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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:洪聖翔
研究生(外文):Hung, Sheng-Hsiang
論文名稱:基於二維編碼之定位與導航設計
論文名稱(外文):2D-code-based Localization and Navigation Design
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:52
中文關鍵詞:樹莓派開發板二維編碼圖像影像處理室內定位
外文關鍵詞:Raspberry Pi2D code imageImage processingIndoor localization
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本論文旨在開發一種基於影像編碼的室內定位系統。不同於現行某些存在的技術(例如掃地機器人)將被動偵測目標設置於天花板,論文中將自行設計的二維圖像編碼設置於地面,只要系統在有設置編碼的區域內運行,系統就能藉由擷取地面影像並處理分析而得知自身所在位置與方向資訊,達到室內定位的目的。相較於利用仰望天花板目標定位的掃地機器人,可以降低因為障礙物(如桌椅等等)而暫時失去定位資訊的可能性。

當系統啟動後,利用自行設計的補遮光裝置控制照度並進行影像擷取,將資料送入Raspberry Pi開發板進行影像處理,去除雜訊之後經由設計的編碼辨識演算法得到當下系統所在的座標位置與姿態。以此定位技術為基礎,可以進一步的進行導航任務,以當下座標位置為基礎,當系統接收到下個目的地座標,將起點與終點的相對關係輸入路徑計算函式,得到導航的角度與方向,最後按照規劃的路徑驅動伺服馬達到達目的地。

The thesis aims to develop an indoor image-code-based localization system. The idea differs from some currently existing systems (such as commercial sweeping robots) using tags on the ceiling to locate, in that we set code image on the ground. As long as the system running on the coded-area, it can locate itself and gain the orientation data by capturing the image of ground and analyze it. Compared to the sweeping robots using the ceiling tags, we can lower the possibility of temporary localization loss due to blocking obstacles (such as tables and chairs, etc).
As system starts running, the self-designed light control device will adjust the illumination, use camera to catch the image and transfer to Raspberry Pi for image processing. After removing certain noise in the image, the designed code-reading algorithm is used to obtain the coordinate of its position. Furthermore, based-on the localization methodology, we can navigate a robot. For navigation purposes, when the robot receives the coordinate of the next destination, it will analyze the relation between target point and starting point to get the navigation angle and distance. Finally the planning path algorithm will drive servo to reach the goal.

誌謝 I
摘要 II
Abstract III
目次 IV
圖次 VI
表次 VIII
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 系統架構簡介 3
2.2 硬體與機構介紹 4
2.2.1車體 4
2.2.2 Raspberry Pi 5
2.2.3伺服馬達 6
2.2.4 PWM 7
2.2.5攝影鏡頭 8
2.2.6行動電源 8
2.2.7攝影鏡頭架與補光電路板 9
2.2.8 USB介面WiFi網路卡 EW-7811Un 9
2.2.9 Android手機 Sony xperia Z3 10
2.2.10編碼圖像板 10
2.3 軟體開發工具 11
2.3.1 Geany 11
2.3.2 pigpio 12
2.3.3 Processing 12
2.3.4 OpenCV 13
2.3.5 JuiceSSH 13
2.3.6SolidWorks 2014 14
2.3.7MakerWare 14
第三章 二維編碼之概念與設計 15
3.1 基準點定位 15
3.2 辨識角度 16
3.3 座標儲存 18
第四章 影像處理 19
4.1 影像處理流程 19
4.2 灰階影像 21
4.2.1灰階轉換 22
4.3 二值化 23
4.4 輪廓偵測 24
4.5 目標物的質心與面積 25
4.6 編碼辨識 27
4.6.1按照資料點面積大小分類 27
4.6.2尋找完整的編碼圖像區塊 27
4.6.3讀取編碼內容 28
4.7 直線偵測 28
第五章 實驗結果 30
5.1 實驗成果一: 姿態判斷 30
5.1.1實驗目的 30
5.1.2任務流程圖 30
5.1.3實驗成果 32
5.2 實驗成果二: 編碼讀取定位 34
5.2.1實驗目的 34
5.2.2任務流程圖 34
5.2.3實驗成果 36
5.3 實驗成果三:移動至指定座標 38
5.3.1實驗目的 38
5.3.2實驗流程圖 38
5.3.3實驗成果 40
5.4 實驗成果四:基地回歸 44
5.4.1實驗目的 44
5.4.2實驗流程圖 44
5.4.3實驗成果 46
第六章 結語與未來展望 50
6.1 結論 50
6.2 未來展望 51
參考文獻 52


[1] http://www.appsbarcode.com/data/QR%20Code%20Overview.pdf
QR Code Overview & Progress of QR Code Applications.
[2] 柯博文,“Raspberry Pi 最佳入門與實戰應用”,碁峰,2015。
[3] https://www.raspberrypi.org/forums/
Raspberry Pi forums.
[4] Parallax inc., “Parallax Continuous Rotation Servo”, Data Sheet.
[5] http://www.chtco.com.tw/files/AOI%E5%85%89%E6%BA%90%E8%A8%AD%E8%A8%88.pdf
AOI光源設計。
[6] http://www.cepp.gov.tw/TheFiles/publication/b08b4862-d6b5-4380-bae3-2cfcfc7050aa.pdf
QR Code 技術之探討. 。
[7] http://www.geany.org/manual/current/
Geany Manual.
[8] http://abyz.co.uk/rpi/pigpio/
The pigpio library.
[9] Gary Bradski & Adrian Kaebler著,于仕琪、劉瑞禎譯,“學習OpenCV”,清 華大學出版社,2009。
[10] Ashwin Pajankar, “Raspberry Pi Computer Vision Programming”, PACKT, 2015.
[11] https://www.solidworks.com/sw/resources/solidworks-tutorials.htm
SolidWorks Toturial.
[12] 求是科技,“Visual C++ 數位影像處理技術大全”,松崗,2008。
[13] http://docs.opencv.org/2.4/doc/tutorials/imgproc/shapedescriptors/moments/moments.html
Image Moments use contour.
[14] 張錚、王艷平、薛桂香,“數字圖像處理與機器視覺”,人民郵電出版社,2010。
[15] 陳柏安,“室內自走機器人之定位系統設計和實作”,國立台灣科技大學
機械工程學系碩士論文,2012。
[16] http://ieeexplore.ieee.org/xpls/icp.jsp?arnumber=7419715
Localization and navigation using QR code for mobile robot in indoor environment, Huijuan Zhang, Chengning Zhang, Wei Yang, Chin-Yin Chen, 2015.
[17] http://ieeexplore.ieee.org/xpls/icp.jsp?arnumber=7222664
Localization for Indoor Mobile Robot with validation using a 3D optical tracking instrument, Seok-Ju Lee; Tewolde, G.; Jongil Lim; Jaerock Kwon, 2015.

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