智能空間中基于多模式信息獲取的物品定位與物品管理.pdf

1、人口老齡化以及大量殘疾人的存在帶來(lái)了很多的社會(huì)問(wèn)題，對(duì)護(hù)理人員的數(shù)量和質(zhì)量更是提出了迫切的要求。大力發(fā)展服務(wù)機(jī)器人，有助于提高老年人和殘疾人的生活質(zhì)量，減少對(duì)護(hù)理人員數(shù)量和質(zhì)量的需求，保證社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。以老年人和殘疾人為中心，為其提供諸如取物、送水、物品整理等服務(wù)是機(jī)器人面臨的基本任務(wù)。為了完成上述任務(wù)，服務(wù)機(jī)器人需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面地獲取環(huán)境信息，進(jìn)行路徑規(guī)劃和自主導(dǎo)航，在大范圍空間內(nèi)識(shí)別、定位目標(biāo)，并能對(duì)目標(biāo)實(shí)施抓取、運(yùn)送，放置在

2、指定位置。本文以智能空間支持下的物品定位和物品管理為中心，主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面。
　　 (1)針對(duì)服務(wù)機(jī)器人和智能空間的特點(diǎn)，建立了通用的基于改進(jìn)JDL的信息表示模型和基于分布式數(shù)據(jù)融合樹(shù)的多模式信息獲取架構(gòu)。智能空間改變了傳統(tǒng)的信息表示和信息獲取模式，使計(jì)算資源和各種設(shè)備趨于公用和共享化。為了充分利用智能空間異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)提供的豐富服務(wù)資源，建立了基于改進(jìn)JDL模型的智能空間多模式信息表示模型，將QR Code、RFI

3、D等不同種類(lèi)、不同形式的信息用統(tǒng)一的規(guī)范表示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了信息的互通和共用。建立了基于分布式數(shù)據(jù)融合樹(shù)的多模式信息獲取機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)層、特征層和決策層等不同層次的信息獲取，并針對(duì)該模型不同層次的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能空間分布式傳感器數(shù)據(jù)的多級(jí)別、多層次處理，使服務(wù)機(jī)器人和智能空間具備了多模式的信息獲取能力，實(shí)現(xiàn)了更加豐富的信息服務(wù)和共享。
　　 (2)針對(duì)集中式地圖表示存儲(chǔ)手段單一、檢索難度大、魯棒性不高等

4、缺點(diǎn)，提出了基于人工地標(biāo)的分布式環(huán)境表示方案。構(gòu)建了具有拓?fù)?拓?fù)?柵格結(jié)構(gòu)的3層樹(shù)型混合地圖來(lái)表示戶(hù)內(nèi)環(huán)境。采用人工地標(biāo)存儲(chǔ)地圖信息，利用譜系聚類(lèi)算法根據(jù)各拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的位置和節(jié)點(diǎn)間距離確定人工地標(biāo)的粘貼位置和數(shù)量，采用魚(yú)眼視圖對(duì)單個(gè)地標(biāo)內(nèi)存儲(chǔ)的局部信息進(jìn)行優(yōu)化。該方案減輕了機(jī)器人的存儲(chǔ)和檢索負(fù)擔(dān)，且在保證機(jī)器人定位精度的基礎(chǔ)上，降低了地標(biāo)的使用數(shù)量，提高了機(jī)器人定位導(dǎo)航效率。
　　 針對(duì)柵格地圖信息表示單一和傳統(tǒng)路徑規(guī)劃對(duì)安全性

