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研究生:林韋毅
研究生(外文):LIN, WEI-YI
論文名稱:應用複合拓樸地圖提升有限感知機器人覆蓋效率與實作驗證
論文名稱(外文):Application and Prototyping of Hybrid Topological Map to Improve Coverage Rate of Limited Sensing Robots
指導教授:余志成
指導教授(外文):YU, JYH-CHENG
口試委員:林惠勇姚武松
口試委員(外文):LIN, HUEI-YUNGYAO, WU-SUNG
口試日期:2020-07-17
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄科技大學
系所名稱:機電工程系
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:2020
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:119
中文關鍵詞:清掃機器人有限感知能力複合式地圖拓樸地圖未覆蓋率路標系統
外文關鍵詞:Cleaning robotLimited sensingTopological mapLandmark systemGrid mapUncovered rate
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目前主流的兩大類清掃機器人可以分為隨機式清掃機器人與路徑規劃式清掃機器人;路徑規劃式清掃機器人配備雷射測距儀或是視覺傳感器,利用環境特徵即時定位與建立出環境地圖,因此可以透過環境地圖規劃出有效率的清掃路徑降低重複清掃的問題,但此方法需要較高階的處理器與高成本的感測器。隨機式清掃機器人多具備有限感知能力,使用如紅外線、超音波等近距離的障礙感測器,無法在環境中做全域定位,因此多採用隨機、循邊、定點螺旋等清掃模式,其優點為硬體成本較低,但容易出現重覆清掃與清掃不均等問題,在清掃方式上還有很大的改善空間。本研究結合路標為基的區域格點地圖與路標拓樸地圖,提升隨機式清掃機器人的清掃效率。機器人利用航位推算估計相對於路標的移動路徑建立出區域的格點地圖,而格點地圖會因為滑動誤差與估計誤差關係產生不可信賴的格點,因此利用統計的概念過濾出經常訪問的重要的格點稱為顯著格點地圖。機器人在清掃過程中以循邊模式記錄設置在環境中的路標,以路標相鄰關係建立出路標拓樸地圖。在清掃過程中持續更新路標的區域格點地圖與路標拓樸地圖,透過區域顯著格點地圖可以判斷區域是否有未清掃區塊或是已完成清掃,而路標拓樸可以提供機器人路標之間的相對位置輔助機器人做區域的轉換。再由優先清掃方向、優先清掃區域與清掃停止機制等方法改善清掃效率。最後以機電整合與雙嵌入式系統開發實體原型機器人驗證本論文提出的智慧清掃理論,並以影像擷取的方式比較市售的隨機式清掃機器人與原型機器人的環境覆蓋效率。
The cleaning strategy of current vacuum robots can be classified into random walk method and deterministic path planning. Vacuum robots with deterministic path planning often use vision-based SLAM and Laser SLAM to localize robot orientation and to establish the map of unknown environment, which can be applied for path planning to decrease missed and uneven coverage. But vacuum robots with SLAM capability often require a high-performance processor and expensive localization sensors. Conventional cleaning robots with limited sensing capacity only apply contact and proximity sensors to detect obstacles. The random walk based vacuum robot’s coverage strategy consisted of various cleaning modes such as wall following and random walk. The advantage of the random walk based vacuum robot is lower hardware cost. However, random walk robots without information of environment are likely trapped to semi-confined areas, which is unable to ensure a complete coverage. Although random-based cleaning strategies are liable to repeated cleaning in constrained region and missing cleaning in a complex environment, it is still very popular for the vacuum robots with limited sensing capability due to simplicity and low cost. This study presents an intelligent cleaning strategy using a hybrid topological map (HTM) as a localization and mapping system established from scattered landmarks without given absolute coordinates. The coverage algorithm using the hybrid topological map will be introduced to the vacuum robot with limited sensing capability to improve cleaning efficiency and uniformity using random walk method. The proposed robot detects the scattered RFID landmarks attached to the skirting sections of wall while performing a wall-following cleaning mode. A significant grid map with respect to the landmark is established iteratively from odometer. The adjacency information and the visit probability of the landmarks along with the corresponding significant maps becomes a topological Map to guide the robot toward uncovered area and to determine the cleaning priority of sectors to improve coverage efficiency. At last, using video image detection program to compare coverage efficiency of prototype robot and random walk robot.
