智能轮椅的路径规划方法的研究与实现

摘要

随着人口老龄化问题的加重，需要看护的老年人比例大幅度增加，再加上肢体残疾的人数的增多，助老助残成为现阶段亟待解决的社会问题。智能轮椅的出现，可以为老年人和残疾人提供代步工具，提高老年人和残疾人的生活质量。路径规划是智能轮椅研究的核心内容。做好路径规划，智能轮椅可以更好地实现自动控制。
　　智能轮椅路径规划主要包括环境建模、定位以及路径规划算法三部分。其中，环境建模和定位是路径规划的基础，路径规划算法是路径规划的核心。经验证，单一的基于栅格法的路径规划算法以及蚁群算法均可按要求规划出路径，但每种算法都有一定的优缺点。如果将两种算法相结合，组成基于栅格法的蚁群算法进行路径规划，不仅可以将两者的优点相结合，还可以弥补各自的缺点，得到明显优于单一算法的结果。
　　基于栅格法的蚁群算法可以规划出较好的路径，但存在路径线接触障碍栅格顶角或所走路径两侧均为障碍栅格的现象。即使障碍栅格在膨胀化处理时加入了安全距离，但由于距离不是很大，当轮椅与障碍物距离很近时，会使坐在轮椅车上的人认为要发生碰撞，给使用者增加心理压力。为了解决这一问题，提出了改进方法，即分别对当前栅格的正对方向和对角方向的邻近栅格进行障碍检测，针对两种情况制定不同的路径选择规则，从而规划路线成功避开了障碍栅格顶角以及狭小区域，并通过实验验证了设计的可行性。
　　在MATLAB环境下进行了仿真实验，对蚁群算法、基于栅格法的路径规划算法、基于栅格法的蚁群算法以及改进算法，完成了在不同环境及同一环境的不同位置下的仿真。完成了智能轮椅的硬件设计及软件流程图的设计，并在以AT91 SAM9263为主控模块的智能轮椅实物上进行调试。为了提高轮椅的安全性能，在轮椅上共安装了七组超声波模块，来全方位检测临时障碍物。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景和研究意义

1．2 智能轮椅国内外研究现状

1．2．1 智能轮椅国外研究现状

1．2．2 智能轮椅国内研究现状

1．2．3 智能轮椅的发展趋势

1．3 本文内容与结构

2 智能轮椅路径规划系统的总体设计

3 智能轮椅路径规划

3．1 路径规划的分类

3．1．1 全局路径规划方法

3．1．2 局部路径规划方法

3．2 环境建模

3．3 定位的研究

3．4 障碍物分析与处理

3．5 基于栅格法的路径规划

3．5．1 基于栅格法的路径规划步骤

3．5．2 基于栅格法的路径规划的仿真

3．6 蚁群算法路径规划

3．6．1 蚁群算法的基本原理

3．6．2 栅格节点分析处理

3．6．3 路径搜索参数

3．6．4 蚁群算法路径规划的实现与仿真

3．7 基于栅格法的蚁群算法的路径规划

3．7．1 基于栅格法的蚁群算法的设计与仿真

3．7．2 算法的改进与仿真

3．7．3 基于栅格法的蚁群算法参数的分析与选择

3．7．4 环境因素对算法的影晌

4 智能轮椅路径规划系统的硬件设计

4．1 RFID模块

4．2 超声波模块

4．3 电子罗盘模块

4．4 电机控制模块

4．5 光电编码器模块

5 智能轮椅路径规划系统的软件设计

5．1 ARM主控模块的软件设计

5．1．1 ARM主控模块的界面及功能开发

5．1．2 ARM主控模块的流程图设计

5．2 RFID模块的软件设计

5．2．1 RFID阅读器的设置

5．2．2 IC卡的设置

5．2．3 标签的布局

5．3 超声波模块的软件设计

5．3．1 超声波模块的通信

5．3．2 避障设计

5．4 电子罗盘模块的软件设计

5．5 电机控制模块的软件设计

5．6 光电编码器模块的软件设计

6 路径规划的实现

7 结论

8 展望

参考文献

10 攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