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 U0002-1108200913553700
中文論文名稱 視覺式機器人自我定位與移動物體的狀態估測
英文論文名稱 Vision-based Robot Self-localization and State Estimation of Moving Objects
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 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 黃禹文
研究生英文姓名 Yu-Wen Huang
學號 696370641
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-29
論文頁數 59頁
口試委員 指導教授-王銀添
委員-劉昭華
委員-張文中
中文關鍵字 影像特徵追蹤與偵測  全方位視覺  機器人自我定位  移動物件偵測 
英文關鍵字 Image processing algorithms for feature detection and tracking  Omnidirectional Robot vision  Robot self-localization  Detection motion object 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究將以影像點特徵追蹤與偵測方法規劃機器人的感測模組,以提供機器人系統進行自我定位,以及偵測移動物體的位置與方向。研究的內容包括四個部份,分別是偵測與追蹤影像特徵、全方位視覺二維像素座標轉三維空間座標、移動物體方向與位置偵測、以及系統整合與功能測試等。發展的視覺式感測模組將應用在具備全方位視覺的差速移動機器人系統上。
英文摘要 In this thesis, a sensor module based on the method of image feature detection and tracking is developed, and provided for the robot system to carry out the tasks of self-localization and detection of the position and orientation of a moving object. The research is divided into four stages, including the detection and tracking of image features, the coordinate transformation method of an omnidirectional vision, the detection of the position and orientation for a moving object, and the system integration and experiments. The developed visual sensor module will be applied to the differential-drive mobile robot with an omnidirectional vision.
論文目次 目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅸ
第一章 序論 1
1.1 研究計畫之背景與目的 1
1.2 研究範圍 2
1.3 文獻探討 2
1.4 論文架構 3
第二章 機器人機構 4
2.1 中型機器人 5
2.2 小型機器人 6
第三章 影像輔助機機器人自我定位 9
3.1 影像特徵偵測方法 9
3.2 影像特徵追蹤方法 10
3.3 KLT影像特徵偵測與追蹤 12
3.4 全方位視覺模組 13
3.5 影像特徵三維座標計算方法 14
3.6 使用全方位攝影機進行特徵偵測追蹤範例成果分析 19
3.7 機器人自我定位 26
第四章 移動物體的方位偵測 34
4.1 已知物體的方位偵測程序 34
4.2 已知物體方位偵測範例 36
4.3 影像偵測與追蹤方法的誤差分析 39
4.4 移動物體方位偵測範例 42
4.5 移動機器人的方位偵測程序 44
4.6 移動機器人的方位偵測範例 49
第五章 研究成果與建議 52
5.1 研究成果 52
5.2 未來研究方向 52
參考文獻 53
附錄A KLT影像特徵偵測與追蹤 54

圖目錄
圖1.1(a) 機器人群隊 02
圖1.1(b) 機器人群隊 02
圖2.1 中型機器人兩輪差速系統 04
圖2.2(a) 小型機器人(設計圖) 05
圖2.2(b) 小型機器人(實體圖) 05
圖2.3 全方位視覺系統 06
圖2.4 雙曲面鏡 06
圖2.5 QuickCam Pro 4000 06
圖2.6 封閉式充電鉛酸電池 07
圖2.7 直流減速馬達外觀圖 07
圖2.8 核心控制電路板 08
圖3.1(a) 前視型影像特徵偵測範例 10
圖3.1(b) 全方位型影像特徵偵測範例 10
圖3.2(a) 無特徵一致性檢測 11
圖3.2(b) 進行特徵一致性檢測 11
圖3.3(a) 室外追蹤特徵一致性檢測 13
圖3.3(b) 室內追蹤特徵一致性檢測 13
圖3.4(a) 室外特徵追蹤效率,填補遺失特徵 13
圖3.4(b) 室內特徵追蹤效率,填補遺失特徵 13
圖3.5 全方位視覺影像 14
圖3.6 全方位視覺的座標系統設定 16
圖3.7 雙曲面鏡 16
圖3.8 全方位視覺系統側視圖 17
圖3.9(a) r值與z值對應曲線 17
圖3.9(b) r值與x值對應曲線 17
圖3.10(a) 雙曲面z長度誤差量 17
圖3.10(b) 雙曲面x長度誤差量 17
圖3.11 極線平面 19
圖3.12 機器人移動示意圖 19
