基於立體視覺之路徑追蹤控制器設計

Abstract

本論文闡述了立體視覺於機器人導航的運用，並將其定位在協助盲胞或有視覺傷害者於複雜環境中的行動，避免視覺障礙者行走時碰撞到障礙物或其他人。文中探討了立體視覺的矯正，並對此提出了一個解決方法。為了達成導航及閃避障礙物的功能，我們於機器人行進時隨時更新局部路徑，然後讓機器人追蹤這條局部路徑。於路徑規劃方面，我們將每一個時刻所估測到物體距離做成距離直方圖型式的環境描述，並根據距離直方圖配合方向權重函數搜尋一條安全且快捷的路徑。本文另一個重點是設計局部路徑追蹤控制器，我們以Lyapunov stability method設計了一個穩定控制器，並且於理論上或實驗中，我們都驗證了此控制器的可行性。

In this study, we developed a navigation algorithm for autonomous mobile robot (AMR) using stereo vision. We focused on helping blind or visually impaired pedestrians to go through complicated environment and avoid obstacles. We first propose a solution for rectification of stereo vision. In order to navigate the robot and avoid obstacles, we update the local path when the robot is moving. The robot then tracks this path using a path tracking controller. In the path planning, we make use of a Distance Histogram for environment description ,which is made up of distance estimated from the vision system. Based on the Distance Histogram and Directional Weighting Function, a safe and quick path can be found. Another important work in this study is to design a local path tracking controller. We designed a stable controller using Lyapunov stability method. The effectiveness of the proposed methods is verified by both simulation and experiments. 中文摘要 i 英文摘要 ii 誌謝 iii 目錄 iv 圖例 vi 表格 ix 第一章 緒論 1-1 1.1 影像導航與過去相關的研究 1-1 1.2 路徑追蹤控制器 1-3 1.3 問題描述 1-5 1.4 章節說明 1-7 第二章 系統簡介 2-1 2.1 機器人本體介紹 2-1 2.2 控制系統架構 2-2 2.3 立體影像系統 2-2 2.4 伺服控制系統 2-3 2.5 工業電腦 2-5 第三章 立體視覺 3-1 3.1 立體影像系統之影像矯正(Rectification) 3-1 3.1.1 各座標系之定義(Coordinate definition) 3-2 3.1.2 矯正方法 3-3 3.1.3 矯正實驗結果 3-6 3.2 立體匹配(Stereo matching) 3-9 3.2.1 相似度量測 3-9 3.2.2 多視窗與左右協調限制 3-11 3.2.3 相似度門檻值與絕對差異值合 3-15 3.3 立體視覺 3-17 第四章 路徑規劃 4-1 4.1環境模型 4-1 4.1.1各種不同的環境表示法 4-1 4.1.2 Distance Histogram的補缺 4-2 4.1.3 不同掃描線Distance Histogram的融合 4-3 4.2 局部路徑規劃 4-4 4.2.1 Distance Histogram與導盲車座標系的關係 4-4 4.2.2 不同時刻Distance Histogram的融合 4-5 4.2.3 不同時刻Distance Histogram的融合結果 4-7 4.2.4 局部路徑規劃 4-9 第五章 路徑追蹤控制器 5-1 5.1 Lyapunov-based control 5-1 5.2 車體運動狀態分析 5-1 5.3 誤差姿態(Error Posture) 5-2 5.4 參考姿態(reference posture) 5-3 5.5 控制器設計 5-5 5.6 位置估測 5-7 5.7 本章結論 5-9 第六章 實驗 6-1 6.1 立體視覺 6-1 6.1.1 影像矯正(Rectification) 6-1 6.1.2 Distance Histogram與局部路徑規劃 6-2 6.1.3 物體表面平均距離量測 6-4 6.2 追蹤控制器模擬與實驗 6-5 6.2.1 步階響應 6-5 6.2.2 參數對響應的影響 6-11 6.2.3 各種角度路徑響應 6-13 6.3 導航實驗 6-15 第七章 結論與未來展望 7-1 7.1 結論 7-1 7.2 未來展望 7-1 參考文獻 8-1