半自主导航轮椅系统的设计与实现

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1、硕士学位论文Ｉ＃圓圓半自主导航轮椅系统的设计与实现＿Ｉ作者姓名ｓＭ指导教师姓名、职称张彤副教授申请学位类别工学硕士学校代码10701学号1503121686分类号TP39密级公开西安电子科技大学硕士学位论文半自主导航轮椅系统的设计与实现作者姓名：兰伟一级学科：计算机科学与技术二级学科：计算机应用技术学位类别：工学硕士指导教师姓名、职称：张彤副教授学院：计算机学院提交日期：2018年6月DesignandImplementationofSemi-autonomousNavigationWhee

2、lchairSystemAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinComputerApplicationTechnologyByWeiLanSupervisor:TongZhangTitle:AssociateProfessorJune2018摘要摘要随着中国老龄化程度不断加深，高龄失能老人数目与日俱增，此类人群的生活出行成为社会关注的一个焦点。对于轮椅使用者来说，很多是操控能

3、力较弱的老人，然而现有轮椅智能程度不高，对老年人来说操作难度较大，不易学习。本文设计和实现的半自主导航轮椅不仅可以进行自主定位和路径规划，还具备自动避障的功能，极大降低了老年使用者的操作难度和使用门槛。由于当下智能手机的普及程度较高以及智能手机中已标配了GPS定位服务，并且出于对成本的考虑，本文设计并实现了基于安卓手机的半自主导航轮椅系统。主要研究内容如下：完成了硬件系统的设计，对整个电路进行了模块化处理，便于降低成本和量产。主要分为主控模块的设计、摇杆控制接口模块的设计和测距模块的设计。实现了轮椅运动控制、自身运动信

4、息采集和与手机实时数据通信的功能。在定位导航的设计中，研究了多传感器融合技术，设计实现了针对惯性传感器和GPS的扩展卡尔曼算滤波法，对数据进行了融合，使得轮椅运动位姿信息的解算更为准确可靠。完成了路径规划方案和相关算法的设计，主要为局部路径规划的设计。本文局部路径规划的实现是通过测距传感器检测道沿，按习惯靠右贴近道沿行驶。对传感器的安装方式进行了优化，使其右前方的一路测距传感器以一定角度斜向前安装，以对道路的下一步走势进行预判，提前计算出轮椅需要的姿态调整量。在自动避障的设计中，本文通过引入新的道路势场对传统人工势场法

5、进行优化，改进了传统算法容易陷入局部极小值陷阱的缺陷。本文对道路势场的设计进行了改进，根据轮椅与右侧道路的距离大小，分段设定为或引力或斥力场，使轮椅与道沿始终保持着稳定的距离。出于安全考虑，本轮椅的使用场景为无车的小区、校园或公园环境。本文在校园环境进行了实验，实验验证了整个系统的安全性和实用性，可以满足半自主导航的要求。关键词：半自主导航，多传感器融合，路径规划，自动避障IABSTRACTABSTRACTWiththeagingofChinesepopulation,thenumberofelderlypeoplew

6、ithdisabilitiesisincreasing,whosetransferoutsidebecomeafocusedsocialproblem.Forwheelchairusers,theyareoftentheelderlywithweakcontrolability,anditisstilldifficultforthemtooperateawheelchairnotsmartenoughcurrentlyandthelearningisalsohard.Thedesignedandimplementedn

7、avigationwheelchairsysteminthisthesiscannotonlycarryoutautonomouspositioningandrouteplanning,butalsoavoidobstaclesautomatically,whichgreatlyreducestheoperationdifficultyandlowersusethresholdforelderlyusers.Basedonthehighlypopularityofsmartphones,thewellperforman

8、ceofGPSpositioningservicewithinsmartphoneandtheconsiderationofcost,thisthesisdesignsandimplementsasemi-autonomousnavigationwheelchairsystembasedonandroidsystem.Mainre