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系統識別號 U0002-2507200717343100
中文論文名稱 全方位模糊運動控制器之設計與實現
英文論文名稱 Design and Implementation of Omnidirectional Fuzzy Motion Controller
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 劉智誠
研究生英文姓名 Chih-Cheng Liu
學號 694380022
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-07-20
論文頁數 68頁
口試委員 指導教授-翁慶昌
委員-李祖聖
委員-龔宗鈞
委員-楊智旭
委員-王銀添
委員-翁慶昌
中文關鍵字 模糊系統  運動控制  全方位移動機器人 
英文關鍵字 Fuzzy System  Motion Control  Omnidirectional Mobil Robot 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文應用模糊系統概念提出一個全方位移動控制器,其可以控制一個具有n個全方位輪(omnidirectional wheel)之全方位移動機器人(omnidirectional mobile robot)朝任意方向做快速有效的移動。首先,本論文推導具有n個全方位輪之全方位移動機器人的運動模型,然後依據機器人目前所在的位置與車頭方向以及期望到達的目標位置與車頭方向所得到三個訊息來作為全方位移動控制器的輸入,此控制器具有四個模組:(a)平移模糊系統、(b)旋轉模糊系統、(c)二維速度對應與(d)全方位運動模型。而控制器的輸出為各個全方位輪之直流馬達的轉速控制訊號以及轉向控制訊號。在模擬與硬體實現上,本論文將所提之方法實現在四輪全方位移動機器人的控制上。從模擬與硬體實現結果可知,所提全方位移動控制器確實可以有效的控制四輪全方位移動機器人之移動速度與旋轉速度,讓機器人快速移動至所期望的位置及方向。
英文摘要 In this thesis, an omnidirectional motion controller is proposed so that an omnidirectional mobile robot with n omnidirectional wheel can effectively move toward any direction. First, an n-wheeled omnidirectional mobile chassis is described and its kinematic model is derived. Then, a control structure is proposed to control this omnidirectional mobile robot. There are four main modules: (a) Mobile fuzzy system, (b) Rotational fuzzy system, (c) Velocity decomposition, and (d) Omnidirectional kinematic model. Based on the distance between the desired position and the current position of the robot and the desired rotational angle, two two-input-and-one-output fuzzy systems in this control structure are proposed to determine a mobile velocity and an angular velocity of the robot, respectively. Then, the velocities of n wheels are generated to control this n-wheeled omnidirectional mobile robot so that it can move to the desired position and orientation efficiently. A four-wheeled mobile robot is considered in the simulation and implementation. Some simulation and comparison results are presented to illustrate that the control performance of the four-wheeled omnidirectional mobile robot is better than that of the two-wheeled mobile robot. In the practical application, we can also find that this method can efficiently control this four-wheeled mobile robot to any desired position and orientation.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 1
1.3 論文架構 2
第二章 全方位移動機器人之運動模型 4
2.1 四輪全方位移動機器人之運動模型 4
2.2 n輪全方位移動機器人之運動模型 12
第三章 全方位移動系統之設計與模擬 16
3.1 全方位移動系統 16
3.2 輸入訊號轉換器 17
3.3 全方位移動控制器 19
3.3.1 平移模糊系統 19
3.3.2 旋轉模糊系統 23
3.3.3 二維速度對應 27
3.3.4 全方位運動模型 27
3.4 二輪移動機器人與四輪全方位移動機器人之模擬 28
第四章 全方位移動機器人之設計與實現 44
4.1 全方位移動機器人系統介紹 44
4.1.1 全方位移動機構設計 46
4.1.2 全方位影像系統機構 52
4.2 影像系統層 53
4.3 機器人策略設計層 54
4.4 硬體控制器 55
4.4.1 感測電路板 55
4.4.2 馬達驅動電路板 55
4.4.3 Nios發展板 57
4.5 電源管理系統 57
4.6 機器人控制流程 59
4.7 全方位移動機器人之實驗結果 60
第五章 結論與未來展望 65
參考文獻 66

