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系統識別號 U0002-1208200816480900
中文論文名稱 自主式校園導覽機器人之自我定位與運動控制
英文論文名稱 Self-Localization and Motion Control of an Autonomous Campus-Guiding 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 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 謝睿仁
研究生英文姓名 Jui-Jen Hsieh
電子信箱 jeff19830602@pchome.com.tw
學號 695370659
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-07-07
論文頁數 81頁
口試委員 指導教授-王銀添
委員-張帆人
委員-李佩君
委員-許陳鑑
委員-王銀添
委員-楊智旭
中文關鍵字 非完整拘束  電流控制  分散式控制  全球定位系統  運動控制 
英文關鍵字 Global Positioning System (GPS)  Programmable Interface Controller (PIC)  nonholonomic robot  motion control  current control 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文發展校園導覽自主行動機器人的機電整合系統,將系統規劃為策略控制器、運動控制器、與馬達驅動控制器等三層次。策略控制器整合全球定位系統(GPS)與全方位視覺,進行機器人自我定位程序與簡易的路徑規劃。運動控制器則實現具非完整性限制之行動機器人的伺服控制。馬達驅動控制器則實現直流馬達的電流控制。而多個控制演算法皆配有各自獨立運作的處理器,以分散控制器運算的負擔。整合的機器人系統將可以在室外環境中自主巡航,擔任校園導覽任務。
英文摘要 The aim of this thesis is to develop the mechatronics system for an autonomous campus-guiding robot. The mechatronics system is composed of three layers, namely, the strategy controller, the motion controller, and the motor driving controller. The position information extracted from the Global Positioning System (GPS) and omni-directional vision is integrated in the strategy controller to implement robot self-localization and path planning. The servo control of a two-wheeled mobile robot with nonholonomic constraints is carried out in the motion controller. The motor driving controller accomplishes the current control for DC motors. Each control layer has its own microcontroller that is for the purpose to distribute the computation burden. The integrated robot system can be utilized to perform the missions of autonomous navigation and campus-guiding in outdoor environments.
論文目次 目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
第一章 序論 1
1.1研究動機 1
1.2文獻探討 1
1.3研究範圍 2
1.4論文架構 3
1.5 論文架構 4
第二章 機器人GPS-based蒙地卡羅自我定位方法 5
2.1 粒子過濾器(Particle filter)自我定位方法 5
2.2 全球衛星定位系統(Global Position System, GPS) 6
2.3 地表橢球座標與平面座標轉換 7
2.4 GPS資料判讀與座標轉換 10
2.5 地理資訊系統與地圖建立 12
第三章 兩輪機器人運動控制 14
3.1 兩輪機器人動態控制 14
3.2 自主機器人運動模型 16
3.3 機器人行為式控制 18
3.4 馬達模型 19
3.5 開迴路馬達轉速控制 20
3.6 馬達轉速前饋控制與轉速PI控制 21
3.7 馬達電流PI控制 21
3.8 積分終結現象 22
第四章 機器人機電整合系統 24
4.1 PC-based策略控制器 26
4.1.1 傳輸介面 26
4.2 PIC運動控制器 27
4.2.1 計時器規劃 27
4.2.2 傳輸介面 27
4.3 PIC直流馬達驅動控制器 28
4.3.1計時器規劃 28
4.3.2 脈寬度調變(Pulse Width Modulation)工作模組 29
4.3.3 馬達編碼器模組(Quadrature Encoder Interface) 29
4.3.4 UART模組(Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 30
4.3.5 直流馬達 30
4.3.6 馬達驅動電路設計 31
4.3.7 電流感測 36
