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系統識別號 U0002-1807201212004700
中文論文名稱 智慧型滅火機器人之模糊控制器設計
英文論文名稱 The Design of Fuzzy Control for an Intelligent 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 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 王可喬
研究生英文姓名 Ko - Chiao Wang
學號 699371349
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-06-21
論文頁數 70頁
口試委員 指導教授-楊智旭
委員-張士行
委員-王銀添
中文關鍵字 滅火機器人  火焰辨識  火焰追蹤  雙眼視覺量測  感測器  消防救災 
英文關鍵字 Fire-fighting Robot  Flame Recognition  Fire Tracking  SSG (Standard Stereo Geometry )  Sensor  Fire Relief 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文主要目的為智慧型滅火機器人之模糊控制器設計及系統整合,在火災發生初期時,透過機器人移動平台,結合雙眼視覺監控判斷與智慧型感測器技術,執行火焰辨識及追蹤,進而利用模糊控制,達到消防預警及滅火目的,此機器人為獨立自主的系統,能快速反應且即時掌握消防救災最佳時期,減少財產損害與人員傷亡。
移動平台為兩輪式自走車(Segway Rmp50),以網路攝影機(Webcam)仿效人類雙眼視覺功能,進行視覺輔助物體偵測,利用影像處理技術,取得最佳參數與火焰中心位置,再使用標準立體視覺幾何結構,判斷火焰與機器人的相對距離,設計智慧型火焰辨識系統,最後結合模糊控制器完成即時追蹤滅火系統,建立即時警報監控的智慧型滅火機器人。本論文以模擬實驗方式來驗證,智慧型滅火機器人可透過雙眼視覺得知環境資訊,判定是否為火災事件,再由智慧型模糊控制技術進行火焰辨識與追蹤,當感測器判斷為火災時,立即發送警報及執行滅火動作,完成滅火任務,達成火災初期的安全消防目的。
英文摘要 The objectives of the thesis is to the design a fuzzy controller for an intelligent fire-fighting robot. This robot is controlled to respond rapidly and seize the optimum timing for rescuing, avoiding casualty and damage of properties independent and automatic system.
The Mobile platform of the robot is two self-propelled vehicle ( Segway Rmp 50), with two webcams to simulate the human eyes. The location of the flame center is calculated by the detected parameters in the image processing. After that, the relative distance between the fire center and the robot is calculated by the SSG. The combination of the intelligent flame recognition system and fuzzy controller will be applied to track and extinguish the fire instantly and send out the alarm for the fire-fighting robots.
The thesis is conducted by simulated experiments to implement the intelligent fire-fighting robot. The fire accident is confirmed by the vision subsystem. The intelligent fuzzy controller will be applied to track the fire flame. Whenever the fire event is detected by the sensors, an alert is send out immediately. The robot will execute the fire-fighting mission automatically.
論文目次 目錄
中文摘要................................................................................................... I
英文摘要...................................................................................................II
目錄 ....................................................................................................... IV
圖目錄 ................................................................................................. VII
表目錄 .................................................................................................... X

