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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王廣安
研究生(外文):Wang, Kuang-An
論文名稱:基於視覺導航之二輪倒單擺控制與應用
論文名稱(外文):Two Wheels Inverted Pendulum Control and Application Based On Visual Navigation
指導教授:鄭智湧鄭智湧引用關係
指導教授(外文):Cheng, Chih-Yung
口試委員:余國瑞柳世民盧晃瑩鄭智湧
口試委員(外文):Yu, Gwo-RueyLiu, Shih-MimLu, Hoang-YangCheng, Chih-Yung
口試日期:2016-06-27
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:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:55
中文關鍵詞:倒單擺VR頭盔影像處理體感
外文關鍵詞:self-balanced robotVR helmetimage processinghead gesture
相關次數:
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摘要
隨著科技的進步,人們用網路拉近彼此的距離,通訊裝置如個人電腦、平板、手機、智慧手錶也愈發普及,但是除了文字與語音之外,我們都希望它具有視覺的功能。此外,對於人們到達不了的地方,如天空、海底都有著耐人尋味的奧秘,因此更多的探索裝置便油然而生,例如四軸飛行器除了要飛得高飛得穩,更要拍攝美麗的風景,無人潛艇不只要可以監控環境因素,還要給予我們追尋美人魚的夢想,而本論文的靈感由此誕生。
本論文是為了讓行動不便的病患可以在室內配戴一個手機式VR頭盔,藉由體感來控制遠端倒單擺車體的機器人移動,另外機器人會將周遭影像與聲音回傳至頭盔上的手機,讓遠端的人們可以藉此與病患互動。此外,系統也可以藉由手機裝置做影像處理,藉此開啟自動追蹤模式。整體的系統設計包括機構、電路與演算法的研發。
機構方面,考量裝置要體積小方便攜帶,論文中設計一個二輪車體,使用伺服馬達加以驅動,並且在車體上加裝一直桿,桿頂再設計一個支架使手機置於此處,便可達到寬廣的視野,機構設計使用繪圖軟體SolidWorks來進行設計、出圖,最後再使用3D printer製造。
電路方面,主控核心使用Arduino Pro Mini來進行控制,搭配三軸加速器與三軸陀螺儀所構成之六軸加速器來計算資訊,使用穩壓模組來確保電源端的穩定,並且利用UART與SPI的傳輸介面來與手機以及發訊器進行通訊,電路設計使用PCB軟體Protel 99 SE來進行佈線、layout,最後使用CNC雕刻電路。
演算法方面,使用了PID控制器來穩定此系統,PID具有快速可調的功能,效果卓越,為工業中常使用的控制法則。此外,使用影像處理來進行導航的功能,影像處理具有精準定位的效果,可以切割目標物與周圍環境的資訊,並且加以追蹤。
本作品整合了手機與微控制器,使用了PID與影像處理演算法,預期可以讓行動不便者,藉由此倒單擺系統與世界互動,大家都會注意到你的不平凡。


關鍵字: 倒單擺、VR頭盔、影像處理、體感

Abstract
With the advance of science and technology, Internet draws us closer to each other. Mobile devices, such as tablets, mobile phones and smart watches, become more and more popular. However, in addition to text and voice, the visual function is critical. In addition, people try to explore where they can barely reach like mysterious sky or seabed. Quadcopter was developed to fly high and capture the beautiful landscapes. Unmanned submarine was used to monitor environments and give us a dream of pursuing mermaids. So, the inspiration of combining remote image sensing and robot control in the thesis was born.
This paper is to have users (especially, the disabled patients) wearing a mobile phone-based VR helmet indoors which can control an exploring robot remotely with head gesture. Additionally, the remote robot will send video and audio back to the phone inside VR helmet. People far away can interact with patients by this way. Besides, mobile phones of the system can do image processing for autonomous tracking. The entire system includes mechanism, circuits and algorithms designs.
For mechanism aspects, for the sake of portability, the robot car has only two wheels driven by servo motors and forms a self-balanced robot. A long stick with a camera sits on the top of moving platform in order to get a better view. Mechanical parts were designed using SolidWorks and produced by a 3D printer.
For circuit aspects, the robot car uses Arduino Pro Mini as core, and calculates the attitude angles with a six-axis accelerometer. Voltage regulator module makes the power stable. UART and SPI are the interface of communication for mobile phone and transmitter. The circuit board is designed using Protel 99 SE and carved with CNC machine.
For algorithm aspects, PID control is the main control method of this system. It is easy to use and popular for industry. In addition, the system can use image processing capability to help navigation. Computer vision is extremely good at localization. It can separate the target object from the background and track the target.
The project integrates the mobile phone and MCU with PID and image processing algorithms. It has a purpose that the disabled people can interact with the outside world by this system and enjoy a new social life.

Keywords:self-balanced robot, VR helmet, image processing, head gesture.

