助行機(jī)器人定位關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、助行機(jī)器人是一種可以輔助老人行走的特殊服務(wù)機(jī)器人,它的目標(biāo)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(chǔ)上,大大提高其獨(dú)立生活能力及生活質(zhì)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(dǎo)航,用戶識別,用戶計(jì)劃提醒,信息播報(bào)服務(wù)等等。定位系統(tǒng)作為助行機(jī)器人一個(gè)重要組件,是實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)智能化功能的一個(gè)基礎(chǔ)。本文針對助行機(jī)器人定位系統(tǒng)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)開展研究,具體研究內(nèi)容如下。

2、>　　(1)環(huán)境地圖是助行機(jī)器人自主定位導(dǎo)航的重要先驗(yàn)知識,常用的2D地圖能夠滿足機(jī)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(nèi)的自主導(dǎo)航應(yīng)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(jià)格昂貴的激光傳感器,操作也較為復(fù)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(jìn)行研究,提出基于改進(jìn)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(jìn)行創(chuàng)建。對Kinec

3、tFusion算法進(jìn)行兩個(gè)方面的改進(jìn),一方面提出使用環(huán)境中的邊線特征點(diǎn)匹配來提高其定位魯棒性,另一方面在點(diǎn)云模型中預(yù)設(shè)一個(gè)地面點(diǎn)云來減少累積誤差提高精度。并且提出了基于標(biāo)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(jī)器人工作形式靈活,經(jīng)常需要在自主運(yùn)行和被動(dòng)控制之間切換,同時(shí)其運(yùn)行環(huán)境也會在室內(nèi)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(jī)器人具有較強(qiáng)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(jìn)行研究,提出利用旋轉(zhuǎn)不變量首先進(jìn)行位置空間搜索得到可行的機(jī)器人位置,然后在方向空間進(jìn)行搜索得到機(jī)器人的朝向,對全局搜索定位方法進(jìn)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(jī)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(jìn)行連續(xù)定位,通過充分利用RGB-D的3D點(diǎn)云信息彌補(bǔ)其水平方向視野較小的缺點(diǎn)。而傳統(tǒng)

5、的3D點(diǎn)云配準(zhǔn)定位算法,無法達(dá)到實(shí)時(shí)定位的需求,本文提出了基于3DLUT(Lookup Table)的3D點(diǎn)云快速配準(zhǔn)方法,該方法可以達(dá)到實(shí)時(shí)的處理速度,同時(shí)具有較高的定位精度。
　　(4)助行機(jī)器人的用戶定位功能是一項(xiàng)非常重要的功能,對提高助行機(jī)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?yàn)閷饩€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(biāo)志物識別的方法來定位用戶。通過調(diào)節(jié)相機(jī)曝光值,使得系統(tǒng)在室內(nèi)室外均能穩(wěn)定的識別用戶。在對全向視覺系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定時(shí),利用鏡面基底圓輪廓的成像來計(jì)算鏡面位姿確定內(nèi)部參數(shù)的方法,并提出了使用鏡面中心點(diǎn)來確定鏡面位姿兩組可能解中的真實(shí)解,同時(shí)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(shù)的方法。該標(biāo)定方法簡單快速,對標(biāo)定物要求低,并具有較高的精度。
　　(5)根

7、據(jù)本文提出的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)解決方案,開發(fā)搭建了WalkMateIII型助行機(jī)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(jié)構(gòu)清晰度,本文利用基于模塊化的方法來搭建助行機(jī)器人的軟件系統(tǒng)。最后通過實(shí)現(xiàn)兩個(gè)典型任務(wù):開機(jī)用戶查找,用戶跟蹤的,對整套系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。
　　國內(nèi)助行機(jī)器人的研究剛剛起步,而助行機(jī)器人由于其特殊的工作方法和一般的移動(dòng)服務(wù)機(jī)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(jī)器人