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物件追踪之两轮机器人
第十三届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告
[作者 呂藝光、陳勁榮、林哲宇]   2019年07月02日 星期二 浏览人次: [8726]

本文自行设计与实现一款双轮物件追踪机器人,以完成双轮自主平衡控制(autonomous balance control)、自主移动控制(autonomous movement control)、物件追踪(object tracking)与避障(obstacle avoidance)等功能。


该机器人是利用控制晶片HT32F52352结合PID控制(proportional-integral-derivative control)来实现双轮自主平衡与移动控制功能。避障功能是利用控制晶片HT32F52352结合模糊控制器来完成。该机器人的物件追踪功能主要是透过LBPH(Local Binary Patterns Histograms)方法实现在多个物件中辨识出特定物件影像资讯。


本文所开发的物件追踪之两轮机器人可进一步延伸至各式两轮机器人,例如居家照护机器人、菜篮机器人、失智者(或小孩)跟随机器人等。相较于四轮及三轮机器人,具有底盘轻且面积小的优点,而且若双轮结构设计佳,则静止平衡所需耗的电量极低。此外,双轮结构亦适合爬坡。


创作动机

创作此款两轮机器人的主要动机,在于制作一个能与人互动的机器人,能够达到追踪以及一些拟人的互动功能,甚至能够达到老人照护的功能,现今的社会趋向高龄化,未来对于老人照护的需求增加,若能以机器人取代一些人力的需求,将能大大减少社会的负担,由此为出发点设计出此两轮机器人。


创作目的

本文的目的主要在于整合两轮机器人的软体及硬体功能,使其能够做出一些简单拟人类的功能。由于两轮机器人属于倒单摆系统,因此具有非线性与不稳定的特性,需要控制器才能使它平衡、前进与后退。本文设计此两轮机器人硬体结构,亦设计以调整其重心来做为移动依据的控制器。


另外,透过人脸影像识别技术来识别特定的脸孔,及利用距离感测模组侦测周围的障碍物,模糊控制器整合即时收到的资料并输出决策命令给两轮机器人,使其即时做出相对行为反应,来达成物件追踪的功能。透过实际实验验证本文所设计的两轮机器人是否能够达到预期的结果,亦透过无线网路即时上传两轮机器人行为的资讯,以监控其状态。


常见的两轮平衡车是以人体来改变两轮平衡车的重心,作为移动的依据。本文设计一机械装置来改变两轮机器人重心,以实现两轮机器人可自主移动的功能。


工作原理

两轮机器人功能

两轮机器人使用六轴加速度陀螺仪、霍尔元件、超音波感测器与平板电脑,来收集两轮机器人当前的状态,包括当前机器人角度、角加速度、前方障碍物距离、轮速、追踪的人脸所在方位等资讯,这些资讯经由控制器计算出适当控制值给马达,使两轮机器人能呈现一个不倒状态且能产生移动行为,同时移动过程亦能避开障碍物,持续追踪特定人脸,完成物件追踪的功能。


MCU功能与元件原理

本文设计两轮机器人使用盛群HT32F52352微控制器IC为主控制器,这颗IC为32bits微控制器,其核心为arm Cortex M0微控制器,相对于传统的8bits微控制器有更强大的计算功能及储存空间。


脸部辨识的处理是利用平板电脑来完成。至于感测器的连结以及通讯,会根据感测器的通讯方式使用对应的功能,有USART及GPIO。感测器读取过程会用到Interrupt,并安排其优先顺序。另外,也会运用各个类型的Timer来计数与计时。关于使用HT32F52352微控制器的功能会在之后的章节详细介绍。


马达驱动器


马达驱动器是两轮机器人重要的控制装置,本文所选用的马达驱动器型号是HB-25,正转时高电位脉波宽度必须在1ms至1.5ms;反转时高电位脉波宽度则是在1.5ms至2ms,而低电位的部分脉波宽度必须大于5.25ms,符合上述脉波宽度需求,才能使马达转动。


因此,我们需要利用利用盛群晶片中BFTM或GPTM的功能来产生PWM(Pulse Width Modulation)讯号,而晶片的功能让本文所设计的PID控制器产生适当工作周期(Duty Cycle),可以使两轮机器人因应当前情况改变马达输出。