摘要 ii
ABSTRACT iv
誌謝 vi
目錄 vii
圖目錄 xi
表目錄 xviii
第1章 序論 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 清掃機器人的發展 1
1.1.2 清掃機器人的技術 3
1.2 研究動機 7
1.2.1 機器人環境感測 7
1.2.2 定位系統 8
1.2.3 地圖建構 11
1.2.4 清掃策略 15
1.3 研究方法與目的 17
第2章 機器人硬體架構 18
2.1 機器人機構 18
2.1.1 機器人設計與規格 18
2.1.2 驅動機構設計 21
2.2 機器人控制器架構 24
2.2.1 硬體控制端 25
2.2.2 數據處理端 27
2.3 障礙感測 28
2.3.1 接觸式感測器 30
2.3.2 非接觸式感測器 30
2.4 方位估計與定位 32
2.4.1 編碼器 32
2.4.2 姿態儀 33
2.4.3 無線射頻辨識 35
2.5 移動與感測誤差 36
2.5.1 直線移動誤差 36
2.5.2 旋轉誤差 36
2.5.3 姿態儀感測誤差 38
第3章 機器人程式架構 39
3.1 控制邏輯 39
3.2 基礎控制指令 40
3.2.1 直行 40
3.2.2 旋轉 41
3.2.3 轉彎 42
3.2.4 平行對準 44
3.2.5 輪速同步修正 46
3.3 感測器指令 48
3.3.1 障礙感測 48
3.3.2 循牆感測 50
3.3.3 編碼器 52
3.3.4 姿態儀 52
3.3.5 無線射頻辨識讀取 53
3.4 移動模式 54
3.4.1 隨機模式 56
3.4.2 循邊模式 58
3.5 數據處理架構 60
第4章 複合拓樸地圖的建構與應用 62
4.1 定位與方位估計 62
4.1.1 航位推算 62
4.1.2 路標系統 66
4.1.3 路標設置 72
4.2 區域格點地圖 74
4.2.1 格點地圖 74
4.2.2 顯著格點地圖 78
4.3 路標拓樸地圖 83
4.4 複合拓樸地圖應用 85
4.4.1 未覆蓋率 85
4.4.2 優先清掃方向 87
4.4.3 清掃時間的調變 88
4.4.4 優先清掃區域 89
4.4.5 全域清掃停止機制 90
第5章 智慧隨機清掃機器人的實測 91
5.1 真實軌跡擷取 91
5.1.1 軌跡追蹤 91
5.1.2 覆蓋率計算 94
5.2 單區域應用 96
5.3 多區域應用 99
5.3.1 傳統隨機清掃 100
5.3.2 智慧隨機清掃 101
5.3.3 區域格點地圖建置 102
5.3.4 路標拓樸地圖建置 105
5.3.5 覆蓋率比較 106
5.3.6 複雜多區域覆蓋率比較 109
第6章 結論與未來展望 113
6.1 結論 113
6.2 未來展望 113
參考文獻 115

[1]Service Robotics Market by Environment, Type (Professional and Personal & Domestic), Component, Application (Logistics, Inspection & Maintenance, Public Relations, Marine, Entertainment, Education, & Personal), and Geography - Global Forecast to 2025. 民國109年7月7日,取自:
https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/service-robotics-market-681.html?gclid=EAIaIQobChMI6biJ6Ie26AIVk6yWCh251wkuEAAYASAAEgKB0PD_BwE
[2]iRobot 滾刷設計 民國109年7月7日,取自:
https://www.irobot.com.tw/-/media/images/features/interactive-feature/innovation/roomba/i7_i7-_charcoal_photo_insitu_woodtocarpet_transition_desktop_867x400.ashx?lm=0
[3]Goddard, W., & Blouin, M. (2019). U.S. Patent No. 10,512,384. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
[4]瑞典伊萊克斯 Electrolux Trilobite 民國109年7月7日,取自:
https://attach.mobile01.com/attach/201609/mobile017e8c1d48df005d7ac42981d786b68c86.jpg
[5]美國Neato掃地機器人 民國109年7月7日,取自:
https://quoview.com/data/Botvac-D85-700-2.jpg
[6]具備光學雷達之機器人(石頭) 民國109年7月7日,取自:
