市圖還書 1 本 : 迎接人形機器人時代

這本書有人預約須還 : 

1. 迎接人形機器人時代 : 解讀未來語言的機械奇蹟 /

此書主要介紹人形機器人的產業發展與未來願景, 這領域的領頭羊是麻省理工學院的 Mark Raibert 於 1983 年創立 的波士頓動力公司. 該公司於 1992 年從 MIT 獨立出來, 2005 年與美國國防部 DARPA 合作開發四足機器人, 陸續推出 Big Dog, Wild Cat, Petman, Atlas, Spot, Handle 等令全世界驚艷的成果. 不過由於無法滿足實際應用需求, 來自美國軍方的支援減少, 於 2014 年被谷歌收購, 但礙於技術遲遲無法商業化, 2017 年被轉賣給日本軟銀, 2020 年第三度轉手, 被南韓現代集團併購. 

人形機器人的上游核心零部件與工業機器人相同, 包含驅動系統 (伺服機, 減速機), 控制系統 (控制器), 與感測器構成, 這三大系統成本占比約七成 (減速機:伺服機:控制器=35:20:15), 但人形機器人自由度高, 減速機與電機成本占比會更高. 人形機器人產業鏈中以減速機的毛利最高 (約 40%), 日本哈默那科是諧波減速器的領頭羊; 控制器部分日本發那科則為世界龍頭. 

值得注意的是, 在 2014 年之前, 日本與南韓在人行機器人專利申請上占據主導地位, 起步較晚的中國則在 2014 之後逐漸趕上, 複製了在 5G 發展上同樣的態勢後來居上, 2022 年中國超越日本成為專利數量世界第一, 不過主要集中在基礎結構方面, 在感知器部分則落後於日韓等國. 在專利集中度 (該國專利數量前三申請人專利數量占該國申請總數比數) 方面以日本最高, 表示日本已在人形機器人專利上形成壟斷態勢. 

關於卡爾曼濾波器

曾在一本機器學習與 OpenCV 影像處理書籍中看到卡爾曼濾波器, 最近在關於機器人控制的文章中又讀到這名詞, 所以就花了點時間了解一下, 發現它的應用非常廣泛, 而且一個甲子過去了還是歷久彌新, 連自駕車與無人車也用上了, 參考 :

# 機器人運動估計算法卡爾曼濾波
# 卡爾曼濾波在機器人視覺領域的應用（一）
# 卡爾曼濾波在機器人視覺領域的應用（二）
# 自動駕駛基礎之——如何寫卡爾曼濾波器？

摘要如下 :

卡爾曼濾波器演算法是一種自回歸 (自適應) 預測方法, 只需要前一時刻狀態之預測值以及目前狀態之觀測值即可計算當前狀態的預測值, 不需要大量的歷史資料學習即可進行預測. 由於它能根據一組包含雜訊的不完全觀測值預測動態系統之狀態, 效率比倒傳遞神經網路高, 被廣泛應用在機器人, 信號處理, 軌跡預測, 航空器導航, 金融與計量經濟學, 以及自動控制系統等, 例如阿波羅計畫的太空船導航電腦即使用了卡爾曼濾波器.

卡爾曼濾波器以其主要貢獻者匈牙利裔的美國數學家卡爾曼  (Rudolf E. Kalman) 博士命名, 他被譽為系統理論之父 (the father of system theory). 他在 1960 年提出的兩篇論文中以狀態空間描述時變動態系統, 卡爾曼濾波器演算法的雛形於焉誕生, 不過藍德公司 (RAND) 公司的雷達專家 Peter Swerling 在 1958 年也提出過類似的演算法. 此演算法基本上就是一個帶有雜訊項的一階遞迴預測器. 首次實作出卡爾曼濾波器的是 NASA 太空專家 Stanley F. Schmidt, 並於後來的阿波羅登月計畫中被用來預測太空船之行進軌道.

