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研究生: 李仲凱
Chung-kai Lee
論文名稱: 針對FIRA HuroCup自主避障競賽所開發之嵌入式人形機器人控制系統
Development of an Embedded Humanoid Robot Control System for FIRA HuroCup Autonomous Obstacle Avoidance Game
指導教授: 郭重顯
Chung-Hsien Kuo
口試委員: 蘇順豐
Shun-Feng Su
李敏凡
Min-Fan Ricky Lee
蘇國和
Kuo-Ho Su
鄭吉泰
Chi-Tai Cheng
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 62
中文關鍵詞: 嵌入式系統核心空間避障導航人形機器人機器視覺
外文關鍵詞: Embedded system, humanoid robot, obstacle avoidance navigation, computer visual system, kernel space.
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中文摘要
本論文提出嵌入式的人形機器人運動控制器,此一控制器是以DM3730和XScale PXA270嵌入平台進行開發。此一系統分成兩部分,包含自主避障演算法開發以及人形機器人運動控制裝置驅動程式開發。
本文的自主避障演算法主要是以權重扇形掃描障礙物進行運動分析,借此完成機器人自主避障功能,而此自主避障程式開發於DM3730嵌入式平台上,並以開放式資源開發出具視覺避障嵌入式Linux系統,包含擷取攝影機訊號、障礙物辨識功能以及運動規劃。另一個人形機器人運動控制裝置驅動程式開發於PXA270嵌入式平台上,本文於核心空間(Kernel Space)開發人形機器人步態控制器,包含線性倒單擺模型(Linear Inverted Pendulum Model)軌跡以及人形機器人逆向運動學,並以規劃腳掌軌跡,實現全向步態成果;並使用者空間(User Space)中開發圖形化監控程式之人機介面,機器人狀態與行走;而最後系統以完成FIRA國際型人形機器十項全能競賽之避障(Obstacle Run)項目為本系統實驗與測試的環境。


ABSTRACT
This paper proposes an embedded locomotion controller for an adult-size humanoid robot. A real-time embedded Linux operating system is used to a locomotion controller and a computer visual navigation base on XScale PXA270 and DM3730 platform. The locomotion controller includes locomotion trajectory planning based on Linear-Inverted Pendulum Model (LIPM) and Inverse Kinematics (IK). An omnidirectional locomotion controller is further implemented by using foot placement planning. The computer visual system integrates autonomous obstacle avoidance navigation and a graphic interface to monitor real-time visual feedback and locomotion.
Based on the proposed system architecture, two embedded systems individually process image processing, decision making and locomotion control. DM3730 deals with autonomous obstacle avoidance navigation and sends commands to PXA270 via Universal Asynchronous Receiver / Transmitter (UART). The humanoid robot locomotion control and IK are implemented on PXA270 as a device driver in the kernel space. The multi-core structure runs multiple tasks which increase overall speed for programs. To the proposed obstacle avoidance navigation system, sector scanning algorism and the decision tree are applied to accomplish obstacle recognition and autonomous navigation. Finally, the experiments follow the rules of obstacle run challenge specified in the HuroCup league of the Federation of International Robot-soccer Association (FIRA) to evaluate the performance of the proposed system.

