面向任務的仿人機器人室內定位導航技術.pdf

1、隨著人口老齡化社會問題的日益加劇，仿人機器人以它高度的靈活性和人性化設計受到眾多學者的關注。作為一款能夠模仿人類形態(tài)的智能化雙足執(zhí)行機構，它不僅可以完成上下樓梯、抓取物品等機械操作以彌補勞動力不足，而且能夠擔當護理患者、照料老人兒童等情感角色，在家庭、醫(yī)療、教育和娛樂等領域得到了廣泛推廣。作為機器人領域的研究熱點之一，在復雜室內環(huán)境中，面對仿人機器人復雜的機械結構，如何合理利用所感知的傳感信息，采用人性化的交互方式，分析用戶需求并以自主

2、實時定位為基礎進行高效的路徑規(guī)劃，最終滿足用戶需求是機器人實現(xiàn)服務任務的關鍵所在。
　　本文以機器人NAO為實驗平臺，針對面向任務的室內仿人機器人定位導航問題，從“任務交互”、“室內定位”和“路徑規(guī)劃”三個方面展開了研究。為滿足不同用戶群體的交互需求，設計實現(xiàn)了多模式任務交互系統(tǒng)，機器人可以根據(jù)語音識別、手勢識別和遠端控制等技術辨識出用戶當前需求。以空間中傳感器感知環(huán)境的方式，借助人工地標和環(huán)境模型等提供的信息，采用基于單應矩陣分

3、解的視覺定位算法，實現(xiàn)自主實時定位。針對室內機器人路徑規(guī)劃問題，首先采用模糊規(guī)則構建分層環(huán)境模型，并引入啟發(fā)式搜索和滾動規(guī)劃的思想，結合快速搜索隨機樹和A*算法規(guī)劃合理路徑，以實現(xiàn)相應的服務。
　　隨著多媒體技術和機器人智能化水平的發(fā)展，單模式的交互手段已經無法滿足不同用戶群體的需求，針對單一交互方式枯燥乏味、準確率低等不足，設計實現(xiàn)了多模式任務交互系統(tǒng)。首先對機器人的硬件和軟件作了詳細闡述，對目前常用的交互方式進行深入分析。在此

4、基礎上，實現(xiàn)了基于Hu不變矩和K近鄰分類算法的手勢識別。然后利用語音信號短時能量和過零率進行起止點檢測，將有用語音信號作為語音識別模塊的輸入。最后利用無線網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)了基于遠端監(jiān)控的交互方式。適用于正常人、聾啞人等多群體的多模式交互系統(tǒng)，拓寬了機器人的應用范圍。
　　為輔助機器人能夠快速、準確地完成任務，提出了基于人工地標修正的粒子濾波定位方法。首先設計了涵蓋空間定位信息的AR-mark人工地標，提出了人工地標的室內分布原則。利

5、用基于單應矩陣分解的視覺定位算法，實現(xiàn)了基于分布式人工地標的室內機器人自定位?？紤]到仿人機器人本體傳感器測量信息的不確定性，結合人工地標定位無累積誤差的優(yōu)勢，采用粒子濾波定位算法完成機器人姿態(tài)的估計，保證了機器人室內定位的準確性。
　　針對室內環(huán)境障礙物屬性的不同，在傳統(tǒng)柵格地圖的基礎上，本文利用模糊規(guī)則對室內環(huán)境模糊分層處理，構建分層環(huán)境模型。根據(jù)仿人機器人不同步態(tài)的運動學方程，表示步態(tài)能量消耗函數(shù)，通過對室內路徑規(guī)劃算法的分析