本論文主要為設計一個在人形機器人行走的過程中影像穩定的方法，透過回授的感測器數值與馬達角度推測攝影機的位置與視線的方向，再予以影像的資訊適當的補償。人形機器人在行走時，為了行走的穩定性，會有一定幅度的身體搖擺以將身體的重心移動至走路的支撐腳上，而這個身體的擺動卻影響了影像辨識，導致在計算目標的位置時產生誤差，因此本論文設計一個影像穩定系統，利用安裝在人形機器人身上的IMU感測器偵測人形機器人的姿態並校正影像資訊。在IMU中，通過陀螺儀偵測旋轉的角速度，利用FPGA系統負責積分成旋轉角度，加上加速度計所估測的角度，在FPGA內嵌軟核心NIOS中使用卡爾曼濾波估測身體傾斜度。IMU偵測的人形機器人姿態搭配運動學求得頭部攝影機的姿態，在IPC系統中計算攝影機的位置偏移與視線角度的改變，並對於影像資訊作適當的校正。

This thesis presents a method for image stabilization when humanoid robot walking. Sensor feedback and motor angle situation are used to estimate the position and sight direction of camera of humanoid robot to make up for image information. In order to walk stably, humanoid robot has to swing body and move the center of mass of body to supporting leg. The swing of body effects image recognition to cause some errors for image object localization. This thesis designs an image stabilization system that getting sensor value from Inertial Measure Unit (IMU) for estimating robot attitude to correct image data. In IMU, a gyroscope is used to sense the angular velocity turn into the rotation angle by integration which is calculate in FPGA system. The rotation angle will adjust by Kalman filter in NIOS with the other angle estimation result from an accelerometer. IPC system determines the camera position and direction of sight according to the robot attitude from IMU and camera attitude from kinematics. Then IPC system correct the image information.

目錄	I
圖目錄	III
表目錄	V
第一章	序論	1
1.1	研究背景	1
1.1.1	自主機器人的目的	1
1.1.2	自主人形機器人的趨勢	3
1.2	研究動機	4
1.3	論文架構	6
第二章	人形機器人平台	7
2.1	人形機器人平台簡介	7
2.2	人形機器人機構介紹	7
2.2.1	頭部機構	9
2.2.2	手部機構	9
2.2.3	腳部機構	11
2.3	人形機器人核心控制板	13
2.3.1	FPGA核心控制板	13
2.3.2	IPC核心控制板	15
第三章	人形機器人系統架構	16
3.1	人形機器人系統架構簡介	16
3.2	人形機器人FPGA系統架構	16
3.3	人形機器人IPC系統架構	18
3.3.1	影像處理	19
3.3.2	策略執行	21
3.3.3	步態規劃	22
第四章	影像穩定	24
4.1	逆透視轉換	24
4.2	焦點估測校正	27
4.3	步態規劃校正	32
4.4	IMU估測穩定	33
第五章	實驗結果	37
5.1	焦點估測校正的實驗結果	37
5.2	IMU估測穩定的實驗結果	43
第六章	結論與未來展望	48
參考文獻	49

圖目錄
圖1.1、影像偵測位置結果圖	4
圖2.1、頭部馬達配置圖	9
圖2.2、手部馬達配置圖	10
圖2.3、腳部馬達配置圖	12
圖3.1、FPGA系統架構圖	17
圖3.2、IPC系統流程圖	19
圖3.3、影像處理流程圖	20
圖3.4、影像處理之人機介面	21
圖3.5、策略執行之人機介面	22
圖3.6、步態規劃之人機介面	23
圖3.7、步態控制點示意圖	23
圖4.1、逆透視轉換垂直方向	25
圖4.2、逆透視轉換水平方向	26
圖4.3、人形機器人座標	26
圖4.4、人形機器人身體傾斜示意圖	28
圖4.5、各馬達座標定義圖	29
圖4.6、步態規劃延遲圖	33
圖4.7、人形機器人身體旋轉示意圖	35
圖4.8、影像補償流程圖	36
圖5.1、測距實驗環境圖	37
圖5.2、對準標記點示範圖	38
圖5.3、頭部模擬機構圖	39
圖5.4、頭部模擬機構測距結果圖	41
圖5.5、人形機器人測距結果圖	42
圖5.6、感測器實驗結果	44
圖5.7、IMU估測實驗圖	45
圖5.8、IMU估測實驗結果圖	46
圖5.9、IMU估測穩定實驗圖	46
圖5.10、IMU估測穩定實驗結果圖	47

表目錄
表2.1、Robotis馬達規格表	8
表2.2、FPGA板規格表	14
表2.3、GY-521規格表	14
表2.4、MIO-2262規格表	15
表4.1、D-H連桿表	30
表4.2、手動旋轉的校正	34
表5.1、頭部模擬機構測距結果	40

參考文獻
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