KNR機器人實驗手冊：KNRm控制器實驗教材開發（增訂版）

本書是一套應用KNRm控制器之智慧機器人實驗教材，包含基本之感測器與機器人運動控制實驗與實作競賽。配合不同的實驗進度與實作競賽單元，讓使用者可以有效學習機器人相關知識並熟練KNRm機器人控制器的相關應用。教材內容涵蓋基礎LabVIEW機器人程式、馬達控制、機器人感測元件原理與應用、機器人基礎技術實作及機器人作競賽。教學內容將包括程式設計、機器人運動控制、機器人定位、環境感測器、機器人行為控制等等。透過本書之KNRm教學設備與實驗教材之研發，將協助大學院校有一套更適合學生使用之智慧機器人實驗教材，並且更易於擴展於未來之各種機器人競賽與實際應用，有助於機器人教育之推廣。

◎《KNR機器人實驗手冊》最新增訂版！KNRm控制器之控制介面與驅動程式與先前之KNR已大幅更新，為了有助於熟習此新的KNRm控制器，亟需為其開發一套實驗教材，以利學生及對機器人控制有興趣人士使用。
◎美商國家儀器(National Instruments, NI)最新一代之嵌入式控制器myRIO，由貝登堡國際應用myRIO嵌入式控制電路開發出新一代之KNRm控制器，強化了控制器的運算效能，增加更多硬體與感測器支援，並且縮小機身體積，使機器人減少功耗，更為節電。

宋開泰
國立交通大學電機工程學系教授。1989年於比利時荷語魯汶大學取得博士學位。之後便任職於交通大學電機工程學系。同時也是臺灣機器人學會、臺灣智慧自動化與機器人協會、中華民國自動控制學會、中華民國系統學會的理事。研究領域包括移動機器人、影像處理、視覺追蹤、嵌入式系統和機電整合。著有《KNR機器人實驗手冊》。

本增訂版之前一版本「KNR機器人實驗手冊」，是一套以KNR控制器及LabVIEW為平台的機器人實驗教材，是專門為大專學生提供一套實驗以熟習機器人關鍵技術與實務。自出版以來已用於大學部之智慧型機器人實驗課程，成效頗佳。隨著美商國家儀器(National Instruments, NI)公開其新一代之嵌入式控制器myRIO，貝登堡國際應用myRIO嵌入式控制電路開發出新一代之KNRm控制器，強化了控制器的運算效能，增加更多硬體與感測器支援，並且縮小機身體積，使機器人減少功耗，更為節電。從2015年器WRO 大專組競賽KNRm已獲選為官方認可之機器人控制器。KNRm控制器之控制介面與驅動程式與先前之KNR已大幅更新，為了有助於熟習此新的KNRm控制器，亟需為其開發一套實驗教材，以利學生及對機器人控制有興趣人士使用。
機器人是一種整合機械、電子、電機、與電腦資訊之新興高科技產業，需要跨領域機電整合之人才，因此人才之培育將是機器人產業重要之一環。 近幾年來，由於生產自動化之需求，機器人產業持續成長，工業機器人(Industrial robots)之產值屢創歷史新高，尤其是在亞洲部分已成為機器人成長最多的地區。另一方面，由於老人看護及少子化的問題備受關注，服務型機器人(Service robots)亦成長快速，可以預見機器人將是未來另一波明星產業，世界各國皆投入大量經費進行機器人技術開發與產業發展。世界上許多國家皆已將智慧型機器人列入重要產業發展，人才之需求逐漸增加，培育優質專業人才，提升機器人技術與世界接軌，實為當務之急。但目前國內多數大專院校缺乏機器人專業課程，尤其缺少機器人實務之教材與設備，若能開發一套實驗教材，提供大學部學生啟發性機器人實作相關課程，將有助於吸引學生學習機器人科技，以利未來投入機器人相關產業。
本書這是一套應用KNRm控制器之智慧機器人實驗教材，包含基本之感測器與機器人運動控制實驗與實作競賽。配合不同的實驗進度與實作競賽單元，讓使用者可以有效學習機器人相關知識並熟練KNRm機器人控制器的相關應用。教材內容涵蓋基礎LabVIEW機器人程式、馬達控制、機器人感測元件原理與應用、機器人基礎技術實作及機器人作競賽。教學內容將包括程式設計、機器人運動控制、機器人定位、環境感測器、機器人行為控制等等。透過本書之KNRm教學設備與實驗教材之研發，將協助大學院校有一套更適合學生使用之智慧機器人實驗教材，並且更易於擴展於未來之各種機器人競賽與實際應用，有助於機器人教育之推廣。
感謝交大電控所劉鴻燊先生及張岳傳先生協助本書中之實驗程式及教材內容撰寫，感謝交大電機資訊國際學位學程Mr. Susanto協助LabVIEW實驗程式編撰及實驗驗證。

