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系統識別號 U0002-2105200811144500
中文論文名稱 輪型機器人之模糊控制器設計
英文論文名稱 Fuzzy Controller Design of Mobile 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 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 王 涵
研究生英文姓名 Hang Wang
學號 694342063
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-05-21
論文頁數 57頁
口試委員 指導教授-楊智旭
委員-楊棧雲
委員-王銀添
中文關鍵字 機器人  距離感測器  模糊增益控制  機電整合 
英文關鍵字 Robot  Distance Sensor  Fuzzy Gain Control  Mechine Electricity Integration 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文之目的是設計一個輪型機器人的模糊增益控制器(模糊控制器),完成具有轉彎及避障能力的智慧型運動規劃;在模糊控制器中,將右輪X軸輸入脈波與左輪Y軸輸入脈波輸入至模糊控制器,再利用模糊控制器輸出控制增益值,因為轉彎所產生的速度差值為馬達控制命令的依據之ㄧ,所以將增益值與速度差值輸入馬達控制器,完成驅動輪型機器人達到轉彎或避障的規劃動作。
輪型機器人包括車體主結構,驅動元件、輪胎、傳動機構及機電整合設計與製作。輪型機器人使用兩顆直流伺服馬達來帶動,距離感測器訊號回傳至I/O板,經由模糊增益控制系統進行路徑運動控制,以利後續機器人應用。
結果顯示模糊增益控制器在Matlab Toolbox的數值模擬證明可行,避障實驗實現模糊增益控制系統使輪型機器人平順避開障礙物,而路徑規劃實驗成功完成預期規劃的運動行為。
英文摘要 The objective of this thesis is to design a fuzzy controller for a mobile robot. The robot will be able to change moving direction and avoid obstacles during the motion based on its intelligent controller.
In the fuzzy controller, the input signals are X-axis pulse (right wheel) and Y-axis pulse (left wheel) and the output signal is control gain of motors. The path planning of the obstacle avoidance is determined by Fuzzy theory base on the control gain and the velocity different between two wheels.
The research work includes the mechanical components design and manufacturing, structure analysis and simulation, choosing of electrical motors, drivers and battery, controller design, and electromechanical system integration. The system composes two servo-motors, and four distance sensors, I/O board and a developed Fuzzy gain control systems. The path planning is designed by the integration of all these hardware components and software control program in a PC.
The simulation of this developed fuzzy controller is able to create a control gain for the mobile robot by using Matlab Toolbox. The experimental results of both obstacle avoidance and path planning show that this mobile robot work very well.
論文目次 目錄
淡江大學論文提要..................................................................................Ⅰ
英文提要..................................................................................................Ⅱ
目錄..........................................................................................................Ⅳ
符號表......................................................................................................Ⅵ
圖表目錄..................................................................................................Ⅶ
第一章 緒論..............................................................................................1
1-1 前言...............................................................................................1
1-2 目的...............................................................................................1
1-3 相關研究.......................................................................................4
第二章 基礎理論....................................................................................10
2-1 模糊理論.....................................................................................24
2-1-1 模糊化...............................................................................12
2-1-2 知識庫...............................................................................12
2-1-3 決策邏輯...........................................................................13
2-1-4 解模糊化...........................................................................14
2-1-5 模糊控制器的特點...........................................................15
2-1-6 模糊控制工具箱(Fuzzy Toolbox).....................................15
第三章 系統架構與硬體規劃................................................................20
3-1 系統架構.....................................................................................20
3-2 動力系統與改良.........................................................................21
3-3 串列通訊介面(RS232)...............................................................24
第四章 實驗驗證....................................................................................26
4-1 實驗環境.....................................................................................26
4-2 運動控制分析.............................................................................27
4-2-1 運動控制流程.................................................................28
4-2-2 模糊控制器設計..............................................................30
4-2-3 模糊化.............................................................................31
4-2-4 規則庫.............................................................................33
4-2-5 解模糊化.........................................................................34