https://cf.shopee.tw/file/4cadd86fdde2afa4c5b2bb90fff353a5
[7]具備影像定位之機器人(Dyson) 民國109年7月7日,取自:
https://img.ruten.com.tw/s2/7/75/62/21646380025186_572.jpg
[8]具備影像定位之機器人(iRobot) 民國109年7月7日,取自:
https://ct.yimg.com/xd/api/res/1.2/OlPYNSz6Z83ZXWVH5ZoDzg--/YXBwaWQ9eXR3YXVjdGlvbnNlcnZpY2U7aD00MDA7cT04NTtyb3RhdGU9YXV0bzt3PTQwMA--/https://s.yimg.com/ob/image/173efd9d-a43b-473c-b398-7e571756acb7.jpg
[9]具備影像定位之機器人(Electrolux PURE I9.2) 民國109年7月7日,取自:
https://www.electrolux.com.tw/remote.jpg.ashx?urlb64=aHR0cHM6Ly93d3cuZWxlY3Ryb2x1eC5pbS9wcm9kdWN0cy9YTUxMQVJHRVJJTUFHRS9QSTkxLTVTR01fVFdfNzAweDcwMC5wbmc&hmac=CPrYfGHF5vw&preset=large
[10]具備影像定位之機器人(LG) 民國109年7月7日,取自:
https://www.lg.com/uk/lg-magazine/images/how-to/2017/article_hombot_kv_m_1.jpg
[11]光學雷達(light detection and ranging或LIDAR) 民國109年7月7日,取自:
https://images-na.ssl-images-amazon.com/images/I/61Im%2BfxB6iL.jpg
[12]Electrolux PURE i9.2 3D Vision障礙辨識系統 民國109年7月7日,取自:
https://www.electroluxlifestyle.com.tw/product/pure-i92/
[13]Thrun, S., Montemerlo, M., Dahlkamp, H., Stavens, D., Aron, A., Diebel, J., ... & Lau, K., 2006, "Stanley: The robot that won the DARPA Grand Challenge." Journal of field Robotics 23.9: 661-692.
[14]Se, Stephen, David G. Lowe, and James J. Little., 2005, "Vision-based global localization and mapping for mobile robots." IEEE Transactions on robotics 21.3: 364-375.
[15]鄭冠澤 (2015),以扇狀地圖網絡為基的智慧清掃控制改善吸塵機器人覆蓋效率,國立高雄第一科技大學,碩士論文
[16]KOBAYASHI, Hiroyuki., 2012, “A new proposal for self-localization of mobile robot by self-contained 2d barcode landmark.” In: 2012 Proceedings of SICE annual conference (SICE). IEEE, pp. 2080-2083.
[17]Debski, A., Grajewski, W., Zaborowski, W., & Turek, W., 2015, "Open-source localization device for indoor mobile robots." Procedia Computer Science 76: 139-146.
[18]CHOI, Byoung-Suk; LEE, Joon-Woo; LEE, Ju-Jang., 2008, “Localization and map-building of mobile robot based on RFID sensor fusion system.” In: 2008 6th IEEE International Conference on Industrial Informatics. IEEE, pp. 412-417.
[19]PENG, Chao-Chung; WANG, Yun-Ting; CHEN, Chieh-Li., 2017, “LIDAR based scan matching for indoor localization.” In: 2017 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII). IEEE, pp. 139-144.