MPU6050


本文两轮机器人使用六轴加速度陀螺仪的型号为MPU6050,其能够感测当前的角度、角速度、加速度及温度,此颗感测器的加速度计是以重力加速度来换算当前加速度;而陀螺仪是利用受到外来的力矩影响,可以测量角速度得到状态变化,将感测到的这两个参数做运算之后才能得到当前精准的角度。


此颗感测器内建卡尔曼滤波器,能够有效降低感测的杂讯,提高测量精准度。 HT32F52352微控制器的UART1的中断程序来处理MPU6050传送的资料,以避免其他中断程序会导致资料传送错误。接收到MPU6050传送的资料,再进行解码并给PID控制器运算,最后提供资讯给BFTM改变PWM。


超音波感测器


为了使两轮机器人移动过程具有避障功能,本文以超音波感测器HC-SR04来侦测障碍物的距离,并透过模糊控制器来计算出相对应的控制策略,进而做出避障的动作。


超音波感测器的工作原理是利用模组发射8个40k Hz的声波出去,再来量测讯号是否有返回。如果有接收回传的讯号,感测器就会传出超音波来回的时间,使用者再依照音速(约340 m/s)换算成距离。


此外,由实验经验可知,所量测的物体体积最好大于0.5平方公尺,而触发(trigger)时间最好大于60ms,以免trigger与echo干扰。这部分使用到HT32F52352微控制器中的EXTI0/1来完成。


五个超音波感测器使用过程,是先由主程式轮流发送trigger讯号开始,当感测器收到echo讯号后及触发EXTI,这边是设定为正缘触发,触发后会启动BFTM1开始计数,当EXTI再度侦测到echo变低电位,这时停止BFTM1取出计数值,最后将计数值依据公式换算成时间,计数值对应的秒数有预先做过实验并记录。


霍尔元件


对于两轮机器人的速度控制,则是以霍尔元件作为读取速度的感测器,霍尔元件利用磁场变化来产生输出脉波,没有磁场的时候会输出高电压,而感应到磁场实则输出低电压。


由于本机器人所使用的马达及驱动器有些制程上的误差,导致左右两轮在接收相同的脉波输入时会有不同的转速,所以藉由此方法能得到左右轮速度值进而作速度控制。


这部分使用到HT32F52352微控制器的EXTI2/3来做,相对超音波的处理,这边EXTI内只要负缘触发后便增加霍尔的计数变数一次,接着由于要取得当前速度,这边再使用的HT32F52352微控制器的systick,将reloadvalue设定为3000000时间为0.5ms,这也代表取样时间,每计数完一次先将systick停下,接着利用触发次数*轮直径*Pi*取样时间的倒数,以取得当前速度值。


步进马达与滑轮组


本文使用步进马达搭配滑轮组装置,做为移动的依据,换句话说,利用此装置来调整两轮机器人的重心,使两轮机器人能够前进或后退。而步进马达做为此装置的核心,控制其转动步数改变上面载重物的位置。这部分使用到HT32F52352微控制器的BFTM1中断来处理,利用此Timer来调整步进马达移动的速度。


图1为整体程式的流程,开始后经过初始化进到主程式开始计算所有数值,过程中也等待其他中断读取感测器数值,并且设定中断优先顺序。



图1 : 程式流程图
图1 : 程式流程图

作品结构

两轮机器人硬体架构

图2为本作品所设计的两轮机器人,其包含左右两侧驱动器及马达、一颗12V电池、控制车体重心的滑轮组(内含步进马达)、超音波感测器、霍尔元件、蓝牙传输模组HC-06、平板电脑以及微控制器。


图2 : 两轮机器人
图2 : 两轮机器人

两轮机器人系统架构

两轮机器人的系统架构如图3所示,整体系统架构分别以手机、电脑以及微控制器为核心分成三大部分,手机的部分负责透过蓝牙传送命令给微控制器,以及接收目前两轮机器人之状态值;电脑的部分负责接收影像资讯整合之后传送给微控制器,以及上传所有资讯至资料库;微控制器的部分则是负责接收所有感测器的资讯以及电脑与手机的命令,整合之后,计算所需要的控制策略,输出对应的脉波给马达驱动器,使两轮机器人动作。



