TWI618998B - 自動循跡機器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種自動循跡機器人，其包含機器人本體、主要感光裝置、次要感光裝置、運算裝置以及回授控制裝置。主要感光裝置設置於機器人本體前方中心處，感測標的路徑並對應產生主要感光訊號。次要感光裝置設置於主要感光裝置兩側，感測標的路徑並對應產生複數個次要感光訊號。運算裝置接收主要感光訊號及次要感光訊號並以模糊比例運算法則運算主要感光訊號及次要感光訊號之感光值產生比例值。回授控制裝置將比例值與目標比例值進行誤差運算並產生複數個控制訊號。機器人本體之動力輸出裝置根據控制訊號驅動機器人本體移動。

Description

自動循跡機器人及其控制方法

本發明是關於一種自動循跡機器人及其控制方法，特別是關於一種可自動沿一標的路徑且可平穩行走之機器人。

傳統之循跡機器人之運算多為使用單一比例-積分-微分(PID)控制器或雙PID控制器以單顆光源感測器進行標的路徑之循跡，因此，對於一般路徑之循跡具有十分良好之效果。

PID控制器為自動控制領域中常用之控制手法，也是控制領域中最適用的控制器之一。藉由調整PID控制器之三個參數，包含比例參數、積分參數、以及微分參數，可以調整控制系統，以設法滿足設計需求。

然而，傳統之循跡機器人，雖在一般路徑上具有良好的循跡效果，然而，對於較複雜的路徑不易控制，例如，髮夾彎、U型彎等等，而其中之完全比例控制也無法對於直角轉彎能有馬上動作的效果。因此，傳統之控制技術不一定能保證循跡機器人能穩定行走，尤其循跡機器人可能因為PID控制器的參數設定不佳而移動左右晃動過大，導致行走時循跡效率較差。

因此有鑑於上述習知技術之問題，本發明提供一種自動循跡機器人，其包含一機器人本體、一主要感光裝置、複數個次要感光裝置、一運算裝置、以及一回授控制裝置。機器人本體包含一動力輸出裝置。主要感光裝置設置於機器人本體前方中心處，用以感測標的路徑並對應產生主要感光訊號，且標的路徑係包含路徑線條。複數個次要感光裝置設置於主要感光裝置兩側，感測標的路徑並對應產生複數個次要感光訊號。運算裝置經配置以接收主要感光訊號及複數個次要感光訊號，並以模糊比例運算法則對主要感光訊號及複數個次要感光訊號之感光值進行運算以產生比例值，比例值係主要感光裝置及複數個次要感光裝置感測之路徑線條及標的路徑除路徑線條其餘部分所運算產生之感光值之比值。回授控制裝置將比例值與目標比例值進行誤差運算，並產生回授訊號，並對比例值執行與回授訊號相關的回授控制法則，以產生複數個控制訊號，並根據複數個控制訊號產生用於下一次誤差運算的回授訊號。動力輸出裝置係根據複數個控制訊號以驅動機器人本體直行或轉彎。

較佳地，主要感光裝置及複數個次要感光裝置係包含複數個光源感測器。

較佳地，標的路徑係以與環境不同顏色的路徑線條表示，而主要感光訊號及複數個次要感光訊號之感光值係分別表示主要感光裝置以及複數個次要感光裝置對準路徑線條之程度。

較佳地，回授控制裝置係包含PID控制器，而回授控制法則係包含一比例控制、一積分控制及一微分控制三者至少之一。

較佳地，動力輸出裝置係包含複數個馬達以及分別藉由複數個馬達驅動之複數個輪胎，且複數個馬達可依據複數個控制訊號調整速度。

基於上述目的，本發明再提供一種自動循跡機器人之控制方法，包含下列步驟：配置主要感光裝置，設置於機器人本體前方中心處，係用以感測標的路徑並對應產生主要感光訊號，且標的路徑係包含路徑線條。配置複數個次要感光裝置，於主要感光裝置兩側，感測標的路徑並對應產生複數個次要感光訊號。配置運算裝置，經配置以接收主要感光訊號及複數個次要感光訊號，並以模糊比例運算法則對主要感光訊號及複數個次要感光訊號之感光值進行運算以產生比例值，比例值係主要感光裝置及複數個次要感光裝置感測之路徑線條及標的路徑除路徑線條其餘部分所運算產生之感光值之比值。配置回授控制裝置，係將比例值與目標比例值進行誤差運算，並產生回授訊號，並對比例值執行與回授訊號相關的回授控制法則，以產生複數個控制訊號，並根據複數個控制訊號產生用於下一次誤差運算的回授訊號。根據複數個控制訊號控制機器人本體的動力輸出裝置以使機器人本體直行或轉彎。

