基于视觉的智能轮椅定位研究及实现

摘要

智能轮椅是在移动机器人技术的基础上发展起来的，集机器视觉、模式识别、自动控制、多传感器信息融合和多模态人机交互等多种高新技术为一体，具有自动定位、导航和避障等功能，可以为行动不便人群提供帮助，提高他们的生活质量。随着人口老龄化的加剧以及残障人士的日益增多，社会对智能轮椅会有更加迫切的需求。因此对智能轮椅进行研究具有十分重要的现实意义。
　　定位是智能轮椅实现自动导航功能的关键技术，也是智能轮椅研究领域的重点和难点问题。本文设计了一个智能轮椅平台，在该平台上对基于视觉的智能轮椅定位问题进行了较为深入的研究。
　　本文主要做了以下工作:
　　(1)通过对智能轮椅国内外研究状况的了解以及智能轮椅主要技术的研究，我们设计了一款采用上、下位机控制结构的智能轮椅平台，上位机为便携式PC机、下位机为Arduino Mega2560开发板。轮椅上安装有机器视觉模块、超声波阵列等传感器装置，具有通过视觉来进行自身的定位以及超声波测距避障的功能。整个轮椅架构是开放的，便于以后添加其他需要的功能和模块。
　　(2)对基于视觉的智能轮椅定位技术进行了研究，并从模式分类的角度出发，将智能轮椅的全局定位转化为在视觉传感器采集空间中的场景识别问题，提出了一种基于主成分分析和支持向量机的场景识别定位算法。先对场景图像做预处理，接着用主成分分析进行特征提取得到图像的全局特征，然后再用支持向量机算法来进行分类。该方法通过仿真实验，证明是有效的。
　　(3)最后，本文开发了一款基于VC++6.0和OpenCV的场景识别定位系统，从而实现了基于视觉的智能轮椅自定位。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 智能轮椅研究状况

1．2．1 国外研究状况

1．2．2 国内研究状况

1．3 智能轮椅导航关键技术分析

1．3．1 多传感器信息融合

1．3．2 定位

1．3．3 路径规划

1．4 基于视觉的智能轮椅定位研究

1．4．1 基于路标的定位方法

1．4．2 基于场景识别的定位方法

1．5 本文的主要工作及结构安排

第二章 智能轮椅平台的设计

2．1 智能轮椅的设计要求

2．2 智能轮椅的硬件结构设计

2．2．1 电动轮椅平台

2．2．2 上位机PC

2．2．3 机器视觉模块

2．2．4 下位机Arduino开发板

2．2．5 超声波传感器阵列

2．3 智能轮椅的软件体系设计

2．3．1 场景识别定位系统

2．3．2 超声波测距系统

2．3．3 串口通信

2．3．4 语音播报

2．4 本章小结

第三章 图像预处理

3．1 色彩空间转换

3．2 图像滤波

3．3 图像几何变换

3．4 本章小结

第四章 基于场景识别的智能轮椅定位

4．1 基于场景识别的智能轮椅定位的一般流程

4．2 主成分分析

4．2．1 K-L变换

4．2．2 基于主成分分析的特征提取

4．3 支持向量机

4．3．1 线性支持向量机

4．3．2 非线性支持向量机

4．3．3 核函数及其参数的选择

4．3．4 多类支持向量机

4．4 基于PCA和SVM的场景识别定位算法

4．5 仿真实验

4．5．1 实验内容设置

4．5．2 实验结果与分析

4．6 本章小结

第五章 智能轮椅场景识别定位系统的实现

5．1 场景识别定位系统的设计

5．1．1 开发环境介绍

5．1．2 OpenCV的配置

5．1．3 核心模块设计

5．2 定位系统运行效果

5．3 本章小结

总结与展望

参考文献

声明

致谢