卡爾曼濾波器的原理建築在線性代數與隱藏式馬可夫模型上, 所觀測的對象基本上是用一個被高斯雜訊所干擾的動態系統來描述 (稱為 first-order Gause-Markov model), 而此動態系統則可用一個隱藏式馬可夫鏈表示. 與其他濾波器不同的是, 卡爾曼濾波器是一種純粹的時域濾波器, 可在實時 (real-time) 系統中運作, 在實作上不需要先在頻域設計好後再轉換成時域, 而且除了前一狀態量外, 不需要儲存歷史資料, 適合在記憶體很小的嵌入式設備中實現, 例如 Arduino 控制器, 參考 :

# 一階/二階/卡爾曼濾波比較
# 卡尔曼滤波学习笔记
# Arduino讀取MPU6050陀螺儀數據——卡爾曼濾波算法實踐
# https://github.com/regishsu/arduino/blob/master/balance5/balance5.ino

卡爾曼濾波器是一個遞迴估計 (recursive estimator) 演算法, 其運作包括預測 (prediction) 與更新 (update) 這兩個步驟, 根據信號與雜訊的狀態空間模型, 在預測階段, 濾波器使用前一狀態預測值計算 (加權) 當前狀態預測值; 而在更新階段則以當前狀態的觀測值優化在預測階段獲得的預測值以獲得一個更精確的新預測值, 亦即, 卡爾曼濾波器任一時間點的預測值只與前一個預測值以及高斯雜訊項有關. 所以卡爾曼濾波器其實就是透過觀測值來重構系統的狀態向量, 不斷地進行 "預測-觀測-更新" 迭代, 根據觀測值來消除隨機雜訊干擾, 使系統從被雜訊汙染的狀態中回復本來面目.

參考 :

# 維基 : 魯道夫卡爾曼
# 卡爾曼濾波 (Kalman Filter)
# 什麼是卡爾曼濾波
# 使用觀測器 / 卡爾曼濾波器識別法線上預測台灣金融股票

2020-05-14 補充 :

我在一般 DSP 書上找不到卡爾曼濾波器的資料 (是因為它不是頻域濾波器的原因嗎?), 只在下面這本書的第六章找到 Kalman filter 的介紹 :

# Learning Approaches in Signal Processing (參考 Table of Content)

Source : www.routledge.com

不過在 OpenCV 的書上倒是看到蠻多應用的.

2020-05-15 補充 :

CRC 出版的 "Handbook of Signal Processing in Acoustics" 的 3.4.1 節也有介紹.

2020-05-18 補充 :

北卡羅來納州立大學的兩位資工系教授為了授課撰寫了一本卡爾曼濾波器的小書, 從機率統計開始扼要講述基本原理, 到線性卡爾曼與擴展卡爾曼濾波器, 很值得參考 :

# http://www.cs.unc.edu/~tracker/media/pdf/SIGGRAPH2001_CoursePack_08.pdf

他們還整理了卡爾曼濾波器的參考資料於下列網頁 :

# http://www.cs.unc.edu/~welch/kalman/

另外母校有一本原文書也不錯 :

# The Kalman filter in finance

下面這篇最吸引我興趣, 介紹無人機飛航控制 (MATLAB) :

# Introduction to Aerial Robotics-States Estimates and Coding Examples

下面這篇則是以實例解釋卡爾曼濾波器應用 :

# Kalman Filter Applications

下面這篇以 Python 語法實作卡爾曼濾波器 :

# Kalman Filters: A step by step implementation guide in python

創客經濟與聊天機器人課程

連續兩天聽了兩個線上課程, 昨天是高雄軟體園區的智觀公司講師介紹創客經濟 Maker 的現況與發展; 今天則是由創新專家李偉俠談線上聊天機器人應用現況與趨勢. 昨天的課因為我已接觸過 Arduino, 所以激起的火花較少; 不過老師提供的三個主題相關連結值得一看 :

