本研究針對具備全方位視覺的兩輪行動機器人，規劃物件追蹤行為。首先，利用Lagrange形式推導機器人動態模式。選擇馬達扭力為系統的輸入變數，以改善控制器的動態特性。其次，使用Lyapunov直接方法(Lyapunov’s direct method)與逆動力學控制(inverse dynamics control)，分別由系統穩定與單位質量控制的概念，設計兩種機器人的運動控制器。最後，利用這兩種控制器的特性，規劃兩輪機器人的物件追蹤行為。本論文將規劃的物件追蹤控制器應用在配備全方位視覺的兩輪足球機器人系統。模擬與實測的結果顯示，所規劃的控制器可以提供兩輪機器人進行物件追蹤功能。

An object-tracking behavior is designed in this thesis for a two-wheeled mobile robot with omni-directional vision. Firstly, the robot dynamics model is derived by using Lagrange formulation. In the dynamics model, the motor-driven torques are chosen as input variables of the system in order to improve the dynamic characteristic of the controller. Secondly, on the basis of Lyapunov’s direct method and inverse dynamics control, two robot motion controllers are deduced from the concepts of the system stability and the unit-mass control, respectively. Finally, utilize the specific functions of these two controllers to develop an object-tracking behavior for a mobile robot. The proposed object- tracking behavior is tested and verified on a two-wheeled soccer robot system with an omni-directional vision. Simulation and experimental results show that the developed controllers are well-designed for a two-wheeled robot to track an object in the soccer field.

目錄
中文摘要	Ⅰ
英文摘要	Ⅱ
目錄	Ⅲ
圖目錄	Ⅴ
表目錄	Ⅶ
符號說明	Ⅷ
第1章 緒論	1
1.1研究動機與目的	1
1.2文獻探討	1
1.3研究範圍	2
1.4論文架構	2
第2章 非完整拘束動態系統	3
2.1運動拘束條件	3
2.2機器人動態方程式	6
2.3兩輪機器人動態方程式	7
2.4馬達扭力與轉速	9
第3章 兩輪機器人運動控制器設計	12
3.1 Lyapunov控制器設計	12
3.2逆動力學控制設計	14
3.3機器人行為式控制	18
第4章 機器人全方位影像還原與系統架構	22
4.1全方位視覺系統設計	22
4.2影像廣角效應校正	23
4.3機器人自我定位	29
4.4系統架構與機器人本體	31
4.5傳輸命令格式設計	33
第5章 兩輪移動機器人控制實測	34
5.1影像還原與機器人自我定位實測	34
5.2機器人追蹤控制實測	36
第6章 結論與未來研究方向	43
6.1研究結果討論	43
6.2未來研究方向	44
參考文獻	45
附錄A 馬達驅動模式推導	47
附錄B 兩輪移動機器人系統參數	50
 
圖目錄
圖2.1機器人基本架構座標圖	3
圖2.2機器人輪子速度幾何關係	6
圖2.3機器人自由體圖	9
圖2.4機器人系統方塊圖	9
圖2.5驅動輪的作用力	10
圖2.6馬達驅動兩輪機器人	11
圖3.1 Lyapunov控制方塊圖	13
圖3.2 Lyapunov三軸步階響應與目標位置曲線	13
圖3.3機器人在xy平面上移動軌跡	14
圖3.4兩輪機器人	16
圖3.5兩輪機器人逆動力學控制	16
圖3.6三軸步階響應與目標位置曲線	17
圖3.7機器人在xy平面上移動軌跡	18
圖3.8足球場中機器人行為示意	19
圖3.9球在機器人前方區域路徑規劃	20
圖3.10機器人攻擊路徑規劃圖	21
圖4.1全方位攝影機	23
圖4.2由攝影機上取得的實際影像	23
圖4.3雙曲面鏡	23
圖4.4 QuickCam Pro 4000	23
圖4.5實際圓形定位標記分佈位置	25
圖4.6影像圓形定位標記正前方分佈位置	25
圖4.7影像圓形定位標記正後方分佈位置	25
圖4.8影像圓形定位標記右方分佈位置	25
圖4.9影像圓形定位標記左方分佈位置	25
圖4.10圓形標記點實際座標	26
圖4.11像素距離（pixel）與實際距離（cm）關係	26
圖4.12多項式擬合圖	27
圖4.13圓形標記點像素座標	28
圖4.14圓形標記點還原座標	28
圖4.15機器人實際位置圖	30
圖4.16機器人自我定位流程圖	31
圖4.17機器人系統架構	32
圖4.18機器人本體	32
圖4.19數位命令編碼格式	33
圖5.1機器人操作介面	35
圖5.2機器人在第二象限位置	35
圖5.3機器人在第一象限位置	35
圖5.4機器人在第三象限位置	35
圖5.5機器人在第四象限位置	35
圖5.6 Lyapunov控制器控制 軸的步階響應	38
圖5.7實測機器人在場上的旋轉方向	38
圖5.8機器人在場上的旋轉軌跡	39
圖5.9 Inverse Dynamics控制器控制x軸的步階響應	39
圖5.10 Inverse Dynamics控制器控制y軸的步階響應	40
圖5.11 Inverse Dynamics控制器控制 軸的步階響應	40
圖5.12實測機器人在場上追蹤球的路徑	41
圖5.13機器人在場上追蹤球的軌跡	41
圖5.14球在機器人前方區域的行走路徑	42
圖5.15機器人在場上的行為規劃軌跡	42
 
表目錄
表4.1距離的均方根誤差	27
表5.1球場上實際座標位置方均根誤差(單位cm)	36
附錄B 兩輪移動機器人系統參數	50

參考文獻

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