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。

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.

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

[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.

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[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。