基于激光和视觉信息融合的智能轮椅避障及运动控制研究

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1、中文图书分类号：TP242密级：公开UDC：621.3学校代码：10005工程硕士学位论文M.E.DISSERTATION论文题目：基于激光和视觉信息融合的智能轮椅避障及运动控制研究论文作者：郑鹏领域：控制工程指导教师：贾松敏教授论文提交日期:2016年6月UDC：621.3学校代码：10005中文图书分类号：TP242学号：S201302244密级：公开北京工业大学硕士专业学位论文（全日制）题目：基于激光和视觉传感器信息融合的智能轮椅避障与运动控制研究英文题目：THERESEARCHONOBSTACLEAVOIDANCEANDMOTIONCONTROLFORIN

2、TELLIGENTWHEELCHAIRBASEDONLASERSENSORANDMONOCULARVISION论文作者：郑鹏学科专业：控制工程研究方向：智能控制与智能系统申请学位：工程硕士专业学位指导教师：贾松敏教授所在单位：电子信息与控制工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做

3、的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：郑鹏日期：2016年6月1日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：郑鹏日期：2016年6月1日导师签名：贾松敏日期：2016年6月1日摘要摘要随着社会对老龄化人口以及残障群体关注度的提高，轮椅的需求不断增长，促使其智能化、自主化水平不断提升，并逐渐成为智能服务机器人领域的一个热点研究课题。鉴于智能轮椅的

4、应用背景，在研究中需优先考虑轮椅的安全性与稳定性，并依据不同智能轮椅平台的自身特点，有针对性的设计避障策略。本文使用的是自主研发的全向智能轮椅平台，在此平台基础上深入研究了智能轮椅避障方法，同时对其运动控制系统进行了优化。首先，针对激光传感器获取环境信息少、层面单一的缺点，引入了基于单目视觉的障碍物测量策略，并结合背景差法和帧差法对障碍物进行检测；为了实现两种传感器信息更深层次的融合，提出了基于激光传感器和视觉传感器的多信息融合避障策略；在上述工作的基础上设计并实现了基于模糊PID控制方法的全向智能轮椅运动控制系统，显著提升了智能轮椅平台运行的稳定性与实时性。主要

5、研究工作有以下几个方面：1）基于单目视觉的障碍物检测方法基于背景差法的物体检测对图像背景的约束条件较多，并且在光照变化等环境因素的影响下系统鲁棒性较差。针对上述问题，本文提出背景差法与帧差法相融合的障碍物检测方法，利用背景差法实现对障碍物的检测识别，并用帧差法进行背景更替。该方法可有效消除光照等因素的干扰，实现对障碍物的精准检测。2）基于激光传感器和单目视觉传感器的多信息融合避障算法为了弥补激光传感器对于环境中低矮障碍物信息的缺失，引入单目视觉传感器对环境信息进行完善。基于贝叶斯理论，实现激光传感器与单目视觉传感器的信息融合，增强系统对环境中的障碍物信息的理解与感

6、知。该算法消除了单一传感器对避障系统的限制，进一步提高了系统的鲁棒性。3）基于模糊PID方法的全向智能轮椅运动控制全向智能轮椅对避障信号的响应速度需求较高，针对这一特点，提出了基于专家系统与模糊PID融合的速度控制方法。利用专家的经验建立知识库与模糊控制规则，根据用户期望运动结果对智能轮椅的速度进行控制并决策。将专家系统的决策结果与智能轮椅实际运动速度输入模糊PID控制器，利用设计的模糊控制规则对PID的三个参数进行在线的自整定，实现智能轮椅速度的实时精准的控制，提升系统的动态性能并且降低系统的超调量。实验表明，本文提出的基于激光传感器与视觉传感器信息融合避障方法

7、可以I北京工业大学工程硕士专业学位论文有效甄别障碍物信息，提供有效的避障指令，达到期望的避障效果。模糊PID控制器则可精准执行避障指令，系统响应速度与精度均在合理范围内。在智能轮椅自主导航避障方面具有一定的理论意义与实用价值。关键词：全向智能轮椅；单目视觉障碍物检测；信息融合；模糊神经网络IIAbstractAbstractWithincreasingattentionofthesocietyfortheagingpopulationanddisabledgroup,thedemandofwheelchairisaugmentingwhichhavepromote

8、ditsl