較佳地，主要感光裝置及複數個次要感光裝置係包含複數個光源感測器。

較佳地，標的路徑係以與環境不同顏色的路徑線條表示，而主要感光訊號及複數個次要感光訊號之感光值係分別表示主要感光裝置以及複數個次要感光裝置對準路徑線條之程度。

較佳地，回授控制裝置係包含PID控制器，而回授控制法則係包含一比例控制、一積分控制及一微分控制三者至少之一。

較佳地，動力輸出裝置係包含複數個馬達以及分別藉由複數個馬達驅動之複數個輪胎，且複數個馬達可依據複數個控制訊號調整速度。

10‧‧‧機器人本體

100‧‧‧主要感光裝置

101‧‧‧主要感光訊號

103、L1、L2、L3、L4、L5‧‧‧光源感測器

200‧‧‧次要感光裝置

201‧‧‧次要感光訊號

300‧‧‧運算裝置

3001-3005、4001-4005‧‧‧態樣

301‧‧‧比例值

400‧‧‧回授控制裝置

401‧‧‧控制訊號

402‧‧‧回授訊號

500‧‧‧動力輸出裝置

5011、5012‧‧‧馬達

502‧‧‧輪胎

600‧‧‧標的路徑

601‧‧‧路徑線條

S701-S705‧‧‧步驟

本發明之上述及其他特徵及優勢將藉由參照附圖詳細說明其例示性實施例而變得更顯而易知，其中：第1圖係為根據本發明之實施例之自動循跡機器人之示意圖。

第2圖係為根據本發明之實施例之自動循跡機器人之光源感測器示意圖。

第3圖係為根據本發明之實施例之自動循跡機器人之單一光源感測器與路徑線條相對位置示意圖。

第4圖係為根據本發明之實施例之自動循跡機器人之複數個光源感測器及路徑線條相對位置示意圖。

第5圖係為根據本發明之實施例之自動循跡機器人之控制流程示意圖。

第6圖係為根據本發明之實施例之自動循跡機器人之控制回授示意圖。

第7圖係為根據本發明之實施例之自動循跡機器人之控制方法示意圖。

第8圖係為根據本發明之實施例之自動循跡機器人之標的路徑示意圖。

於此使用，詞彙“與/或”包含一或多個相關條列項目之任何或所有組合。當“至少其一”之敘述前綴於一元件清單前時，係修飾整個清單元件而非修飾清單中之個別元件。

現請參閱第1圖，第1圖係為根據本發明之實施例之自動循跡機器人之示意圖。如圖所示，本發明之自動循跡機器人，包含機器人本體10、主要感光裝置100、複數個次要感光裝置200、運算裝置300以及回授控制裝置400。而機器人本體10更包含動力輸出裝置500。

現請參閱第2圖至第5圖並一併參閱第1圖。如第1圖所示，主要感光裝置100設置於機器人本體10前方中心處，用以感測標的路徑600並對應產生主要感光訊號101，複數個次要感光裝置200設置於主要感光裝置100兩側，感測標的路徑600並對應產生複數個次要感光訊號201。更進一步，如第2圖所示，本發明之主要感光裝置100及複數個次要感光裝置200包含複數個光源感測器103，因此如第2圖所示，本發明之主要感光訊號101及次要感光訊號201乃是透過主要感光裝置100及次要感光裝置200中之複數個光源感測器103而獲得。

當獲取了主要感光訊號101及次要感光訊號201後，運算裝置300接收主要感光訊號101及複數個次要感光訊號201，並以模糊比例運算法則對主要感光訊號101及複數個次要感光訊號201之感光值進行運算以產生比例值301。

更詳而言之，如第3圖所示，當單一之光源感測器103感測到標的路徑600時，將會有不同的感光值，舉例而言，如第3圖中之由右至左之態樣3001至3005所示，當光源感測器103與標的路徑600於不同之相對位置時，可具有不同之感光值，例如態樣3001至態樣3005之感光值可分別為30、35、40、45、50。因此，可如圖所示，當光源感測器103完全於標的路徑600之上時，感光值為最低，光源感測器103完全離開標的路徑600時，感光值最高，因此如第4圖所示，經由複數個光源感測器103獲得不同之感光值後，可得出主要感光訊號101及複數個次要感光訊號201。