德國工業 4.0 的震撼

The World's First Social Robot for the Home

A Day in the Life of AltSchool's Middle School

下面這篇則是一篇關於創客類型, 創客生態圈, 以及技術在此生態圈所扮演角色的綜合報告, 此文揭示了企業該如何在此波風起雲湧的創客運動中獲益 :

# A movement in the making

而今天的聊天機器人課程則讓我眼睛為之一亮, 除了簡介如何利用 Manychat App 來製作 FB 聊天機器人外, 還介紹了英語學習機器人, 點餐機器人, 以及金融理財機器人 :  

# http://www.linguo.org/   (英語學習機器人)

# https://www.tacobell.com/feed/tacobot   (點餐機器人)

# https://www.abe.ai/    (金融理財機器人)   

# http://speaklyn.com/   (輔助 FB 聊天機器人)

# https://www.motion.ai/    (聊天機器人)

# https://wit.ai/   (聊天機器人)

講師李偉俠老師也是譯者翻譯工具 Termsoup.com 的共同創辦人, 此網站整合了翻譯記憶 (Translation Memory) 與 Google 翻譯等各大網站資源, 讓翻譯工作者不必跨網站查來查去, 一站式解決方案讓譯者更快速完成工作. 參考其展示網頁 :

# https://termsoup.com/welcomes/demo

李偉俠老師也寫過一本教導創客如何募資的書, 參考 :

# 新創募資教戰：如何讓投資人不想錯過你

語音辨識合成 IC 與模組

我在 "Arduino  實作入門與應用 (松崗, 陳明熒)" 這本書的第 14 章 "Arduino 說中文" 讀到中文語音合成晶片 SD178A 的介紹 :

Source : UDN

SD178A 為國內翔音科技設計製造, 可以使用 BIG5 碼做 TTS (Text To Speech) 語音合成, 沒辦法直接輸入中文就發音, 而是需先以內碼查詢軟體將其轉成 BIG5 內碼後才能使用, 參考 :

# 翔音科技 : SD178A 中文文字轉語音IC
# SD178A_B3 中文字轉語音 模擬板
# 多功能智慧型語音撲滿技術架構

不過 SD178A 其合成之語音未做韻律處理, 發出的語音聽起來感覺較生硬, 機器感很重, 適合用於短字詞合成, Youtube 有相關影片:

我在露天對語音辨識與合成晶片做了一番調查, 發覺現在這類模組都還蠻貴的, 起碼都要 400 元以上. 大致來說, 非特定語者語音辨識晶片以 LD3320 系列較為廣用; 語音合成晶片以 SX6288/SYN6288 晶片為主, 而語音播放模組 (SD 卡) 則以 WTV020SD 晶片較受歡迎.

露天找到的現成模組如下 :

一. TTS 語音合成 :

# 《德源科技》TTS中文語音合成模塊SX6288A語音模塊語音合成開發板 $350
# 《德源科技》TTS中文語音合成SX6288A語音播報模塊語音模塊語音開發板 $410
# 思修電子TTS中文語音合成SX6288A語音播報模塊語音模塊語音開發板 $RMB40
# B20 TTS串口語音合成模組SYN6288/ 51單片機C源碼 $473
# 【秋葉原電腦周邊-旗艦店】㊣ SYN6288 TTS語音模組 語音合成模組 文本轉聲音模組 $500
# 《德源科技》SYN6288 TTS語音模塊 語音合成模塊 文本轉聲音模塊
# SYN6288 TTS語音模組 語音合成模組 文本轉聲音模組 W70[276609-045] $676
# DFRobot Speech Synthesizer Bee語音合成模組Arduino xbee相容 $890
# SYN6288-A語音合成模組使用手冊.pdf
# $米樂優活館$通泰 TONTEX TT5665 語音合成 IC $20
# 《德源科技》中英文語音合成 TTS 語音模塊 方言 TTS合成 串口語音 $1130

二. 語音辨識 :

