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研究生: 吳智逸
Chih-yih Wu
論文名稱: 可規劃系統晶片具立體視覺導引之機械手臂伺服控制
SOPC Stereo Vision Servo Robotic interaction Motion Control System
指導教授: 黃緒哲
Shiuh-jer Huang
口試委員: 黃安橋
An-Chyau Huang
周瑞仁
Jui-Jen Chou
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 92
中文關鍵詞: 立體視覺影像伺服機器人控制可規劃系統晶片
外文關鍵詞: stereo vision, visual servo, robotic control, sopc
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  • 本文主要應用SOPC硬體介面架構具立體視覺導引之機械手臂運動控制系統,並且實現以立體視覺感測輔助之機械手臂與玩家做互動遊戲之手中移動目標物追蹤擷取。傳統的視覺伺服使用單眼視覺,無法得知目標物與攝影機的三維距離,本文採用雙眼立體視覺架構,以求出目標物與攝影機間之三維距離,再將之歸劃為機械手臂之運動路徑,由各軸一起運動,以到達指定目標。機械手臂所使用之控制法則為模糊滑動模式控制器,系統晶片採用美商ALTERA公司生產的Statrix II EP2S60F672C5ES現場可程式邏輯閘陣列(FPGA),CMOS影像感測器採用國內PIXART公司所生產的PAS106BCB283彩色影像感測器,此感測器解析度為356×292。擷取目標物過程先經由雙CMOS攝影機擷取成對影像(stereo image pair)至Nios II發展板,經過影像處理找出符合目標物特徵的部份,再藉由立體視覺演算法計算目標物與攝影機之間的三維距離,最後由Nios II發展板控制機械手臂追蹤並抓取目標物,實驗結果顯示機械手臂能達成即時追蹤目標物並抓取之功能。


    A stereo vision servo robotic system using SOPC hardware technology is developed in this thesis. The Nios II developing board is adopted on the control structure with ALTERA Statrix II EP2S60F672C5ES FPGA chip. The CMOS color image sensor PIXART PAS106BCB283 with 356×292 pixels is adopted. First, on images acquired with two CMOS cameras connected to the Nios II development board, and then the feature of this image pair can be extracted using image processing technique. Secondly, the 3-D position information between the target object and stereo vision system can be calculated by stereo vision algorithm. Thirdly, the relation motion between the robotic end-effector and the target object can be planned to guide robot arm to catch the object. The fuzzy sliding mode control algorithm is employed on each joint doing motion control. Some tracking-and-catch games are planned to implement this stereo vision servo system on the interaction games between player and robot in 3D space. The experiments show that this stereo vision servo system can track and catch a moving target in 3D space and execute some interaction function with player under the limit SOPC computation limit.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖表索引 VII 符號縮寫 XIII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 研究動機與目的 5 1.4 論文架構 6 第二章 系統架構 7 2.1 Nios II發展板與系統晶片之設計 10 2.1.1 Nios II微處理器規劃 13 2.1.2 程式撰寫與燒錄 15 2.2 機械手臂 16 2.2.1 機械手臂反運動學 20 2.2.2 靜態物體抓取之軌跡規劃 21 2.2.3 動態追跡之軌跡規劃 21 2.3 馬達驅動電路 23 2.4 CMOS影像感測器 25 2.5 個人電腦 27 第三章 數位影像處理與立體視覺 28 3.1 色彩內插演算法 31 3.1.1 彩色濾波陣列 31 3.1.2 內插演算法 32 3.2 影像灰階化 34 3.3 中央加權中值法 36 3.4 影像二值化 37 3.5 目標物質心運算 39 3.6 立體演算法 41 第四章 控制理論與控制策略設計 43 4.1 模糊邏輯控制 44 4.2 滑動模式控制 47 4.3 模糊滑動模式控制 50 4.4 機械手臂控制策略 54 4.4.1 決策系統 54 4.4.2 行為策略 55 第五章 實驗結果與討論 57 5.1 模糊滑動模式控制器實驗 58 5.1.1 模糊滑動模式控制器之實現 58 5.1.2 模糊滑動模式控制器之實驗結果 59 5.2 模擬手指運動軌跡 63 5.3 動態手指追蹤 65 5.4 立體視覺解析準確度探討 66 5.5 靜態目標物抓取 67 5.6 尋找目標物與非目標物灰階區間 69 5.6.1 深色背景布幕灰階値統計 69 5.6.2 非目標物之灰階值統計 70 5.6.3 不同目標物之灰階統計 72 5.7 動態目標物抓取 76 5.8 機械手臂遠端控制 78 5.9 實驗結果討論 80 第六章 結論與未來展望 81 6.1 結論 81 6.2 未來展望 82 參考文獻 83 附 錄 88 作者簡歷 92

    【1】 Shirai,Y. and Inoue, H., “Guiding a Robot by Visual Feedback in Assembling Tasks,” Pattern Recognition, Vol. 5, pp. 99-108, 1973.