5、重視不夠的問(wèn)題，建立了環(huán)境信息更為豐富的危險(xiǎn)度地圖，并提出了基于危險(xiǎn)度地圖的改進(jìn)PSO路徑規(guī)劃方法。該方法采用路徑危險(xiǎn)度和長(zhǎng)度的加權(quán)和作為PSO的適應(yīng)度函數(shù)，提高了路徑規(guī)劃的安全性和靈活性。提出了基于障礙物變化率的非等間距分布的PSO路徑規(guī)劃方法，增強(qiáng)了PSO對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃采用分層的設(shè)計(jì)策略，利用改進(jìn)的PSO算法規(guī)劃初始路徑，采用基于動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)度地圖的改進(jìn)A*算法進(jìn)行避障。該方法充分利用了環(huán)境的先驗(yàn)信息和智能空間提供的動(dòng)態(tài)障

6、礙物的多模式信息，簡(jiǎn)化了規(guī)劃流程，實(shí)現(xiàn)了靈活避障，能滿(mǎn)足復(fù)雜環(huán)境下的機(jī)器人實(shí)時(shí)導(dǎo)航要求。
　　 (3)針對(duì)視覺(jué)在大范圍物品定位的不足，將RFID技術(shù)引入到服務(wù)機(jī)器人物品定位領(lǐng)域，建立了基于貝葉斯規(guī)則和粒子濾波的RFID物品粗定位系統(tǒng)。在常規(guī)基于參考標(biāo)簽定位的基礎(chǔ)上提出利用標(biāo)簽時(shí)序進(jìn)行物品定位的方法，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好，但是穩(wěn)定性差。為了提高RFID定位的穩(wěn)定性，建立了RFID天線(xiàn)識(shí)別范圍概率模型，提出了基于天線(xiàn)識(shí)別范圍概率

7、模型和機(jī)器人本體位姿的貝葉斯規(guī)則和粒子濾波定位方法。基于貝葉斯規(guī)則的定位方法速度快，實(shí)時(shí)性好，定位精度較高；基于粒子濾波的定位方法實(shí)時(shí)性較差，但是定位精度更高。該粗定位系統(tǒng)充分利用RFID技術(shù)識(shí)別范圍廣、搜尋效率高等優(yōu)勢(shì)，是對(duì)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的有益補(bǔ)充。
　　 (4)針對(duì)RFID定位精度無(wú)法滿(mǎn)足物品操作需要的不足，提出了基于人工物標(biāo)的多種類(lèi)物品識(shí)別、精定位方案和眼注視約束下基于位置的視覺(jué)伺服的物品抓取方案。針對(duì)家庭環(huán)境中物品種類(lèi)繁多

8、、識(shí)別難度大等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于QRCode技術(shù)的新型人工物標(biāo)，能實(shí)現(xiàn)物品的快速識(shí)別和深層信息的獲取，為物品定位和物品操作提供了更充足的信息。提出了基于人工物標(biāo)的多種類(lèi)物品識(shí)別、定位方案，利用機(jī)器人系統(tǒng)模型和目標(biāo)特征實(shí)現(xiàn)了快速高效的物品識(shí)別和精定位。建立了六自由度擴(kuò)展機(jī)械臂模型，設(shè)計(jì)了眼注視約束下基于位置的視覺(jué)伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了物品的抓取、運(yùn)送等操作。該系統(tǒng)有效利用了本體視覺(jué)提供的豐富信息，能準(zhǔn)確識(shí)別室內(nèi)多種類(lèi)物品，具有定位精度高、穩(wěn)定性好

9、等優(yōu)勢(shì)，己成功地用于智能空間中以人為中心的主動(dòng)服務(wù)。
　　 (5)針對(duì)當(dāng)前物品定位和物品管理效率不高的問(wèn)題，提出了基于活動(dòng)理論的智能化物品管理方案。該方案以活動(dòng)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)分析智能空間中人的行進(jìn)軌跡和動(dòng)作行為對(duì)物品的狀態(tài)進(jìn)行推理。通過(guò)附著在目標(biāo)物品上的RFID標(biāo)簽，使信息空間可以自動(dòng)覺(jué)察物理空間中物品的狀態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)物理空間與信息空間的綁定。利用智能空間中的RFID、分布式視覺(jué)、慣導(dǎo)模塊等多種傳感器獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并結(jié)合智能