲音感測器................................... 26
圖3.10 觸碰感測器.................................. 27
IX
圖3.11 NXT控制器伺服馬達........................... 28
圖3.12 NXT伺服馬達齒輪結構......................... 29
圖3.13 NXT伺服馬達內部分解圖....................... 29
圖3.14 8通道伺服機控制器.......................... 30
圖3.15 直流馬達驅動電路............................ 31
圖3.16 驅動馬達.................................... 32
圖3.17 外型尺寸圖.................................. 33
圖3.18 馬達單體特性圖.............................. 33
圖3.19 全向輪...................................... 34
圖3.20 全向輪安裝位置.............................. 35
圖3.21 LEGO MINDSTORMS NXT ......................... 36
圖3.22 LEGO MINDSTORMS NXT程式流程................. 36
圖3.23 LEGO MINDSTORMS NXT程式介面................. 38
圖3.24 軟體功能物件................................ 38
圖3.25 命令方塊.................................... 39
圖3.26 迴圈LOOP ................................... 39
圖3.27 馬達控制設定介面............................ 40
圖3.28 資料線輸出輸入.............................. 41
圖3.29 各種不同資料線.............................. 42
X
圖3.30 NXT Cam View ................................ 43
圖3.31 NXT Cam攝取影像............................. 44
圖3.32 RGB顏色設定值............................... 44
圖3.33 攝取到的影像以方形區域表示.................. 45
圖3.34 攝影機環境變數設定.......................... 45
圖4.1 影像處理流程................................. 46
圖4.2跟隨機器人系統控制流程圖...................... 48
圖4.3 攝取辨識畫面................................. 49
圖4.4 RGB實景顏色................................. 50
圖4.5 R紅色畫面分佈分析............................ 51
圖4.6 B藍色畫面分佈分析............................ 52
圖4.7 G綠色畫面分佈分析............................ 52
圖4.8 物體搜尋..................................... 53
圖4.9 九宮格擴散搜尋法............................. 54
圖4.10 物體範圍定位................................ 55
圖4.11遠距離物體目標............................... 56
圖4.12近距離物體目標............................... 57
圖4.13 相似三角形計算物體距離...................... 58
圖4.14 物體面積在指定範圍無偏離.................... 59
XI
圖4.15 物體偏離中心點左方.......................... 60
圖4.16 物體偏離中心點右方.......................... 60
圖4.17 物體距離過近超出範圍........................ 61
圖4.18 為目標物中心座標............................ 62
圖4.19目標物偏移後座標............................. 63
圖4.20固定NXT cam量測位移......................... 64
圖4.21量測位移參數................................. 65
圖4.22距離方位測定圖............................... 65
圖4.23 PWM週期輸出示意圖........................... 66
圖4.24控制參數轉PWM輸出示意圖..................... 67
圖4.25距離歸屬函數................................. 70
圖4.26偏移歸屬函數................................. 71
圖4.27機器人參數移動變化........................... 80
圖5.1初始物體偏移轉動跟隨實測分解圖................ 82
圖5.3應用模糊系統改善跟隨穩定分解圖................ 86
圖5.4拖載貨物的實測分解圖.......................... 87
XII
參考文獻
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