基于无线RFID的多传感器导盲机器人的设计与研究

摘要

导盲机器人是专为视力障碍者所研制的环境导向辅助工具。视力障碍是一种对人类生活质量影响很严重的疾病。全球视力障碍者约有1.4亿人,平均每5秒钟世界便会诞生一个盲人。我国约有视力障碍患者近1300万人,每年以45万新出盲人的数量递增。随着我国残疾人社会保障和服务事业也正得到近一步加强和建设,辅助视力障碍者的工作也受到越来越大的重视。视力障碍者一般只能通过听觉和触觉的方式来感觉外在世界的信息,这给其日常生活带来了极大的不便。因此设计和研发出一款可以配合视力障碍者的感触特征而运行的导盲机器人,对弥补其视觉信息的缺失来说是十分重要的。
　　本文综合以上因素,确定了以RFID无线通信技术为定位和导向基础,以红外、声纳等多传感器模块为环境信息获取手段,以语音识别、物体识别和振动触觉反馈等功能为交互方式的导盲机器人总体设计方案。该机器人属室内轮式自主移动机器人,机器人采用差动式双驱动轮结构,并包含一个起辅助支撑作用的万向轮,可以实现包含零半径自转在内的任意二维曲线运动。
　　除机器人总体设计方案外,本文还就基于RFID的导盲机器人通信环境搭建、多标签ALOHA防碰撞方法、超高频LANDMARC和低频信标组相结合的定位方案、传感器扩展模型的建立和改进的Bug导航算法等有关导盲机器人运行的深层次问题展开一定研究。这些问题的解决不仅会使导盲机器人的基础避障功能更加有效,而且会使其具备更为高级的综合性定位导航功能。
　　基于理论研究的可实施性上,本文设计和研发了基于无线RFID的多传感器语音导盲机器人实验样机,并布置了导盲机器人室内多标签通信环境,分别进行了障碍物绕行、室内定位、语音识别和室内导航等实验;并基于Matlab7.6中的M-File和GUI工具箱联合开发了用于导盲机器人的远程监控和导航仿真软件,对样机实验中的RSSI值等数据进行了动态采集和分析,并实现了不同避障和导航方案的仿真、障碍离散地图映射、实验路径映射等测试,验证了导盲机器人整体系统的可行性。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 课题国内外发展状况

1.3 论文主要内容和结构

第2章 导盲机器人总体设计方案

2.1 总体功能方案

2.2 系统总体控制方案

2.3 机器人结构设计方案

2.4 机器人多传感器及手柄设计方案

2.5 RFID读写器方案

2.6 本章小结

第3章 导盲机器人室内RFID通信环境搭建及定位

3.1 超高频RFID室内定位的基本方法

3.2 多标签同时识别与系统防碰撞方案

3.3基于RSSI的超高频室内全局定位方案

3.4低频信标局部辅助定位方案

3.5本章小结

第4章 导盲机器人室内导航方案

4.1未知环境下的移动机器人导航方法简介

4.2导盲机器人导航模型

4.3基于多路超声波探测的环境地图构建方案

4.4导盲机器人在未知环境中的改进的BUG类导航方案

4.5导航总体算法流程图

4.6本章小结

第5章 样机实验与软件仿真

5.1导盲机器人实验样机及上位机软件简介

5.2基于改进LANDMARC的导盲机器人RFID定位实验

5.3导盲机器人避障绕行实验

5.4导盲机器人非特定人声语音指令识别实验

5.5导盲机器人室内导航实验

5.6本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