Wiimote红外线室内定位技术与运动控制应用于-机电与微系统动态实验室.doc

Wiimote紅外線室內定位技術與運動控制應用於 智慧建築之研究 摘要 　　建築空間之表層機器人，可透過一智慧載具與感測元件之整合，使建築空間具有互動機能，透過自主調整能力，以提供使用者舒適方便的環境，而多個表層動態模組於室內空間變化與互動必須具備精準的定位功能。一般室內定位技術的精準度大約在數公尺至數公分，本文利用IR LED與CMOS camera搭配LabVIEW程式來實現高線性度的精準定位技術，除了可應用於居家型機器人之位置控制與服務動作，還可以藉由群體機器壁虎的概念來實現智慧建築之表層動態結構，進而達到表層之圖形變化、調節採光與通風以及利用太陽光儲能照明的目標。 關鍵字：Wiimote、紅外線發光二極體、室內定位、運動控制 1. 前言 　　智慧化居住空間目前政府推動，推動智慧化居住空間不僅可以提昇國人的生活品質，還可以促進產業的升級與附加價值智慧化居住空間智慧GPS、RFID、超音波定位，以及新興的無線感測網路技術，例如WiFi、ZigBee、Bluetooth和UWB等廣泛地被應用，但精準度無法達到本研究的要求。除了以上提及的定位技術，還有基於電腦視覺、光跟蹤定位、基於圖像分析、磁場以及信標定位等。此外，還有基於圖像分析的定位技術、信標定位、三角定位等，以上的技術都還處於研究試驗階段。接下來是與本研究相關的紅外線室內定位技術，其定位的原理是，紅外線IR標識發射調制的紅外射線，透過裝設在室內的光學傳感器接收進行定位。雖然紅外線具有相對較高的室內定位精度，但是由於光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。直線視距的問題和傳輸距離較短，而且可能會被熒光燈或房間內的燈光干擾，但是本研究的應用並不會受到以上三種問題的影響。本文的研究目標為建構精準的定位系統以符合建築表層機器人之應用，並且強化定位功能，例如擴大定位範圍與多載具之定位。此外將整合各種環境感測器成為一模組化機構，就像趴趴走的空間精靈精準地遊走於空間表層，實現更方便舒適的智慧生活。 2. 室內定位技術與應用 2.1 整體研究計畫與方法 　　利用CMOS影像感測器搭配IR LED與無線傳輸技術打造精準的定位系統，將系統所得到的定位資訊由藍芽無線傳輸至電腦程式LabVIEW來完成建築表層與居家機器人之控制。首先必須將IR定位系統建構於線性馬達上進行定位線性度與解析度之實驗，以驗證此系統能夠符合高精準度的要求。確認其可行性之後，需將IR定位系統之邏輯控制訊號順利傳輸至後級的驅動電路與壓電致動器，並且完成控制回授功能，使得整體機構能夠精準地遊走於建築空間表層。 (a) (b) 圖一 應用於智慧建築之表層機器人 (a)動態表層單元 (b)整體表層之圖形變化 2.2 室內定位精度與運動控制之目標 　　以本研究之表層動態結構(如圖一)其室內定位的要求至少必須在釐米等級才能準確地控制動態結構的分佈位置與群體移動的目標，本實驗室所發展的IR定位系統其定位精度遠優於一般的定位技術。經過線性馬達實驗測試後，其精準度可達毫米等級。目前此系統之定位精度經過驗證之後符合原先預期的目標，接下來在運動控制的部分，首先必須把IR定位系統與驅動電路結合，也就是將我們所設計的LabVIEW program控制指令經由藍芽無線傳輸至Wiimote，而Wiimote電路板上的四個SMD LEDs之負端接點將訊號發送至後級的驅動電路與壓電致動器來執行各種動作，此時也需要加入閉回路回授控制的功能來修正誤差。 3. Wiimote技術、定位控制與無線傳輸 簡介Wiimote 　　Wiimote是任天堂遊戲主機Wii的主要控制器。外型為棒狀，就如同電視遙控器一樣，可單手操作。上面有幾個簡單按鈕與一個十字鍵，中間還有一個揚聲器，搖桿內具備三向動態感應裝置，徹底改變以往玩家坐在沙發上動的拇指的操作模式，而是要玩家全身動起來，降低遊戲操作難度，真正讓電視遊樂器成為一個全民的娛樂活動。除了像一般遙控器可以用按鈕來控制，它還有兩項功能：指向定位及動作感應。前者就如同光線槍或滑鼠一般可以控制螢幕上的游標，後者可偵測三維空間當中的移動及旋轉，結合兩者可以達成所謂的「體感操作」。 Wiimote之基本構造與特色 　　本文將Wiimote歸納出以下的特色：1.使用藍芽無線通訊技術。2.內建高解析度CMOS影像感測器，本文將其簡稱為Wiimote camera。3.Wiimote camera最多能偵測到四個紅外線燈源。4.Wiimote camera的感測視角為45度。5.成本低。6.定位精準度高。7.搭配IR LED定位時不受室內光線與室外陽光影響。經由實驗得知Wiimote camera的感測範圍如圖二，Wii- mote camera的感測角度約為