第一章 緒論 1
1.1、前言 1
1.2、研究動機與目的 1
1.3、相關文獻 3
第二章 基礎理論 10
2.1、色彩模型 10
2.1.1、RGB色彩分析 10
2.1.2、HSI色彩分析 11
2.1.3、YCbCr色彩分析 12
2.2、標準立體視覺幾何 13
2.3、座標平均法求中心點 15
2.4、模糊理論 16
2.4.1、模糊化(Fuzzification) 17
2.4.2、規則庫(Rule Base) 18
2.4.3、推論引擎(Inference Engine) 18
2.4.4、解模糊化(Defuzzification) 18
第三章 研究設備與方法 19
3.1、研究設備 19
3.1.1、機器人移動平台 19
3.1.2、雙眼機器視覺裝置 20
3.1.3、控制器 22
3.1.4、步進馬達與驅動器 22
3.1.5、滅火機器人定位機構 24
3.1.6、氣壓電磁閥與二氧化碳鋼瓶 24
3.1.7、火焰感測及警報器 25
3.1.8、系統裝置整合 27
3.1.9、人機介面 29
3.2、研究方法 31
3.2.1、影像處理 31
3.2.2、雙眼視覺量測 33
3.2.3、兩輪式機器人運動方程式 36
3.2.4、模糊控制器設計 38
3.2.5、滅火控制系統 39
第四章 實驗結果與驗證 42
4.1、智慧型滅火機器人環境限制與實驗設計 42
4.2、滅火系統控制流程 43
4.3、火焰影像辨識及距離控制 44
4.4、模糊控制系統 44
4.5、滅火機器人車體人機介面 51
4.6、火焰警報系統 52
4.7、燈光模擬追蹤實驗 54
4.8、模擬滅火系統實驗 58
第五章 結論與討論 63
5.1、結論 63
5.2、討論 64
參考文獻 66

圖目錄
圖1.1、研究流程圖 3
圖1.2、消防滅火機器人-仰角水柱狀態與水霧狀態 4
圖1.3、中華電信一號滅火機器人 5
圖1.4、美海軍開發消防員機器人 6
圖1.5、英國消防機器人 7
圖1.6、VFDS系統 8
圖1.7、GKB監控攝影機 8
圖1.8、FLIR紅外線熱感器 9
圖2.1、RGB色彩混合表現示意圖 11
圖2.2、HSI色彩空間分佈圖 12
圖2.3、YCbCr色彩空間色彩空間分佈圖 13
圖2.4、雙眼攝影機與特徵點3-D示意圖 14
圖2.5、標準立體視覺幾何結構 14
圖2.6、座標平均法示意圖 15
圖2.7、模糊邏輯控制器架構 17
圖3.1、Segway移動平台外觀 20
圖3.2、雙眼監控攝影機外觀 21
圖3.3、攝影機監控範圍示意圖 21
圖3.4、微處理控制器外觀 22
圖3.5、步進馬達與驅動器外觀 23
圖3.6、馬達旋轉機構側視圖 23
圖3.7、氣壓電磁閥與二氧化碳鋼瓶外觀 24
圖3.8、紫外線火焰感測器外觀 25
圖3.9、紫外線感測範圍示意圖 26
圖3.10、警報滅火裝置外觀 27
圖3.11、車體系統裝置前視外觀 27
圖3.12、車體系統裝置後方側視外觀 28
圖3.13、控制器及控制電路外觀 28
圖3.14、控制系統介面 29
圖3.15、整體系統架構 30
圖3.16、室內場景擷取之影像 32
圖3.17、目標中心位置顯示 33
圖3.18、雙眼攝影機視線向量求算示意圖 35
圖3.19、車體上視圖 36
圖3.20、移動示意圖 36
圖3.21、影像二值化結果 40
圖4.1、動作控制流程圖 43
圖4.2、車體控制之影像判斷區域 45
圖4.3、步進馬達控制之滅火噴嘴判斷區域 48
圖4.4、模糊控制流程圖 50
圖4.5、滅火機器人車體人機介面 51
圖4.6、警報感測電路 52
圖4.7、火災警報系統 53
圖4.8、左右及前後自主追蹤實驗連續動作圖 55
圖4.9、步進馬達上下旋轉連續動作圖 56
圖4.10、追蹤燈光與火焰實驗連續動作圖 57
圖4.11、野營火把外觀 59
圖4.12、機器人滅火實驗連續動作圖 60
圖4.13、機器人火焰自主追蹤滅火實驗連續動作圖 61
圖4.14、機器人火焰自主追蹤滅火實驗連續動作圖 62

表目錄
表3.1、模糊規則庫 38
表4.1、車體控制之模糊規則庫 46
表4.2、步進馬達控制之模糊規則庫 49

參考文獻 [1]內政部消防署全球資訊(http://www.nfa.gov.tw/index.aspx)
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