[[alternative]]Research in vision-based fuzzy garage-parking control system

碩士[[abstract]]現今社會科技不斷發展及變遷之下，自動化所帶來的便利與安全性廣受一般廠商的青睞也慢慢被一般社會大眾所肯定，本文將自動化的概念應用到自走車上來完成車輛導引任務，並利用視覺系統作為感測器將影像資訊傳送至主電腦系統再藉由無線傳輸的方式對自走車進行控制且達成停車任務。 在本文中，我們以視覺為基礎對自走車執行倒車入庫任務；首先，為了拍攝整個實驗環境，採用DFK21AF04工業攝影機搭配5-50mm/F1.3鏡頭架設於實驗環境上方，並將影像透過影像擷取卡傳至電腦端；有了環境影像之後，利用影像處理來獲得自走車位置及自走車與水平軸之角度，影像處理如影像校正(image calibration)、色彩空間轉換(color space conversion)、顏色辨識(color Recognition)、連通物件(connected component)、感興趣區域選取(region of interest)及歐蘇法(Otsu’s method)；得到所需的影像資訊後，採用模糊控制器來完成停車任務，並利用自走車位置與自走車方位來當作控制器之輸入；最後，電腦模擬及實際實驗結果來證明此系統是能夠順利對自走車完成倒車入庫任務。[[abstract]]In this thesis, we perform a vision-based garage-parking fuzzy control system for the car-like mobile robot. Firstly, in order to capture the images we set the DFK21AF04 CCD camera and 5-50mm/F1.3 lens above the experiment place. The image is captured by CCD camera and the computer video capture card. Secondly, we process the images to obtain the horizontal location of the mobile robot and the angle between horizontal axis and mobile robot. The image processes includes image calibration, color space conversion, color recognition, connected component, region of interest (ROI) and Otsu’s method. After the image processes, we use the location and orientation of the mobile robot as input variables of the controller. Then two kinds of fuzzy controllers are designed for this system. Lastly, by computer simulation, the control design is proved which can complete the garage-parking mission successfully. Furthermore, the real-time experiments show this control system is feasible and effective.[[tableofcontents]]目錄 論文提要.................................................I 英文摘要.................................................II 圖目錄...................................................V 表目錄...................................................VII 第一章 緒論..............................................1 1.1研究動機與目的........................................1 1.2文獻回顧..............................................1 1.3論文架構..............................................2 第二章 系統架構及硬體設備................................3 2.1實驗系統架構..........................................3 2.2影像處理系統..........................................4 2.2.1 影像定位系統之硬體架構.............................5 2.3 自走車系統...........................................6 2.3.1 BS2微控制器.....................................6 2.3.2 無線傳輸模組....................................7 2.3.3 RC伺服機........................................9 2.4 本章結論.............................................11 第三章 視覺影像處理......................................12 3.1 影像處理架構與流程 .............................12 3.2 影像校正.............................................13 3.3 色彩空間轉換.........................................15 3.4 自走車定位...........................................15 3.5 停車位置判斷.........................................19 3.6 本章結論.............................................22 第四章 自走車系統及控制器設計............................23 4.1自走車系統介紹........................................23 4.2控制器架構及流程介紹..................................24 4.3停車控制器設計........................................25 4.3.1 倒車入庫控制器設計..............................25 4.3.2 前進修正控制器設計..............................28 4.4 模擬結果.............................................30 4.5 本章結論.............................................31 第五章 自動倒車入庫實驗.................................32 5.1 實驗環境與架構 .......................................32 5.1.1 實驗環境........................................32 5.1.2 人機介面介紹....................................33 5.2 實驗結果.............................................34 5.3 本章結論.............................................47 第六章 結論與未來展望....................................48 6.1 