# 【秋葉原電腦周邊-旗艦店】㊣ LD3320非特定人語音識別模組 / ASR 帶咪頭 帶有源晶振 LD3320語音識別模組 $550
# 熱賣 語音辨識模組 LD3320 一體化帶單片機、IO 技術支援 (LDV7) $890
# 【秋葉原電腦周邊-旗艦店】㊣ 語音辨識 模組 LD3320晶片 非特定語音 語音播放 提供STC系列參考程式 $980
# 語音識別模塊 LD3320 壹體化帶單片機、IO 技術支持(C4B4) $700
# 【秋葉原電腦周邊-旗艦店】 LD3320 SPI 語音識別模組 非特定人聲 語音控制 語音模組 開發板 $720
# 微雪 LD3320 語音模組 語音識別模組 非特定人聲 語音控制 直排針 $680
# 【秋葉原電腦】LD3320 ASR語音模組 非特定語音識別 機器人語音控制 送晶振咪頭 / LD332X非特定人語音識別模組 $580
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三. SD 卡語音模組 : 

# CJMCU Audio WTV020SD 語音模組 SD卡語音模組 遊戲機語音模組 W10 ★ 265080- 039 ★ $225
# WTV020-SD語音模組 SD卡語音模組 遊戲機語音模組 MP3模組 ★264108-039 ★ $195
# WT5001M02-28P 高音質 wav MP3語音模組 SD卡模組 U盤語音模組 支援TF / SPI MP3播放模組 $290
# MP3模組 / BY8301-16P MP3 WAV串口模組 自由下載 MP3多路語音模組+內置3W功放 $290
# ►455◄WTV020-SD語音模組 SD卡語音模組 遊戲機語音模組 XD-10 $180
# Finite State Machine with Arduino Lab 3.pdf
# https://www.maketecheasier.com/arduino-enthusiast-ebook-bundle/

參考資料 :

# LD3320 Datasheet
# Arduino系列教程十：语音识别模块 LD3320
# arduino uno\mega 2560与ld3320语音识别模块的匹配
# Experiment with LD3320 using teensy 3
# Speech Recognition Module (Read 9904 times)
# SPEECH RECOGNITION ON AN ARDUINO
# µSpeech Speech recognition toolkit for the arduino
# LD3320 Chinese Speech Recognition and MP3 Player Module

2017-10-18 補充 :

今天在露天看到這款 WT588D-U 模組 :

# 【先進科技】㊣ WT588D-U語音模組 隨意更換聲音 16M/32M $290

可以透過 Arduino 控制語音播放.

跟三民買兩本機器人簡體書

今天上博客來要買之前想買的 "Raspberry Pi機器人制作實例：用Python Linux和傳感器搭建智能小車", 發現竟然已經賣完, 還好三民還有貨, 但是這兩家網路書店都要滿 350 元才免運費, 所以又多買了一本 Arduino 的 :

ISBN／ 書籍名稱	作者／ 出版社	單價	折扣	特價
11541646 Raspberry Pi機器人製作實例：用Python Linux和感測器搭建智慧小車（簡體書）	(美)Wolfram Donat 人民郵電出版社	294	87折	256
730234806 機器人的天空：基於Arduino的機器人製作(配光碟)（簡體書）	毛勇 清華大學出版社（大陸）	336	87折	292

因為是海外庫存, 所以可能要等三周才會到貨 (光興店).

2016-07-09 補充 :

在下訂一個半月後, 這兩本小書才到貨, 有夠慢的. 結果發現毛勇這本機器人的天空根本不用買, 因為市圖就有這本書的繁體版, 我還寫了書評哩, 參考 :

# 好書 : 13 堂課學會 Arduino 機器人製作

而 Raspberry Pi 機器人製作實例這本書雖然薄薄一本, 但也還頗有參考價值. 這本書提到好幾個好用的感測器 :

1. SHT15 溫度感測器
2. HC-SR04 超音波感測器
3. MCP3008 ADC 轉換晶片
4. 霍爾磁場感測器

好書 : Raspberry Pi 專案製作

在博客來找到下面這本翻譯書, 市圖與母校圖書館都沒有收藏, 所以就跟明儀以 75 折 VIP 價直接買了 (現在除非必要, 否則不隨便買書, 家裡書滿為患放不下了) :

