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系統識別號 U0026-0812200912122403
論文名稱(中文) 全方向輪式機器人之建構及其以立體視覺為基礎之導航
論文名稱(英文) Construction and Stereo Vision Based Navigation of an Omni-directional Wheeled Robot
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 機械工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Mechanical Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生(中文) 王培睿
研究生(英文) Pei-Ruei Wang
學號 N1693467
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 92頁
口試委員 口試委員-孫永年
口試委員-楊家輝
指導教授-蔡清元
中文關鍵字 VFH法  全方向輪  立體視覺  導航  避障 
英文關鍵字 stereo vision  omni-directional wheel  planar homography  VFH method  obstacle avoidance  navigation 
學科別分類
中文摘要   近年來智慧型機器人的發展已經成為機器人學領域中最受矚目的一個方向。智慧型機器人能夠於人類生活的環境中自由的移動,並且協助人類完成許多事情。因此,機器人的導航與在雜亂環境中的避障,就成為一個十分重要的課題。
  本篇論文中,建構了一台具有立體視覺的全方向輪式機器人。該機器人裝備了全方向輪式底盤,使其於平面上擁有同時平移以及自轉的能力。因此,可以達成在充滿障礙物的環境中,朝任意方向平移,同時不改變自身方位的擬人化避障行為。障礙物偵測方面,提出了一個利用Planar homography原理分離障礙物影像,並將障礙物影像投影至地板的障礙物偵測方法。避障與導航策略方面,首先討論了著名的VFH法則運用於本研究所建構的機器人時發生的問題,並針對這些問題,發展了一個基於VFH法則的導航策略。所設計的導航策略能夠使機器人擁有擬人化的避障運動模式。
  最後,透過實驗結果,證實了機器人的效能以及所提出導航策略之可行性。


英文摘要  The development of the intelligent robots has become the most important direction in robotics. Intelligent robots can move freely in the living environment of humans and help humans to fulfill many tasks. Consequently, the navigation and obstacle avoidance in an object-laden environment become an important issue.
 An omni-directional wheeled robot with stereo vision is constructed in this thesis. The mobile robot equipped with an omni-directional wheeled base can move simultaneously and independently in translation and rotation. Therefore, the robot can be controlled to achieve a human-like obstacle avoidance behavior, translating along any direction in an object-laden environment while holding the orientation of the robot. An obstacle extraction method based on planar homography is proposed for the obstacle detection, where obstacle images are perspectively projected on the floor. As to the obstacle avoidance method and the navigation strategy, the problems caused by applying the VFH method to the developed mobile robot are discussed first. A novel navigation strategy based on VFH is then proposed to resolve these problems. Using the proposed navigation strategy, the omni-directional mobile robot can exhibit a human-like obstacle avoidance behavior.
 Finally, the effectiveness of the developed mobile robot and the practicability of the navigation strategy were verified through the experiments.


論文目次 中文摘要                      I
英文摘要                      II
誌謝                      III
目錄                      IV
圖目錄                      VII
表目錄                       X
第一章 緒論                    1
1.1 研究動機與目的               1
1.2 文獻回顧                  1
1.3 研究貢獻                  3
1.4 本文架構                  3
第二章 系統架構與設計               4
2.1 機器人之設計                5
2.2 全方向輪式底盤               6
2.2.1 全方向輪式底盤之機械設計          6
2.2.2 全方向輪式底盤之運動學           8
2.3 雙眼機械頭                 10
2.3.1 雙眼機械頭之機械結構            10
2.3.2 攝影機                   11
2.4 控制系統                  11
2.4.1 雙C6X DSP PCI卡              12
2.4.2 信號處理卡與驅動卡              12
2.4.3 影像擷取卡                 13
  2.5 控制架構                  13
第三章 影像處理與立體視覺              21
3.1 影像處理                  21
3.1.1 色彩空間轉換                21
3.1.2 區塊分析                  22
3.2 攝影機模型與校正              22
3.3 同軸幾何與攝影機矯正            24
3.3.1 同軸幾何                  25
3.3.2 攝影機矯正                 25
  3.4 3D距離量測                 27
  3.5  Planar Homography              28
    3.5.1 Planar homography的估算        29
    3.5.2 Planar homography用於地板平面之辨識  31
    3.5.3 利用Planar Homography後之影像後處理  32
  3.6 3D空間平面點與影像點之對應          33
第四章 導航策略                   42
  4.1 導航策略概述               42
  4.2 機器人之擬人式全方向移動          43
  4.3 利用立體視覺獲得障礙物資訊          44
    4.3.1 利用planar homography分離障礙物 44
    4.3.2 應用planar homography時產生的問題 45
    4.3.3 利用planar homography避障方法的討論 46
    4.3.4 立體視覺環境偵測方法設計      47
  4.4 避障策略                    48
    4.4.1 VFH避障策略               48
    4.4.2 機器人視野所產生的問題      50
    4.4.3 障礙物地圖更新的問題           51
    4.4.4 基於VFH法的改良式視覺避障策略      52
  4.5 趨近目標物               54
第五章 實驗                    65
  5.1 全方向輪式底盤之運動控制           65
  5.2 立體視覺實驗               66
    5.2.1 影像矯正實驗               66
    5.2.2  Planar homography實驗      67
  5.3 導航實驗                    68
第六章 結論                    88
  6.1 總結                    88
  6.2 未來發展                    88
參考文獻                        90
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論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2011-09-04起公開。
  • 同意授權校外瀏覽/列印電子全文服務,於2016-09-04起公開。


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