圖3.13 實驗場地示意圖 21
圖3.14(a) 攝影機初始位置 21
圖3.14(b) 攝影機移動後位置 21
圖3.15(a) 攝影機初始位置 22
圖3.15(b) 攝影機移動後位置 22
圖3.16 實驗場地示意圖 22
圖3.17(a) 攝影機初始位置 23
圖3.17(b) 攝影機移動後位置 23
圖3.18(a) 攝影機初始位置 23
圖3.18(b) 攝影機移動後位置 23
圖3.19 實驗場地規劃 24
圖3.20(a) 攝影機初始位置 24
圖3.20(b) 攝影機移動後位置 24
圖3.21(a) 特徵點與攝影機在空間中的狀態 25
圖3.21(b) 特徵點與攝影機在空間中x,y平面的狀態 25
圖3.21(c) 特徵點與攝影機在空間中y,z平面的狀態 25
圖3.22 利用PF進行自我定位範例示意圖 27
圖3.23(a) 機器人初始位置影像 27
圖3.23(b) 機器人移動位置1影像 27
圖3.23(c) 機器人移動位置2影像 27
圖3.23(d) 機器人移動位置3影像 27
圖3.23(e) 機器人移動位置4影像 28
圖3.23(f) 機器人移動位置5影像 28
圖3.23(g) 機器人移動位置6影像 28
圖3.23(h) 機器人移動位置7影像 28
圖3.23(i) 機器人移動位置8影像 28
圖3.23(j) 機器人移動位置9影像 28
圖3.23(k) 機器人移動位置10影像 28
圖3.24(a) 初始位置時場地狀態 29
圖3.24(b) 移動位置1時場地狀態 29
圖3.24(c) 移動位置2時場地狀態 29
圖3.24(d) 移動位置3時場地狀態 29
圖3.24(e) 移動位置4時場地狀態 29
圖3.24(f) 移動位置5時場地狀態 29
圖3.24(g) 移動位置6時場地狀態 29
圖3.24(h) 移動位置7時場地狀態 29
圖3.24(i) 移動位置8時場地狀態 30
圖3.24(j) 移動位置9時場地狀態 30
圖3.24(k) 移動位置10時場地狀態 30
圖3.25 利用PF進行自我定位範例示意圖 30
圖3.26(a) 機器人初始位置影像 31
圖3.26(b) 機器人移動位置1影像 31
圖3.26(c) 機器人移動位置2影像 31
圖3.26(d) 機器人移動位置3影像 31
圖3.26(e) 機器人移動位置4影像 31
圖3.26(f) 機器人移動位置5影像 31
圖3.26(g) 機器人移動位置6影像 31
圖3.26(h) 機器人移動位置7影像 31
圖3.26(i) 機器人移動位置8影像 32
圖3.26(j) 機器人移動位置9影像 32
圖3.27(a) 初始位置時場地狀態 32
圖3.27(b) 移動位置1時場地狀態 32
圖3.27(c) 移動位置2時場地狀態 32
圖3.27(d) 移動位置3時場地狀態 32
圖3.27(e) 移動位置4時場地狀態 32
圖3.27(f) 移動位置5時場地狀態 32
圖3.27(g) 移動位置6時場地狀態 33
圖3.27(h) 移動位置7時場地狀態 33
圖3.27(i) 移動位置8時場地狀態 33
圖3.27(j) 移動位置9時場地狀態 33
圖3.28 實際運動軌跡與PF自我定位軌跡狀態 33
圖4.1(a) {a2}座標系統設定 35
圖4.1(b) {a1}座標系統設定 35
圖4.2(a) 物體現在狀態 36
圖4.2(b) 物體初始狀態 36
圖4.3 實驗環境示意圖 37
圖4.4 物體初始位置時攝影機拍攝狀態 38
圖4.5 物體繞z軸轉-20度時攝影機拍攝狀態 38
圖4.6 初始位置下特徵點1的位置誤差 40
圖4.7 初始位置下特徵點2的位置誤差 40
圖4.8 初始位置下特徵點3的位置誤差 40
圖4.9 繞z軸-20度時特徵點1的位置誤差 41
圖4.10 繞z軸-20度時特徵點2的位置誤差 41
圖4.11 繞z軸-20度時特徵點3的位置誤差 41
圖4.12 機體座標原點A的位移量誤差 41
圖4.13 機體座標原點A在-20度位置誤差 41
圖4.14 機體座標旋轉RPY角度誤差 42
圖4.15 移動物體方位偵測 43
圖4.16 資料庫特徵點,共40個 43
圖4.17 移動物體方位偵測 44
圖4.18 固定座標系與攝影機座標系的設定 48
圖4.19 攝影機座標系與影像平面關係圖 48
圖4.20 攝影機與場地側視圖 48
圖4.21 影像平面與場地平面的關係圖 49
圖4.22 場地平面與車體的關係圖 49
圖4.23 移動機器人的方位偵測 51
圖A.1 金字塔圖層 56

表目錄
表2.1 中型馬達動力設計規劃 06
表2.2 小型直流減速馬達規格 08
表3.1 C函式執行各程序所需時間之比較 13
表3.2 r與z關係多項式 18
表3.3 r與x關係多項式 18
表3.4 特徵點在固定座標中的位置 21
表3.5 特徵點在固定座標中的位置 22
表3.6 特徵點在固定座標中的位置 23
表3.7 特徵點在固定座標中的位置 24
表4.1 初始狀態下機體座標統與原點A及B、C的位置 37
表4.2 初始位置時機體座標相對固定座標的旋轉矩陣 38
表4.3 物體在初始位置時特徵點位置 38
表4.4 物體在繞z軸轉-20度時特徵點位置 38
表4.5 物體繞z軸轉-20度時機體座標旋轉矩陣 39
表4.6 初始位置與繞z軸-20度時的RPY角度與機體座標原點A移動量 39
表4.7 物體繞z軸旋轉-20度,機體座標原點位置估測 39
表4.8 移動物體的位置與方向 43
表4.9 移動物體的位移量與方向 44
表4.10 機器人於空間中四個位置時的狀態 51
參考文獻 [1] Bay, H., A. Ess, T. Tuytelaars, L. Van Gool, 2008, SURF: speeded up robust features, Computer Vision and Image Understanding, vol.110, pp.346-359.
