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。

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.

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
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