Wiimote红外线室内定位技术与运动控制应用於.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
　　智慧化居住空間之建構與發展為目前政府推動之重大科技發展方向，推動智慧化居住空間不僅可以提昇國人的生活品質，還可以促進相關產業的升級與附加價值，因此將感測器與致動器設計導入智慧化居住空間，使空間具有感應、彈性、與互動性，能因應天氣與居住者的行為，自動產生空間的變形。數百個表層機器人組成的智慧空間極其複雜，所以我們必須聚焦於空間牆體的動態單元實驗，發展精準的定位技術來控制建築表層機器人的位置與運動。常見的定位系統如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
3.1 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」。

3.2 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45度。適當的感應距離(Z)由25至320公分，超過此範圍時，因為IR LED的感應訊號逐漸變弱導致LED光點閃爍或造成點與點之間相互干擾。此外，定位解析度會隨著感應距離(Z)而變動。

45°
Sensing distance

IR LED
Wiimote

圖二 Wiimote camera感應距離與感測角度
3.3 本研究使用之重要Wiimote模組
　　如圖三(a)為Wiimote內建的CMOS影像感測器，接收IR LED的影像之後再經由圖三(c)藍芽晶片無線傳輸至電腦。圖三(b)是Analog Device Inc. 所生產的ADXL330加速規，負責姿態偵測的功能。

(c)Bluetooth
chip
(a)CMOS
VGA sensor
(b)Accelerometer
(3-axis)
圖三 於Wiimote電路中處理室內定位與姿態偵測
之重要元件

3.4 以Wiimote為基礎之室內定位與運動控制系統
　　一般IR室內定位技術的原理是IR標識發射調製的紅外射線，通過安裝在室內的光學感測器接收進行定位，必須在每個房間、走廊安裝接收天線，造價較高，而且容易被螢光燈或者房間內的燈光干擾，在精確定位上有局限性。本實驗室所發展的IR室內定位系統相較於上述傳統的技術的創新之處在於不受室內光線與室外陽光影響。此外，因為我們採用的方式是將IR LEDs固定於天花板或牆壁上，就像街上的路標(Landmarks)，可以藉以確認自己的位置與方向，成本也相對比較低廉。

圖四 IR定位系統之軟硬體架構圖

　　如圖四，IR定位系統以Wiimote為核心，當系統開始運作時，Wiimote前端的CMOS影像感測器會偵測視距範圍內所有的IR LEDs。當Wiimote移動時，影像感測訊號馬上由Wiimote上的Bluetooth chip無線傳輸至電腦的程式語言LabVIEW，由LabVIEW的使用者介面可以觀察到即時的定位資訊。舉例來說，當Wiimote向左移動時，因為所有IR LEDs的位置固定，所以在LabVIEW介面會看到LED光點是往右邊移動，也就是真實Wiimote的移動方向要乘以一個負號。當電腦知道Wiimote的確切位置時，再利用LabVIEW把控制指令傳送至Wiimote使其依照使用者命令移動至指定位置或改變姿態。當系統移動或改變姿態時必定有誤差存在，我們在程式中加入回授命令修正誤差。

4. Wiimote定位精度實驗
4.1 實驗系統之建立
　　為了確保實驗的準確性與可靠性，因此要建立測試平台進行校準。如圖五，有關Wiimote系統的動態實驗都以雙軸線性馬達與防震精密光學桌為測試平台。首先，將Wiimote與IR LED分別固定於線性馬達與光學桌上，彼此之間的距離依實驗性質不同會有所變化。

