Transcript 導盲機器人與人型機器人 - 電子工程系

導盲機器人之研究
中華科技大學電子工程學系
2012/03/16
研究動機
 無動力導盲機器人
 具有動力導盲機器人
GPS
Voice
Ultrasonic
Compass
CMOS Sensor
Encoder
RFID
中華科技大學電子工程系
導盲機器人系統配置圖
主系統控制單元
影像處理控制單元
電池充電控制單元
中華科技大學電子工程系
系統方塊圖
Cap
兩組 PWM
一組 SPI
一組 Capture
三組 UART
二組 UART
中華科技大學電子工程系
ATMega162 聚興科技
RISC
Flash
ROM
SRAM
E2PROM
(Bytes)
Ext.
Interrupt
16K
1K
512
3
8bit
16bit
Capture Compare
Timer / Timer /
C
C
Counter Counter
2
2
2
4
UART
SPI
Analog
Comparator
Watch
Dog
Hardware
Multiplier
ISP
F.Max
(MHz)
2
1
1
Yes
Yes
Yes
16MHz
8 bit RISC Architecture
PWM
P
6
Package
PDIP-40
左右伺服機馬達控制





ATMega162
(ICR3H, ICR3L)
(OCR3AH, OCR3AL)
(OCR3BH, OCR3BL)
PD4(OC3A)
PB4(OC3B)
超音波感測模組(SRF05)
實際
距離
(cm)
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
量測
距離
(cm)
9.2
10.3
11.3
12.3
12.7
13.7
15.3
16.4
17.5
18.5
19.5
計數
量
(HEX)
誤差
(%)
實際
距離
(cm)
量測
距離
(cm)
計數
量
(HEX)
誤差
(%)
93
A5
B5
C5
CB
DB
F5
106
118
128
138
2.2
3.0
2.7
2.5
2.3
2.1
2.0
2.5
2.9
2.8
2.6
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
20.4
21.5
22.4
23.4
23.3
24.9
26.4
27.5
28.4
29.3
30.5
146
152
166
176
185
18D
6
1B8
6
1D5
1E8
2.0
2.4
1.8
1.7
1.3
0.4
1.5
1.9
1.4
1.0
1.7
體積超小
超低的工作電流
量測誤差小
量測範圍大
操作簡單
中華科技大學電子工程系
無線射頻辨識系統 (RFID)
0x0A 0x32 0x37 0x30 0x30 0x31 0x33 0x47
0x32 0x32 0x32 0x0D
”270013G223”
中華科技大學電子工程系
語音播報系統
ISD4004
錄音長度
週邊電路
重覆錄音
資料保存
額外記憶體
中華科技大學電子工程系
CMOS影像偵測器
ARM7
1 + 2 + 64 (1 + ( 128x3 ))+1
=24,664
47組指令集
SF , NF , RS
中華科技大學電子工程系
影像處理演算法 (I)
(A) 擷取影片 128 x 64
(B) 灰階處理
(C) 影像二值化
(D) 濾波去除雜訊
(E) 資料壓縮
128x64
16x8
(
(E)
E
(F)
(F) 標線影像認定
中華科技大學電子工程系
影像處理演算法(II)
16 x 8 分成兩塊 8 x 8
定義座標
資料擬合求取斜率
與座標點個數
中華科技大學電子工程系
資料擬合演算法
( xi , yi ), i  1, 2,
,N
y ( x )  y ( x : m, c)  mx  c
2
 yi  c  mxi 
 Chi-Square Cost Function
i
i 1 

