智能助老助残轮椅爬楼姿态控制和室内自主导航的研究

发布时间：2017-10-14 23:23

  本文关键词：智能助老助残轮椅爬楼姿态控制和室内自主导航的研究

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【摘要】：随着科技的发展,机器人技术突飞猛进,机器人也越来越多地融入到人类的工作、生活中,在各个领域均可以看到机器人的身影。近年来,对于旨在更好服务人类的服务型机器人的需求呈现着井喷的趋势。在老龄化人口和肢体残障等行动不便人群数量递增的今天,对于智能轮椅的需求也在逐步增加。传统的轮椅均是用人力或电力驱动,只能在平地移动,在面临城市化过程中出现的楼梯时往往力不从心。有诸多学者对爬楼机器进行了研究,但是仍然存在两个问题。一方面,以爬楼机器本身为出发点,设计机构和部件完成爬楼功能,没有能够对其智能化控制方式做深入研究;另一方面,设计成型的机器成本较高,复杂度较大,无法真正走入普通人群。本文提出智能轮椅的概念,将机器人技术中的智能控制引入到普通轮椅中,使普通轮椅也具备智能机器人的诸多优良特性。为了解决实际的应用需求,本文将焦点集中在智能轮椅爬楼和室内自主导航两个方面的“移动”问题上,主要包括以下内容:第一,设计了可供研究和方便调试的智能轮椅底盘,包含底盘的机械结构部分与电气硬件结构部分,并从总体上对其功能和结构进行了分析。第二,在爬楼时使用运动处理组件MPU6050、超声波、红外线等传感器数据,将其应用在自适应模糊PID姿态控制算法中,对智能轮椅的方向、相对位置、抗干扰能力等方面的功能进行控制,并对算法进行Simulink仿真实验,在最后的实物试验中对算法做进一步的验证,取得了较好的控制效果。第三,对基于语言和认知地图的室内自主导航进行研究分析,在上述地图信息下,实现室内定位、向目标点移动、动态路径规划等功能,本文所提出的方法在增强定位效果、抗干扰等性能上都有较好的表现。第四,使用全局与局部相结合的方式,研究路径规划算法。将全局-局部的概念与拓扑层中的区域-位置节点相关联,在大范围内使用全局路径规划,小范围内使用“活动窗口”动态地根据障碍物实时调整其局部的路径规划,并对障碍物的运动做趋势分析,使得在动态避障和陌生环境下的导航能力有较大提高。基于上述内容,通过试验对智能轮椅底盘的上述研究进行了测试,结果表明所设计的底盘符合预期结果,能完成预定目标,为后续的研究打下了基础。
【关键词】：智能轮椅 爬楼姿态控制 室内自主导航 路径规划
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242;TH789
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题来源11
• 1.2 课题背景及意义11-13
• 1.3 爬楼轮椅机器人概述13-16
• 1.4 室内自主导航技术概述16-18
• 1.5 论文研究内容和结构安排18-21
• 第2章 智能轮椅总体方案设计21-27
• 2.1 智能轮椅总体功能分析21-22
• 2.2 智能轮椅主体结构方案设计22-24
• 2.3 系统总体控制方案设计24-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第3章 智能轮椅爬楼姿态控制27-51
• 3.1 姿态控制方案设计27-28
• 3.2 姿态控制系统硬件设计28-35
• 3.2.1 控制系统硬件选择28-30
• 3.2.2 控制系统电路设计30-35
• 3.3 姿态控制系统算法研究35-49
• 3.3.1 爬楼状态不稳定因素分析35-36
• 3.3.2 姿态解算分析36-42
• 3.3.3 模糊PID算法42-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第4章 智能轮椅室内自主导航51-67
• 4.1 室内自主导航方案设计51
• 4.2 室内定位系统51-62
• 4.2.1 定位系统硬件设计53-55
• 4.2.2 地图创建55-62
• 4.3 路径规划研究62-66
• 4.3.1 路径规划方案设计63-64
• 4.3.2 避障方法64-66
• 4.4 本章小结66-67
• 第5章 仿真与试验研究67-83
• 5.1 爬楼姿态仿真分析67-73
• 5.2 试验研究73-82
• 5.2.1 试验目的及条件73-74
• 5.2.2 试验过程及方法74-75
• 5.2.3 试验结果分析75-82
• 5.3 本章小结82-83
• 第6章 总结与展望83-85
• 6.1 全文总结83-84
• 6.2 展望84-85
• 参考文献85-89
• 攻读硕士期间已发表的论文89-91
• 致谢91

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本文编号：1033768