4.3.8雙電源設計 38
4.3.9 電流命令格式規劃 41
第五章 實驗結果與分析 43
5.1 GPS自我定位範例 43
5.2 馬達電流迴路控制 44
5.2.1 電流感測增益調整 47
5.2.2 電流控制增益調整 48
5.3 電路佈局與訊號干擾的處理 59
5.3.1 電路元件的擺置 49
5.3.2 震盪器 51
5.3.3直流轉直流換流器注意的問題 51
5.3.4消除雜訊的鐵心 51
5.4 運動控制範例 52
5.4.1 推動機器人直走範例 52
5.4.2 機器人開廻路控制範例 53
5.4.3 機器人逆動力學控制範例 53
第六章 結果與討論 54
6.1 研究成果 54
6.2 未來研究方向 54

參考文獻 55
附錄A 粒子過濾器(Particle filter) 58
附錄B GPS接收器 62
附錄C 兩輪機器人動態模型推導 63
附錄D 全方位視覺系統 77
附錄E PIC 控制器 78
附錄F 兩輪自主機器人系統參數 80

圖目錄
圖1.1自主行動機器人系統的規劃 3
圖2.1地面控制中心五個監測站 7
圖2.2 WGS84 轉 TM2度分帶座標 10
圖2.3從RMC傳輸協定擷取所需訊息 12
圖2.4軌跡規劃 12
圖2.5 GIS 校園簡圖 13
圖2.6自訂坐標原點 13
圖3.1機器人基本架構座標圖 16
圖3.2兩輪驅動機器人 17
圖3.3戶外機器人的行為示意 18
圖3.4球在機器人前方區域路徑規劃 19
圖3.5直流馬達機電轉換 20
圖3.6電壓控制型馬達驅動器方塊圖 20
圖3.7具備開迴路馬達轉速控制的機器人運動控制 20
圖3.8速度前饋+PI控制器方塊圖 21
圖3.9具備馬達前饋+PI控制的機器人運動控制 21
圖3.10電流控制型馬達驅動器方塊圖 22
圖3.11馬達具備電流PI控制的機器人運動控制 22
圖3.12反積分終結器 23
圖3.13具反積分終結機制的PID控制器 23
圖4.1兩輪機器人本體外觀 25
圖4.2多層與分散式機器人控制系統架構 25
圖4.3 RS232 通訊協定格式 26
圖4.4馬達驅動與控制 28
圖4.5編碼器外觀、尺寸與接線圖 31
圖4.6低邊驅動(Low-side drive) 33
圖4.7高邊驅動(High-side drive) 33
圖4.8 H型電橋驅動(H bridge drive) 33
圖4.9正轉馬達成發電機的電流逆流 33
圖4.10馬達正轉時電流與電壓 33
圖4.11逆轉馬達成發電機時電流逆流 34
圖4.12馬達反轉時電流與電壓 34
圖4.13驅動器IR21844 34
圖4.14輸入方塊圖 34
圖4.15低邊通道(Low Side channel)方塊圖 35
圖4.16高邊通道(High side channel)方塊圖 35
圖4.17功率晶體的臂間短路 35
圖 4.18 IR21844 36
圖 4.19 廠商建議接法 36
圖 4.20 改良後的電路設計 36
圖 4.21 驅動板成品 36
圖 4.22 HY-10P腳位圖 38
圖 4.23 由HY-10P量測的正反轉電流與轉速PWM命令 39
圖 4.24 由op-amp offset 量測的正反轉電流與轉速PWM命令 39
圖 4.25 加速與電流對應圖 39
圖 4.26 Current sensor circuit 40
圖 4.27 HY-10P 成品 40
圖 4.28 電阻分壓雙電源 40
圖 4.29 雙電源IC S2A01R 40
圖 4.30 雙電源成品圖 41
圖 4.31 從屬端PIC流程圖 42
圖 4.32 控制器電路成品 42
圖5.1 路線規劃 43
圖 5.2 軌跡規劃 44
圖 5.3 GPS 軌跡圖 44
圖5.4 馬達控制方塊圖 45
圖5.5 馬達控制流程圖 46
圖5.6 DAC0800 接線圖 46
圖5.7 DAC0800與LM324 46
圖5.8 電流相對應電壓與數位值 47
圖5.9 DAC 輸出三角波(10kHz) 47
圖5.10 DAC 輸出三角波(4kHz) 47
圖5.11 沒有抵住馬達轉動 48
圖5.12 抵住馬達轉動 48
圖5.13 PI控制50ms 49
圖5.14 PI控制 25ms 49
圖5.15 沒有抵住馬達的PI控制 49
圖5.16 沒有抵住馬達的PI控制 49
圖5.17 佈線較佳的角度 50
圖5.18 類比與數位減少跨線 50
圖5.19 電路成品 50
圖5.20 震盪器擺放 50
圖5.21 直流轉直流換流器 52
圖5.22 直流轉直流換流器成品 52
圖5.23 環型鐵心 52
圖5.24機器人被推動行走2公尺 52
圖5.25 機器人兩輪的轉速與轉速誤差 52
圖5.26 機器人開迴路控制 53
圖5.27 機器人兩輪的轉速與轉速誤差 53
圖5.28 逆動力學實測結果 53
圖5.29 機器人兩輪的轉速與轉速誤差 53
圖A.1 重新取樣流程 61
圖B.1 DG-100 GPS衛星接收儀 62
圖C.1 機器人基本架構座標圖 64
圖C.2機器人輪子速度幾何關係 66
圖C.3 機器人自由體圖 69
圖C.4 機器人系統方塊圖 69
圖C.5 驅動輪的作用力 70
圖C.6 馬達驅動兩輪機器人 70
圖C.7 Lyapunov控制方塊圖 72
圖C.8 Lyapunov三軸步階響應與目標位置曲線 72
圖C.9機器人在xy平面上移動軌跡 72
圖C.10 兩輪機器人 75
圖C.11 兩輪機器人逆動力學控制 75
圖C.12 三軸步階響應與目標位置曲線 75
圖C.13 機器人在xy平面上移動軌跡 76
圖D.1 全方位攝影機 77
圖D.2 雙曲面鏡 77
圖D.3 QuickCam Pro 4000 77
圖D.4 由攝影機上取得的實際影像 77
圖E.1 Microchip PIC18F4431 78
圖E.2 Timer1 79
圖E.3 Timer2 79
圖E.4馬達編碼器模組 79
圖F.1 圓盤 80
圖F.2 機器人本體 81


