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