移行換位趴趴走－智慧型移動平台－robot 機器人

人類需要任勞任怨的助手由來已久，進入科技昌明的世紀，創造機器人的想法一直是科學家戮力追尋的標的之一。早期創造了工業機器人來協助人們進行重複性及危險性的工作，以減輕人類的壓力與負擔，惟其本體多被固定於工作場所，機器人運行時，在操作的範圍內是禁止人類進入的。隨著科技演進，人類對機器人的需要，已從工業上的需求漸漸轉變成日常生活上的需要，例如：清潔機器人、垃圾清運機器人、警衛機器人、接待機器人、保姆機器人、輪椅機器人等，多數要求機器人具備自主移動的能力。然而，隨機器人走進人類生活環境，除了具備越來越複雜的功用之外，對於四周環境的掌握，避免傷害到人類益形重要。在有足夠的能力掌握人類生活環境之下，才能確保機器人的動作皆為符合人類需求。
目前應用在機器人的視覺及距測之感測器，大致可分為紅外線感測器、超音波感測器、攝影機等。攝影機的成像方式，與人類的眼睛相似，目前在機器人的相關研究上，攝影機可當作機器人的視覺感測，然僅作簡單色彩辨識、簡單人臉辨識以及障礙物辨識等。而超音波、紅外線感測器雖然無法作到辨識的功能，但避障及測距的效果優於攝影機，而且超音波、紅外線感測器控制原理與處理方式比攝影機簡單許多，只需要靠接收反射的時間和強度大小來判斷相對障礙物的距離，但攝影機卻需要複雜運算，才能得到相對障礙物的距離。
金屬工業研究發展中心（以下簡稱金屬中心）承接經濟部技術處科專計畫，發展智慧型機器人系統技術，智慧型移動平台為發展主軸項目之一。本文將呈現所研究之移動平台硬體架構，及其避障規劃之法則，使移動平台具備辨識環境，展現自主移動的智慧能力。在硬體架構方面，包含移動平台的運動控制平台、紅外線測距模組、超音波測距模組，接觸感測器模組及影像處理之硬體設計。此自主移動平台整合紅外線、超音波測距模組、及接觸感測器模組擷取環境訊息，並經過數位訊號處理（DSP）晶片進行信號處理、分析，進而建立完整環境信息，以提供移動平台路徑選擇及避障之依據，且利用小型的嵌入式工業級電腦，為影像處理控制核心，來作人臉辨識。未來除自主行動平台伺服運動控制之外，日後在平台上可多增加影像追蹤與人機互動等功能，讓系統更具親和力且更能融入未來的生活當中。

研究目標:
目前智慧型機器人其基礎功能都強調要有障礙物偵測及避障功能，其行走方式大致都採自動探索方式，探索的重點主要在於如何辨別障礙物以及進行避障。攝影機避障方式最主要經由演算法來擷取影像，再經由繁雜運算及經驗上的修改參數，才能明確無誤辨別出障礙物。然而超音波測距感測器，本身發會生出超音波訊號然後在接收其反射之超音波，計算距離的方式是由計算超音波的發射到接收之時間，換算成距離，其感測器比攝影機簡單許多，但超音波感測易受到物體材質及角度的影響，造成接收到許多不必要的雜訊，影響判斷辨識。而紅外線測距感測器，不只是控制的方法甚至到量測的方法，都比攝影機與超音波測距感測器還簡單，紅外線發射之訊號是屬於直線方式傳輸。其訊號發射出去，當碰撞到障礙物後會直接反射到接收端，進而判斷其訊號的強度大小，即可得知距離的遠近。本研究將針對自主式的運動平台進行研究與開發，並加入多感測器，以利平台在運動過程中保有自主避障之功能，以作為未來相關機器人基礎運動平台之參考。
移動平台採用3顆超音波感測模組、8顆紅外線感測模組、及6顆接觸感測模組形成多重感測交互配置架構，作為環境感測之最主要架構，藉此，可尋找最佳路徑作為平台行走的方向，及判斷前方是否有障礙，作為避障之依據。在影像處理部份，藉由影像處理進行人臉追蹤及辨識，以增加移動平台的智慧互動能力，系統架構如下。

硬體模組:
本研究發展具導航避障之多感測器自主移動平台，其系統實體如圖2所示。多感測自主移動平台分為兩個部份：
1.多重感測模組；
2.自主式移動平台模組；
平台在移動過程中，經由多重感測模組擷取週糟環境訊息，此訊息可以提供移動平台進行移動及避障。