IR LEDs
CMOS image Sensor
Optical table
Linear motor
10cm

圖五 實驗儀器與設備

　　最初發展Wiimote定位技術時希望能藉由在線性馬達上的實驗證明其定位線性度良好，如圖六所示，Wiimote前端的CMOS影像感測器與IR LED的距離為66公分。固定66公分的原因是整體壓電致動器機構是在滑軌上移動，而滑軌未來會固定於距離天花板大約50至70公分，所以在實驗階段都是以66公分的間距來進行測試。我們測試得知IR LED與Wiimote camera之間的感應距離超過3.2公尺時IR LED光點開始閃爍，訊號接收開始不穩定，當距離超過5.3公尺時IR LED光點完全消失，此為最大的感應距離。當感應距離小於24公分時IR LED光點開始閃爍，訊號接收不穩定，但是Wiimote camera與IR LED之間的距離不斷減少直到完全接觸都還是可以接收到訊號，只是訊號的可靠度已經降低許多。在光學桌的旁邊為筆記型電腦，負責LabVIEW program所擷取到的數據資料分析以及控制線性馬達的軟體程式，LabVIEW單一定位區域X-Y座標介面，範圍是1024*768 pixels。為了達到大範圍區域之定位，本實驗室成功發展多重區域定位(Multi-zone Positioning)功能，將LabVIEW所撰寫之程式與實際上硬體結合完成多重區域定位的實驗測試。圖七(a)為多重區域定位實驗架構圖，將Wiimote固定於線性馬達上，放置三個IR LEDs於光學桌之上，固定Wii- mote camera與IR LEDs之間的感測距離並移動線性馬達來進行多重區域定位的實驗，圖七(b)為Lab- VIEW program的Front panel，美觀整齊的人機介面可以讓使用者清楚且快速的分析資料與方便的儀器控制。

圖六 將Wiimote架設於線性馬達上測試其定位線性度與重現性

(a) (b)

圖七 Multi-zone定位之軟硬體架構圖
(a) Multi-zone定位於線性馬達上之實驗
(b) LabVIEW program (GUI)

經過線性馬達的測試之後，我們將Wiimote設至全向輪機器人平台(Omnidirectional vehicle )，架測試此IR定位系統於居家服務型機器人的應用。圖八為多重定位區域整合之示意圖，將數個彼此間隔1.2公尺的IR LEDs固定於天花板，IR LEDs與全向輪上的Wiimote camera距離2.25公尺。此型號的IR LED發射紅外光的角度大約33.8度，使得整體紅外光的照射範圍形成部分重疊，順利在一維方向整合三個定位區域，一維空間的定位範圍可增加至四公尺。當全向輪平台移動時，Wiimote將定位資訊由藍芽晶片傳回電腦的LabVIEW定位程式，於使用者介面的上半部為Local coordinate，下半部為Global coordinate。在Local coordinate會顯示每個單一IR LED的位置資訊，所有移動的距離包含∆X、∆Y與∆Ө都會累加至Global coordinate得到全域的絕對做標位置。

圖八 多重定位區域整合示意圖

4.2 簡化數據資料並表達正確之實驗結果
　　經過許多重要且關鍵的實驗，才能有效地證明此IR定位系統強大的可靠度。當實驗進行時，LabVIEW會不斷紀錄系統的動態資料，並儲存為Excel檔。將Wiimote固定於線性馬達之上，並且固定Wiimote ca- mera與IR LED之間的感測距離，第一筆資料為線性馬達移動5公分，第二筆為10公分，每次增加5公分至40公分，同時紀錄LabVIEW程式所紀錄之像數變化與線性馬達移動的距離即可得到像數變化轉換位置變化的數據圖，由圖九可見此系統之定位線性度與重現性非常優越，適合室內精準定位之應用需求。將Wiimote固定於線性馬達之上，線性馬達的移動距離除以LabVIEW程式所紀錄之像數變化就可以得到定位解析度，接著改變Wiimote camera與IR LED之間的感測距離再計算一次解析度，感測距離由40公分開始進行實驗，每次增加10公分紀錄一筆資料，最遠至160公分，由於40至160公分是比較適合的感測距離，所以將實驗設定在此範圍之內。

圖九 定位線性度─像數變化轉換位置變化之數據圖

　　如圖十可以得知，當Wiimote camera與IR LED之間的感測距離改變時定位解析度會隨著改變，其趨勢呈現線性的變化。換言之，我們可以直接經由內插法的計算得知在任意的感測距離之下所對應的系統定位解析度。本研究之IR定位系統目前應用於智慧建築的天花板軌道上的動態結構， Wiimote camera與IR LED之間的感測距離大概在40至50公分，其解析度大約是0.35至0.4mm。此外，經過實驗測試，線性馬達的速度由5 cm/s變化至30 cm/s，證明載具的速度不同對於定位解析度與線性度沒有影響。