表目錄
表2.1 GPS 接收訊號 11
表2.2 DG-100 GPS接收訊息範例 11
表2.3 RMC通訊協定的格式 11
表2.4 計算結果 12
表4.1 馬達規格 31
表4.2 IR家族晶片 34
表4.3 電流感測器比較 38
表4.4 命令格式 41
表F.1 兩輪自主機器人系統參數 80
參考文獻 參考文獻
J. Adams, 2001. Boot Component Selection for Control IC’s, http://www.irf.com/ technical- info/designtp/dt98-2.pdf.
J. Barraquand and J.C. Latombe, 1989. On nonholonomic mobile robots and optimal maneuvering, Proceedings of the IEEE International Symposium on Intelligent Control, pp.340-347.
A M. Bloch, M. Reyhanoglu and N.H. McClamroch, 1992. Control and Stabilization of Nonholonomic Dynamic Systems, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol.37, No.11, pp.1746-1757.
G. Campion, B. d’Andrea-Novel and G. Bastin, 1990. Controllability and State Feedback Stability of Nonholonomic Mechanical Systems, In Advanced Robot Control, Proceedings of International Workshop in Adaptive and Nonlinear Control: Issues in Robotics, pp.106-124, Grenoble.
C. Chey and J. Parry, 2003. Managing Transients in Control IC Driven Power stages, http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt97-3.pdf.
J.-B. Coulaud, G. Campion, G. Bastin, and M. De Wan, 2006. Stability Analysis of a Vision-Based Control Design for an Autonomous Mobile Robot, IEEE Transactions on Robotics, vol.22, no.5, pp.1062-1069
A. F. D’Souza and V. K. Garg, 1984. Advanced dynamics: Modeling and Analysis, Prentice-Hall.
F. Dellaert, D. Fox, W. Burgard, and S. Thrun, 1999. Monte Carlo Localization for Mobile Robots, IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA99).
M.W.M.G. Dissanayake, P. Newman, S. Clark, H. Durrant-Whyte, and M. Csorba, 2001. A Solution to the Simultaneous Localization and Map Building (SLAM) Problem, IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol.17, no. 3, pp. 229–241.
P. H. Dana, http://www.pdana.com/PHDWWW.htm/.
L. Feng, J. Borenstein, H.R Everett, 1994. Where am I ? sensors and methods for autonomous mobile robot positioning. In:Technical Report UM2MEAM294212,USA:University of Michigan.
J.P. Hespanha and A.S. Morse, 1999. Stabilization of nonholonomic integrators via logic-based switching. Automatica, 35:385–393.
R. E. Kalman, 1960. A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems, ASME Journal of Basic Engineering, vol.82, pp.35-45.
D. Lee, 2007. Passivity-Based Switching Control for Stabilization of Wheeled Mobile Robots, Proceedings of Robotics Science and Systems Conference.
J.P. Laumond, 1986. Feasible trajectories for mobile robots with kinematic and environment constraints, Proceeding of International Conference on Intelligent Autonomous Systems, pp.346-354.
J.S. Liu, Rong Chen, and Tanya Logvinenko, 2001. A theoretical framework for sequential importance sampling and resampling, In A. Doucet, N de Freitas, and N.J. Gordon, editiors, Sequential Monte Carlo in Practice.springer-verlag.
K. Murphy and S. Russell, January, 2001. Rao-Blackwellised particle filtering for dynamic bayesian networks. In A. Doucet, N. de Freitas, and N. Gordon, editors, Sequential MonteCarlo Methods in Practice.
Y. Ma, J. Kosecka, and S.S. Sastry, 1999. Vision Guided Navigation for a Nonholonomic Mobile Robot, IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol.15, no.3, pp.521-536.
A. Merello, A. Rugginenti, M. Grasso, Using Monolithic High Voltage gate drivers, http:// www.irf.com/technical-info/designtp/dt04-4.pdf.