圖2 多感測器自主移動平台

1.多重感測模組
（1）環狀紅外線測距模組
紅外線為近距離的感測器，本研究利用紅外線（GPD212）檢測感測器模組，其量測範圍為10cm~80cm之間，當紅外線信號以直線方式打出去，碰到障礙物後直接反射到接收端，其模組利用電壓值的大小來表示信號的強度，則信號強度的大小來表示距離之遠近，其量測之後的電壓範圍為0.4V~2.8V，其感測器實體如圖3所示，其排列的方式設為環狀陣列的方式。

圖3 紅外線GPD212實體圖

（2）環狀超音波測距模組
超音波屬於遠距離的感測器，本實驗利用超音波（SFR05）檢測感測器模組，其量測範圍為1cm~4m，其量測之波束半張角度為12.5之寬度，其波束張角度為25，其波束張角度如此寬廣，易造成無法明確決定障礙物的位置，其排列的方式設為環狀陣列的方式，其實體的正面及反面如圖4及圖5所示。

圖4 超音波感測器（SFR05）正面圖

圖5 超音波感測器（SFR05）反面圖

（3）環狀碰撞感測模組
碰撞感測器是接觸式的感測器，在車型機器人裡用來保護機器人的安全，及避免機器人撞到障礙物，為機器人最後一道防線，雖然只可以接觸式的方式量測，但其感測器的價格便宜其較為穩定，為機器人必備的利器。
（4）機械式人體自動追蹤攝影機感測器
機械式人體自動追蹤攝影機感測器，利用雙軸步進馬達機械方式來自動追蹤與數位變焦，水平轉動可達到180角，而垂直轉動可達到60角，其本研究利用機械式人體自動追蹤攝影機感測器，能夠始自主移動平台增加智慧互動能力，其實體的正面及反面如圖6所示。

圖6 機械式人體自動追蹤攝影機圖

2.自主移動平台模組
自主移動平台模組架構，主要包含：底盤、輪式傳動機械、驅動馬達、馬達驅動模組、數位訊號處理控制系統、嵌入式控制系統、陣列感測模組、機械式人體自動追蹤攝影機及電源供應系統，其系統示意如圖7。

圖7 自主式移動平台模組架構圖

數位訊號處理控制系統，為本研究的運動控制核心。其數位訊號處理控制系統，利用Texas Instruments（德州儀器）公司之TMS320F2812晶片元件，作為控制核心及開發的晶片，此晶片的工作頻率最高達到150MHZ，為32位元定點式數位訊號處理器，研究過程使用的開發板為TMS320F2812 EzDSP實驗板，如圖7所示。此利用本晶片的功能作擷取資料及斷判、運動控制、及傳送資料到嵌入式控制系統，包含利用PWM（脈寬寬度調變）模組來控制馬達的速度，及利用INPUT/OUTPUT模組控制馬達正反轉、利用12位元ADC（類比轉換數位）模組擷取紅外線感測器的資料、利用INPUT/OUTPUT模組來擷取超音波及接處式感測器的資料，及利用RS232串列通訊介面，與嵌入式控制系統傳輸，傳送紅外線感測器及超音波感測器之資料。

圖8 tms320F2812 ezdsp實驗板圖

紅外線測距感測器（GPD212）是類比電壓訊號，需經由DSP晶片中的ADC（類比轉換數位）模組，來轉換成數位資料。其DSP晶片中之ADC模組電壓量測範圍為0~3V，其轉換公式如（式1），經由已知紅外線GPD212感測模組的紅外線的距離與電壓大小關係圖，建構出資料庫，存入到該晶片的記憶體理，然後再將感測器量測出來的數位值，經由轉換公式如（式2），計算出來資料庫的指標，指標的範圍為0~107count，其對應到量測距離的範圍為9~80cm，其指標與量測距離的關係如圖9所示。

圖9 距離與指標關係圖

利用TMS320F2812晶片的一般I/O腳位，作為超音波感測器的觸發腳位，觸發時間為10μs，觸發完成後等待超音波的Echo腳位致動，等待Echo致動時間，作為量測距離的依據，其量測時間為100us~25ms。超音波量測距離的轉換公式如（式3），其超音波在一個大氣壓及溫度25℃的音速為346m/sec，而計數值為進行中斷主程式的次數。
在驅動源部份，本研究的馬達，採用直流馬達，其控制直流馬達的驅動模組為VNH3SP30驅動模組，其實體圖如圖10所示，此模組利用電流來控制直流馬達轉速。而利用DSP晶片（TMS320F2812晶片）的PWM（脈寬寬度調變）模組功能，來控制驅動模組的電流大小，繼而PWM的脈寬寬度的大小來控制直流馬達的運轉轉速。再利用DSP晶片的IO控制模組，來控制直流馬達之正反轉，其達到其移動平台之前進、後退、左轉、右轉及停止。在嵌入式控制系統撰寫人機介面，及利用RS232傳輸格式與DSPIC溝通，把移動平台的得知紅外線量測的距離、超音波量測的距離及移動平台的行走方向資料展現在人機介面，方便得知移動平台的概況，如圖11所示。