圖十 不同的感測距離所對應之解析度

5. Wiimote紅外線定位系統之應用
5.1 Wiimote無線訊號傳輸與周邊系統控制
5.1.1 設計構想
　　在Wiimote電路板的尾端有四個SMD LEDs，如圖十一，原本在Wiimote的功能為顯示電量以及代表遊戲進行中玩家的順序。我們將四個SMD LEDs解焊後，希望可以直接使用由SMD LEDs正負接點位置所產生高低準位的數位訊號。將每個負端接地，正端焊上導線之後接到16個Channels的多工器，換句話說，這四個接點所產生訊號的組合由多工器的de- coder決定由其中一個Channel送出訊號，所以4個接點可以有16種指令的變化，以作為單一模組運動控制與整體表層圖形變化之用。

圖十一 Wiimote電路板上的四個SMD LEDs

5.1.2 實驗展示
　　如圖十三，由控制端Wiimote 1將指令傳回Lab- VIEW再把訊號經由電腦下達給被控端Wiimote 2，此訊號經由多工器至BJT放大電流後進入驅動電路使後級的壓電致動器可以前後移動(圖十四)。
(a) (b)

圖十二 IR定位系統、驅動器與壓電致動器實際整
合照片
(a) 利用Wiimote無線訊號控制壓電致動器前後移動之實驗照片
(b) IR定位系統與壓電致動器之整合照片

圖十三 Wiimote無線訊號傳輸與運動控制示意圖

圖十四 動態結構於軌道之運動控制示意圖

5.2 結合全向輪平台與Wiimote之運動控制展示
5.2.1 整體系統之建立
　　藉由控制Wiimote的訊號傳輸展示，除了可以實現運動控制機制，甚至進一步延伸至多媒體與環境感測，如圖十三，4個SMD LED代表4 bits，換言之代表16種指令，所以我們可以配合16 channels多工器，型號為ADI所生產的ADG 406來達到16種與居家環境關係密切的應用，於6.1敘述目前已達成之功能，並舉例說明可能之延伸應用。

(a) (b)

圖十五 Wiimote與全向輪平台之應用示意圖
(a)將Wiimote架設於全向輪平台之實體照片
(b)追蹤光源與伴隨機器人功能示意圖

5.2.2 實驗展示
　　追蹤光源機器人功能如圖十五，架設於全向輪平台上的Wiimote camera鏡頭朝上，我們手持IR LED朝下照射，當LabVIEW的追蹤光源程式執行時，開始左右平行移動IR LED，全向輪平台會同樣跟著IR LED移動。目前正在積極發展伴隨機器人功能，利用群體智慧的概念，當最前方的機器人移動時，後方多個機器人也能夠即時地跟隨移動。

6. 結果與討論
6.1 Wiimote無線訊號傳輸與周邊系統控制之延伸─多功能載具與家電開關控制概念
　　室內空間的表層機器人可視為一動態載體，目前已經成功裝設20顆白光LEDs以供特定區域照明，日後可視情況整合小型風扇、小型投影機、自動灑水系統與自動洗窗機。藉由控制Wiimote與16 channels的多工器能夠達到實現表層機器人的運動控制，例如第一個指令是控制機器人移動至廚房調節氣流狀況，第二個指令是移動至書房照明，第三個指令是移動至客廳投影於牆壁上等等，甚至可以結合無線感測器網路來實現家電開關控制。

6.2 結合全向輪移動平台與Wiimote之運動控制展示之延伸─結合壓電式超音波馬達驅動器之居家機器人應用
　　目前全向輪平台的致動裝置為伺服馬達，接下來將結合壓電式超音波馬達致動器，實現更強大的模組化系統。於天花板或牆壁上移動的建築表層結構負責調節採光與通風以及利用太陽能系統儲能照明，於地板上則由全向輪機器人負責服務性質的工作，我們可以藉由Wiimote定位系統與相關的感測器來控制機器人的動作，例如居家保全與老人照護監控、自動沖泡咖啡或飲料並送至主人面前等等服務動作都是居家機器人的應用功能。