# Raspberry Pi專案製作：物聯網、機器人、圖像辨識

此書譯自 Samarth Shah 寫的 "Learning Raspberry Pi", 購買的主要原因是裡面有介紹 OpenCV 影像處理技術, 其次是打折後還蠻便宜的. 關於機器人製作, 博客來還有如下書籍也不錯 :

# Raspberry Pi機器人制作實例：用Python Linux和傳感器搭建智能小車
# 動手製作Arduino機器人

其他參考 :

# Intelligent Vision-Driven Robot For Sample Detection And Return-A Study in Artificial Intelligence
# Speech Recognition on the Raspberry Pi
# Web-Controlled Surveillance Robot withA Robotic Arm

樹莓派的飛航應用 : 比較 A+ 與 Zero

今天搜尋 "Raspberry 空拍機" 時找到這個 Lily 空拍機, 透過戴在手腕上的一個類似手錶的發訊器, 空拍機會自動追蹤配戴者, 極限運動愛好者應該會對此產品感到熱血沸騰, 因為這是飛航版的 GoPro :

# 自拍無人機一拋即飛 自動追踪用家

此產品係柏克萊大學學生所研發, 內部使用了樹莓派與 Arduino 作為控制器. 目前預購價 US$919 元 (折合台幣約 29000 元, 僅運送至美國國內), 不便宜捏. 參考其官網 :

# https://www.lily.camera/

樹莓派應用在無人機還有下面這個 Icarus, 這位頗有名氣的創客不僅使用 Raspberry Pi 做農場安全監控, 還把它裝在使用 3D 列印製作的滑翔機裡, 變成空拍機, 作者用來巡邏草原, 監控盜獵者 :

# 進擊的農夫！TOBY LANKFORD利用3D列印為動物和農場打造安全系統
# Texan Toby Lankford designs 3D printed, solar powered RC drone as anti-poaching tool

這個 Icarus 已進化為第三版, 詳見 :

# Icarus 3.0 Hobby FPV Version

當然目前最夯的空拍機是多旋翼的, 樹莓派也被用做飛航主控電腦, 參考 :

# 極客DIY：使用樹莓派製作一架四軸無人機
# NAVIO2 Linux autopilot on Raspberry Pi
# http://www.pibot.org/
# RASPBERRY PI SECURITY CAMERA WITH MOTION PIE
# Weekend Project: Home Automation with Raspberry Pi and OpenHab

目前大多數空拍機都是由操作者透過無線電或 Wifi 操控, 但我對會依據預先設定的路線自動巡航的無人機比較有興趣, 任務結束或電量不足就自動返航充電, 這可以應用在廣大的農場巡邏, 或居家安全的空中監控. 只是一般樹莓派板子較重, 有人使用 Raspberry Pi Zero, 但我覺得 Zero 又太陽春, A+ 會比較方便. 參考 :

# 史上最便宜電腦上市：Raspberry Pi Zero 只要5美元
# Raspberry Pi 推出超低價的 Zero 板子
# 樹莓派宣佈最新版本Raspberry Pi Zero，售價只要5美元！

RPI Zero 在露天有賣, 大約 600 元左右, 不過目前都還未出貨, 僅能預購 :

# 《德源科技》(2015年底，新品限量預購) 樹莓派新品 全新Raspberry Pi Zero $600
# ★樹莓派專賣店★限量預購【Raspberry Pi Zero】樹莓派 Zero【A0116】$650

Zero 的規格與 A+ 類似, CPU 均為博通 BCM2835 ARMv6, 但時脈提升為 1GHz, DRAM 為 512MB, 與 B 一樣, 是 A+ 的兩倍, 整體效能比 A+ 高 40%. Zero 與 A+ 都只有一個資料 USB 埠, 不過改成 micro USB 以減少面積, 但缺點是插 Wifi 網卡需要一個公 micro USB 到母標準 USB 轉接線. 板子上另外一個 micro USB 是接電源用的.