[20]蔡振霖、余志成,2008,“家用服務型機器人之同步定位與環境地圖建構”,中國機械工程學會第二十五屆全國學術研討會,彰化,11月21~22日。
[21]YU, J. C., TSAI, L. W., Hsu, J. H., Cheng, K. T., & Lin, W. Y., 2018, “Coverage Control of Cleaning Robots with Limited Sensing Capability”, The 8th International Conference on Positioning Technology, Kaohsiung, Taiwan, Nov. 27-30
[22]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8B%93%E6%89%91%E5%9C%B0%E5%9B%BE
[23]英國地鐵路線圖 民國109年7月7日,取自:
https://www.google.com.tw/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fopen33.ntpc.gov.tw%2Fdateview_inside%3Fdateid%3D2091&psig=AOvVaw1Pah3V5C7ilPGlifq_srAt&ust=1591077445254000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCIDF16733-kCFQAAAAAdAAAAABAD
[24]Ravankar, Ankit A, Abhijeet Ravankar, Takanori Emaru, Yukinori Kobayashi, 2017, “A hybrid topological mapping and navigation method for large area robot mapping.” In: 2017 56th Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers of Japan (SICE). IEEE, pp. 1104-1107.
[25]iRobot 虛擬牆技術 民國109年7月7日,取自:
https://www.google.com.tw/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.youtube.com%2Fwatch%3Fv%3DdL-tvqrqk5w%26persist_app%3D1%26app%3Ddesktop%26client%3Dmv-google%26gl%3DUS%26hl%3Den&psig=AOvVaw2QZikamzmUbptMRjqB5X9y&ust=1594370278821000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCJDm8aHiv-oCFQAAAAAdAAAAABAP
[26]iRobot虛擬牆區域控制 民國109年7月7日,取自:
https://www.google.com.tw/url?sa=i&url=http%3A%2F%2Fsimplifiedsupport.irobot.cn%2Fapp%2Fanswers%2Fdetail%2Fa_id%2F16063%2F~%2Fvirtual-wall%25C2%25AE%25C2%25A0lighthouse%25E2%2584%25A2-%25E6%25A6%2582%25E8%25A6%25BD%25E3%2580%2582&psig=AOvVaw2QZikamzmUbptMRjqB5X9y&ust=1594370278821000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCJDm8aHiv-oCFQAAAAAdAAAAABAV
[27]Janchiv, Adiyabaatar, Dugarjav Batsaikhan, Gook hwan Kim, Soon-Geul Lee, 2011, “Complete coverage path planning for multi-robots based on.” In: 2011 11th International Conference on Control, Automation and Systems. IEEE, pp. 824-827.
[28]林燁敏(2007),自主性具跨越功能之輪型居家清掃機器人的研發,國立高雄第一科技大學,碩士論文
[29]材料摩擦係數表
https://www.engineersedge.com/coeffients_of_friction.htm
[30]Sharp GP2Y0A51SK0F Datasheet 民國109年7月7日,取自:
https://global.sharp/products/device/lineup/data/pdf/datasheet/gp2y0a51sk_e.pdf
[31]Parallax RFID Reader Module 民國109年7月7日,取自:
https://www.parallax.com/product/28140
[32]Tiva™ C 系列LaunchPad EK-TM4C123GX 民國109年7月7日,取自:
https://www.google.com.tw/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fprocessors.wiki.ti.com%2Findex.php%2FTiva_C_Series_LaunchPads&psig=AOvVaw2IUv3J7MQIFTmyzFEk9Eu4&ust=1594374698639000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCKjtot3yv-oCFQAAAAAdAAAAABAE
[33]Raspberry pi3 b+ 民國109年7月7日,取自:
https://www.google.com.tw/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.raspberrypi.org%2Fproducts%2Fraspberry-pi-3-model-b%2F&psig=AOvVaw2mSe6i4qAjAuTSJuZe61qx&ust=1594374766502000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCPD_sf3yv-oCFQAAAAAdAAAAABAJ

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