淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-0209200514225400
中文論文名稱 全方位移動機器人之影像伺服運動控制
英文論文名稱 Image Servoing Motion control for an Omni-directional Mobile Robot
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 李志偉
研究生英文姓名 Chih-Wei Li
學號 692340721
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-07-29
論文頁數 62頁
口試委員 指導教授-王銀添
委員-陸冠群
委員-楊智旭
中文關鍵字 全方位機器人  影像伺服控制  PID控制  運動模擬 
英文關鍵字 Omni-directional Mobile Robot  Image Servoing Motion Control  PID Control  Simulation of Motion 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究設計全方位移動機器人的影像伺服控制器,以應用在小型足球機器人比賽,小型足球機器人比賽以全域視覺為其視覺系統,利用CCD以及影像擷取卡拍攝場地影像,透過設計的影像伺服控制器計算並送出機器人的控制命令,再透過RF無線傳輸控制命令給全方位移動機器人完成整個控制流程。
首先,利用運動學、靜力學以及動力學相關理論推導出全方位移動機器人的動態方程式,根據動態方程式設計PID控制器與逆動力學控制器等兩型控制器;其次,以Matlab Simulink模擬輔助全方位移動機器人的實測,分別對命令產生、機器人建模、PID控制器以及全方位移動機器人系統進行模擬,以點到點運動控制模擬以驗證系統可行性;最後,利用影像處理的影像修正技術應用在機器人的影像伺服控制,直接修正影像誤差,讓影像不致產生失真現象。全方位移動機器人系統實測上,利用開迴路控制以及閉迴路PID控制探討其響應,再配合模擬結果比對,以完成整個影像伺服控制過程。
經由數值模擬以及實驗結果得知,利用PID控制器設計的影像伺服控制,全方位移動機器人可以依照設計的三種控制命令,X軸控制命令、Y軸控制命令以及角度控制命令,全方位移動機器人能達到控制命令所要求的目標以及轉向控制。
英文摘要 Image servo controller of omni-directional mobile robot for small-size soccer robot game is designed in this study. Small-size soccer robot game is using global vision system with CCD to capture the image of the soccer field. The control commands of the robot are calculated by the designed image servo controller, and then sent to the omni-directional robot through the RF wireless communication to complete whole control procedure.
First of all, the dynamic equations of omni-directional mobile robot are inferred based on related kinematic, static, and dynamic theory. According to the dynamic equations, PID controller and inverse dynamic controller are designed. Secondly, it uses Matlab Simulink simulation to assist the realization of omni-directional mobile robot, which includes commands generation, modeling robot, PID controller, and omni-directional mobile robot system. The workability is tested by point-to-point motion control simulation. Finally, image processing technology of image correction is applied to the image servo controller, such that errors caused by vision are corrected, and the image is close to the actuality without distortion. In testing omni-directional robot system, open-loop control and close-loop PID control are used to discuss the response of omni-directional mobile robot system, and then compared to the result of simulation to image servo control procedure.
According to the result of numerical simulation and experimenting on the field, employing the designed PID controller, the omni-directional mobile robot can obey the following designed control commands: X-axis, Y-axis, and angle control commands, and achieve the target and angle requested by the control command.
論文目次 目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅲ
目錄 Ⅴ
圖目錄 Ⅶ
表目錄 Ⅸ
符號說明 Ⅹ