图3 : 两轮机器人系统架构图
图3 : 两轮机器人系统架构图

两轮机器人控制系统

本作品使用PID控制于整体倾斜角度与速度控制上,首先由MPU6050(加速度陀螺仪)得到当前角度,当作回授的状态值,再利用参考值(设定角度值为0)和状态值做相减得到当前的误差值,将此误差值乘上PID参数,算出当前所需要的控制值,进而输出至马达,使两轮机器人移动并保持平衡状态。图4为PID系统方块图。



图4 : PID 系统方块图
图4 : PID 系统方块图

人脸识别追踪

本文人脸识别系统是以LBPH演算法所完成,而LBPH演算法原理是以提取待识别人脸之LBP特征相量,与资料库中的人脸影像资料进行比对,寻找相关性最高的结果以完成人脸识别。实验中我们得到所需要追踪的人脸后,计算人脸在镜头中的中心点,透过UART传输,将人脸中心点位置传回给微控制器,再经由PID控制计算左右轮所需要的马达转速,进而达到追踪的功能。


当两个人在萤幕画面中时,程式将所要追踪的人从资料库中进行比对,若比对成功便会框出该追踪对象,若比对失败则将不会在画面中框出,图5为影像追踪之人脸识别。



图5 : 影像追踪之人脸识别
图5 : 影像追踪之人脸识别

超音波搭配模糊控制避障

本作品是利用五个超音波感测模组搭配模糊控制,来达到避障的效果,其感测器摆放位置为前方、左右前方45度以及左右方向,共五个超音波模组,摆放位置示意图如图6所示。


图6 : 超音波摆放位置示意图
图6 : 超音波摆放位置示意图

利用五个超音波接收的值当作模糊控制的输入,并采用三角型归属函数,而我们分别以近、中、远做为三种归属函数,当得到输入值并带入归属函数,得到所需要的归属度之后,将其带入模糊规则库,经过解模糊化得到左右轮控制策略,最后达到避障的效果。


手机APP蓝牙连接

使用者透过蓝牙模组HC-06从手机传送命令给两轮机器人,首先必须先利用Android Studio 设计一个APP介面供使用者使用,此APP具有及时显示资讯的功能,显示目前连接状态,具有控制按钮,让使用者能够透过遥控方式操控两轮机器人。


整体实验功能流程

本文完整实验说明流程图如图7所示,首先开启电源,且进行微控制器初始化,等到两轮机器人进入平衡状态,由手机选择要进入遥控功能或是人脸追踪功能,若选择遥控功能,则接下来动作全以手机APP所控制;若选择人脸追踪功能后机器人进入全自动状态,且等待使用者下达命令找寻追踪之人脸,成功抓取后,判断现况是否需要进入避障状态,若无障碍物则将追踪人脸,最后判断追踪是否完成,若还没完成追踪,则将重复做避障或追踪人脸之功能,直到追踪完成。


图7 : 完整实验流程图
图7 : 完整实验流程图

测试方法

实验功能介绍

为了验证本文所设计之两轮机器人,其硬体和软体整合的效能与可行性,本文透过实验来验证以下三个项目:


(一)透过镜头抓取人脸后进行追踪。


(二)透过模糊控制进行避障。


(三)室内追踪。


首先利用语音下达命令的功能决定欲追踪之对象,并透过镜头抓取人脸后进行追踪,而且两轮机器人能够稳定前进,目的是为了证明此设计是否能够进入稳定状态,解决静摩擦力与动摩擦力转换时会让摩擦系数改变的问题,最后成功追踪目标。