    【2】 Hill, J. and Park, W.T., “Real Time Control of a Robot with a Mobile Camera,” Proceedings of the 9th ISIR, Washington, D.C., pp. 222-246, 1979.
    【3】 Sanderson, A.C. and Weiss, L.E., “Image-Based Visual Servo Control Using Relational Graph Error Signals,” Proceedings of the International Conference on Cybernetics and Society, pp.1074-1077, 1980.
    【4】 Hutchinson, S., Hager, G. D., and Corke, P. I., “A Tutorial on Visual Servo Control,” IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 12, No. 5, pp.651-670, 1996.
    【5】 Weiss, L. E., Sanderson, A. C., and Neuman, C. P., “Dynamic Sensor-Based Control of Robots with Visual Feedback,” IEEE Journal of Robotics and Automation, Vol. RA-3, No. 5, pp. 404-417, 1987.
    【6】 蔡博智,影像追蹤方法應用在監控系統之研究,碩士論文,中原大學機械工程學系,2002。
    【7】 陳彥良,即時立體視覺物體追蹤系統,碩士論文,中原大學機械工程學系,2003。
    【8】 Marichal,G.. N., Acosta, L., Moreno, L., Méndez, J. A., Rodrigo, J. J., and Sigut, M., “Obstacle Avoidance for a Mobile Robot: A Neuro-Fuzzy Approach,” Fuzzy Sets and Systems, Vol. 124, pp. 171-179, 2001.
    【9】 Han, S.-H., Seo, W. H., Yoon, K. S., and Lee, M.-H., “Real-Time Control of an Industrial Robot Using Image-Based Visual Servoing,” Proceedings of the 1999 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 1762-1796, 1999.
    【10】 Winters, N. and Santos-Victor, J., “Information Sampling for Vision-Based Robot Navigation,” Robotics and Autonomous Systems, Vol. 41, pp. 145-159, 2002.
    【11】 ALTERA, “Altera Development Board Reference Manual, Stratix II Edition,” ALTERA Corporation, 2005.
    【12】 ALTERA, “Altera Embedded Peripherals,” ALTERA Corporation, 2005.
    【13】 ALTERA, “Nios II Software Developer’s Handbook,” ALTERA Corporation, 2005.
    【14】 http://ceeps.colostate-pueblo.edu/met/RobotLab/Mitsubishi/startup.html, 2007.
    【15】 巫憲欣,以系統晶片發展具機器視覺之機械手臂運動控制,碩士論文,國立台灣科技大學機械工程系,2006。
    【16】 http://www.national.com/pf/LM/LMD18200.html, 2007.
    【17】 http://www.pixart.com.tw/ch/productsditel.asp?ToPage=1&productclassify_id=8&productclassify2_id=14, 2007.
    【18】 PAS106BCB283 datasheet, Version 2, Pixart Image Inc., 2002.
    【19】 Jan T. Bosiers, Agnes C. Kleimann, Harry C. van Kuijk, Laurent Le Cam, Herman L. Peek, Joris P. Maas, and Albert J.P. Theuwissen, “Frame Transfer CCDs for Digital Still Cameras: Concept, Design, and Evaluation,” IEEE Trans. On electron devices, Vol. 49, NO. 3, MAR. 2002.
    【20】 林明德,色彩內插演算法之比較與FPGA硬體系統實現,碩士論文,國立高雄第一科技大學,2005。
    【21】 Wu, X., “YIQ Vector Quantization in a New Color Palette Architecture”, IEEE Transactions On Image processing, pp. 321-329, February, 1996.
    【22】 Foley, J. D., van Dam, A., Feiner, S. K., and Hughes, J. F., Computer Graphics: Principles and Practice, 2th Edithon, Addison-Wesley, New York, 1996.
    【23】 方俊富,以DSP為基礎之影像伺服系統及其在X-Y平台之應用,碩士論文,南台科技大學電機工程系,2004。
    【24】 王國樺,桌上曲棍球之影像視覺系統,碩士論文,國立中央大學電機工程研究所,2001。
    【25】 傅培耕,即時物體追蹤之立體視覺導引自走車,碩士論文,中原大學機械工程學系,2002。
    【26】 Zadeh, L. A., “Fuzzy Sets,” Information and Control, Vol. 8, pp. 338-353, 1965.