其次, Zero 的 HDMI 接口改為 Mini HDMI (Type C), 所以若要接到顯示器或電視 (標準 HDMI 為 Type A), 必須使用 Mini HDMI 轉 HDMI 的轉接頭. GPIO 與 A+/B+ 一樣都擴展至 40 Pins, 但出廠未附腳座, 需自行焊接. 整個電路板非常嬌小, 大約是 B+ 的一半還小一些 (65mm*30mm*5mm), 詳見 Adafruit 的介紹 (見 Micro Center) :

# pizero @raspberry_pi @adafruit Adafruit Industries Live Stream! 11/26/15

HDMI-Mini HDMI 轉換頭約 50 元左右 :

# 小牛蛙數位 Mini hdmi 轉 HDMI 大轉小 mini HDMI轉HDMI 轉接頭 公對母迷你HDMI轉hdmi $49
# 《耀升》出清 1080P 1.4版 mini HDMI轉 HDMI線 1.5公尺 雙磁環 平板電腦專用視頻高清輸入線 $69

關於 Zero 的 wifi 連線, 可用 B/B+ 以上的板子先把 SD 卡設定好後, 將 wifi 網卡與 SD 卡移到 Zero 就行了, 參考 :

# Wifi Hack for Raspberry Pi Zero
# Raspberry Pi Zero, headless wifi setup - Part 1
# Raspberry Pi Zero, headless wifi setup - Part_2

Zero 雖然小巧 (僅 9 克, 而 A+ 為 25 克), 但是與 A+ 比起來 Zero 有下列缺點 :

1. Zero 沒有 Camera 插槽, 只能接 USB 照相機
2. 沒有 MIPI 顯示器介面
3. 沒有 RCA 複合接頭 (板上有端點, 但須自行焊接)
4. 接 USB 設備 (網卡或相機等) 需要 USB 轉接頭
5. 須自行焊接 GPIO 腳

根據 StackExchange 的資料, Zero 有載時並沒有比 A+ 省電, 大概是因為時脈比較高的原因吧! 雖然裸板僅 9 公克, 但加上 USB/HDMI 轉接頭的重量, 恐怕也超過了 A+ 了, 所以除了體積小外, 我覺得 Zero 並沒有比 A+ 好.

參考 :

# Pi Zero vs A+ - pros and cons
# Differences between Raspberry Pi A+ and Raspberry Pi B+
# https://www.raspberrypi.com.tw/tag/raspberry-pi-zero/
# Tinkering with the Raspberry Pi A+

2017-04-21 補充 :

Pi Zero v1.3 已經加上 Camera 接槽, 但其排線接頭較窄, 需另購. Pi Zero W 更內建藍芽與 wifi, 所以 CP 值遠超過 A+ 了, 是空拍機實作首選. 聽說官方計畫要將 A+ 要停產了.

很可惜的是, Lily Camera 因為資金與技術問題無法出貨, 最終決定結束營業了, 參考 :

# 空拍機新創業者Lily收攤，將退還所有資金
# 技術無法實現！一拋就飛的空拍機Lily Camera停止研發
# 兩年前爆紅的小型拋飛無人機 Lily 宣告倒閉
# Lily Camera 無人機宣告胎死腹中！廠方承諾 60 天內退款予買家

一拋即飛並自動追蹤使用者的構想真的很棒, 對喜愛戶外運動特別是極限運動玩家而言非常具有吸引力. 如果能設計成線控或聲控指揮它跟隨, 超前, 俯衝, 或上空盤旋等飛行拍攝動作的話就更完美了. 但技術難度必然更高. 他們推出的宣傳影片實在太誘人了, 我特地下載備份, 以免以後看不到.

我在想, 拋飛是不是透過重力加速度計就可以實做出來呢?