彩色影像辨識技術應用於機器人運動控制之研究

課程名稱：運動控制概論學生姓名：沈宗慶班 級：控晶四乙學 號： 4982c065授課教師：王明賢

游天龍彩色影像辨識技術應用於機器人運動控制之研究

南台科技大學電機工程系碩士論文民國94年6月

本論文提出彩色影像辨識技術應用於機器人運動控制之方法，並針對機器足球員競賽及智慧型購物機器人系統，進行相關設計及實作。於機器足球員競賽的應用中，機器人的運動狀態可由 CCD 攝影機取得球場之全域影像來進行球員辨識、定位及運動控制等設計。其運動策略的規劃，於運動進行時，系統將先依球在球場上的區域位置，決定我方機器員的主體策略；之後系統再根據敵我雙方機器足球員的相對位置，以即時策略執行整合控制，此整體策略係以機動性為主要考量，期達成機器足球員間協同合作的團體運動。

摘要

我們了解視覺障礙者（盲人或色盲者），在生活中行走的困難，在於沒有環境顏色、立體視覺、圖像辨識等能力，因此沒有辦法如正常人可行走得非常順利，由此可知機器人欲於環境中運動光憑紅外線及超音波等外部感測器是不夠的，如同人類的雙眼視覺能力一般，吾等必須在機器人中加入機械視覺及圖像辨識等設計，用以辨別環境物件、顏色、大小及位置，提供機器人進行導航與運動控制所需之資訊及依據。

研究動機與目的

然而科技之進步，使得 CCD Camera 的功能提高很多，同時使用彩色 CCD Camera 的影像辨識技術於電子產品中已為主流，早期之灰階影像處理技術已無法有效解決環境辨識之問題。由人類雙眼之彩色立體視覺的功能來看，人類對於環境的感知及物件特徵的判斷，是經由雙眼視差產生之立體影像以及色彩變化和經驗來進行。

利用單部彩色 CCD Camera ，以全域影像辨識技術及區域影像辨識技術，分別應用於機器足球員比賽（ RoboCup Soccer Play ）及購物機器人於賣場上的運動控制。

彩色影像辨識技術

影像擷取至主電腦流程示意圖

一般的 CCD Camera 取得之訊號為 NTSC （ National Television Standards Committee （美國）國家電視標準委員會簡稱）訊號，擷取的速度約為每秒 30 張（ Frames ）。目前一般標準的 CCD Camera 為交錯式掃描（ Interlaced Scan ），其掃描線由左至右、由上至下的掃描等速移動；而較為先進的 CCD Camera 多已採用漸進式掃描（ Progressive Scan ），其取像時感測器在預設的電子快門時間內，進行一次曝光及傳送，透過暫存器依序非交錯式的方式將影像訊號送出，完成全畫面之擷取。

RGB 色彩模型對人的視覺而言是非線性的，因為RGB模型將色調（ Hue ）、飽和度（ Saturation ）、與明亮度（ Luminance ）混在一起，所以造成同樣的空間

距離在感官上造成不同視覺差距。

色彩空間模型概述

RGB 色彩模型

全域影像意指整體運動環境之影像（如於固定場地中活動之小型機器足球員比賽）可由單一 CCD Camera 擷取而得，其影像座標即為運動控制之世界座標。在此類應用中， CCD Camera 角度、位置的擺設及其擷取之世界

座標場地均應保持固定。由於擷取全域影像可獲得運動環境內所有物件之影像，因此可利用物件影像特徵之辨識，來分析多目標物移動之方向、距離和角度，進而作為其運動決策之規劃並賦予物件（機器人）間的運動協調及合作控制。全域影像辨識之應用除了 RoboCup 小型機器足球員競賽外，像是衛星俯視探測地球氣象動態之影像，或停車場監視判斷停車格是否有車子停入等，均可視為全域影像辨識之範圍。

區域影像意指由架設於機器人身上的 CCD Camera 取得之影像，此影像並無法涵蓋機器人運動之全部範圍，因此被稱為『區域』影像。

全域影像及區域影像

全域影像辨識於運動控制之設計

機器足球員系統流程示意圖

機器足球員架構

機器足球員系統流程圖

在機器足球員競賽中，本文設計一個模糊規則庫來使機器足球員於運動中之軌跡更加平滑且流暢，在此規則庫中，設計其模糊輸入變數為目標點與機器人之間的距離為 d ，且目標點與機器人之間與水平的夾角為 φ ，再設定其左右輪馬達的轉速為模糊輸出變數

模糊決策系統

本系統之即時策略將分為邊界處理、射門攻擊、避障模式、防守模式及守門

員防守模式等五個部分

即時策略

首先在此定義 4條邊界線 ( 上、下、左、右 ) ，為距球場邊界往內約 1個車身的距離。若球的座標在此 4條邊界之內，則執行邊界處理之副程式。此副程式係使機器足球員於邊界上球的另一邊自旋來踢開球，使球不致於停留在邊界或死角上。邊界處理副程式流程如圖所示（圖中球之座標為（ b.x , b.y ），機器足球員之座標為（ r.x , r.y ））。

邊界處理

邊界處理副程式之動作流程

射門攻擊之設計如圖所示，圖中 θa表示球與球門中心點之水平夾角， θb表示射門點與球之水平夾角，由於射門點應選在射門成功率最高之位置，故 θa 應等於 θb ，亦即射門點應為延長球與球門中心之線上之一點。假設此點距球中心距離為 k ，故（ ball.x+kcosθb,ball.y+ksinθb ）即為射門點，由於本文設計之機器足球員係以雙面車頭來直接撞擊球的方式進行射門，而不另外設計射門機制。

射門攻擊

射門攻擊之示意圖

此方法的最大優點就是快速簡單而有效率，其控制流程如圖所示。

射門攻擊之動作流程

機器足球員運動策略之避障模式如圖所示，避障成立之條件為我方機器足球員之中心與球中心連線與水平線夾角正負 30°內，若有敵方機器足球員，則繼續判斷我方機器足球員與球的距離 r 是否大於我方機器足球員與他方機器足球員之距離 t ，若此二條件皆成立，便算出其避障點。若有多台敵方機器足球員皆成立時，便先刪除在邊界線外的避障點，再比較出與球最近的避障點，距離最近的避障點即為所要執行的避障點。

避障模式

避障模式之示意圖

避障副程式之流程圖

機器足球員之防守模式，如圖所示，其中 θa 為球和敵方機器足球員與 x軸之間的夾角。當 θb 為防守點和球與 x軸之間的夾角， θb 等於 θa 時，便找一段適合距離 k （防守點至球中心點之間的距離）

防守模式

防守模式之示意圖

防守模式之流程圖

圖所示為守門員之防守邊界示意圖，假設我方為左邊之區域，敵方為右邊之區域；我們將守門員之活動區域設定在上邊線以下、下邊線以上以及防守邊

線以左之範圍。若球靠近上邊線時，守門員將會趨前以左輪為正轉、右輪為逆轉的右自旋動作來踢開靠近防守區域的球，相反地，若球靠近下邊線時，則以左輪為逆轉、右輪為正轉的左自旋動作踢開球，依此來完成防止我方失分之劣勢

守門員防守模式

防守邊界示意圖

守門員防守之流程圖

本文作為馬達設計電路之晶片為 X89C51 ，其相關電路有電源供應電路、振盪電路、 RS-232 電壓轉換電路、電壓保護電路，而晶片接受命令之後的判斷流程如圖

馬達驅動電路之設計

主程式流程圖