圖2.1、全方位移動機器人底座基本架構圖 5
圖2.2、全方位移動機器人座標圖 5
圖2.3、全方位移動機器人之全方位輪行進速度示意圖 6
圖2.4、全方位移動機器人之移動示意圖 7
圖2.5、(a)1號全方位輪之移動示意圖(b)2號全方位輪之移動示意圖(c)3號全方位輪之移動示意圖(d)4號全方位輪之移動示意圖 9
圖2.6、座標軸旋轉示意圖 10
圖2.7、四輪全方位機器人座標軸旋轉示意圖 11
圖2.8、四輪全方位機器人座標軸旋轉簡化示意圖 11
圖2.9、修正後四輪全方位移動機器人座標圖 12
圖2.10、修正後n輪全方位移動機器人座標圖 13
圖3.1、全方位移動系統之控制方塊圖 16
圖3.2、機器人與目標點之關係圖 18
圖3.3、 、 及 之關係,根據機器人目標位置與現在位置的相對座標:(a)第一象限、(b)第二象限、(c)第三象限與(d)第四象限。 18
圖3.4、全方位移動控制器之系統方塊圖 19
圖3.5、平移模糊系統的輸入與輸出變數 20
圖3.6、平移模糊系統輸入變數 之歸屬函數圖 21
圖3.7、平移模糊系統輸入變數 之歸屬函數圖 21
圖3.8、平移模糊系統輸出變數 之歸屬函數圖 21
圖3.9、旋轉模糊系統的輸入與輸出變數 23
圖3.10、旋轉模糊系統輸入變數 之歸屬函數圖 24
圖3.11、旋轉模糊系統輸入變數 之歸屬函數圖 25
圖3.12、旋轉模糊系統輸出變數 之歸屬函數圖 25
圖3.13、二維速度對應的輸入與輸出變數 27
圖3.14、全方位運動模型的輸入與輸出變數 28
圖3.15、8個方向所設定的目標點與機器人移動之軌跡圖:(a) 100個動態連續目標點;(b)二輪移動機器人實際移動之軌跡圖;(c)四輪全方位移動機器人實際移動之軌跡圖。 29
圖3.15(續)、8個方向所設定的目標點與機器人移動之軌跡圖:(a) 100個動態連續目標點;(b)二輪移動機器人實際移動之軌跡圖;(c)四輪全方位移動機器人實際移動之軌跡圖。 30
圖3.16、8個方向所設定的目標點與機器人移動之距離誤差:(a) 100個動態連續目標點;(b)二輪移動機器人實際移動之距離誤差;(c)四輪全方位移動機器人實際移動之距離誤差。 32
圖3.16(續)、8個方向所設定的目標點與機器人移動之距離誤差:(a) 100個動態連續目標點;(b)二輪移動機器人實際移動之距離誤差;(c)四輪全方位移動機器人實際移動之距離誤差。 33
圖3.17、8個方向所設定的目標點與機器人移動之角度誤差:(a) 100個動態連續目標點;(b)二輪移動機器人實際移動之角度誤差;(c)四輪全方位移動機器人實際移動之角度誤差。 34
圖3.17(續)、8個方向所設定的目標點與機器人移動之角度誤差:(a) 100個動態連續目標點;(b)二輪移動機器人實際移動之角度誤差;(c)四輪全方位移動機器人實際移動之角度誤差。 35
圖3.18、二輪與四輪全方位移動機器人朝8個方向移動之最大距離誤差直條圖(單位:公分) 36
圖3.19、二輪與四輪全方位移動機器人朝8個方向移動之追上目標所需次數直條圖(誤差3公分) 37
圖3.20、二輪與四輪全方位移動機器人朝8個方向移動之朝向目標軌跡方向所需次數直條圖(誤差 ) 38
圖3.21、二輪與四輪全方位移動機器人朝8個方向移動之前30次平均距離誤差直條圖(單位:公分) 39
圖3.22、二輪與四輪全方位移動機器人朝8個方向移動之前30次平均角度誤差直條圖(單位:度) 39
圖3.23、二輪移動機器人朝向第7個方向之移動軌跡路線分解圖 41
圖3.24、全方位移動機器人朝向第7個方向之移動軌跡路線分解圖 42
圖4.1、中型機器人之實體圖 44
圖4.2、硬體設備介紹 45
圖4.3、機器人整體機械結構圖 45
圖4.4、兩輪與四輪行走方向示意圖 46
圖4.5、中型機器人馬達全圖 48
圖4.6、全方位輪實體圖 50
圖4.7、車底馬達45度配置圖 51
圖4.8、避震器 52
圖4.9、避震裝置機構圖 52
圖4.10、全方位攝影機實體圖 53
圖4.11、機器人擷取影像示意圖 53
圖4.12、影像擷取盒實體圖(S-960) 54
圖4.13、控制電路與驅動電路板之實體圖 55
圖4.14、TA8429外觀圖 56
圖4.15、TA8429內部電路圖 56
圖4.16、TA8429應用電路 56
圖4.17、Nios系統控制架構圖 57
圖4.18、電源供應圖 58
圖4.19、實際硬體訊號流程圖 59
圖4.20、控制全方位移動機器人往左下方目標移動之連續圖 61
圖4.21、控制全方位移動機器人往下方目標移動之連續圖 62
圖4.22、控制全方位移動機器人依續往三個白色座標點移動之連續圖 64

表3.1、平移模糊系統之模糊規則庫 22
表3.2、旋轉模糊系統之模糊規則庫 26
表3.3、二輪與四輪全方位移動機器人朝8個方向移動之最大距離誤差(單位:公分)與最大角度誤差(單位:度) 36
表3.4、二輪與四輪全方位移動機器人朝8個方向移動之追上目標所需次數(誤差3公分)與朝向目標軌跡方向所需次數(誤差 ) 37
表3.5、二輪與四輪全方位移動機器人朝8個方向移動之前30次平均距離誤差(單位:公分)與前30次平均角度誤差(單位:度) 38
表4.1、Maxon馬達型號118797之基本規格 48
表4.2、Maxon齒輪箱型號110364之基本規格 48
表4.3、Maxon編碼器型號225773之基本規格 49
表4.4、電源需求表 58

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