其後，經由回授控制裝置400將比例值301與目標比例值進行誤差運算，並產生回授訊號402，並對比例值301執行與回授訊號相關的回授控制法則，以產生複數個控制訊號401，並根據複數個控制訊號401產生下一次誤差運算回授訊號402。更進一步，回授控制裝置400包含PID控制器，而回授控制法則包含比例控制、積分控制及微分控制三者至少之一。

最終透過包含了複數個馬達5011、5012以及分別藉由複數個馬達5011、5012驅動之複數個輪胎502之動力輸出裝置500，根據複數個控制訊號401驅動機器人本體10移動。

更詳而言之，如第4圖所示，第4圖中之態樣4001至4005分別表示了複數個光源感測器L1至L5對標的路徑600之不同相對位置，如圖所示，中心之光源感測器L3對應主要感光裝置100，其餘之複數個光源感測器L1、L2、L4、L5對應複數個次要感光裝置200。在此，為了解釋與計算上的方便，將標的路徑600之感光值定義為100，而與之不同顏色之環境之感光值定義為0。

舉例而言，標的路徑600可以與環境不同顏色的路徑線條601表示，而主要感光訊號101及複數個次要感光訊號201之感光值分別表示主要感光裝置100以及複數個次要感光裝置200對準路徑線條601之程度。因此，如第8圖所示，標的路徑600中之路徑線條601可為黑線，標的路徑600之外之環境可為白色之背景，因此黑線之感光值可為100，而白色背景之感光值可為0，感光值可利用下列算式得出比例值301之結果。

比例值=偵測感光值/(黑線感光值-白色背景感光值)。

因此若是機器人本體10在路徑線條601之上，光源感測器L3所偵測之感光值為100，比例值301則為100/(100-0)=1，代表左右馬達5011、5012之速 度皆不須修正，而若光源感測器L3所偵測到之感光值不為100，則代表其並未正對著標的路徑600，例如光源感測器L3之感光值為0，光源感測器L1偵測為之感光值為100，則代表L1正對標的路徑600，機器人偏向光源感測器L1側，而比例值301計算出之結果為0/(100-0)=0，因此光源感測器L1側之馬達5011之速度需變為0，光源感測器L5側之馬達5012速度不變，藉此進行轉彎修正，藉此，利用複數個光源感測器L1至L5，可以更為精準地判斷與修正機器人本體10應行進之方向。

現請參閱第5圖至第7圖，其分別係為根據本發明之實施例之自動循跡機器人之控制流程示意圖、根據本發明之實施例之自動循跡機器人之控制回授示意圖、根據本發明之實施例之自動循跡機器人之控制方法示意圖。

如第5圖所示，當主要感光裝置100及次要感光裝置200傳送主要感光訊號101及次要感光訊號201至運算裝置300比例值301後，回授控制裝置400將傳送控制訊號401控制動力輸出裝置500，藉此控制機器人本體10。更進一步，如第6圖所示，運算裝置300不斷地產生比例值301至回授控制裝置400，而後回授控制裝置400將比例值301與目標比例值進行誤差運算，並產生回授訊號402，並對比例值301執行與回授訊號402相關的回授控制法則，例如任意結合比例控制、積分控制及微分控制三者，或者單獨使用，以產生複數個控制訊號401，並根據複數個控制訊號401產生用於下一次誤差運算的該回授訊號402，藉此將不斷的修正動力輸出裝置500之馬達5011、5012之轉速。

最終，可如第7圖所示，透過步驟S701至S705可以使本發明之自動循跡機器人正確且快速地行走於標的路徑600上。

首先，機器人本體10將以步驟S701向前進感測標的路徑600，其後經由步驟S702以主要感光裝置100偵測感光值及以次要感光裝置200偵測感光值，其後經由步驟S703以運算裝置300進行模糊比例運算，再由步驟S704以回授控制裝置400進行誤差運算，最終由步驟S705以動力輸出裝置500修正機器人行進方向，如此由步驟S701至S705反覆不斷控制本發明之機器人本體10前進，可以快速地行進於第8圖中之標的路徑600上之路徑線條601。

藉此，本發明之自動循跡機器人可以在白色地板上貼上「黑色工業膠帶」來當作機器人行走的軌道，不需額外鋪設軌道即可自動依循軌跡行走，且由於是以模糊比例控制方式進行機器人之控制，因此機器人能行進得快速且穩定，而當機器人本體10能行進得快速且穩定，即可運用其搬運物品，而不會使物品滑落掉出，因此不僅可以降低成本，並且更安全。

