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系統識別號 U0002-1708201121424700
中文論文名稱 兩輪差速驅動機器人之視覺式同時定位與建圖
英文論文名稱 Visual Simultaneous Localization and Mapping for Differentially Driven Mobile Robots
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 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 郭沛棋
研究生英文姓名 Pei-Chi Kuo
學號 698370490
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-07-19
論文頁數 80頁
口試委員 指導教授-王銀添
委員-孫崇訓
委員-張文中
委員-劉昭華
委員-許陳鑑
中文關鍵字 兩輪差速驅動機器人  狀態回授  同時定位與建圖(SLAM)  機器人視覺 
英文關鍵字 differentially driven mobile robot  Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)  state estimation  robot vision 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要   本研究發展兩輪差速驅動機器人的視覺式同時定位與建圖(SLAM)系統。研究分為兩個部份:第一部份整合兩輪差速驅動機器人的軟硬體設備,架設視覺感測器與雷射測距儀,以VC++整合多種感測器與廠商提供的機器人驅動控制介面,以及使用雷射測距儀建立簡易的地面基準。第二部份使用三種方法估測兩輪差速驅動機器人的狀態,包括編碼器回授、影像回授、與混合影像與編碼器回授等方法。本論文所發展具備SLAM能力的行動機器人,在室內環境中成功測試路徑閉合的功能、執行長距離SLAM任務的能力、以及提供運動控制所需的機器人狀態回授。
英文摘要   In this thesis, the visual simultaneous localization and mapping (SLAM) is developed for differentially driven mobile robots. The research divided into two parts: First, the software and hardware system of the differentially driven mobile robot are integrated. We utilize a binocular vision and a laser ranger finder as the sensing devices for the robot. The sensing devices are integrated with the driving and control interfaces of the mobile robot using Visual C++ programming language. The laser ranger finder in this thesis is utilized to provide a simple method of ground truth. Second, the robot state estimator for SLAM is designed using three different kinds of feedback information provided by motor encoders, a free-moving camera and a camera with known motion model. The SLAM system is implemented on a differentially driven mobile robot. The basic capabilities of the SLAM system are successfully tested, including ground truth and loop closure, as well as the ability of navigating over a long distance in indoor environments.
論文目次 目錄
摘要 Ⅰ
目錄 Ⅳ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 Ⅷ
第1章 序論 1
1.1 研究動機與研究目的 1
1.2 文獻探討 2
1.3 研究範圍 3
第2章 兩輪差速驅動機器人 3
2.1 機器人系統架構 3
2.2 機器人運動模型 5
2.3編碼器角度與轉速回授 6
2.3.1 編碼器回授轉速測試 7
2.4雷射測距儀 10
2.4.1 距離與方向測試 10
2.4.2 地面基準的建立 11
2.5本章結論 12
第3章 機器人狀態估測 13
3.1 編碼器回授(motor encoder)狀態估測 13
3.2 自由移動攝影機(free-moving Camera)狀態估測 13
3.3 具運動模型攝影機(camera with motion model)狀態估測 16
3.4 直行路徑的偏移現象 18
3.5 視覺回授觀測直行偏移現象 19
3.5.1 自由移動攝影機估測機器人的直行運動 21
3.5.2 具運動模型攝影機估測機器人的直行運動 24
3.6 本章結論 27
第4章 實測結果與分析 28
4.1觀測直行路徑偏移修正 28
4.1.a 自由移動攝影機估測機器人行走圖書館環境 29
4.1.b 具運動模型攝影機估測機器人行走圖書館環境 34
4.2直行一個書架後右轉 40
4.2.a 自由移動攝影機估測機器人行走圖書館環境 40
4.2.b 具運動模型攝影機估測機器人行走圖書館環境 44
4.3室內環境繞行櫃子SLAM 49
4.3.a 自由移動攝影機估測機器人繞行實驗室環境 50
4.3.b 具運動模型攝影機估測機器人繞行實驗室環境 53
4.4 使用T-S切換式模糊控制行走圖書館環境 59
4.4.a 自由移動攝影機視覺式SLAM估測機器人路徑 59
4.4.b 具運動模型攝影機視覺式SLAM估測機器人路徑 63
4.5本章結論 66
第5章 差速驅動機器人視覺伺服控制 67
5.1 預期研究成果 67
5.2未來研究方向 67
參考文獻 68
附錄A 差速驅動機器人之切換式T-S模糊控制設計 70
A.1 單眼視覺量測模型 70
A.2 地標初始化 73
附錄B 差速驅動機器人之切換式T-S模糊控制設計 76
B.1模糊控制器設計 76
B.2 T-S切換模糊系統 76
B.3 PDC切換模糊控制器設計 77
B.4 T-S切換模糊系統穩定性設計 78