本章結論.........................................48 6.2 未來展望.............................................48 參考文獻.................................................49 圖目錄 圖2-1 環境攝影機架設位置示意圖......................3 圖2-2 硬體架構系統流程圖 ............................3 圖2-3 實驗系統流程圖................................4 圖2-4 影像定位流程圖................................4 圖2-5 自走車上方LED擺設圖...........................5 圖2-6 DFK 21AF04 工業攝影機.........................5 圖2-7 5-50mm/F1.3鏡頭...............................5 圖2-8 IEEE 1394 擷取卡..............................6 圖2-9 自走車側視圖..................................6 圖2-10 BS2 控制晶片..................................7 圖2-11 BS2 控制板....................................7 圖2-12 藍芽無線傳輸流程圖 ............................7 圖2-13 ZX-BLUETOOTH 外觀及示意圖.....................8 圖2-14 BS2端之連線程式...............................8 圖2-15 電腦端上的藍芽無線設定..........................9 圖2-16 利用電腦終端機測試藍芽所接收的訊號..............9 圖2-17 對應到BS2上的動作指令...........................9 圖2-18 RC伺服機外觀圖...............................10 圖2-19 RC伺服機控制訊號.............................10 圖2-20 RC伺服機作動控制指令.........................10 圖2-21 PWM訊號關係圖................................11 圖2-22 PWM訊號對前輪轉向之關係示意圖................11 圖3-1 影像處理流程及架構圖.........................12 圖3-2 相機平面置放不同位置取像示意圖...............13 圖3-3 校正原理示意圖...............................13 圖3-4 利用OpenCV取得兩關係矩陣主要程式碼...........14 圖3-5 實際影像校正示意圖 ...........................14 圖3-6 RGB轉YCbCr色彩空間主要程式碼.................15 圖3-7 對紅色LED燈辨識結果..........................16 圖3-8 4連通及8連通表示法 ...........................16 圖3-9 連通物件標籤化結果 ...........................17 圖3-10 利用連通物件與物件特徵達到濾除雜訊效果.......18 圖3-11 自走車與水平軸夾角示意圖.....................18 圖3-12 停車位置判別示意圖 ...........................19 圖3-13 ROI選取示意圖................................19 圖3-14 灰階分佈直方圖...............................20 圖3-15 光線充足之停車格辨識.........................21 圖3-16 光線不足之停車格辨識.........................22 圖3-17 停車位置判別示意圖 ...........................22 圖4-1 自走車動態模型...............................23 圖4-2 模糊控制流程圖...............................24 圖4-3 倒車控制器 歸屬函數及自走車示意圖............26 圖4-4 倒車控制器 歸屬函數及停車位置示意圖..........26 圖4-5 倒車控制器PWM輸出之歸屬函數與前輪轉向關係....27 圖4-6 Rule31說明示意圖.............................28 圖4-7 滿足前進判斷示意圖 ...........................29 圖4-8 前進修正控制器之歸屬函數.....................29 圖4-9 Rule7說明示意圖..............................30 圖4-10 不同初始位置之電腦模擬.......................31 圖5-1 實驗場地.....................................32 圖5-2 攝影機實際架設圖.............................32 圖5-3 自行開發人機介面圖 ...........................33 圖5-4 (a)~(k) 初始位置 (270,140,0) 之倒車入庫實際影像 .............................................35 圖5-5 最短理想路徑倒車示意圖.......................35 圖5-6 (a)~(i) 初始位置 (276,195,0) 之倒車入庫實際影像 .............................................36 圖5-7 (a)~(g) 初始位置 (43,135, ) 之倒車入庫實際影像 .............................................37 圖5-8 (a)~(k) 初始位置 (90,210, ) 之倒車入庫實際影像 .............................................38 圖5-9 (a)~(k) 初始位置 (145,215, ) 之倒車入庫實際影像 .............................................39 圖5-10 (a)~(k) 初始位置 (40,215, ) 之倒車入庫實際影像 .............................................40 圖5-11 (a)~(k) 初始位置 (97,222, ) 之倒車入庫實際影像 .............................................41 圖5-12 (a)~(k) 初始位置 (167,200, ) 之倒車入庫實際影像 .............................................42 圖5-13 (a)~(k) 初始位置 (152,120, ) 之倒車入庫實際影像 .............................................43 圖5-14 前進修正軌跡示意圖 ...........................44 圖5-15 (a)~(k) 初始位置 (260,100, ) 之倒車入庫實際影像 .............................................45 圖5-16 (a)~(k) 初始位置 (290,110 , ) 之倒車入庫實際影像 .............................................46 表目錄 表2-1 RC伺服機規格一覽表...........................10 表4-1 倒車入庫控制器規則庫.........................28 表4-2 前進修正控制器之規則庫.......................30[[note]]學號: 697371705, 學年度: 9