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了很多的社會問題，對護理人員的數(shù)量和質(zhì)量更是提出了迫切的要求。大力發(fā)展服務(wù)機器人，有助于提高老年人和殘疾人的生活質(zhì)量，減少對護理人員數(shù)量和質(zhì)量的需求，保證社會的穩(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)是機器人面臨的基本任務(wù)。為了完成上述任務(wù)，服務(wù)機器人需要實時、準確、全面地獲取環(huán)境信息，進行路徑規(guī)劃和自主導航，在大范圍空間內(nèi)識別、定位目標，并能對目標實施抓取、運送，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，主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面。
　　 (1)針對服務(wù)機器人和智能空間的特點，建立了通用的基于改進JDL的信息表示模型和基于分布式數(shù)據(jù)融合樹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、不同形式的信息用統(tǒng)一的規(guī)范表示出來，實現(xiàn)了信息的互通和共用。建立了基于分布式數(shù)據(jù)融合樹的多模式信息獲取機制，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)層、特征層和決策層等不同層次的信息獲取，并針對該模型不同層次的特點，設(shè)計了相應的數(shù)據(jù)融合算法，實現(xiàn)了對智能空間分布式傳感器數(shù)據(jù)的多級別、多層次處理，使服務(wù)機器人和智能空間具備了多模式的信息獲取能力，實現(xiàn)了更加豐富的信息服務(wù)和共享。
　　 (2)針對集中式地圖表示存儲手段單一、檢索難度大、魯棒性不高等

4、缺點，提出了基于人工地標的分布式環(huán)境表示方案。構(gòu)建了具有拓撲-拓撲-柵格結(jié)構(gòu)的3層樹型混合地圖來表示戶內(nèi)環(huán)境。采用人工地標存儲地圖信息，利用譜系聚類算法根據(jù)各拓撲節(jié)點的位置和節(jié)點間距離確定人工地標的粘貼位置和數(shù)量，采用魚眼視圖對單個地標內(nèi)存儲的局部信息進行優(yōu)化。該方案減輕了機器人的存儲和檢索負擔，且在保證機器人定位精度的基礎(chǔ)上，降低了地標的使用數(shù)量，提高了機器人定位導航效率。
　　 針對柵格地圖信息表示單一和傳統(tǒng)路徑規(guī)劃對安全性

5、重視不夠的問題，建立了環(huán)境信息更為豐富的危險度地圖，并提出了基于危險度地圖的改進PSO路徑規(guī)劃方法。該方法采用路徑危險度和長度的加權(quán)和作為PSO的適應度函數(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，增強了PSO對環(huán)境的適應性。動態(tài)路徑規(guī)劃采用分層的設(shè)計策略，利用改進的PSO算法規(guī)劃初始路徑，采用基于動態(tài)危險度地圖的改進A*算法進行避障。該方法充分利用了環(huán)境的先驗信息和智能空間提供的動態(tài)障

6、礙物的多模式信息，簡化了規(guī)劃流程，實現(xiàn)了靈活避障，能滿足復雜環(huán)境下的機器人實時導航要求。
　　 (3)針對視覺在大范圍物品定位的不足，將RFID技術(shù)引入到服務(wù)機器人物品定位領(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)基于參考標簽定位的基礎(chǔ)上提出利用標簽時序進行物品定位的方法，該方法實現(xiàn)簡單、實時性好，但是穩(wěn)定性差。為了提高RFID定位的穩(wěn)定性，建立了RFID天線識別范圍概率模型，提出了基于天線識別范圍概率

7、模型和機器人本體位姿的貝葉斯規(guī)則和粒子濾波定位方法?；谪惾~斯規(guī)則的定位方法速度快，實時性好，定位精度較高；基于粒子濾波的定位方法實時性較差，但是定位精度更高。該粗定位系統(tǒng)充分利用RFID技術(shù)識別范圍廣、搜尋效率高等優(yōu)勢，是對視覺識別技術(shù)的有益補充。
　　 (4)針對RFID定位精度無法滿足物品操作需要的不足，提出了基于人工物標的多種類物品識別、精定位方案和眼注視約束下基于位置的視覺伺服的物品抓取方案。針對家庭環(huán)境中物品種類繁多

8、、識別難度大等特點，設(shè)計了基于QRCode技術(shù)的新型人工物標，能實現(xiàn)物品的快速識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的多種類物品識別、定位方案，利用機器人系統(tǒng)模型和目標特征實現(xiàn)了快速高效的物品識別和精定位。建立了六自由度擴展機械臂模型，設(shè)計了眼注視約束下基于位置的視覺伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)了物品的抓取、運送等操作。該系統(tǒng)有效利用了本體視覺提供的豐富信息，能準確識別室內(nèi)多種類物品，具有定位精度高、穩(wěn)定性好

9、等優(yōu)勢，己成功地用于智能空間中以人為中心的主動服務(wù)。
　　 (5)針對當前物品定位和物品管理效率不高的問題，提出了基于活動理論的智能化物品管理方案。該方案以活動理論為基礎(chǔ)，通過分析智能空間中人的行進軌跡和動作行為對物品的狀態(tài)進行推理。通過附著在目標物品上的RFID標簽，使信息空間可以自動覺察物理空間中物品的狀態(tài)變化，實現(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、慣導模塊等多種傳感器獲取的實時數(shù)據(jù)，并結(jié)合智能