圖目錄
圖2.1 Pioneer 3-DX機構說明 4
圖2.2 Pioneer 3-DX前視與側視圖 4
圖2.3 差速驅動機器人知本體外觀 4
圖2.4 攝影機與雷射支架 5
圖2.5 機器人座標系統 6
圖2.6 輪子持續轉動時編碼器值的變化圖 7
圖2.7 命令與輸出轉速對應圖 7
圖2.8 機器人向前走,ARIA函式與方程式(2.5)比較圖 8
圖2.9 機器人向後走,ARIA函式與方程式(2.5)比較圖 8
圖2.10 機器人向左轉,ARIA函式與方程式(2.5)比較圖 9
圖2.11 機器人向右轉,ARIA函式與方程式(2.5)比較圖 9
圖2.12 雷射測距儀掃描範圍 10
圖2.13 實驗室地面基準 11
圖2.14 雷射測距儀建立地面基準 12
圖2.15 機器人行走在實驗室 12
圖2.16 機器人路徑圖 12
圖3.1 編碼器回授的機器人控制系統架構 13
圖3.2 雙眼視覺之本體外觀 15
圖3.3 視覺回授機器人控制系統架構 16
圖3.4 編碼器與視覺回授機器人控制系統架構 17
圖3.5 機器人行走在圖書館 18
圖3.6 機器人路徑圖 18
圖3.7(a) 使用自由移動視覺式SLAM估測直行運動 20
圖3.7(b) 使用編碼器搭配視覺回授所架構的SLAM估測直行運動 20
圖3.8 各估測器之誤差 20
圖3.9 解說圖 21
圖3.10 自由移動攝影機估測機器人的直行運動四張截圖 23
圖3.11具運動模型攝影機估測機器人的直行運動四張截圖 26
圖3.12 地圖地標數與取樣頻率 26
圖3.13 攝影機三維位置標準差 27
圖4.1 機器人行走在書架走道中間,x=0 28
圖4.1(a)自由移動攝影機估測機器人繞行實驗室環境 28
圖4.1(b)具運動模型攝影機估測機器人繞行實驗室環境 28
圖4.2 自由移動攝影機行走圖書館環境SLAM八張截圖 33
圖4.3 具運動模型攝影機行走圖書館環境SLAM八張截圖 38
圖4.4 各估測器之誤差 38
圖4.5 地圖地標數與取樣頻率 39
圖4.6攝影機三維位置之標準差 39
圖4.7 自由移動攝影機行走圖書館環境SLAM八張截圖 44
圖4.8 具運動模型攝影機行走圖書館環境SLAM七張截圖 48
圖4.9機器人直行ㄧ個書架後右轉 48
圖4.9(a)自由移動攝影機估測機器人繞行實驗室環境 48
圖4.9(b)具運動模型攝影機估測機器人繞行實驗室環境 48
圖4.10地圖地標數與取樣頻率 49
圖4.11攝影機三維位置之標準差 49
圖4.12 自由移動攝影機繞行實驗室環境 53
圖4.13 具運動模型攝影機繞行實驗室環境 57
圖4.14 實驗室環境繞行櫃子SLAM 57
圖4.14(a)自由移動攝影機估測機器人繞行實驗室環境 57
圖4.14(b)具運動模型攝影機估測機器人繞行實驗室環境 57
圖4.15 地圖地標數與取樣頻率 58
圖4.16 攝影機三維位置標準差 58
圖4.17 自由移動攝影機行走圖書館環境SLAM四張截圖 61
圖4.18 使用自由移動攝影機視覺式SLAM估測機器人路徑 62
圖4.19地圖地標數與取樣頻率 62
圖4.20攝影機三維位置標準差 62
圖4.21 具運動模型攝影機行走圖書館環境SLAM四張截圖 65
圖4.22 使用具運動模型攝影機視覺式SLAM估測機器人路徑 65
圖4.23 地圖地標數與取樣頻率 66
圖4.24 攝影機三維位置標準差 66
圖A.1 透視投影法 72
圖A.2 左攝影機與地標相對位置 72
圖A.3 世界座標與初始左攝影機座標相對位置 72
圖A.4 標準立體視覺幾何架構 74
圖A.5 左右影像地標特徵比對 74
圖A.6 雙眼攝影機與地標相對位置 74
圖A.7 雙眼攝影機視線向量 75
圖B.1 PDC設計 78