第1章 緒論 1
1.1 研究動機與研究目的 1
1.2 文獻探討 1
1.3 研究範圍與論文架構 2
第2章 全方位移動機器人運動分析 3
2.1 機器人運動學分析 3
2.2 機器人靜力學分析 6
2.3 機器人運動控制器設計 7
2.4 機器人的動態模式 8
2.5 機器人動態控制設計 11
第3章 全方位移動機器人運動控制模擬 14
3.1 全方位移動機器人路徑命令產生 14
3.2 全方位移動式機器人系統模擬方塊建立 16
3.3 全方位移動機器人PID控制器模擬 18
3.4 全方位移動式機器人控制命令模擬方塊建立 19
3.5 機器人運動控制模擬 20
3.5.1 步階響應模擬 20
3.5.2 追蹤控制模擬 22
第4章 全方位移動機器人運動控制實測 25
4.1 全方位移動機器人硬體介紹 25
4.2 影像伺服控制的測試架構 26
4.3 影像還原修正 27
4.4 機器人開迴路控制測試 29
4.4.1 機器人沿x軸方向路徑平移 29
4.4.2 機器人沿y軸方向路徑直行 30
4.4.3 機器人位置固定不動角度順時針旋轉 30
4.4.4 機器人繞圓形行走 31
4.4.5 機器人開迴路控制結論探討 31
4.5 機器人PID閉迴路測試 37
4.5.1 機器人沿x軸方向路徑行走 38
4.5.2 機器人沿y軸方向路徑行走 38
4.5.3 機器人位置固定不動角度從0度旋轉至120度 38
4.6 測試結果討論 39
第5章 結論與建議 45
5.1 研究結果討論 45
5.2 未來研究方向 45
參考文獻 47
附錄A 機體座標動態方程式推導 49
附錄B 場地座標動態方程式推導 52
附錄C 全方位移動機器人參數設定表 56
附錄D 即時影像處理之座標修正 57
D.1 廣角失真修正 57
D.2 鏡頭歪斜問題 59
D.3 多平面問題修正 61
圖目錄
圖2.1 全方位移動機器人基本架構座標圖 4
圖2.2 全方位移動機器人輪子速度幾何關係 6
圖2.3 全方位移動機器人自由體圖 7
圖2.4 全方位移動機器人運動控制器 8
圖2.5 輪子驅動系統的作用力圖 9
圖2.6 全方位移動機器人PID控制器 11
圖2.7 全方位移動機器人逆動力學控制器 13
圖3.1 全方位移動機器人控制器與機器人系統示意圖 16
圖3.2 Simulink全方位移動機器人系統方塊圖 16
圖3.3 C(p,pdot)增益次系統圖 17
圖3.4 h增益次系統圖 17
圖3.5 Simulink全方位移動機器人PID控制器方塊圖 18
圖3.6 全方位移動機器人PID控制器訊號處理次系統方塊圖 19
圖3.7 全方位移動機器人控制命令方塊圖 19
圖3.8 全方位移動機器人完整控制圖 20
圖3.9 暫態響應x軸控制命令與實際位置曲線圖 21
圖3.10 暫態響應y軸控制命令與實際位置曲線圖 21
圖3.11 暫態響應角度控制命令與實際位置曲線圖 22
圖3.12 x軸控制命令與實際位置誤差曲線圖 23
圖3.13 y軸控制命令與實際位置誤差曲線圖 23
圖3.14 角度控制命令與實際角度誤差曲線圖 24
圖3.15 全方位移動式機器人命令路徑與移動路徑曲線圖 24
圖4.1 Kornylak的全方位輪 25
圖4.2 全方位移動機器人整體機構圖 26
圖4.3 顏色標籤示意圖(0號車) 27
圖4.4 座標修正測試圖 28
圖4.5 機器人開迴路控制x軸平移位置座標圖 32
圖4.6 機器人開迴路控制y軸直行位置座標圖 32
圖4.7 機器人開迴路控制位置固定不動角度順時針旋轉 33
圖4.8 機器人開迴路控制繞圓形行走 33
圖4.9 機器人開迴路控制x軸平移位置實測圖 34
圖4.10 機器人開迴路控制y軸平移位置實測圖 35
圖4.11 機器人開迴路控制位置固定不動角度轉向實測圖 36
圖4.12 機器人PID控制器 37
圖4.13 機器人x軸移動位置-時間座標圖 40
圖4.14 機器人y軸移動位置-時間座標圖 40
圖4.15 機器人位置固定不動角度旋轉-時間座標圖 41
圖4.16 機器人閉迴路PID控制x軸移動位置實測圖 42
圖4.17 機器人閉迴路PID控制y軸移動位置實測圖 43
圖4.18 機器人閉迴路PID控制位置固定不動角度轉向實測圖 44
圖附錄D.1 目標物座標修正流程圖 57
圖附錄D.2 廣角失真後距離與實際距離之比較圖 58
圖附錄D.3 廣角失真修正後距離與實際距離 59
圖附錄D.4 為失真影像與修正後的影像結果 59
圖附錄D.5 鏡頭歪斜與影像失真圖 60
圖附錄D.6 兩個影像片段中對應的點 61
圖附錄D.7 影像裝置、各目標物與球場地面高度關係圖 62
表目錄
表4.1 五部機器人實際座標與各誤差修正後座標比較表 29
附錄C 全方位移動機器人參數設定表 56
參考文獻 參考文獻
1.Airtrax http://www.airtrax.com/
2.J. Aranda, A. Grua and J. Climent, 1998, Control Architecture for a Three- wheeled Roller Robot, Proceedings International Workshop on Advanced Motion Control.
3.J. F. Blumrich, 1974, Omnidirectional Vehicle, United States Patent 3,789,974.
4.H. M. Bradbury, 1980, Omni-Directional Transport Device, United States Patent 4,223,753
5.J. Grabowiecki, 1919, Vehicle-Wheel, United States Patent 1,305,535
6.B. E. Ilon, 1975, Wheels for a Course Stable Selfpropelling Vehicle Movable in any Desired Direction on the Ground or Some Other Base, United States Patent 3,876,255
7.J. H. Kim, H. S. Shim, H. S. Kim, M. J. Jung, and P. Vadakkepat, 1997, Action selection and strategies in robot soccer systems, Proceedings of The 40th Midwest Symposium on Circuits and Systems, pp.518-521.
