导盲机器人自主导航技术研究

发布时间：2017-03-23 19:11

  本文关键词：导盲机器人自主导航技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前,全世界现有视力障碍者的数量极其庞大且新发视力障碍者的数量也在不断的增加。相较于其他引导设备,能够结合多样感测器并且信息处理性能更加优越的移动式机器人更具发展潜力和市场前景。然而,现阶段的导盲机器人大都只能在特定的环境或单一的空间中引导视力障碍者,无法适应环境的转变,缺乏实用性,难以满足社会需求。为拓宽导盲机器人的适用范围,使导盲机器人能够突破空间限制,在多种多样的环境中引导视觉障碍者,本文设计了一种导盲机器人自主导航方法。首先,整体规划自主导航机制的原理框架;然后,根据SLAM算法同步进行二维环境地图创建和自身定位;接着,采用A*启发式搜索算法在已创建地图中完成静态全局路径规划,并结合改进的人工势场法在导盲机器人行进过程中实现动态避障;之后,在ROS系统机制中搭建导盲机器人自主导航软件控制系统,使各性能模块有序高效地分享数据信息,增强控制系统的实时性。分别采用不同的程序语言对A*算法和人工势场法进行仿真分析,并在ROS框架中绘制各功能之间的通讯节点图;最后,在三种典型的环境下进行实验。结果表明,与其他导盲方法相比,此方法中导盲机器人不再依赖于其他设备,完全依靠自身实现导航,可以灵活变更使用环境,突破环境和空间的限制,适用环境更广,导盲精确度更高。在地图创建过程中的特征估计误差和自身位置估计误差,以及在路径规划过程中的轨迹误差均在小范围内浮动,相对来说,该策略更为贴合视觉障碍患者的真实需求。此外,研究并总结影响导盲机器人自主导航的不利因素,提出相应措施,为导盲机器人的发展提供依据。本文设计的导盲机器人自主导航方法不需要依赖外界设施,能够创建不同环境地图,躲避动态障碍,适用于多种环境。实验证明,该方法使导盲机器人能够在多种环境中较为准确的创建二维环境地图,导盲机器人行走轨迹与规划路径基本一致,导盲精度相对较高,且能够灵活适应环境转变,普遍适用于室内、外各种环境,能够在日常活动区域引导视觉障碍者,更具社会意义和市场前景。
【关键词】：导盲机器人 自主导航 多种环境 地图创建 路径规划 系统设计
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-23
• 1.1 研究背景及价值15-16
• 1.2 导盲系统国内外研究概况16-19
• 1.2.1 导盲设备研究概况16-18
• 1.2.2 导盲机器人导航系统研究现状18-19
• 1.3 自主导航关键技术研究现状19-21
• 1.3.1 环境地图创建与同步定位19-20
• 1.3.2 路径规划方法20-21
• 1.4 研究内容与方法21-22
• 1.5 本章小结22-23
• 第2章 导航系统23-29
• 2.1 导航系统概述23-24
• 2.2 自主导航系统设计24-28
• 2.2.1 原理及构成25
• 2.2.2 运动参数获取25-26
• 2.2.3 通信协议26-27
• 2.2.4 坐标转换27-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第3章 创建环境地图与定位29-40
• 3.1 导盲机器人定位29
• 3.1.1 相对定位29
• 3.1.2 绝对定位29
• 3.1.3 定位方案29
• 3.2 地图创建方法29-31
• 3.2.1 度量法30
• 3.2.2 拓扑法30
• 3.2.3 混合法30-31
• 3.3 同步定位与制图(SLAM)31-35
• 3.3.1 系统原理31
• 3.3.2 系统模型31-33
• 3.3.3 问题描述与解决33-35
• 3.4 环境地图创建与传递35-39
• 3.4.1 地图创建35-37
• 3.4.2 地图传递37-38
• 3.4.3 误差来源38-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第4章 路径规划40-51
• 4.1 全局路径规划40-44
• 4.1.1 全局路径规划方法40-41
• 4.1.2 A~* 搜索算法41-43
• 4.1.3 A~* 仿真与分析43-44
• 4.2 局部路径规划44-50
• 4.2.1 局部路径规划方法44-45
• 4.2.2 人工势场法45-48
• 4.2.3 仿真与分析48-50
• 4.3 本章小结50-51
• 第5章 软件系统构建51-58
• 5.1 控制框架(ROS)51-52
• 5.2 功能包发布52-54
• 5.3 功能节点相互通讯54-56
• 5.4 本章小结56-58
• 第6章 导盲机器人实验研究58-70
• 6.1 实验系统58-60
• 6.2 多种环境中自主导航实验60-67
• 6.2.1 环境地图创建61-64
• 6.2.2 在地图中导航64-66
• 6.2.3 误差分析66-67
• 6.3 导盲机器人影响因素实验67-68
• 6.3.1 传感器位置和地面状况67
• 6.3.2 障碍物密度67-68
• 6.4 导盲机器人实验总结68-69
• 6.5 本章小结69-70
• 总结与展望70-72
• 附图72-74
• 参考文献74-79
• 攻读学位期间发表的学术论文79-80
• 致谢80

  本文关键词：导盲机器人自主导航技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：264396