[2] Bouguet, J.Y., 1997, Pyramidal Implementation of the Lucas Kanade Feature Tracker, Website: http://robots.stanford.edu/cs223b04/algo_tracking.pdf.
[3] Birchfield, 1997, Derivation of Kanade-Lucas-Tomasi Tracking Equation, Website: http://www.ces.clemson.edu/~stb/index.html.
[4] Civera, J., A.J. Davison, J.A. Magallon, and J.M.M. Montiel, 2008, Drift-Free Real-Time Sequential Mosaicing, Accepted for publication in International Journal of Computer Vision.
[5] Davison, A.J., I.D. Reid, N.D. Molton, and O. Stasse, 2007, MonoSLAM: Real-Time Single Camera SLAM, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol.29, no.6, pp.1052-1067.
[6] Dellaert, F., D. Fox, W. Burgard, and S. Thrun, 1999, Monte Carlo Localization for Mobile Robots, IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA99).
[7] Delaunay, B., 1934, Sur la sphere vide Bulletin of the academy of Sciences of the U.S.S.R, classe des Sciences Mathematiques et Naturelles, Series 7(6), 793-800.
[8] Guibas, L., and J. Stolfi, 1985, Primitives for the Manipulation of General Subdivisions and the Computation of Voronoi Diagrams, ACT TOG, 4(2).
[9] Harris, C., and M. Stephens, 1988, A combined corner and edge detector, Proceedings of the 4th Alvey Vision Conference: pages 147-151.
[10] Lowe, D.G., 1999, Object recognition from local scale-invariant features, Proceedings of International Conference on Computer Vision, pp.1150-1157.
[11] Lorenzo Sciavicco and Bruno Siciliano, Modeling and control of robot manipulators, p32-34.
[12] Moravec, H., 1980, Obstacle Avoidance and Navigation in the Real World by a Seeing Robot Rover, Tech Report CMU-RI-TR-3 Carnegie-Mellon University, Robotics Institute.
[13] Pajdla, T., T. Svoboda, and V. Hlavac, 2001, Epipolar geometry of central panoramic cameras, in Panoramic Vision: Sensors, Theory, and Applications, R., Benosman and S.B., Kang, Eds. Berlin, Germany: Springer-Verlag, pp. 85–114.
[14] Rosten, E., and T. Drummond, May 2006, Machine learning for very high-speed corner detection, in European Conference on Computer Vision.
[15] Shi, J., and C. Tomasi, 1994, Good features to track, In Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, pp.593-600.
[16] 張峰銘, 2004, 中型機器人設計製作, 淡江大學機械工程學系碩士論文。
[17] 陳義智, 2008, 具備全方位視覺之全方位機器人的自我定位方法與發展平台, 淡江大學機械工程學系碩士論文。
[18] 朱溶琦, 2009, 影像特徵初始化及其在機器人同時定位與建圖的應用, 淡江大學機械工程學系碩士論文。
[19] 姚力瑋, 2009, 差速驅動機器人系統之視覺輔助行為式運動控制, 淡江大學機械工程學系碩士論文。
[20] 張哲銘, 2009, 小型人形機器人系統之視覺式同時定位與建圖,淡江大學機械工程學系碩士論文。
[21] 李伯欣、陳國瑋,2009,影像特徵偵測與追蹤,淡江大學機械工程學系畢業專題。
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2014-08-25公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2011-08-25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