圖10 直流馬達驅動模組圖

圖11 嵌入式系統的人機介面圖

一般較常用於自走車避障之多感測硬體架構，大致上可區分為兩種類型：第一類型，是在同一平面上的不同方向佈置多個感測元件，如圖12所示。由於每一個感測元件的偵測範圍通常都有固定限制，所以，此方法是利用在同一平面上，以等比例角度的佈置數個相同規格的感測器，來達到同一平面全方位障礙物檢知和距離量測的需求。相對地，此技術有以下的缺點：
A、感測元件數量少的時候，不容易達到全方位的感測；而數量多時候，相鄰的感測元件信號容易相互影響，造成誤判，如圖13所示。
B、所能夠偵測的範圍高度，皆在同一平面上。

圖12 在同一平面上佈置多個感測元件

圖13 在同一平面上佈置多個感測元件之感測範圍示意圖
（左）俯視圖；（右）側視圖

另外一種同一平面之檢測感知的方法為利用一組具有360度旋轉功能的硬體機械結構，如圖14所示，搭配至少一組感測元件，達到空間中同至少同一平面上之全方位的障礙物檢知和距離量測，此方式雖然可以用比較少數量的感測元件來達到全方位偵測的目的，但是相對地也有以下的缺點：
A、由於感測元件使用的數量比較少，所以無法做到即時性的全方位檢測，只有當檢測元件掃描過的時候，才會獲得該區域的資料。
B、需要加裝一組旋轉機構，所以會增加機構硬體和控制的複雜度。

圖14 360度旋轉功能的硬體機械結構

本移動平台運用了陣列和空間配置的概念，試著改善上述兩種傳統類型的缺點，我們引用以下三項新的概念：
（1）上下兩組可調整感測元件數量多寡的感測陣列：針對所要檢測空間長、寬、高的三維尺寸，可以搭配具有最高檢測性能以及經濟效益的感測元件數量。
（2）如圖14和圖15所示，上下兩組感測陣列位於不同的水平面，而且它們之間的間距是可以調整的：可以克服單一平面感測元件對於高度檢測方面效能的不足。只需要應用硬體架構上的佈置和調整，便可以針對具有不同高度障礙的環境，做全方位的檢測（如圖16所示）。
（3）在上下兩組感測陣列上面，每一個感測元件所在的位置，可以上下相對應地錯開成不同的角度：如圖15和圖16所表示，上層陣列和下層陣列的每一個感測元件，都是以等角度劃分的方式排列在各自的位置上，此一配置方式，不但可以達到360度全方位空間的檢測，而且能夠巧妙地運用所在位置一高一低，相鄰交錯的佈置方式，避免感測元件之間信號相互干擾的窘境。

其利用以上述的創新概念，可以完成一組具備多感測元件的感測器適用於各種不同的空間和地形環境（如圖17、圖18所示）。

圖15 雙層架構—側視圖

圖16 雙層架構－俯視圖

本研究利用上下交錯感測方法與架構，以上下兩層分離的架構，進行感測元件陣列的佈置，以從事立體空間全方位的障礙物檢查和距離檢測，而上下兩層陣列的距離、每一層陣列所需要的感測元件數量多寡及上下兩層感測元件位置的交錯角度，都可以視環境和任務的需要，可自行調整控制，如先前之圖15、圖16所示。而本研究的自主移動平台裝置其示意如圖19所示，於上層平台分佈了四個感測元件，在下層也分佈了4個感測元件，以俯視圖來看，其分佈之方式為平均分佈在360度的圓形中，每個感測元件之間，相差的角度為45度，如圖20、圖21所示。除此之外，亦可於同方向上增加一異質感測器，進行量測，有助於增加可量測的距離，此相互搭配的感測器可為紅外線感測器加超音波感測器。實施過程中，籍由上下層之感測器交錯搭配進行障礙物偵測與距離量測，也增加環狀碰撞感測模組，作為本平台最後一道防線，於再透過軔體邏輯判斷完成障礙的工作。