8.Kornylak Corporation http://kornylak.com/
9.W. H. T. La, 1981, Microcomputer-controlled Omnidirectional Mechanism for Wheelchairs, Frontiers of Engineering in Health Care.
10.H. K. Lam, T. H. Lee, F. H. F. Leung, and P. K. S Tam, 2001, Decision maker for robot soccer, The 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, pp.43-48.
11.T.-H. S. Li, I. F. Lin, and T. M. Hung, 2002, Behavior-based fuzzy logic control for a one-on-one robot soccer competition, IEEE International Conference on Fuzzy Systems, pp.470-475.
12.Y. Liu, X. Wu, J Jim Zhu, J. Lew, 2003, Omni-Directional Mobile Robot Controller Design by Trajectory Linearization, Proc. American Control Conference
13.P.F. Muir, and C.P. Neuman, 1987, Kinematic modeling of wheeled mobile robots, Journal of Robotic Systems 4, 281–340.
14.S. W. Park, J. H. Kim, E. H. Kim, and J. H. Oh, 1997, Development of a multi-agent system for robot soccer game, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.626-631.
15.Radiometrix. http://www.radiometrix.co.uk/
16.RoboCup, 2005, Robot World Cup Initiative. http://www.robocup.org/
17.L. Sciavicco, and B. Siciliano, 1996, Modeling and control of robot manipulators, McGraw-Hill.
18.Y. Song, D. Tan, Y. Tian, 2002, Experiment Identification of the Dynamics Parameters of an Omnidirectional Wheel Mobile Robot, Proceedings of the 4th World Congress on Inteligent Control and Automation.
19.G. Strang, 1980, Linear Algebra and Its Applications, Academic Press.
20.K. Watanabe, 1998, Control of Ominidirectional Mobile Robot, 1998 2nd Int. Conf. on Knowledge -Based Intellegent Electronic Systems, Adelaide, Australia
21.K. Watanabe, K. Izumi, J. Tang, and F. Han, 1997, Trajectory Control of an Omnidirectional Mobile Robot Using a Fuzzy Servo System, Proc. Of the 2nd Int. Workshop on Advanced Mechatronics (IWAN’97), Unzenn, Japan, pp.74-79
22.K. Watanabe, Y. Shiraishi, S. G. Tzafestas, J. Tang, and T. Fukuda, 1998, Feedback Control of an Omnidirectional Autonomous Platform for Mobile Service Robots, Journal of Intelligent and Robotic Systems, 22(3), pp. 315-330
23.Q. Zhang, Y.M. Yang, and Y. Li, 2002, A multi-agent cooperative system of soccer robot, Proceedings of the 4th World Congress on Intelligent Control and Automation, pp.510-514.
24.2004台灣機器人足球大賽官方網頁http://ic2s.ee.ncku.edu.tw/ 2004RobotSoccerCup.htm/
25.田世豪,2000,機器足球員之模糊競賽策略,雲林科技大學電機工程學系碩士論文。
26.李加恩,1983,自走式機器人運動控制,交通大學控制工程研究所碩士論文。
27.林義峰,2001,一對一機器人足球賽之設計與實現,成功大學電機工程學系碩士論文。
28.林柏辰,王威文,李雅鈴,翁慶昌,2003,多功能機器足球員之設計與實現,自動控制研討會,pp.25-30。
29.周明豐,2001,DSP主控之機器足球員設計,淡江大學電機工程學系碩士論文。
30.侯惠傑,2001,機器人之避障路徑規劃與FPGA實現,淡江大學電機工程系碩士論文。
31.陳柏堯,1999,機器人足球員之硬體製作、路徑規劃與競爭策略,雲林科技大學電機工程系博士論文。
32.陳堉淮,2001,Robot Soccer之視覺伺服系統設計,雲林科技大學電機工程學系碩士論文。
33.遊寶達、黃國勝,2001,全國足球機器員競賽—一對一足球機器員競賽構想書,中正大學3C產業應用教學資源中心。
34.蔡政興,2003,全方位移動系統之設計與實現,淡江大學電機工程系碩士論文。
35.鄒宗穎,2004,小型足球機器人系統影像處理、運動命令產生、與機構設計之研究。
36.劉人誠,2000,車型機器足球員模糊射門控制之實現,成功大學電機工程學系碩士論文。
37.劉秋豪,2003,五對五機器人足球系統的策略設計與群對控制,淡江大學機械工程學系碩士論文。
38.賴昶安,2001,設計實現模糊場控制器於一對一機器足球員比賽,成功大學電機工程學系碩士論文。
39.簡盛崧,2000,應用影像處理實現車型機器人之模糊軌跡追隨與規劃控制法之研究,國立成功大學電機工程學系碩士論文。
40.鍾韻華,2002,影像伺服控制應用於一對一機器足球賽,淡江大學機械工程學系碩士論文。
41.黃勻良,2005,全方位移動機器人之機構與驅動設計,淡江大學機械工程學系碩士論文。
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2006-09-07公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2006-09-07起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信