表目錄
表2.1 Pioneer 3-DX規格 3
表2.2 SICK LMS 100 雷射測距儀規格表 10
參考文獻 [Barraquand and Latombe 1989] Barraquand, J., and J.C. Latombe, “On nonholonomic mobile robots and optimal maneuvering”, In Proceedings of the IEEE International Symposium on Intelligent Control, pp.340-347, 1989.

[Boyd et al. 1994] Boyd, S., L.E. Ghaoui, E. Feron and V. Balakrishnan, “Linear matrix inequalities in system and control theory”, SIAM. Philadelphia, PA, 1994.

[Coulaud et al. 2006] Coulaud, J.-B., G. Campion, G. Bastin, and M. De Wan, “Stability Analysis of a Vision-Based Control Design for an Autonomous Mobile Robot”, IEEE Transactions on Robotics, vol.22, no.5, pp.1062-1069, 2006.

[Hespanha and Morse 1999] Hespanha, J.P., and A.S. Morse, “Stabilization of nonholonomic integrators via logic-based switching”. Automatica, 35:385-393, 1999.

[Laumond 1986] Laumond, J.P., “Feasible trajectories for mobile robots with kinematic and environment constraints”, In Proceeding of International Conference on Intelligent Autonomous Systems, pp.346-354, 1986.

[Ma et al. 1999] Ma, Y., J. Kosecka, and S.S. Sastry, “Vision Guided Navigation for a Nonholonomic Mobile Robot”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol.15, no.3, pp.521-536, 1999.

[Murray and Little 2000] Murray, D., and J.J. Little, “Using Real-Time Stereo Vision for Mobile Robot Navigation”, Autonomous Robots, vol.8, no.2, pp.161-171, 2000.

[Ohya et al. 1998] Ohya, A., A. Kosaka, and A. Kak, “Vision-Based Navigation by a Mobile Robot with Obstacle Avoidance Using Single-Camera Vision and Ultrasonic Sensing”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol.14, no.6, pp.969-978, 1998.

[Sciavicco and Siciliano 1996] L. Sciavicco and B. Siciliano, “Modeling and Control of Robot Manipulators”, McGraw-Hill, 1996.

[Se et al. 2002] Se, S., D.G. Lowe, and J.J. Little, “Mobile Robot Localization and Mapping with Uncertainty using Scale-Invariant Visual Landmarks”, International Journal of Robotics Research, Vol. 21, No. 8, pp.735-758, 2002.

[Se et al. 2002] Se, S., D.G. Lowe, and J.J. Little, “Vision-Based Global Localization and Mapping for Mobile Robots”, IEEE Transactions on Robotics, vol.21, no.3, pp.364-375, 2005.

[Tanaka and Wang 2001] Tanaka, K., and H.O. Wang, “Fuzzy control system design and analysis: a linear matrix inequality approach”, New York: Wiley, 2001.

[Tanaka et al. 2001] Tanaka, K., M. Iwasaki, and H. O. Wang, “Switch control of an R/C hovercraft: stabilization and smooth switching”, IEEE Transactions on System, Man, and Cybernetics - Part B vol.31, no.6, pp. 853-863, 2001.

[Tanaka et al. 2002] Tanaka, K., S. Hori and H. O. Wang, “Multiobjective control of a vehicle with triple trailers”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 7, No. 3, PP. 357-368, 2002.

[張正中 2010] 張正中,差速驅動機器人之切換式T-S模糊控制設計,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2010。

[馮盈捷 2011] 馮盈捷,使用尺度與方向不變特徵建立機器人視覺式SLAM之稀疏與續存性地圖,淡江大學機械與機電工程學系碩士論文,2011。
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