R. Moghimi, 2000. Ask the Applications Engineer—31, http://www.analog.com/library/ analogDialogue/archives/37-04/comparator.pdf.
I. Rekleitis,2004. A Particle Filter Tutorial for Mobile Robot Localization,International Conference on Robotics and Automation.
I. Rekleitis, 2004. A Particle Filter Tutorial for Mobile Robot Localization, Technical Report. TR-CIM-04-02, Centre for Intelligent Machines, McGill University, Montreal, Quebec, Canada.
L. Sciavicco and B. Siciliano, 1996. Modelling and control of robot manipulators, McGraw-Hill.
H.-S. Shim, J.-H. Kim, and K. Koh, 1995. Variable structure control of nonholonomic wheeled mobile robots, in Proceeding IEEE International Conference on Robotics and Automation, May 1995, pp. 1694–1699.
R. Siegwart, and I. R. Nourbakhsh , 2004, Introduction to Autonomous Mobile Robots.
S. Smith, 2001. Microelectronic Circuits, fourth edition.
J.-J.E Slotine and W. Li, 1991. Applied nonlinear control, Prentice-Hall.
S. Thrun, A. Bücken, W. Burgard et al, 1998. Map learning and high-speed navigation in RHINO, In : AI-based Mobile Robots : Case Studies of Successful Robot Systems , Kortenkamp D, Bonasso R P Murphy R(eds.), USA :MIT Press.
S. Thrun, D. Fox, W. Burgard, and F. Dellaert, 2001. Robust Monte-Carlo. localization for mobile robots, Artificial Intelligence, vol. 128, no. 1-2,. pp. 99–141.
R. E. Walpole, R. H. Myers, S. L. Myers, and K. Ye,2006. Probability and Statistics for Engineer and Scientists, 8/E, Prentice-Hall.
J.Wolf, W. Burgard, and H. Burkhardt, 2005. Robust vision-based localization by combining an image-retrieval system with Monte Carlo localization, IEEE Trans. Robot., vol. 21, no. 2, pp. 208–216.
J.M. Yang and J.H. Kim, 1999. Sliding Mode control for trajectory tracking of Nonholonomic Wheeled Mobile Robots, IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol.15, no.3, pp.578-587.
林誠謙,1989,蒙地卡羅簡介,物理會刊( 11卷2期)。
陳連春,1995,電子電路的問題解決技巧,建興出版社。
曾清凉、儲慶美,1999,GPS衛星測量原理與應用,國立成功大學衛星資訊研究中心。
李宜達,2001,控制系統設計與模擬:使用MATLAB/SIMULINK,全華科技。
蔡朝洋,2003,電子學實習,全華書局。
鄭昆霖,2003,在PDA上整合GPS與GIS之導航系統,逢甲大學資訊工程學系碩士論文。
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。
蔡爾傑,2005,兩輪移動機器人之控制與驅動設計,淡江大學機械工程學系碩士論文。
許吳輔,2006,小型全方位足球機器人之行為式控制,淡江大學機械工程學系碩士論文。
陳子原,2006,自主足球機器人系統之行為式控制,淡江大學機械工程學系碩士論文。
陳添義,2006,具全方位視覺之兩輪足球機器人的追蹤控制,淡江大學機械工程學系碩士論文。
王文俊,2007,智慧型校園導覽及公文傳遞行動機器人,國科會專題計畫提案。
陳俊隆,2007,以FPGA設計兩輪自主機器人之行為式控制系統,淡江大學機械工程學系碩士論文。
陳義智,2008,多機器人平台之研發,碩士論文,淡江大學機械與機電工程學系。
台灣大學校園導覽機器人,機器人世界情報網,http://www.robotworld.org.tw/
ENON機器人,日本富士通公司,相關網站:http://www.frontech.fujitsu.com/en/ forjp/robot/servicerobot/
Wakamaru機器人,日本三菱重工,相關網站:http://www.mitsubishi.com/mpac/e/monitor/ back/0602/story.html
EMIEW機器人,日本日立公司,相關網站:http://www.hitachiappliances.com/New/ cnews/050315a.html
上河文化,座標系統與二度分帶座標,台灣地理人文全覽圖,2006,http://www.sunriver.com.tw/grid_tm2.htm/。
國立成功大學水工試驗所,資料庫及地理資訊組,大地坐標轉換測試程式,http://gis.thl.ncku.edu.tw/coordtrans/coordtrans.aspx/。
水土保持局,整合性網際網路地理資訊系統,行政院農業委員會,
http://gis.swcb.gov.tw/。
林務局,整合性地理資訊系統,行政院農委會林務局,http://www.forest.gov.tw/web/GIS/gis.htm/。

論文使用權限
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