    【27】 Guang-Chyan Hwang and Shih-Chang Lin, “A stability approach to fuzzy control design for nonlinear systems,” Fuzzy Sets and Systems, Volume 48, Issue 3, Pages 279-287, 25 June 1992.
    【28】 Yu-Sheng Lu, Jian-Shiang Chen, “A self-organizing fuzzy sliding-mode controller design for a class of nonlinear servo systems,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on Volume 41, Issue 5, Page(s):492-502, Oct. 1994.
    【29】 Yager, R.R. and Filev, D. P., Essentials of fuzzy modeling and control, John Wiley and Sons, New York, 1994.
    【30】 Yi, S.Y. and Chung, M.J., “Robustness of Fuzzy Logic Control for an Uncertain Dynamic System,” IEEE Trans. on Fuzzy Systems, Vol.6, No.2, May 1998.
    【31】 黃國希,雙層振動系統之控制,碩士論文,國立台灣科技大學機械工程研究所,1999。
    【32】 林威成,主動式車輛懸吊系統之控制器設計,碩士論文,國立台灣科技大學機械工程研究所,2000。
    【33】 謝欣瑋,氣壓平台之運動控制,碩士論文,國立台灣科技大學機械工程研究所,2000。
    【34】 蔡金波,機器人於自動化組裝之應用,碩士論文,國立台灣科技大學機械工程研究所,2003。
    【35】 蘇明田,光碟機控制器之設計應用,碩士論文,國立台灣科技大學機械工程研究所,2004。
    【36】 王振權,單向加熱器溫度系統之控制器設計,碩士論文,國立台灣科技大學機械工程研究所,2005。
    【37】 王世賢,長行程奈米定位系統之控制器設計,碩士論文,國立台灣科技大學機械工程研究所,2005。
    【38】 林淑怡,X-Y精密定位平台於彩色濾光片影像對位控制之應用,碩士論文,國立台灣科技大學機械工程研究所,2006。
    【39】 Kofman, J., Xianghai Wu, Luu, T.J., Verma, S., “Teleoperation of a robot manipulator using a vision-based human-robot interface,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on Volume 52, Issue 5, Page(s):1206-1219, Oct. 2005.
    【40】 Kung, C. C., and Lin, S. C., “A fuzzy-sliding mode controller design,” IEEE International Conference on Systems Engineering, pp.608–611, 17-19 Sep 1992.
    【41】 Chen, T.C., and Hsu, J.U., “A fuzzy sliding mode controller for induction motor position control,” IECON '94, 20th International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation, Vol. 1, pp. 44-49, 5-9 Sep 1994.
    【42】 Qiang Xie, Graefe, V., Vollmann, K., “Using a knowledge base in manipulator control by calibration-free stereo vision,” Intelligent Processing Systems, 1997. ICIPS '97. 1997 IEEE International Conference on Volume 2, Page(s):1307-1311 vol.2, 28-31 Oct. 1997.
    【43】 Zergeroglu, E., Dawson, D.M., de Querioz, M.S., Behal, A., “Vision-based nonlinear tracking controllers with uncertain robot-camera parameters,” Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on Volume 6, Issue 3, Page(s):322-337, Sept. 2001.
    【44】 Ibanez, I., Aguirre, M.A., Torralba, A., Franquelo, L.G., “A low cost 3D vision system for positioning welding mobile robots using a FPGA prototyping system,” IECON 02 [Industrial Electronics Society, IEEE 2002 28th Annual Conference of the] Volume 2, Page(s):1590-1593 vol.2, 5-8 Nov. 2002.
    【45】 Hrach, D., Brandner, M., Fossati, P., Marta, S., “Intelligent vision-sensor for robot-sensing applications,” Robotic Sensors: Robotic and Sensor Environments, 2005. International Workshop on 30 Sept., Page(s):37-42, Oct. 2005.
    【46】 Chaumette, F. and Hutchinson, S., “Visual servo control. I. Basic approaches,” Robotics & Automation Magazine, IEEE, Volume 13, Issue 4, Page(s):82-90, Dec. 2006.
    【47】 Chaumette, F. and Hutchinson, S., “Visual servo control. II. Advanced approaches [Tutorial],” Robotics & Automation Magazine, IEEE, Volume 14, Issue 1, Page(s):109-118, March 2007.
    【48】 http://www.altera.com/, 2007.
    【49】 CIC, ALTERA Training manual-FPGA Design with Quartus II, 2003.
    【50】 ALTERA, “Nios II Hardware Development Tutorial,” ALTERA Corporation, 2005.

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