6.3 本研究之展示功能與智慧建築應用之結合
　　本研究結合綠色科技的概念並且應用在智慧建築中。本文所提到的互動式空間牆面主要功能為調節內部環境以及空間彈性使用，一組可回應環境的智慧型表層單元，可感知環境與使用者的狀態，改變自身型態或移動位置，以壓電致動器及相關無線感測與定位技術為主，開發互動牆面表層模組，並規劃應用於互動式窗簾或拉門。將感測器與致動器結合到空間牆體的設計，研發建築空間中：1. 自走變形的趴趴走空間精靈。2. 太陽能充電的空間精靈。多組空間機器人將組合成一機器建築，具有：1. 動態的牆。2. 流動的牆。3. 會發光的牆。4. 會呼吸的牆。

6.4 困難挑戰與未來工作
　　目前定位技術可以涵蓋二維的空間，其範圍大小取決於IR LED與Wiimote camera之間的距離，X軸方向已經成功發展多重區域定位技術，距離擴增至4公尺，但是Y軸方向多重區域定位的LabVIEW程式尚未完成，因為二維方向的定位區域整合比一維的複雜度增加許多，必須考慮許多其它因素，例如X軸與Y軸之間的影響。此外，目前正致力於數個Wiimotes，也就是多個載具的定位整合程式，嘗試在同一個人機介面就可以有效掌控多個載具的動向，並且能夠以自動控制與遙控的方式精準地移動至指定的位置，以上都是目前必須突破的挑戰。目前在LabVIEW人機介面所得到的定位資料是針對四個IR LEDs所涵蓋的區域，往後定位範圍擴增勢必要利用多重飛航管制區的概念，將每個區域的定位畫面整合，並且在人機介面上能夠正確地辨別每個Wii- mote。此外，繼續加強16種運動指令的變化性與實用性，並且實現環境感測與遠端監控照護功能。

7. 結論
本研究目前所展示的功能歸納為以下三點：1.多重區域精準定位之技術。 2.利用Wiimote所產生的訊號傳輸至驅動電路使壓電致動器載具運動。 3.機器人跟隨光源移動。以上功能均建構於室內環境中，實現智慧化生活空間。自動化的建築表層結構整合感測功能不僅可以使家庭環境更加舒適便利，也同時兼顧居家安全的考量，而建築空間表層的圖形變化，更能突顯科技所帶來的力量與美感。

8. 誌謝
　　本文感謝國科會予以補助，計畫編號NSC97-2221-E-006-152-MY3，作者並在此感謝成大機械系姚武松博士以及整合型計劃團隊對於本研究之協助。

9. 參考文獻
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6. 郭家賓，設計室內分區與Wiimote定位技術之吸塵器機器人，元智大學資訊工程系碩士論文，2008。

IR Indoor Localization and Wireless Transmission for Motion Control in Smart Building Applications Based on Wiimote Technology

B-W Chen　1, K-S Ou2, W-C Lin2, K-S Chen1, 2
1Institute of Nanotechnology and Microsystem Engineering, National Cheng-Kung University
2 Department of Mechanical Engineering,
National Cheng-Kung University
NSC Project No.: NSC97-2221-E-006-152-MY3

Abstract
Dynamic structure on the surface of a building would have been interacted by integrating smart vehicle with sensing devices. It can adjust body autonomously to provide more comfortable and convenient environment for people, hence the dynamic structures moving indoor
need extremely accurate positioning. Accuracy of general indoor localization technique is about a few meters to a few centimeters. In this paper, we developed the high linearity and extremely accurate localization technique by utilizing IR LEDs combined with CMOS camera and accomplishing the programs by LabVIEW. Not only does the system can apply to position control and service of household robots, but also it can achieve the dynamic structures of smart building surface with the idea of a group of mechanical gecko. The dynamic structures can vary its patterns, and adjust the light, wind. It also illuminates indoor by LEDs charged from solar cell.
Keywords: Wiimote, IR LED, Indoor Localization, Motion control