共融移动服务机器人导航与交互关键技术研究

发布时间：2020-07-31 21:57

【摘要】：服务机器人因能满足日益增长的家庭生活需要,满足解决人口老龄化等问题的需要,受到广泛的关注。与人共融的移动服务机器人,作为机器人的典型代表,在家庭服务、迎宾导购、社区安防、物流配送等领域具有广泛的应用前景。但是,此类机器人中以环境感知与人机交互为代表的核心技术,在面向真实复杂场景使用时,仍然存在实现成本、易用性、稳定性等各方面的问题。如何克服低成本传感的数据质量差、不稳定等问题,从而实现低成本、高可靠、高稳定的定位导航、人体检测与交互技术,仍然需要在理论算法方面实现突破。本文以与人共融的移动服务机器人为对象,以低成本激光雷达和摄像头作为主要传感器数据输入,研究实现低成本激光雷达的扫描匹配核心算法,以及多传感器融合的建图与定位技术,构建可用于路径规划与快速重定位的地图。并在此基础上,进一步的研究机器人的全方位的人体感知与探知技术,为机器人实现与人共融的服务奠定基础。本文的主要研究内容与主要贡献在于:(1)面向低成本激光雷达噪声大、刷新率低、采用传统方法容易匹配丢失等问题,对低成本激光雷达的数据匹配问题开展了研究。(a)低成本激光雷达很容易发生的“缺失数据”,传统方法都是直接丢弃;本文这里首次指出,这类“缺失数据”同样蕴含特定场景信息,并提出了一种“缺失数据”特征的提取与比对算法,通过该算法,可以快速估算机器人的方向,进而提升匹配的运算速度与可靠性。(b)提出并改进了一种基于傅里叶变换的激光图像匹配的方法,该方法结合了缺失数据特征匹配、傅里叶变换图像匹配以及ICP(Iterative Closest Point)匹配,最终实现了快速稳定的、能适应较大噪声以及较大偏差的低成本激光扫描数据的匹配方法。该方法可以为采用低成本激光雷达的同步定位与建图(Simultaneous Localization And Mapping,SLAM)技术的实现提供有效支撑。(2)针对单一低成本激光雷达建图存在的误差累计过快、容易闭环失败的问题,提出并实现了一种激光和视觉结合的图优化SLAM算法方案。(a)在该方案中,基于新构建的激光-视觉信息联合误差函数,能够有效的减少单一激光或者单一视觉失败导致的匹配不稳定问题;同时,通过引入视觉特征的BoW(Bag of Words)匹配与激光数据匹配作为回环检测与匹配手段,也大大的提升了全局回环优化的稳定性与可靠性,进而大幅度提升了全局地图构建的可靠性。(b)在激光和视觉结合的SLAM系统中,我们进一步的提出了一种新的2.5D地图的构建形式与快速重定位算法,该地图同时包含稠密二维栅格障碍信息与稀疏空间特征点信息;针对不同视角同一位置的特征变化问题,创新性的提出允许用多个特征词组表示同一位置/物体的表达方式;基于该地图,可以在不增加过多运算存储的基础上,同时实现路径规划与快速重定位。该方法为机器人在实际多人干扰场景下的实用提供了解决办法。(3)针对机器人对人的全方位探测与定位问题,提出并实现了一种结合地图、多种传感器人体探测定位算法。在该算法中,针对机器人传感器视野之外无法检测人体的问题,提出了一种基于共享视觉的人体检测方法,通过人体佩戴无线图像传感器采集的人所在位置场景信息,机器人将该图像与特征地图关键帧进行匹配,实现超出视野范围的人体定位;在中近距离,基于激光雷达采集的数据,与地图进行比对,筛选人体候选区域,进而结合分类器进行人体的辨别,最终,机器人通过自主移动通过图像传感器检测定位人体,并实现交互。该方法为机器人实现有人环境下的与人共融与互动提供了基础。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242;TN958.98
【图文】：

服务机器人,应用前景,国家战略

1.1 研究背景和意义1.1.1 服务机器人产业发展背景与趋势服务机器人因能满足日益增长的家庭生活需要，满足解决人口老龄化等问题的需要，相关技术与市场正在飞速发展。美国微软公司的创始人比尔盖茨曾经发表预言认为：机器人是新的巨大产业，它将重复个人电脑崛起的道路。在过去的二三十年里，机器人的发展非常迅猛，而且正在从简单、静态、结构化的工业环境转向复杂、动态、非结构化的家庭、办公、社区环境。从国家战略发展角度来看，中国在继德国提出工业 4.0 战略和美国发布《先进制造业国家战略计划》之后，于 2015 年颁布了《中国制造 2025》。这些战略和规划从国家战略的高度推动制造业向着高端智能化迈进。

机器人,平衡车,无人机,产品

与人共融移动服务机器人的导航与交互关键技术研究涨，老龄服务需求急剧上升。服务机器人因能满足日益增长的家庭生活需要公众服务需要，应对人力成本上涨问题，解决人口老龄化问题等的需要，将拥庞大的市场，如图 1.1 所示。服务机器人作为一个崭新的产业正在崛起。与此同时，服务机器人市场与求也在快速增长，根据国际机器人联合会的最新市场预测，到 2020 年，全球务机器人的市场总的规模将达到约 600 亿美元。在个人服务、公共服务、康复助、助老助残等领域，各种不同种类的机器人也在飞速应用发展，成为方便大生活、缓解劳动力成本上涨、提升服务质量的有力助手。面向消费者的服务机人在近些年快速崛起，扫地机器人、无人机、平衡车等新兴仅数年的产品，已形成了不小的产业，在国内已经促进发展了优必选、大疆、科沃斯、纳恩博等名服务机器人企业，如图 1.2 所示。

机器人,推出机,门禁,灭火器

图 1.3 PR2 机器人Figure 1.3 PR2 Robot 保安机器人：它由日本综合警卫保障公司研发推出机器人。该机器人由轮式驱动，同样装有多个摄像红外等多种传感器，甚至可以配备灭火器。该机器，如楼宇自动巡逻、刷门禁卡等等。这款机器人虽然高，维护使用不便利，仍然以租赁的形式应用，所示：

【参考文献】