助行機器人定位關鍵技術研究.pdf

1、助行機器人是一種可以輔助老人行走的特殊服務機器人,它的目標是代替?zhèn)鹘y(tǒng)的助行器(如拐杖、助步架等)在保證老人行走安全的基礎上,大大提高其獨立生活能力及生活質量。除了能夠提供基本的輔助行走功能,它還需具備多種智能化功能,如用戶健康狀態(tài)監(jiān)控,語音交互,定位導航,用戶識別,用戶計劃提醒,信息播報服務等等。定位系統(tǒng)作為助行機器人一個重要組件,是實現多項智能化功能的一個基礎。本文針對助行機器人定位系統(tǒng)的幾項關鍵技術開展研究,具體研究內容如下。

2、>　　(1)環(huán)境地圖是助行機器人自主定位導航的重要先驗知識,常用的2D地圖能夠滿足機器人自定位的需求,但由于存在高度方向的不確定性,在家居狹小空間內的自主導航應用中存在明顯不足。而傳統(tǒng)的3D地圖創(chuàng)建方法一般需要使用價格昂貴的激光傳感器,操作也較為復雜,不適合家庭使用。本文對利用RGB-D(顏色-深度)傳感器的3D地圖創(chuàng)建方法進行研究,提出基于改進KinectFusion算法的地圖創(chuàng)建方法,使其可以較為方便對家庭環(huán)境進行創(chuàng)建。對Kinec

3、tFusion算法進行兩個方面的改進,一方面提出使用環(huán)境中的邊線特征點匹配來提高其定位魯棒性,另一方面在點云模型中預設一個地面點云來減少累積誤差提高精度。并且提出了基于標志物的子地圖拼接方法,解決KinectFusion算法只能創(chuàng)建小規(guī)模地圖的問題。
　　(2)助行機器人工作形式靈活,經常需要在自主運行和被動控制之間切換,同時其運行環(huán)境也會在室內和室外變化。因此連續(xù)定位會頻繁的中斷,這就要求助行機器人具有較強的全局定位功能,可以快

4、速地重新定位。本文對全局搜索定位算法進行研究,提出利用旋轉不變量首先進行位置空間搜索得到可行的機器人位置,然后在方向空間進行搜索得到機器人的朝向,對全局搜索定位方法進行降維,這樣大大提升了全局定位的效率。
　　(3)傳統(tǒng)的2D連續(xù)位置跟蹤方法較為成熟但是需要使用激光傳感器,對助行機器人的成本控制不利。本文嘗試以RGB-D傳感器來代替2D激光傳感器進行連續(xù)定位,通過充分利用RGB-D的3D點云信息彌補其水平方向視野較小的缺點。而傳統(tǒng)

5、的3D點云配準定位算法,無法達到實時定位的需求,本文提出了基于3DLUT(Lookup Table)的3D點云快速配準方法,該方法可以達到實時的處理速度,同時具有較高的定位精度。
　　(4)助行機器人的用戶定位功能是一項非常重要的功能,對提高助行機器人的易用性起很大的作用。傳統(tǒng)的基于激光傳感器的用戶定位方法由于沒有用戶區(qū)分的能力,所以在行人干擾較多的情況下無法正常工作;基于視覺的方法則因為對光線變化,觀察角度等非常敏感,所以魯棒性

6、不高。本文提出基于全向視覺及紅外標志物識別的方法來定位用戶。通過調節(jié)相機曝光值,使得系統(tǒng)在室內室外均能穩(wěn)定的識別用戶。在對全向視覺系統(tǒng)進行標定時,利用鏡面基底圓輪廓的成像來計算鏡面位姿確定內部參數的方法,并提出了使用鏡面中心點來確定鏡面位姿兩組可能解中的真實解,同時提出了利用一種具有單一解的Non-SVP(非單一中心)P3P解法來確定全向視覺系統(tǒng)的外部參數的方法。該標定方法簡單快速,對標定物要求低,并具有較高的精度。
　　(5)根

7、據本文提出的幾項關鍵技術解決方案,開發(fā)搭建了WalkMateIII型助行機器人軟硬件系統(tǒng)。為了方便系統(tǒng)軟件的開發(fā)集成,提高系統(tǒng)的結構清晰度,本文利用基于模塊化的方法來搭建助行機器人的軟件系統(tǒng)。最后通過實現兩個典型任務:開機用戶查找,用戶跟蹤的,對整套系統(tǒng)的可行性進行驗證。
　　國內助行機器人的研究剛剛起步,而助行機器人由于其特殊的工作方法和一般的移動服務機器人有多方面的差別,還有很多問題有待解決。本文的研究目的是:通過對助行機器人