目次
誌謝 I
摘要 II
Abstract III
目次 IV
圖次 VII
表次 IX
第一章 緒論 1
1.1研究動機 1
1.2研究目的 1
1.3論文架構 2
第二章 系統軟硬體介紹 3
2.1系統架構 3
2.2研究方法 4
2.3研究材料介紹 6
2.3.1控制器 Arduino Pro Mini 6
2.3.2降壓模組 LM2596 7
2.3.3六軸加速器 MPU6050 8
2.3.4無線射頻模組 nRF24L01 9
2.3.5無線網路模組 ESP8266 ESP-12 10
2.3.6穩壓元件 LM317 11
2.3.7伺服馬達 Parallax Continuous Servo Motor 12
2.3.8 VR頭盔 13
2.4系統控制核心 14
2.4.1倒單擺車控制核心-ATmega328P 14
2.4.2影像處理與串流核心-手機 15
2.5通訊方式 16
2.5.1 UART 16
2.5.2 SPI 17
2.5.3 I2C 18
2.6伺服馬達 20
2.7自製電路 22
2.8開發軟體工具 23
2.8.1 Processing 23
2.8.2 Arduino 23
2.8.3 Android Studio 24
2.8.4 OpenCV 25
2.8.5 SolidWorks 25
2.8.6 MakerWare 26
2.8.7 Protel 99 SE 27
第三章 平衡車控制 28
3.1控制方塊圖 28
3.2 PID控制器 29
3.3陀螺儀測量角度補償 30
3.3.1 Complementary Filter 30
第四章 影像處理 32
4.1色彩空間 32
4.1.1 HSV色彩空間 32
4.1.2 YCbCr色彩空間 33
4.2影像二值化 34
4.3影像質心 35
第五章 人機互動介面 36
5.1影像串流 36
5.2 VR頭盔 37
5.2.1歐拉角 38
5.3網路控制 39
5.3.1網頁控制 39
5.3.2體感控制 42
第六章 實驗結果 44
6.1 實驗成果一:平衡狀態 44
6.1.1實驗目的 44
6.1.2任務流程圖 44
6.1.3實驗成果 45
6.2 實驗成果二:影像處理與物件追蹤 46
6.2.1實驗目的 46
6.2.2任務流程圖 46
6.2.3實驗成果 47
6.3實驗成果三: 網頁控制與視訊串流 49
6.3.1實驗目的 49
6.3.2任務流程圖 49
6.2.3實驗成果 50
6.4實驗成果四: VR頭盔與體感控制 52
6.4.1實驗目的 52
6.4.2任務流程圖 52
6.4.3實驗成果 52
第七章 結論與未來展望 54
7.1結論 54
7.2未來展望 54
參考文獻 55


參考文獻
[1] 梅克2工作室,“iPOE A1輪型機器人應用與專題製作”,台科大圖書,2015
[2] 趙英傑,“超圖解Arduino 互動設計入門”,旗標出版股份有限公司,2014
[3] 段維瀚,“當猛虎遇上Android”,碁峰資訊股份有限公司,2015
[4] 毛星雲,“ OpenCV3編程入門”,電子工業出版社,2015
[5] Joseph Howse, “Android Application Programming With OpenCV”, PACKT, 2013
[6] 盧佑銘,“Protel 99 SE電路設計全輯”,台科大圖書,2001
[7] Casey Reas, Ben Fry, “ Getting Started with Processing”, Maker Media, 2015
[8] 陳俊鴻,“SolidWorks 2014 實戰演練”,易習圖書,2015
[9] 郭冠宏,“利用Arduino及Wi-Fi實現具無線遠端監控功能的掃地機器人”,國立台灣海洋大學電機工程學系碩士論文,2014
[10] 林川竣,“基於Android手機之機器人視覺伺服控制平台設計與實現”,國立台灣海洋大學電機工程學系碩士論文,2012
[11] 李常愷,“双獨立輪倒擺自走車系統之設計及建構”,國立台灣海洋大學電機工程學系碩士論文,2011
[12] 吳承哲,“實現具教育性之組裝式模組機器人系統”,國立台灣海洋大學電機工程學系碩士論文,2015
[13] 施威銘研究室,“網頁程式設計的16堂課”,旗標出版股份有限公司,2016
[14] InvenSense Datasheet, “ MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification Revision 3.4”, InvenSense Inc, 2013
[15] http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=1108310008 互補濾波器
[16] http://docs.opencv.org/3.0-beta/doc/py_tutorials/py_feature2d/py_surf_intro/py_surf_intro.html Introduction to SURF (Speeded-Up Robust Features)
[17] http://www.hyperimmersion.com/#!content/c17rs虛擬實境頭戴式影音匯流平台
[18] Pengfei Gui, Liqiong Tang, Subhas Mukhopadhyay, “Comparison of Complementary and Kalman Filter Based Data Fusion”, IEEE 10th Conference on Industrial Electronics and Applications, Auckland, New Zealand, 2015, pp. 2004-2009.

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