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系統識別號 U0026-0812200915350968
論文名稱(中文) 即時物體追蹤之立體視覺導引全向移動機器人之研製
論文名稱(英文) Design and Implementation of a Stereo Vision-Guided Omnidirectional Mobile Robot for Real-Time Object Tracking
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 工程科學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Engineering Science
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生(中文) 顏忠逸
研究生(英文) Chung-Yi Yen
電子信箱 n9696110@mail.ncku.edu.tw
學號 n9696110
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 164頁
口試委員 口試委員-林鐘烲
口試委員-陳信助
口試委員-蕭霖癸
口試委員-楊松霈
指導教授-何明字
中文關鍵字 計算轉矩法  凝視角度增加法  立體視覺導引  全向移動機器人 
英文關鍵字 gaining of angle gaze  omnidirectional mobile robot  computed-torque  sereo vision-guided 
學科別分類
中文摘要 本論文旨在設計並實現視覺伺服系統,以立體視覺即時導引全向移動機器人達成物體追蹤,因此利用兩個影像感測器來模擬人類的雙眼,如此便能計算出目標物在空間中的位置,並以影像處理演算法,建構出即時影像追蹤並結合引導全向移動機器人以達成追蹤控制目的。整個系統主要分成全向移動機器人、影像處理模組、兩顆影像感測器和追蹤控制器部份。其中,影像處理模組部份主要是以可程式邏輯閘陣列(field programmable gate array, FPGA)來完成;影像感測器則是採用CMOS影像感測器;而追蹤控制器部份是以數位訊號處理器為控制核心。在實作上,利用CMOS影像感測器來擷取物體位置,再由FPGA處理相關的影像演算法,並將資訊傳到數位訊號處理器去估測物體在三維空間中的座標,最後分別利用凝視角度增加法(gaining angle of gaze)結合PI控制器與計算轉矩(computed torque)結合PID控制器兩種控制方法來完成引導全向移動機器人的追蹤控制。本論文比較兩種演算法的性能,經過分析與實驗後,以利用計算轉矩結合PID控制器具有較佳之性能。
英文摘要 The objective of this thesis is to design and implement the visual servo system to use the stereo vision to guide an omnidirectional mobile robot for real-time object tracking. The system consists of two image sensors to imitate the human eyes so that the position of the target can be obtained using the image processing algorithms. And also a real-time vision system for an omnidirectional mobile robot is constructed to achieve the tracking control. The system consists of an omnidirectional mobile robot, image processing module, two image sensors, and tracking controller. In this system, the image processing algorithms are implemented on an FPGA device. The CMOS image sensors are used to detecting the position of the object. Besides, the tracking controller is implemented on a digital signal processor. CMOS image sensors capture the images. The FPGA is used to execute the image processing algorithm to estimate the position of the target in 3D space. Finally, the tracking control is done by two control methods, one is gaining of angle gaze with PI controllers and the other is computed torque with PID controllers. The theoretical development is validated through the simulation and experiment. It shows that computed torque with PID controller has superior performance.
論文目次 摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖表目錄 VIII
第一章 緒論 1-1
1-1 研究背景 1-1
1-2 研究動機及目的 1-1
1-3 研究步驟 1-2
1-4 相關文獻回顧 1-5
1-5 實驗室相關成果 1-6
1-6 論文結構 1-6
第二章 相機模型與影像處理法 2-1
2-1 前言 2-1
2-2 數位影像處理簡介 2-1
2-3 針孔成像模型 2-2
2-4 相機內部參數 2-4
2-5 參數估測 2-9
2-6 移動物體偵測 2-13
2-7 影像二值化 2-13
2-8 物體座標計算 2-14
2-8-1 座標軸轉換 2-15
2-8-2 三維座標計算 2-17
2-9 影像處理流程規劃 2-21
第三章 全向移動機器人與直流伺服馬達數學模型 3-1
3-1 前言 3-1
3-2 全向移動機器人機構部分動態模型之建立 3-1
3-3 永磁式直流馬達數學模型與參數識別 3-12
3-4 全向移動機器人整體系統數學模型 3-19
第四章 控制器設計 4-1
4-1 前言 4-1
4-2 視覺加速消去法概述(Optical Acceleration Cancellation Model) 4-1
4-3 線性視覺軌跡法概述(Linear Optical Trajectory Model) 4-5
4-4 控制器設計 4-6
4-4-1 追蹤控制架構 4-6
4-4-2 控制器設計 4-10
4-5 計算轉矩控制器設計 4-17
4-5-1 計算轉矩控制器設計 4-17
4-5-2 PID控制器設計 4-18
第五章 系統軟、硬體平臺架構與核心晶片介紹 5-1
5-1 前言 5-1
5-2 整體系統架構 5-1
5-3 具視覺功能之全向移動機器人機構 5-2
5-3 核心晶片 5-7
5-3-1 數位訊號處理器TMS320F2812 5-7
5-3-1-1 PWM介面 5-7
5-3-2 FPGA (Field Programmable Gate Array) 5-11
5-4 周邊電路 5-13
5-4-1 DSP記憶體位址解碼電路 5-13
5-4-2 電池組 5-16
5-4-3 PWM驅動電路與穩壓電路 5-18
5-4-4 QEP (Quadurature Encoder Pulse)電路 5-19
5-5 軟體程式 5-23
5-5-1 Code Composer Studio簡介 5-23
5-5-2 Quartus II簡介 5-27
第六章 模擬與實作結果 6-1
6-1 前言 6-1
6-2 模擬結果 6-1
6-2-1 凝視角度增加法的模擬結果 6-2
6-2-1-1 定點追蹤模擬結果 6-3
6-2-1-2 二次定點追蹤模擬結果 6-7
6-2-2 計算轉矩法的模擬結果 6-11
6-2-2-1 定點追蹤模擬結果 6-12
6-2-2-2 二次定點追蹤模擬結果 6-15
6-2-2-3 弦波模擬結果 6-18
6-3 軟體規劃 6-21
6-4 硬體規劃 6-24
6-5 實作結果 6-27
6-5-1 凝視角度增加法追蹤控制的實驗結果 6-27
6-5-2 計算轉矩法追蹤控制的實驗結果 6-31
6-5-2-1 定點追蹤實作結果 6-32
6-5-2-2 二次定點追蹤實作結果 6-35
6-5-2-3 不規則引導追蹤實作結果 6-38
第七章 結論與未來展望 7-1
7-1 結論 7-1
7-2 未來展望 7-1
參考文獻 Ref-1
附錄A A-1
附錄B B-1
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