N
 2 ( m, c )   
N

yi  c  mxi
 2 (m, c)
0



2



c
 i2
i 1


2
N
0   (m, c)  2 xi ( yi  c  mxi )


m
 i2
i 1
int ercept  c 
N
1
i 1
 i2
S 
N
Sx  
i 1
xi
 i2
S xx S y  S x S xy

N
Sy  
i 1
yi
 i2
,
slope = m 
N
S xx  
i 1
xi2
 i2
SS xy  S x S y

N
S xy  
i 1
xi yi
 i2
  SS xx  (S x )2
中華科技大學電子工程系
影像尋標策略(I)
狀況一 : 輪型機械人在標線正中間直行
* c1為左(1)區畫面座標點個數
* c2為右(2)區畫面座標點個數
* m1為左(1)區畫面影像斜率
* m2為右(2)區畫面影像斜率
圖 15
2  14 狀況一的影像圖片
c1  c2  0
左斜率 m1 > 0
右斜率 m2 < 0
m1  m2
  1  0o
中華科技大學電子工程系
影像尋標策略(II)
狀況三 : 輪型機械人極偏左
* c1 >0
* c2 =0
* m1斜率>0
* m2 斜率不存在
圖 217 16 狀況三的影像圖片
中華科技大學電子工程系
影像尋標策略(III)
狀況五 : 輪型機械人稍微偏向左
* c1 >0, c2 >0
* c1 > c2
* m1斜率>0, m2斜率 < 0
* m1 > m2
圖 219
 18 狀況五的影像圖片
中華科技大學電子工程系
影像尋標策略(IV)
狀況七 : 輪型機械人極多偏向左
中華科技大學電子工程系
鋰電池
充電系統(I)
利用PWM 脈波寬度調變
信號控制 Buck變換開関
電路，進行充、放電的
動作
利用內部的10位元 A/D轉
換器，監控電池電壓、充
電電壓及充電電流值
ATtiny25的通訊協定，將
電池狀態及特性參數，
隨時傳遞給ATmega162
充電功能測試(I)
八種電池的狀態訊息
" 0Bat_notging
" 1Battery Low
" 2Chargering...
" 3Full charger
" 4Battery ERROR
" 5Discharger
" 6Power off
" 7Cell_ERROR
數據名稱
數值
個數 說明
HEAD
0x5B
1
標頭
Message status
16
電池狀態資訊
VBAT，M_BAT，IBAT
6
參數資訊
2
結尾
END
0x,0x0D
充電功能測試(II)
(a)、標頭資訊：0x5B，為1 bytes。
(b)、電池操作模式：0x32 0x43 0x68 0x61 0x72 0x67 0x65 0x72 0x69 0x6E
0x67 0x2E 0x2E 0x2E 0x20 0x20 0x5D
ASCII 內容是 : 2Chargering...
(c)、充電電流資訊：0x49 0x32 0x30 0x30 0x4D 0x41 0x20 0x20
ASCII 內容是 : I200MA , 為200mA進行充電, 為8 bytes。
(d)、電池狀態資訊：0x07 0x06 0x03 0x03 0x08 0x00
ASCII內容是 : VBAT= 7.63V，Cell_BAT = 3.80V
(e)、字串結束資訊：0x0A 0x0D為結尾碼，共計2 bytes。
中華科技大學電子工程系
實驗結果(I)
輪型機械人直行及停止
左邊平面區間
標線座標(1,5)(2,6)(3,7)(4,8)
c1  4 左斜率 m1  1,1  45o
右邊平面區間
標線座標(5,8)(6,7)(7,6)(8,5)
c2  4 右斜率 m2  1, 2  45o
輪型機械人乃直線前進
  m  n  0o
停止前進並起動語音播報
中華科技大學電子工程系
實驗結果(II)
輪型機械人偏左
c1  7  0, c2  0
(1,4)(2,5)(3,5)(4,6)(5,6)(5,7)(6,7)
m1  0.5882, 1   n  30.4655o
  m  n  45o  30o  15o
輪型機械人偏右
c2  7  0, c1  0
(2,8)(3,8)(4,7)(5,7)(6,6)(7,6)(8,5)
m2  -0.4999,  2   n  -26.5650o
  m  n  45o  27o  18o
中華科技大學電子工程系
實驗結果(III)
輪型機械人向左轉
中華科技大學電子工程系
實驗結果(IV)
輪型機械人向右轉
中華科技大學電子工程系
人型機器人動作辨識與模仿
中華科技大學電子工程學系
2012/03/16
系統架構
中華科技大學電子工程系
人型機器人之改裝
中華科技大學電子工程系
AI馬達
中華科技大學電子工程系
無線 CCD 攝影機
傳輸距離為50~100公尺
USB
頻率為900MHz~2.4GHz
動態影像擷取每秒 60張
影像 (FPS=60)
無線傳輸
中華科技大學電子工程系
ZigBee無線傳輸網路
中華科技大學電子工程系
模仿系統主控視窗介面
中華科技大學電子工程系
YCbCr顏色編碼格式 (I)
Y  0.299  R  0.587  G  0.114  B  0
Cb  0.169  R  0.331 G  0.499  B  128
Cr  0.499  R  0.148  G  0.0813  B  128
彩色影像以Y(圖像灰階)作輸出
中華科技大學電子工程系
YCbCr顏色編碼格式 (II)
彩色影像以Cb分量作輸出
彩色影像以Cr分量作輸出
YCbCr顏色編碼格式 (III)
Y軸由0至168的範圍以Cr輸出
(320 x 240)
而169至240的範圍則轉換為Cb輸出
中華科技大學電子工程系
圖像二值化
手部辨識點為紅色、足部辨識點為藍色。
紅色閥值(Cr)設定為145、藍色閥值(Cb)設定為
132。若該點Cr或Cb之值小於閥值，設為白色
(去背景)。否則設為紅色或藍色。
中華科技大學電子工程系
辨識點中心座標
n
 n
  xi  yi
( pxc, pyc)   i 1 , i 1
ny
 nx




px py
( , )
nx n y



中華科技大學電子工程系
26種基本動作模仿
320 x 240
pxc位於0~160
左手與左足動作
pxc位於161~320
右手與右足動作
pyc位於0~168
手部動作
pyc位於169~240
足部動作
中華科技大學電子工程系
縱向手部動作模仿
辨識點落在6號與17號範圍內代表手臂垂下
1號與12號則是縱向手部動作之最高點，表示手
臂舉至最高
中華科技大學電子工程系
橫向手部動作模仿
由於縱向手部動作 X 軸範圍固定，故只需判斷 Y 軸之高度即可；
但橫向手部動作必須同時判斷 X 軸與 Y 軸之位置才可模仿此類
動作。當辨識點落在9號與20號時，表示模仿手臂平舉動作。
中華科技大學電子工程系
距離識別模仿動作
區分 “手肘彎曲使拳頭與肩同高”、“手向前舉至與肩同高” 兩種動作
因此除中心點之座標(pxc , pyc)位置外，還必須以座標點之總數
“nx 與 ny”作為識別手部與胸部距離之依據
當點數大於 60，定義為近；小於 60 則定義為遠；
中華科技大學電子工程系
人型機器人
動作編程介
面
實驗結果
中華科技大學電子工程系