智能轮椅自定位与导航技术研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文智能轮椅自定位与导航技术研究项目资助：国家863计划项目（2012AA041403）国家自然科学基金项目（61175088）专业：控制理论与控制工程博士生：王景川导师：陈卫东教授上海交通大学电子信息与电气工程学院2014年12月万方数据万方数据ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPhilosophyDoctorRESEARCHONLOCALIZATIONANDNAVIGATIONTECHNOLOGYOFINTELLI

2、GENTWHEELCHAIRThisworkispartlysupportedbytheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgramofChinaundergrant2012AA041403,andtheNaturalScienceFoundationofChinaundergrant61175088.Specialty:ControlTheoryandControlEngineeringAuthor:JingchuanWangAdvisor:Prof.WeidongChenS

3、choolofElectronicsandElectricEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityDec,2014万方数据万方数据上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日万方数据万方数据上海交通大学学位论文版权

4、使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日万方数据万方数据万方数据上海交通大学博士学位论文智能轮椅自定位与导航技术研究摘要智能轮椅通过将移动机器人技术应用于电动轮椅

5、上，在机构上稍加改进，辅以测距、视觉等传感器，融合移动机器人相关的定位导航、人机交互、图像识别等先进技术，使其变成高度自主化的移动机器人，从而实现对老年或残疾人的移动辅助。本文按照功能分离、结构分离、兼容性、可扩展、可移植等设计原则，出于开放性与标准化等方面的考虑，提出了基于服务导向的服务机器人模块化软件体系结构设计方法，并基于此方法完成智能轮椅系统设计及平台开发，根据不同残障程度的用户需求以及不同的使用环境要求，设计了三种智能轮椅工作模式。在自主导航模式方面，智能轮椅需要具备完全自主性，须具有探索未知区域、创建其地图、基于地图进行自

6、定位、路径规划以及导航的能力，同步定位与地图创建（SLAM）就是实现这一能力的关键。考虑智能轮椅使用环境的特点，本文提出了基于激光测距传感器和全景视觉的两种智能轮椅SLAM方法：在大范围、空旷的环境中，保持稳定的数据关联并且降低算法的复杂度是SLAM问题的关键。针对这一问题，本文提出了基于分层匹配的增量式SLAM算法，将SLAM问题简化为数据关联和最小二乘优化两个部第I页万方数据上海交通大学博士学位论文分，然后通过以下步骤加以解决：首先，通过分层ICP匹配解决数据关联问题，并且对传感器观测与局部地图以及局部地图之间均进行匹配，匹配结果

7、的不确定性采用Fisher信息矩阵描述；随后，再采用增量式QR分解对机器人位姿进行优化。分层ICP匹配有效避免了由于环境信息量减少引起的局部极小，能够建立一致的地图，从而保证了地图和定位的精度。同时，分层以及增量式特性保证了算法具有较低复杂度，使其可满足大尺度环境下的实时应用。针对智能轮椅导航的室内环境特点，提出了基于全景视觉的扩展信息滤波SLAM算法，通过对全景视觉观测模型的分析，结合对信息矩阵结构特征描述，将信息矩阵稀疏化、降低算法的复杂度，同时引入了改进的稀疏化规则，在保证现有计算效率的同时，解决了由于稀疏化所带来的非一致的地图

8、描述问题，使算法的实时性和精确度均得以提高。基于之前建立的概率栅格地图，提出了基于定位能力估计的移动机器人路径规划算法。定位能力被用来评价环境结构与地图噪声对机器人定位性能的影响，从而在全局地图上规划出一条定位信息丰富的