目錄 致謝 I 中文摘要 II ABSTRACT III 目錄 IV 圖目錄 VI 表目錄 VIII 第1章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 研究目的 2 1.2.1 開發FIRA HuroCup自主避障演算法 2 1.2.2 開發具視覺避障嵌入式系統 2 1.2.3 開發嵌入式運動控制器 2 1.2.4 完成FIRA HuroCup自主避障競賽項目 2 第2章 文獻回顧 3 2.1 影像處理與避障軌跡規劃之研究 3 2.2 嵌入式控制開發平台之研究 5 2.3 機器人運學步態控制之研究 7 第3章 研究方法 9 3.1 人形機器人步態系統分析 9 3.1.1 線性倒單擺 9 3.1.2 全向步態產生器 11 3.1.3 末端點軌跡生成 12 3.1.4 人形機器人逆向運學 13 3.1.5 人形機器人正向運動學與步態系統分析 16 3.2 自主避障演算法 18 3.3 開發具視覺嵌入式系統平台 22 3.4 機器人運動控制架構 25 第4章 系統開發 29 4.1 系統整體架構與硬體組成 29 4.2 於嵌入式系統上開發圖形化介面程式 31 4.2.1 PXA270與 MiniGUI 31 4.2.2 DM3730移植QT和OpenCV以及環境建立 32 4.3 運動控制驅動程式 35 4.4 數學函式程式建立 36 第5章 實驗結果 45 5.1 驗證數學函式程式 45 5.2 自主避障之機器人運動控制器系統 51 第6章 結論與未來研究方向 58 6.1 結論 58 6.2 未來研究方向 58 參考文獻 59   圖目錄 圖 3.1 腳底板軌跡規劃之全向步態產生示意圖 11 圖 3.2足部逆向運動學示意圖 13 圖 3.3足部於Y-Z平面(左)與X-Z平面(右)之關節示意圖 14 圖 3.4質心補償流程圖 17 圖 3.5 紀錄末端點軌跡 18 圖 3.6 自主避障演算法流程圖 18 圖 3.7 障礙物物件 19 圖 3.8障礙物底部掃描結果 19 圖 3.9 障礙物權重區劃分 20 圖 3.10 A區權重分配圖 21 圖 3.11 本論文系統架構示意圖 22 圖 3.12 DM3730 CPU : 1GHz ARM Cortex™-A8 Core 23 圖 3.13 DM373實現QT GUI 以及 攝影機擷取 23 圖 3.14 透過V4L2開啟攝影機設備 24 圖 3.15 以V4L2擷取動態影像的流程圖 24 圖 3.16 系統架構圖 25 圖 3.17 PXA270結構圖 (cpu 520 MHz) 26 圖 3.18 PXA270MiniGUI狀態監控之圖形人機介面 27 圖 3.19 機器人運動控制系統架構圖(一) 28 圖 3.20機器人運動控制系統架構圖(二) 28 圖 4.1 文獻[23]大型人形機器人HuroEvolutionAD 30 圖 4.2 HuroEvolutionAD 具有十二個自由度 30 圖 4.3 cmake-gui(跨平台自動建構介面程式) 34 圖 4.4 應用程式系統呼叫 36 圖 4.5正弦函式流程圖 38 圖 4.6餘弦函式流程圖 39 圖 4.7反正弦函式流程 41 圖 4.8反餘弦函式流程圖 42 圖 4.9雙曲正弦函式流程圖 43 圖 4.10雙曲餘弦函式流程圖 44 圖 5.1 PXA270驅動程式 45 圖 5.2驗證數學函式程式輸入條件 46 圖 5.3數值30度、驗證正弦函式 46 圖 5.4數值2、雙曲餘弦函式 46 圖 5.5具自主避障之機器人運動控制器 52 圖 5.6左區塊為透過V4L2取得原始的影像資訊結果 52 圖 5.7自主避障之演算法結果呈現,障礙分布如右區塊所示 53 圖 5.8 PXA270 MiniGUI圖形化介面 54 圖 5.9 GPIO UART流程圖 54 圖 5.10 GPIO UART 輸出0x55封包 55 圖 5.11 腳踝角度比較圖 56 圖 5.12 膝蓋上部角度比較圖 56 圖 5.13 膝蓋下部角度比較圖 56 圖 5.14 腳踝角度誤差圖(Max Error :15.117°) 56 圖 5.15 腳踝角度誤差圖(Max Error :13.64°) 57 圖 5.16 腳踝角度誤差圖(Max Error :6.289°) 57 圖 5.17 控制驅動程式控制雙足機器人原地踏步 57 表目錄 表 3.1s 人形機器人正向運動學 17 表 4.1 HuroEvolutionAD機構規格 31 表 4.2 PXA系統規格和MiniGUI移植項目 32 表 4.3 DM3730系統規格 33 表 4.4 QT版本 33 表 4.5 OpenCV版本 34 表 4.7 建構模組 36

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無法下載圖示 全文公開日期 2019/08/07 (校內網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期 本全文未授權公開 (國家圖書館:臺灣博碩士論文系統)
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