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 U0002-1208201321010300
中文論文名稱 滅火機器人之避障控制器設計
英文論文名稱 The Design of the Obstacles Avoidance Controller for a Fire-Fighting 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 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 林炫汶
研究生英文姓名 Hsuan-Wen Lin
學號 600371016
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-07-15
論文頁數 96頁
口試委員 指導教授-楊智旭
委員-張士行
委員-孫崇訓
中文關鍵字 自主避障  灰色理論  滅火機器人  火焰辨識  雙眼視覺 
英文關鍵字 Fire-fighting Robot  Flame Recognition  Binocular Vision  Obstacles Avoidance  The Grey Theory 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文主要目的是設計滅火機器人之智慧型避障控制器,使其達成火焰即時辨識追蹤、滅火,並能兼具對障礙物之自主避障功能的滅火機器人。在預先規劃的路徑中,滅火機器人透過雙眼視覺做即時監控判斷,在火災發生初期時,會立即偵測火焰變化,並使用火焰感測器進行確認並持續追蹤與發送警報,並設計避障控制器使機器人在較複雜的環境中自主移動、避障,再利用模糊理論控制機器人自主行走與火源保持適當距離,最後透過所配備的滅火設備完成滅火。
機器人移動平台為兩輪式自走車(Segway),使用雷射測距儀偵測環境資訊做為偵測障礙物依據並使用灰色理論來設計避障控制器:如遭遇障礙物前,事先計算避障的模式,並在障礙物附近假設四個虛擬閃避點,以虛擬點跟障礙物與車體夾角角度及距離作為灰決策理論的參數,計算最佳的閃避點。在不需精準數學模型的情況下,模糊控制則應用於車體行走及步進馬達角度的控制。並以兩個網路攝影機仿效人類雙眼視覺功能計算出與火焰的相對距離,利用影像處理技術辨別火焰並取得火焰中心位置,最後結合警報系統與滅火裝置完成此智慧型滅火機器人。此機器人兼具遙控功能,使操作人員能依照實際現場狀況控制滅火機器人做適當調整。
最後透過模擬實驗的方式驗證此論文所提出之理論與設計,並在四個模擬實驗中達到火焰追蹤、避障、滅火動作及手動遙控等功能,成功驗證避障型滅火機器人的可行性。
英文摘要 The objective of this thesis is to design a controller of obstacle avoidance for an intelligent fire-fighting robot. The controller will be able to avoid obstacles and to plan the moving path by grey system theory.
The platform of this robot is a Segway Rmp50. Two webcams are installed on the top of the platform to be the visual components in order to detect the neighborhood objects. Then, the captured images will be applied to recognized the flame by image processing techniques. There is also a laser ranger finder in this system. It is a position sensor to find out the environmental information for the grey obstacle avoidance controller.
Finally, the above flame recognition system is combined with a developed fuzzy controller to track and extinguish the fire simultaneously. And the robot is able to avoid dynamic and static obstacle automatically.
In the thesis, several experiments are designed to check the functions of obstacle avoidance, fire recognization and fire tracking, and to extinguish the fire. The experimental results show that this fire-fighting robot is working very well.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1、前言 1
1.2、文獻探討 5
1.3、研究動機與目的 12
第二章 基礎理論 15
2.1、模糊理論 15
2.2、灰色系統理論 17
2.3、色彩空間 21
2.3.1、RGB色彩空間 21
2.3.2、YCbCr色彩空間 22
2.4、標準立體視覺幾何 23
2.5、座標平均法求中心點 25
第三章 研究設備與方法 27
3.1、研究設備 27
3.2、相關應用理論 38
3.2.1、兩輪式機器人運動方程式 38
3.2.2、模糊行走設計 39
3.2.3、影像處理 42
3.2.4、雙眼視覺量測 47
3.2.5、滅火控制系統 50
3.3、研究假設與實驗設計 53
第四章 實驗結果與驗證 55
4.1、模糊行走控制器與灰色避障控制器 55
4.2、滅火系統控制流程 62
4.3、火焰影像辨識及距離控制 63
4.4、模糊控制系統 64
4.5、火災警報系統 69
4.6、滅火機器人車體人機介面 70
4.7、模擬實驗 71
4.7.1、實驗範例一:避障實驗 71
4.7.2、實驗範例二:系統避障暨滅火模擬實驗 79
4.7.3、實驗範例三:滅火失敗處置模擬實驗 84
4.7.4、實驗範例四:手動遙控滅火實驗 87
第五章 結論與討論 89
5.1、結論 89
5.2、討論 90
參考文獻 93

圖目錄
圖 1.1、火災發展過程圖 .......................................................................... 1
圖1.2、水柱式滅火機器人 ...................................................................... 6
圖1.3、水霧式滅火機器人 ...................................................................... 6
圖1.4、保全機器人Guardrobo D1 .......................................................... 7
圖1.5、遙控滅火機器人 .......................................................................... 7
圖1.6、中華電信一號滅火機器人 .......................................................... 8
圖1.7、VFDS 系統 ................................................................................... 9
圖1.8、GKB 監控攝影機 ......................................................................... 9
圖1.9、FLIR 紅外線熱感測器 ............................................................... 10
圖1.10、研究流程圖 .............................................................................. 14
圖2.1、模糊邏輯控制器架構 ................................................................ 16
圖2.2、RGB 立方體圖 ........................................................................... 22
圖2.3、RGB 轉YCbCr 色彩空間範例.................................................. 23
圖2.4、雙眼攝影機與特徵點3-D 示意圖 ............................................ 24
圖2.5、標準立體視覺幾何結構 ............................................................ 25
圖2.6、座標平均法示意圖 .................................................................... 26
圖3.1、Segway 移動平台外觀 ............................................................... 28
圖3.2、雙眼監控攝影機 ........................................................................ 29
