智能輪椅的避障與目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、調(diào)查表明，社會(huì)老齡化是全球面臨的一個(gè)重要問題。伴隨老年人人口的不斷增長，與之相對(duì)應(yīng)的老年人看護(hù)問題亟需解決。近些年，機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，使得越來越多的服務(wù)機(jī)器人開始走入人們的日常生活。其中，智能輪椅的發(fā)展將會(huì)有效的解決老年人的看護(hù)問題。智能輪椅的研究領(lǐng)域通常只關(guān)注駕駛輔助的避障問題，而事實(shí)上目標(biāo)跟蹤也是智能輪椅需要解決的一個(gè)問題。駕駛輔助幫助用戶在輪椅行駛狀況危險(xiǎn)的情況下，為用戶提供避障、緊急停車等安全保護(hù)措施。而目標(biāo)跟蹤為一些有獨(dú)立

2、移動(dòng)能力的老人提供更加靈活的智能輪椅控制方式，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的戶外活動(dòng)狀態(tài)。避障功能與目標(biāo)跟蹤功能將有效的提高智能輪椅的機(jī)動(dòng)性，并為用戶提供安全而又靈活的智能輪椅控制方式。如何設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)可以同時(shí)解決智能輪椅的以上兩個(gè)問題，并在工程上具有現(xiàn)實(shí)意義是一個(gè)重要的課題。
　　本文圍繞智能輪椅的避障與目標(biāo)跟蹤兩個(gè)關(guān)鍵問題，深入研究了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、避障和目標(biāo)跟蹤的控制模型建立等相關(guān)問題。
　　本文首先研究了控

3、制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)需要工作在兩種模式下：輔助駕駛和目標(biāo)跟蹤。輔助駕駛為用戶提供避障功能保障輪椅行駛安全，目標(biāo)跟蹤需要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)以及目標(biāo)跟蹤中的避障功能。針對(duì)兩種功能的需求，本文提出了一種基于共享控制策略（Shared Control）的控制方法，采用一套核心控制算法同時(shí)實(shí)現(xiàn)避障輔助與目標(biāo)跟蹤功能。
　　之后，本文研究了傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。視覺傳感器受光線等因素干擾嚴(yán)重，適用范圍有限；激光傳感器探測(cè)精度高，但造價(jià)昂貴，且受限于二

4、維探測(cè)。對(duì)比之下，超聲波傳感器造價(jià)低廉，感知范圍不局限于二維平面，并且不受室內(nèi)外光線影響，但多個(gè)超聲波傳感器之間容易產(chǎn)生串聲干擾（Cross-Talk）。綜合考慮后，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于超聲波傳感器的環(huán)境探測(cè)系統(tǒng)，并提出了基于分組點(diǎn)火（Group-Based Fire Sequence）的超聲波傳感器控制方法來降低傳感器系統(tǒng)的噪聲。
　　接著，本文針對(duì)智能輪椅的避障與目標(biāo)跟蹤功能，基于VFF控制思想，提出了智能輪椅的避障與目標(biāo)跟蹤方法

5、。由于VFF方法只是一個(gè)避障框架，僅僅考慮障礙物與移動(dòng)機(jī)器人的位置關(guān)系建模，不能解決智能輪椅的目標(biāo)跟蹤問題，更不能解決智能輪椅在目標(biāo)跟蹤中出現(xiàn)的目標(biāo)丟失問題。針對(duì)輪椅控制系統(tǒng)的功能需求和VFF的局限，本文提出了基于VFF的共享控制框架，將傳感器數(shù)據(jù)、用戶輸入、目標(biāo)位置、里程計(jì)信息在矢量空間進(jìn)行建模融合，解決了智能輪椅的避障和目標(biāo)跟蹤問題。
　　然后，本文介紹了“交龍”號(hào)智能輪椅實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。首先介紹了“交龍”號(hào)智能輪

6、椅平臺(tái)的原運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了基于STM32控制器的“交龍”運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與超聲波感知系統(tǒng)的改造和融合，介紹了在ROS環(huán)境下，控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)。接著，介紹了智能跟蹤機(jī)器人（Smart Human Following Robot）的研發(fā)。
　　最后，通過在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析以及在上海第三福利院的用戶評(píng)估，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的輔助駕駛對(duì)智能輪椅用戶的日常生活的安全保障作用；驗(yàn)證了目標(biāo)跟蹤中，本文的控制方法可以有效避障