除此之外，當各種所繪示及討論的元件被放置在不同的位置時，可以理解的是，各種元件的相對位置可以改變，且同時此處仍保有上述所提及的功能。可以設想到的是，各種組合、具體特徵和實施例之子集合係可以被進行，且此子集合仍然落入本說明書的範圍之內。各種特徵和所公開的實施例可以彼此結合或進行取代，而所有這些修改和改變都將落入本發明之所附權利要求所限定的範圍之內。

10‧‧‧機器人本體

100‧‧‧主要感光裝置

200‧‧‧次要感光裝置

300‧‧‧運算裝置

400‧‧‧回授控制裝置

500‧‧‧動力輸出裝置

5011、5012‧‧‧馬達

502‧‧‧輪胎

Claims (10)

1. 一種自動循跡機器人，包含：一機器人本體，係包含一動力輸出裝置；一主要感光裝置，設置於該機器人本體前方中心處，係用以感測一標的路徑並對應產生一主要感光訊號，且該標的路徑係包含一路徑線條；複數個次要感光裝置，設置於該主要感光裝置兩側，感測該標的路徑並對應產生複數個次要感光訊號；一運算裝置，經配置以接收該主要感光訊號及該複數個次要感光訊號，並以一模糊比例運算法則對該主要感光訊號及該複數個次要感光訊號之一感光值進行運算以產生一比例值，該比例值係該主要感光裝置及該複數個次要感光裝置感測之該路徑線條及該標的路徑除該路徑線條其餘部分所運算產生之該感光值之比值；以及一回授控制裝置，係將該比例值與一目標比例值進行誤差運算，並產生一回授訊號，並對該比例值執行與該回授訊號相關的一回授控制法則，以產生複數個控制訊號，並根據該複數個控制訊號產生用於下一次誤差運算的該回授訊號，該動力輸出裝置係依據該複數個控制訊號以驅動該機器人本體直行或轉彎。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自動循跡機器人，其中該主要感光裝置及該複數個次要感光裝置係包含複數個光源感測器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自動循跡機器人，其中該標的路徑係以與環境不同顏色的一路徑線條表示，而該主要感光訊號 及該複數個次要感光訊號之該感光值係分別表示該主要感光裝置以及該複數個次要感光裝置對準該路徑線條之程度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之自動循跡機器人，其中該回授控制裝置係包含一PID控制器，而該回授控制法則係包含一比例控制、一積分控制及一微分控制三者至少之一。
5. 如申請專利範圍第1項所述之自動循跡機器人，其中該動力輸出裝置係包含複數個馬達以及分別藉由該複數個馬達驅動之複數個輪胎，且該複數個馬達係依據該複數個控制訊號調整速度。
6. 一種自動循跡機器人之控制方法，包含：配置一主要感光裝置，設置於一機器人本體前方中心處，係用以感測一標的路徑並對應產生一主要感光訊號；配置複數個次要感光裝置，於該主要感光裝置兩側，感測該標的路徑並對應產生複數個次要感光訊號，且該標的路徑係包含一路徑線條；配置一運算裝置，經配置以接收該主要感光訊號及該複數個次要感光訊號，並以一模糊比例運算法則對該主要感光訊號及該複數個次要感光訊號之感光值進行運算以產生一比例值，該比例值係該主要感光裝置及該複數個次要感光裝置感測之該路徑線條及該標的路徑除該路徑線條其餘部分所運算產生之該感光值之比值；配置一回授控制裝置，係將該比例值與一目標比例值進行誤差運算，並產生一回授訊號，並對該比例值執行與該回授訊號 相關的一回授控制法則，以產生複數個控制訊號，並根據該複數個控制訊號產生下一次誤差運算的該回授訊號；以及根據該複數個控制訊號驅動一動力輸出裝置以使該機器人本體直行或轉彎。
7. 如申請專利範圍第6項所述之自動循跡機器人之控制方法，其中該主要感光裝置及該複數個次要感光裝置係包含複數個光源感測器。
8. 如申請專利範圍第6項所述之自動循跡機器人之控制方法，其中該標的路徑係以與環境不同顏色的一路徑線條表示，而該主要感光訊號及該複數個次要感光訊號之該感光值係分別表示該主要感光裝置以及該複數個次要感光裝置對準該路徑線條之程度。
9. 如申請專利範圍第6項所述之自動循跡機器人之控制方法，其中該回授控制裝置係包含一PID控制器，而該回授控制法則係包含一比例控制、一積分控制及一微分控制三者至少之一。
10. 如申請專利範圍第6項所述之自動循跡機器人之控制方法，其中該動力輸出裝置係包含複數個馬達以及分別藉由該複數個馬達驅動之複數個輪胎，且該複數個馬達係依據該複數個控制訊號調整速度。