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系統識別號 U0026-0812200915351474
論文名稱(中文) 以視覺伺服為基礎之舉球控制系統之研製
論文名稱(英文) Design and Implementation of Vision-Based Ball Lifting Control Systems
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) 張居強
研究生(英文) Chu-Chiang Chang
電子信箱 n9695406@mail.ncku.edu.tw
學號 n9695406
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 208頁
口試委員 口試委員-林鐘烲
口試委員-蕭霖癸
口試委員-陳信助
口試委員-楊松霈
指導教授-何明字
中文關鍵字 舉球控制系統  視覺伺服 
英文關鍵字 DSP 
學科別分類
中文摘要 本論文採用數位訊號處理器(digital signal processor, DSP)及可程式邏輯閘陣列(field programmable gate array, FPGA)為平台,建構出乒乓球在三維空間中的軌跡追蹤與舉球視覺伺服控制系統。整個系統主要可分為舉球機構、影像處理模組、影像感測器、數位訊號處理器與舉球控制系統。其中,影像處理模組以可程式邏輯閘陣列來完成;影像感測器則是採用CMOS黑白影像感測器;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,首先利用CMOS影像感測器擷取影像,經由FPGA進行影像演算法求得乒乓球在影像平面中的座標並透過DSP計算出乒乓球在三維空間中的軌跡,使用軌跡決定擊球時間、擊球速度與擊球平板的旋轉角度,最後透過PID控制器進行馬達控制。經過驗證與分析後,本論文證實了演算法的可行性,並完成了以視覺伺服為基礎之舉球控制系統。
英文摘要 In this thesis, the digital signal processor and FPGA device are used to carry out construct a flying table tennis ball trajectory tracking and vision-based ball lifting task. The system consists of a ball lifting robot with three motor actuators, image processing module, two image sensors, digital signal processor, and ball lifting controller. In this system, CMOS image sensors capture the images of the table tennis ball, and then the image processing algorithm is executed by the FPGA device, and image information is sent to the digital signal processor to determine the position of the ball. Finally, the ball lifting control is done by the digital signal processor with PID controllers. The theoretical development is validated through the simulation and experiments.
論文目次 中文摘要……………………………………………………I
英文摘要……………………………………………………II
誌謝…………………………………………………………III
目錄…………………………………………………………IV
圖表目錄……………………………………………………VIII
第一章 緒論
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………………………………………1-3
1-4 相關文獻探討…………………………………1-6
1-5 本實驗室之相關成果…………………………1-8
1-6 論文結構………………………………………1-9
第二章 基礎動力學與流體力學簡介
2-1 前言……………………………………………2-1
2-2 流體之基本定…………………………………2-1
2-2-1 物理定義………………………………………2-2
2-2-2 流體的分子結構………………………………2-2
2-2-3 牛頓流體與非牛頓流體………………………2-2
2-2-4 黏性流(Viscous Flow)與非黏性流(In-viscid Flow)2-2
2-2-5 可壓縮流與不可壓縮流………………………2-3
2-3 流體的因次和單位……………………………2-3
2-3-1 流體力學的物理定律…………………………2-3
2-3-2 流體力學的因次和單位………………………2-4
2-3-3 簡介雷諾數(Reynolds Number)………………2-6
2-3-4 標準大氣定義…………………………………2-8
2-4 球體周圍之流動………………………………2-9
2-4-1 外部流動………………………………………2-9
2-4-2 邊界層…………………………………………2-9
2-4-3 剪應力…………………………………………2-11
2-4-4 摩擦阻力與壓力阻力…………………………2-12
2-4-5 雷諾數與阻力係數……………………………2-12
2-4-6 雷諾數與升力係數……………………………2-15
2-5 光滑球體在標準空氣中旋轉飛行時的橫向偏移量…2-18
2-6 牛頓三大運動定律……………………………2-22
2-7 質點動力學中的衝量與動量…………………2-23
2-8 碰撞……………………………………………2-25
2-9 恢復係數………………………………………2-26
2-10 剛體平面力學中的偏心碰撞…………………2-29
2-11 合理估算球在碰撞後的旋轉情形……………2-31
2-11-1 恢復係數與擊球板的速度……………………2-31
2-11-2 偏心碰撞………………………………………2-33
2-11-3 旋轉碰撞所造成的斜向飛行…………………2-35
2-11-4 旋轉中的球與擊球板碰撞後之偏移情形……2-36
2-12 偏移量總結……………………………………2-40
第三章 相機模型與相機參數估測
3-1 前言……………………………………………3-1
3-2 數位影像處理簡介……………………………3-1
3-3 針孔成像模型…………………………………3-3
3-4 相機內部參數…………………………………3-6
3-5 相機規格介紹…………………………………3-11
3-6 相機內部參數估測……………………………3-13
第四章 影像處理演算法
4-1 前言……………………………………………4-1
4-2 移動物體偵測…………………………………4-1
4-2-1 影像二值化……………………………………4-2
4-2-2 影像相減法……………………………………4-3
4-2-3 影像濾波器……………………………………4-5
4-3 物體在影像平面上的座標之計算……………4-9
4-4 物體在三維空間的座標之計算………………4-12
4-4-1 座標軸轉換……………………………………4-13
4-4-2 相機座標軸水平移動時的三維座標計算……4-15
4-4-3 影像平面座標軸旋轉時的座標換算…………4-19
4-5 影像處理流程規劃……………………………4-21
第五章 設計系統數學模型推導與控制器
5-1 前言……………………………………………5-1
5-2 連桿機構數學模型之建立……………………5-1
5-3 XY平台數學模型………………………………5-3
5-4 永磁式直流馬達數學模型與參數識別………5-6
5-5 乒乓球飛行軌跡控制器設計…………………5-12
5-5-1 擊球控制器設計………………………………5-13
5-5-2 PID控制器設計…………………………………5-15
第六章 系統硬體平台架構
6-1 前言……………………………………………6-1
6-2 系統架構 ………………………………………6-1
6-3 周邊硬體電路與規格…………………………6-3
6-3-1 影像感測器……………………………………6-3
6-3-2 影像感測器傳輸規格…………………………6-8
6-3-3 RS-232通訊傳輸………………………………6-10
6-3-4 OPA549驅動電路………………………………6-17
6-3-5 D/A轉換介面……………………………………6-17
6-3-6 旋轉型光學式編碼器…………………………6-19
6-3-7 外部記憶體……………………………………6-20
6-3-8 QEP電路…………………………………………6-22
6-3-9 直線軸承………………………………………6-25
第七章 系統核心晶片與影像處理系統實現
7-1 前言……………………………………………7-1
7-2 可程式邏輯陣列(FPGA)………………………7-1
7-2-1 Cyclone EP1C12Q240C6 FPGA…………………7-3
7-3 數位訊號處理器………………………………7-6
7-3-1 TMS320F2812核心………………………………7-7
7-4 FPGA 內部模組規劃……………………………7-7
7-5 軟體程式………………………………………7-15
7-5-1 Code Composer Studio簡介…………………7-15
7-5-2 Quartus II簡介………………………………7-20
第八章 實驗結果
8-1 前言……………………………………………8-1
8-2 系統實驗硬體架設……………………………8-1
8-3 軟體規劃………………………………………8-5
8-4 實驗結果………………………………………8-12
第九章 結論與未來展望
9-1 結論……………………………………………9-1
9-2 未來展望………………………………………9-1
參考文獻
自述
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論文全文使用權限
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  • 同意授權校外瀏覽/列印電子全文服務,於2016-08-25起公開。


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