目錄
前言
PARTＩLabVIEW Robotics & 機器人硬體元件實驗
Lab 1 LabVIEW Robotics介紹
Lab 2 KNRm控制器&機器人平台介紹
Lab 3 直流伺服馬達控制實驗
Lab 4超音波測距環境掃描實驗
Lab 5紅外線測距校正&類比訊號輸入實驗
PART II KNRm控制程式 & 機器人實作競賽
Lab 6超音波測距機器人沿牆走實驗
Lab 7超音波測距機器人避障實驗
Lab 8機器人平台遙控與自主避障實驗
Lab 9機器人影像尋標與追蹤實驗
Lab10機器人自主避障尋標實驗

Lab 5紅外線測距校正&類比訊號輸入實驗
1. 實驗目的：
 學習KNRm類比電壓量測方式。
 了解紅外線近接感測器原理與使用方式。

2. 原理說明：
2.1 KNRm類比電壓量測
KNRm主機中內建A/D(Analog-to-digital converter)類比電壓量測通道，可以連接廣泛的感測器並量測感測器的類比電壓，如紅外線、傾斜儀、陀螺儀等感測器。KNRm 主機總共有16組類比電壓通道，分別為二個群組(channel 0-7, 8-15)。使用者可以決定每一個群組為single-ended 或differential 模式輸入。在single-ended模式，感測器的正端可接到某個AI channel，負端可接到AI GND。在differential 模式，電壓數據會由兩個AI channel 組成，例如正端接到AI 0，負端接到AI 1。在single-ended 模式，可量測到的電壓範圍為0V~4.5V。 在differential 模式，可量測到的電壓範圍為 -4.5V~4.5V。
KNRm類比電壓輸入的位置如圖5-1有兩種介面設計，第一為彈簧接頭共提供14個接點，此接點在陣列中表示為2~16。由左至右第3到8的接點為6組類比電壓輸入可使用單芯線與感測器訊號進行連接，而感測器所需之電源則可利用KNRm所提供的電力供應，第1、2個接點為5V電源輸出，第9~14為電源接地。第二種為紅外線測距儀連接埠共兩個，每一個連接埠都有5V、GND與訊號線，此接點在陣列中表示為0、1。所以KNRm最多能夠擁有16組的類比電壓輸入，用來量測感測器的資訊。

2.2 紅外線測距儀工作原理
紅外線測距儀能夠感測前方的物體，生活中應用相當廣泛，如常見的自動感應水龍頭、自動沖水等。KNRm的紅外線測距儀如圖5-2所示為Sharp GP2Y0A21YK0F，有效的感測距離約10~80 cm，工作電壓為4.5~5.5V，輸出的形式為類比電壓。此類型的紅外線感測器如圖5-3採用的是一維PSD(1-D Position Sensitive Detector)的方式進行位置測，PSD能夠在一維空間進行多點的感測，能夠得知入射光線的位置。紅外線感測器具有紅外線(IR)發射器以及一維的PSD元件，當感測器發射紅外線光束至物體表面時，會因為距離不同，將光束反射在PSD元件對應的位置上，依據光線抵達的位置不同，可以推算物體表面的與紅外線感測器的距離。
紅外線感測器會將距離以類比電壓的方式輸出，每一種型號的紅外線感測器都會有個別的測量範圍與電壓-距離轉換方式。以GP2Y0A21YK0F為例，類比電壓的輸出與距離關係如下圖5-4，電壓會隨著距離的增加而減少，僅在10~80公分的範圍間呈反比關係，在電壓與距離轉換的時候需要特別注意。

2.3 KNRm類比電壓輸入與紅外線所使用之vi
KNRm所提供的類比電壓擷取VI能夠以陣列的方式一次擷取16個通道的A/D轉換結果，以及提供一個紅外線測距儀的距離轉換VI供使用者使用。