轮椅机器人室内自主定位与导航系统的设计与实现

发布时间：2020-10-26 23:41

　　 进入本世纪以来,我国人口老龄化程度不断加深,残疾人口、慢性病人数量都呈上升趋势,对智能轮椅的需求量也在逐年增加。本文以智能轮椅为研究课题,将轮椅这个单一的移动工具扩展为可移动服务类机器人,并综合利用多传感器数据使智能轮椅机器人在室内环境中拥有精准的环境感知能力,准确的定位与导航能力。相对于室外定位和导航,在室内环境下缺乏精确的GPS等导航信号,且定位精度要求又比较高。同时室内环境比较复杂,没有在室外道路上常用的交通指示线及路沿等参照物辅助导航,给室内定位与导航系统的设计带来了不小的挑战。本文从环境感知、室内定位和路径规划这三个方面设计了智能轮椅机器人的环境感知和导航系统,所用到的传感器有激光雷达、双目摄像机和超声探头。针对环境感知问题,本文采用多传感器融合方法,设计和实现了一个使用较低成本传感器的室内三维环境感知系统。轮椅车从车体前部安装的,激光雷达能够获取固定方向的点云图,并与车体运动参数融合,对车体周边激光可探测的三维环境进行高精度的重建;对车体周边激光不可测环境,用超声探头进行低精度二维构建;再结合双目相机来进行特征识别。将这三者结合起来,形成对周边环境可靠的感知。本文采用静态地图与动态地图结合的方法来解决轮椅机器人自主定位问题。以房间门口为环境坐标系原点,使用占据栅格法完成静态环境地图的构建;以轮椅车驱动轮轴心为原点构建动态地图。轮椅首先使用在门口采集到的图像与模板图像进行匹配,综合匹配点数、错误率等参数,确定轮椅当前所在的房间;然后探测室内标记点位置,以标记点为参照物计算并修正轮椅自身在当前房间中的位置,并以轮椅自身行进的线速度、角速度确定目标方位。在完成轮椅机器人室内路径规划时,对传统路径规划算法A*算法进行了优化,增加了转弯时间的权重,通过对转弯数量、路径长度以及所用时间等参数的考察,验证了该种优化对于减少智能轮椅机器人行走距离和转弯角度有效。在避障策略选择上,对障碍物场景进行了分类预判,根据障碍物距离轮椅的距离划分避障区和危险区,使轮椅在不触碰障碍物的情况下尽量缩短行进时间。在实验环境下,本文所设计的轮椅机器人自主定位与导航系统能够完成在室内的自动行进,经多次实验,能够达到与他人辅助手推轮椅相近的实验效果。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH77;TP242
【部分图文】：

之后便不再重复清扫，大大提高了单位时间的清扫面积（如图 1.1 所示）。如果在清扫途中发现小孩或宠物时，该扫地机器人能够及时减速并躲避，合理规划路径。图1.1 面部控制机器人和戴森扫地机器人韩国 Yujin 公司在 2008 年开发的机器人 iRobiò[8]（如图 1.2 所示），除了能像人类一样在房间内行走外，还能完成查看煤气是否关闭、大门是否上锁等安保工作，在陌生人闯入家中时拍摄照片并发给主人。在陪伴服务中，还可选择唱歌、读书等。图1.2 智能机器人 iRobi

类一样在房间内行走外，还能完成查看煤气是否关闭、大门是否上锁等安保工作，在陌生人闯入家中时拍摄照片并发给主人。在陪伴服务中，还可选择唱歌、读书等。图1.2 智能机器人 iRobi

游机器人（如图 1.3 所示），能够在旅游景点为游客提供关于该景点的具体介绍，景区服务介绍，景点信息的查询、导航等服务。图1.3 导游机器人 DY 和机器人可佳中科大机器人团队研制出了一款名为 可佳ò[10]的智能仿人型服务类交互机器人（如图 1.3 所示），具有较强的语音识别能力，并且进行人机对话，具有语言理解、语言知识获取的功能。它可以通过阅读家电的使用说明书完成对家电操作，比如自主使
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本文编号：2857693