4-3 模糊控制模擬結果.....................................................................34
4-4 教導式路徑規畫.........................................................................38
4-5 模糊控制實驗.............................................................................40
第五章 結論與討論................................................................................49
5-1 結論.............................................................................................49
5-2 討論.............................................................................................50
參考文獻..................................................................................................52
附錄:硬體特性表....................................................................................56
符號表
:模糊控制器的輸出量
:第 個控制規則命題部的適合程度
:第 個控制規則推論部歸屬函數中心對應值
:模糊規則庫中的規則數目
:模糊控制器之輸出
:X軸脈波論域最小值
:X軸脈波論域最大值
:Y軸脈波論域最小值
:Y軸脈波論域最大值
:控制器單位參數(1 SC=500 Pulse)












圖表目錄
圖1-1 系統整合架構流程示意圖............................................................3
圖1-2 履帶機器人SWORD外觀[30]......................................................5
圖1-3 機器人Enryu T-52外觀圖[31]......................................................6
圖1-4 工程人員正在進行遠端操作[31]..................................................6
圖1-5 居家保全機器人外觀圖[6] ...........................................................7
圖1-6 居家保全機器人的系統架構圖[5] ...............................................8
圖1-7 機器人示意圖................................................................................9
圖2-1 模糊控制器..................................................................................11
圖2-2 輸入/輸出變數介面設定圖.........................................................17
圖2-3 歸屬函數介面設定圖..................................................................18
圖2-4 模糊控制器規則庫......................................................................19
圖3-1 系統架構圖..................................................................................20
圖3-2 直流伺服馬達..............................................................................21
圖3-3 時規皮帶與時規齒輪..................................................................22
圖3-4 單一接觸點承載扭力毀損..........................................................22
圖3-5 馬達齒輪箱..................................................................................23
圖3-6 時規齒輪......................................................................................23
圖3-7 滑鍵置入示意圖..........................................................................23
圖3-8 軸與齒輪組合圖..........................................................................23
圖3-9 通訊模式示意圖..........................................................................24
圖4-1 自走車行經靜止障礙示意圖......................................................29
圖4-2 控制系統方塊圖..........................................................................30
圖4-3 自走車控制器X軸輸入歸屬函數..............................................32
圖4-4 自走車控制器Y軸輸入歸屬函數..............................................32
圖4-5 自走車增益控制器輸出歸屬函數..............................................33
圖4-6 模糊控制器之輸入輸出關係圖..................................................35
圖4-7 增益控制器之增益值關係圖......................................................36
圖4-8 增益控制器之input1- output1平面圖.........................................37
圖4-9 增益控制器之input2- output1平面圖.........................................37
圖4-10 紅色按鈕觸碰之路徑規劃圖....................................................38
圖4-11 紅色按鈕觸碰之實驗照片........................................................40
圖4-12 測試環境示意圖........................................................................42
圖4-13 模糊控制實驗照片....................................................................44
圖4-14 避障測試環境示意圖................................................................46
圖4-15 模糊控制避障實驗照片............................................................48
圖A1 編碼器之腳位圖...........................................................................56
圖A2 馬達特性圖...................................................................................56

圖A3 馬達軸心設計圖...........................................................................57


表3-1 腳位定義......................................................................................25
表4-1 迴轉半徑60cm實驗數據............................................................27
表4-2 迴轉半徑60cm實驗數據............................................................27
表4-3 迴轉半徑60cm實驗數據............................................................27
表4-4 增益控制器規則表......................................................................33
表4-5 硬體限制表..................................................................................41
表5-1 比較差異表..................................................................................51
參考文獻 參考文獻
[1]L. W. Tsai, Robot Analysis, Wiley-Interscience Publication, 1999.