圖3.3、LMS-100 雷射測距儀 ................................................................ 30
圖3.4、微處理控制器 ............................................................................ 31
圖3.5、步進馬達與驅動器 .................................................................... 32
圖3.6、馬達旋轉機構側試圖 ................................................................ 33
圖3.7、氣壓電磁閥與二氧化碳鋁瓶 .................................................... 33
圖3.8、紫外線火焰感測器 .................................................................... 34
圖3.9、紫外線感測範圍示意圖 ............................................................ 35
圖3.10、車體系統裝置圖 ...................................................................... 36
圖3.11、微處理控制器及各設備整合 .................................................. 36
圖3.12、整體系統架構 .......................................................................... 37
圖3.13、車體移動示意圖 ...................................................................... 38
圖3.14、目標移動示意圖 ...................................................................... 40
圖3.15、戶外、內場景擷取之影像 ...................................................... 43
圖3.16、空間型別轉換後結果 .............................................................. 43
圖3.17、YCbCr 參數調整二值化圖 ...................................................... 44
圖3.18、影像處理流程 .......................................................................... 46
圖3.19、影像處理範例結果 .................................................................. 46
圖3.20、火焰目標中心位置顯示 .......................................................... 47
圖3.21、火焰目標中心位置顯示範例 .................................................. 47
圖3.22、雙眼攝影機向量求算示意圖 .................................................. 50
圖3.23、影像二值化結果 ...................................................................... 51
圖3.24、野營火把 .................................................................................. 54
圖4.1、自走控制系統流程圖 ................................................................ 55
圖4.2、避障雷射區域示意圖 ................................................................ 56
圖4.3(a)、左避障模式虛擬閃避點示意圖 ........................................ 58
圖4.3(b)、右避障模式虛擬閃避點示意圖 ........................................ 59
圖4.4、滅火控制流程圖 ........................................................................ 63
圖4.5、車體控制之影像判斷區域 ........................................................ 65
圖4.6、步進馬達控制之滅火噴嘴判斷區域 ........................................ 66
圖4.7、模糊控制流程圖 ........................................................................ 68
圖4.8、警報感測電路 ............................................................................ 69
圖4.9、火災警報系統 ............................................................................ 70
圖4.10、滅火機器人車體人機介面 ...................................................... 71
圖4.11、機器人閃避靜態障礙物連續運動示意圖 .............................. 73
圖4.12、機器人閃避動、靜態障礙物連續運動示意圖 ...................... 74
圖4.13、機器人閃避障礙物錄影連續定格分解圖1/2 ........................ 77
圖4.13、機器人閃避障礙物錄影連續定格分解圖2/2 ........................ 78
圖4.14、機器人閃避障礙物暨滅火連續運動示意圖 .......................... 80
圖4.15、機器人閃避障礙物暨滅火錄影連續定格分解圖1/2 ............ 82
圖4.15、機器人閃避障礙物暨滅火錄影連續定格分解圖2/2 ............ 83
圖4.16、機器人滅火失效處置連續運動示意圖 .................................. 84
圖4.17、機器人滅火失效處置錄影連續定格分解圖1/2 .................... 86
圖4.17、機器人滅火失效處置錄影連續定格分解圖2/2 .................... 87
圖4.18、手動遙控滅火錄影連續定格分解圖 ...................................... 88

表目錄
表1.1、2012 內政部統計處歷年火災事故統計表 ................................. 5
表1.2、實驗室歷屆相關研究 ................................................................ 12
表3.1、LMS-100 資料表 ........................................................................ 30
表3.2、LMS-100 傳輸速度 .................................................................... 31
表3.3、模糊行走規則庫 ........................................................................ 41
表4.1、避障權重輸入預設表 ................................................................ 56
表4.2、灰色局勢集合範例 .................................................................... 61
表4.3、右避障模糊規則庫 .................................................................... 62
表4.4、左避障模糊規則庫 .................................................................... 62
表4.5、車體控制之模糊規則庫 ............................................................ 66
表4.6、步進馬達控制之模糊規則庫 .................................................... 67
參考文獻 參考文獻
[1]內政部消防署火災統計 http://www.nfa.gov.tw/main/List.aspx?ID=&MenuID=342
[2]S. Davis, “Fire Fighting Water:A Review of Fire Fighting Water Requirements, A New Zealand Perspective,” Fire Engineering Research Report, 2000.
