轮椅机器人的视觉导航分析

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1、第1章绪论1．1引言机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。随着与其相关的边缘学科的发展，机器人也在迅猛的发展，在机器人的发展过程中，各国科学家和工程技术人员对机器人的定义都不一致，现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。目前在工业、医学、军事等领域中机器人均有重要应用，机器人甚至走进了需要人类高智商和灵敏动作的领域，如足球机器人【l,21。随着机器人技术的发展和其在传统领域中应用的日渐成熟，为了满足社会的需求，一种新的机器人诞生了，这就是服务机器人，服务机器人可以代替

2、人类从事一些第三产业的工作，如清洁机器人【3】。服务功能的实际需求对服务机器人提出了比在工业等传统领域中应用的机器人更高的要求，那就是智能化。无论是国际上还是我国，老龄化的速度都在加快，对老年人的服务和照顾将会成为未来二三十年社会的主要问题，这种社会现实促进了智能化服务机器人在助老助残方面的应用，助老助残型智能服务机器人应运而生。助老助残型智能服务机器人的智能特征就在于它具有与外部世界一对象、环境和人～相互协调的工作机能。在这方面，视觉、接近觉、触觉和力觉具有重大作用，机器人视觉被认为是机器人重要的感觉能力。机器人视觉系统正如人的眼睛一样，是机器人感知外部环境的重要“器官”，按照感知

3、的环境信息实现机器人的动作或导航。机器人视觉信息主要指来自二维彩色摄像机的信息，为了延伸视觉的可达性，也可以用激光，雷达，红外夜视仪等设备来获得图像信息【4，51，视觉信息能否正确、实时地被处理直接关系到机器人的行驶速度、路径跟踪，对系统的实时性和鲁棒性具有决定性的作用【61。视觉信息的处理技术和导航技术是移动机器人研究的关键技术之一。机器视觉与其他获得外部环境信息的方式相比具有以下优点：非接触性，信息量大，再现性好，处理精度高，适用面宽，灵活性高【71。因此，视觉导航技术越来越成为移动机器人导航的一项重要技术。在视觉导航中，一个好的图像第l章绪论处理技术非常重要，这是因为图像处理是

4、机器人导航的前提，更重要的是图像的信息量大，细节丰富，以目前计算机的能力，要让其对图像的理解能力达到人类的水平是远远不可能的，即使算法上可以做到对图像的理解能够非常准确无误，所需的计算时间也会长到无法接受的程度，这对于需要实时控制的机器人来说是不适用的【引。图像处理技术的关键是要在足够短的时间内得出机器人导航所需要的参数，图像处理算法的基本任务有以下3个：(1)正确识别出导航的开始端和结束端，并给出机器人相对于开始端的定位坐标；(2)排除噪声的干扰，正确识别出前进的道路并且给出道路的坐标：(3)通过比较前后相邻的图像，能够得到系统纠偏的结果，即具有反馈功能。论文参考传统的图像处理算法

5、并加于改进，结合实际情况引用图像中最黑点的信息和图像边缘信息快速二值化图像，从而得到去噪的黑白图像，算法中采用局部最优阈值法分割图像，这些处理技术的使用使得图像处理算法较好的完成了上述的3个基本任务。视觉导航技术的另一个关键技术是路径的规划方法，在模糊控制模型的基础上，论文采用了一种新的规划方法一预测反馈型多维规划法。本论文的主要内容即是在图像处理算法和预测反馈型多维规划法两方面展开研究并构建了实验平台进行了验证。1．2课题研究的背景1．2．1课题研究的社会背景随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是老年人和残疾入愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。世界

6、各国的老龄化程度越来越高，加上因为各种交通事故、天灾人祸和种种疾病，每年均有成千上万的人丧失一种或多种能力(如行走、动手能力等)。因此，对用于帮助老年人，残障人行走的轮椅机器人的研究已逐渐成为热点，如西班牙、意大利、日本、德国、美国等，我国中国科学院自动化研究所等单位也从事了相关轮椅机器人的研究。老年人和残疾人的服务需求将Et益增加，助老／助残服务机器人系列产品的研发有助于形成未来老年和残疾人生活的新模式和新概念，为解决人口老龄化带来的重大社会服务问题，以及2015年实现我国“人人享有康复服务”的国家战略目标和社会协调发展提供技术支撑。智能轮椅是助老／助残服务机器入系列产2第1章绪论

7、品中的一个重要研究领域。轮椅作为广大老弱病残人员使用的辅助运动工具，随着人工智能和机器人技术的发展，智能轮椅的研发也必将成为一种趋势【9】。{2005．2006年智能机器人领域投资机会》研究报告中指出，在中国，随着中国人口呈现老龄化的趋势，以及居民在消费上支出的增加，在未来的十年之内，服务机器人在中国的需求会有明显的增长。基于以上的社会背景分析，研究助老／助残的服务机器人，不仅具有很好的社会意义，也具有良好的经济效益。1．2．2课题研究的项目背景国家高技术