[2]美國國家航空暨太空總署(NASA),太空探險新利器蜘蛛機器人問 世,中央日報第五版(法新社/華盛頓訊),民國91年12月20日。
[3]黃緒哲,基本機器人學,徐氏基金會,民國77 年3 月。
[4]陳永和,輪型行動機器人之機構設計與避障規劃,淡江大學機械與機電工程學系碩士班碩士論文,民國95年6月。
[5]葉英傑,居家保全機器人之即時影像處理技術之設計與實現,國立成功大學電機工程學系碩士論文,民國92年。
[6]陳正中,居家保全機器人之防災與運動控制系統之設計與研製,國立成功大學電機工程學系碩士論文,民國91年。
[7]沈伸鴻,遠端行動式保全系統之研發應用於多重感測保全機器人,國立中正大學電機工程研究所碩士論文,民國90年。
[8]周明豐,DSP 主控之機器足球員設計,淡江大學電機工程學系,控制晶片與系統組碩士班碩士論文,民國90年。
[9]黃雋博,小型機器人足球系統之即時影像處理,淡江大學電機工程學系控制晶片與系統組碩士班碩士論文,民國92年。
[10]王侯禕,足球機器人之移動模糊控制器的設計,淡江大學電機工程學系控制晶片與系統組碩士班碩士論文,民國93 年。
[11]鄒宗穎,小型足球機器人系統影像處理、運動命令產生、與機構設計之研究,淡江大學機械與機電工程學系碩士班碩士論文,民國93 年。
[12]A. Shinjoh and S. Yoshida,“A Development of Autonomous Information Indication System for RoboCup Simulation League,” IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics,Vol. 6, pp. 756-761, 1999.
[13]K. Yuan, X. Liu, B. Luo, and H. Zhu, “ Development of the Autonomic Mobile Platform for RoboCup Robot,” Proceedings of the 4th World Congress on Intelligent Control and Automa tion, Vol. 1, pp.506-509, 2002.
[14]H. Kitano, M. Fujita, S. Zrehen, and K. Kageyama, “Sony Legged Robot for RoboCup Challenge, ” IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol.3, 1998, pp.2605-2612.
[15]H. D. Burkhard, D. Duhant, M. Fujita, P. Lima, R. Murphy, and R. Pojas, “The Road to RoboCup 2050, ” IEEE Robotics and Automation Magazine, Vol.9, pp.31-38, 2002.
[16]L. A. Zadeh, ” Fuzzy Sets,” Information Control, Vol.8,pp.338-353, 1965.
[17]L. A. Zadeh, “ Outline of a New Approach to the Analysis of Complex Systems and Decision process,” IEEE Trans. Systems Man Cybernet,Vol 3, pp.338-353, 1973.
[18] E. H. Mamdani, “ Application of Fuzzy Algorithms forControl of Simple Dynamic Plant,” Int. Proc. IEEE 121, No.12, pp.1585-1588, 1974.
[19]蒙以正,模糊邏輯與類神經模糊實例說明,儒林書局,民國89
年8月。
[20]顏鴻森,機構學,東華書局,民國88 年3 月,初版。
[21]陳天青,廖信德,戴任紹,機電整合,高立圖書有限公司,2003
年3 月出版二刷。
[22]曹永偉,感測器技術入門,全華科技圖書股份有限公司,民國九十年十二月。
[23]范逸之、陳立元、孫德萱、程正孚,Visual Basic 與串並列通訊控制實務,文魁資訊股份有限公司,2002年5月。
[24]范逸之,Visual Basic 與分散式監控系統-使用RS-232/486 串列通訊,文魁資訊股份有限公司,2001年06月初版1刷。
[25]范逸之、陳立元,Visual Basic 與RS-232串列通訊控制最新版,文魁資訊股份有限公司,2001 年08 月初版1 刷。
[26]S. Elgazzar and T. Welch, “ Active Infrared Sensors for Mobile Robot,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 43, No. 2, pp.283-287, April 1994.
[27]Elmer P. Dadios and Odon A. Maravillas Jr., “ Cooperative Mobile Robots with Obstacle and Collision Avoidance Using Fuzzy Logic,” IEEE Intemational Symposium on Intelligent Control, pp.75-80, 2002.
[28]J. J. Leonard, H. F. Durrant-Whyte, and I. J. Cox, “ Dynamic Map Building for an Autonomous Mobile Robot,” Int. J. Robot. Res. Vol. 11, No. 4, Aug. pp. 286-298, 1992.
[29]J. Borenstein and Y. Koren,“ Real-Time Obstacle Avoidance for Fast Mobile Robots,” IEEE Trans. Vol. 19, pp. 1179-1187, 1989.
[30] http://www.foster-miller.com.
[31] http://www.enryu.jp/index.html
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