由于在追踪目标的过程中,可能会有碰到障碍物的情形,所以我们必须使两轮机器人自动避开障碍,避开后继续追踪目标,直到追踪完成。


此实验不仅使用PID控制,且加入了模糊控制进行避障,此部份目的是为了测试避障功能是否可行,并且在人脸追踪及避障功能的切换是否正确。


最后由于机器人在室内使用的频率较高,因此对于室内环境的模拟格外重要,接收命令后进行追踪和避障,过程会经过多个直角转弯,难度较高。此次实验测试两轮机器人整体功能是否能够串联起来,并适应室内的环境,同时整合其资讯上传资料库,让使用者能透过网路监看其即时资讯。图8为实验预想路线图,箭头为预想两轮机器人行走路线;实线为障碍物;虚线为人走的路线。



图8 : 完整实验流程图
图8 : 完整实验流程图

下方的实验结果呈现实验过程的时间截图,其中实验时间长度为1至310秒。如下图所示,本文可完成自主平衡控制、自主移动控制、物件追踪与避障功能。



图9 : 实验(二) 预想路线图
图9 : 实验(二) 预想路线图

图10 : 实验(三)预想路线图
图10 : 实验(三)预想路线图

图11 : 实验 (三 )实验结果-1
图11 : 实验 (三 )实验结果-1

(本文作者吕艺光1、陈劲荣2、林哲宇2为国立台湾师范大学电机工程学系1教授、2学生)


参考文献

[1] Segway,来自http://www.segway.com/


[2]云苏,H.和yuta,S.,“用于自给式移动反演摆导航的轨迹跟踪控制”,IEEE / RSI / GI国际会议先进的机器人系统和现实世界,Vol。


[3]草原,F.,D'Arrigo,A.,Colombi,S.和Rufer,A. C.,“Joe:一个移动,倒立的摆锤”工业电子,Vol.


[4] Yeonhoon,K.,Soo。


[5]建鑫徐,赵秦郭和桐恒李,“一个双轮移动机器人Takagi-sugeno型模糊逻辑控制器的设计与实现”。


[6]魏安和扬敏,“两轮自平衡机器人的仿真和控制”。


[7]吴国骏,PID与状态回受控制器应用于倒单摆系统之分析比较」,硕士论文,国立高雄应用科技大学电机工程系硕士班,台湾,2007


[8] Playrobot,来自http://www.playrobot.com/motro_driver/files/ig-52gm.pdf


parallax,来自https://www.parallax.com


[10] 谢伯楷,居家式移动机器人之软硬体设计与控制”,硕士论文,国立台湾师范大应用电子科技学系,台湾,2009


[11] zh any i,from HTTP://呜呜呜.战役-台湾.com/product


[12] Ching-Chang Wong, Hou-Yi Wang, Kuan-Hua Chen, Chia-Jun Yu and Hisayuki Aoyama, "Motion controller design for two-wheeled robot based on a batch learning structure," 2008 SICE Annual Conference, Tokyo, 2008, pp. 772-776.


[13]Q.Jia,X.Cao,H. Sun and J. Song, "A Novel Design of A Two-Wheeled Robot," 2007 2nd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, Harbin, 2007, pp. 1226-1231.


[14] O. Y. Chee and M. S. b. Z. Abidin, "Design And Development of Two Wheeled Autonomous Balancing Robot," 2006 4th Student Conference on Research and Development, Selangor, 2006, pp. 169-172.


[15]J.Zhang,G.Li,F.Liu and Y.Liu,"Design of a two-wheeled self-balance personal transportation robot," 2016 IEEE 11th Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA), Hefei,2016,pp.225-228.


[16] G. R. Yu, Y. K. Leu and H. T. Huang, "PSO-based fuzzy control of a self-balancing two-wheeled robot," 2017 Joint 17th World Congress of International Fuzzy Systems Association and 9th International Conference on Soft Computing and Intelligent Systems (IFSA-SCIS), Otsu,2017,pp.1-5.


[17] W. Qingcheng and F. Jian, "Fuzzy Immune PD Algorithm Applied in the Self-Balancing Two-Wheeled Robot," 2014 8th International Conference on Future Generation Communication and Networking, Haikou,2014,pp.112-115.


[18] T. Ojala, M. Pietikainen, and D. Harwood (1994), "Performance evaluation of texture measures with classification based on Kullback discrimination of distributions", Proceedings of the 12th IAPR International Conference on Pattern Recognition (ICPR 1994), vol.1,pp.582-585.


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