[3]中國國際警用裝備網http://www.cpspew.com/product-cat-2480.html
[4]http://images.businessweek.com/ss/05/06/robots/source/2.htm
[5]正修科技大學電子系智慧型載具開發實驗室電子資料庫http://patent.ee.csu.edu.tw/patent/
[6]http://tw.myblog.yahoo.com/cht-andy
[7]http://www.scientificamerican.com
[8]http://www.nvideo.com.tw/default.htm
[9]http://www.johnson-group.com.hk/hk/termitecontrol.php
[10]Chieh-Chih Wang,” Simultaneous Localization Mapping And Moving Object Tracking”, Camegie Mellon University, 2003.
[11]嚴仲偉,可教導式之自走車導航機制,國立成功大學工程科學系碩士論文,2002年6月。
[12]侯惠傑,機器人之避障路徑規劃與FPGA實現,淡江大學電機工程學系碩士論文,民國90年6月。
[13]王涵,輪型機器人之模糊控制器設計,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,民國97年6月。
[14]翁崇泰,機器人移動平台之全局避障路徑規劃及遠端監控設計,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,民國97年6月。
[15]蘇群翔,機器人定位建圖與自主運動控制,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,民國99年8月。
[16]鍾立楷,灰色系統理論於輪型機器人之自主避障研究,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,民國100年6月。
[17]李後德,移動機器人之火源偵測及追蹤系統設計,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,民國100年6月。
[18]王可喬,智慧型滅火機器人之模糊控制器設計,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,民國101年6月。
[19]L.A.Zadeh, “Outline of a New Approach to the Analysis of Complex Systems and Decision Process,” IEEE Transactions. Systems Man Cybernet, 3, pp.338-353, 1965.
[20]E.H.Mamdani, “Application of Fuzzy Algorithms for Control of Simple Dynamic Plant,” Proc. Inst. Elect. Eng, Vol.121, No.12, pp.1585-1588, 1974.
[21]http://ycc.tsu.edu.tw/9415/page/fuzzy.htm
[22]鄧聚龍,灰色系統理論與應用,全華科技圖書股份有限公司,民國88年。
[23]吳漢雄,鄧聚龍,溫坤禮,灰色分析入門,高立圖書有限公司,民國87年。
[24]吳坤禮,趙忠賢,張宏志等,灰色理論,五南圖書出版公司,民國98年。
[25]http://williamrei20.wordpress.com/2013/02/07/que-es-el-sistema-rgb/
[26]侯杰廷,適用於人機互動之3D動作追蹤系統,淡江大學資訊工程學系碩士論文,民國98年6月。
[27]維基百科(http://en.wikipedia.org/wiki/YCbCr)
[28]謝孟錫,雙攝影機視覺輔助三維點座標量測,崑山科技大學機械工程研究所碩士論文,民國98年6月。
[29]Karan Gupta, Anjali V. Kulkarni, “Implementation of an Automated Single Camera Object Tracking System Using Frame Differencing and Dynamic Template Matching,” International Joint Conferences on Computer, Information, and Systems Sciences, and Engineering CISSE 07, Technically Co-Sponsored by Institute of Electrical & Electronics Engineers (IEEE) and University of Bridgeport, December 3 - 12, 2007.
[30]http://www.apexvalue.com/basic_stamp/Updates/product_id_new_28850.htm
[31]蔡爾傑,兩輪移動機器人之控制與驅動設計,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2005。
[32]廖維中,以色彩分析為基礎之臉部遮蔽偵測應用於ATM監視系統,淡江大學資訊工程學系碩士論文,民國94年6月。
[33]Giuseppe Marbach, Markus Loepfe, Thomas Brupbacher, “An Image Processing Technique for Fire Detection in Video Images,” Fire Safety Journal, 41, pp.258-289, 2006.
[34]B. Ugur Toreyin, Yigithan Dedeoglu, Ugur Gudukbay, A. Enis Cetin, “Computer Vision Based Method for Real-Time Fire and Flame Detection,” Pattern Recognition Letters, 27, pp.49-58, 2006.
[35]韋戎、盧福明、林達德,立體視覺系統於距離量測上之應用,國立台灣大學生物產業機電工程學研究所,民國95年8月。
[36]洪敦彥,基於擴張型卡爾曼過濾器的機器人視覺式同時定位、建圖、與移動物體追蹤,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,民國99年6月。
[37]高政良,具火災偵測之追蹤式數位錄影系統之研究,南台科技大學碩士論文,民國91年6月。
[38]賴丙全,利用多攝影機進行移動物三維定位及追蹤,中央大學土木工程學系碩士論文,民國96年7月。
[39]Yu-Chang Hu, “Image Motion Estimation for Medical Image Applications,” Chung Yuan University, Master’s Thesis, June, 2001.
[40]陳清濤,步進馬達兩軸式定位控制系統設計,黎明技術學院機械工程系碩士論文,民國95年6月。
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2013-08-15公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2013-08-15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