导盲机器人定位与路径规划技术

《导盲机器人定位与路径规划技术》针对导盲机器人及导盲系统的研究与开发，重点在于导盲机器人室内外定位和自动导航技术的研究，凝结了作者近十年的研究成果和研究心血。在服务机器人领域内，首次将导盲机器人的应用和研究的研究成果集注成书，希望《导盲机器人定位与路径规划技术》能成为研究导盲机器人相关技术的一块引玉的砖，使很多人和很多机构能够参与到对导盲机器人的研究和应用上来，造福于广大盲人和视力障碍者群体。
《导盲机器人定位与路径规划技术》共分为9章，分别是概述、导盲机器人系统结构、导盲机器人室内定位技术、导盲机器人室内路径规划和导航方法、导盲机器人室外定位技术、导盲机器人室外路径规划及导航方法、导盲机器人人机交互技术研究、多导盲机器人信息交互系统设计和导盲机器人的应用等。
《导盲机器人定位与路径规划技术》可以作为高等学校机械类专业及相近专业本科生和研究生的参考书，也可以作为相关专业高等学校教师、研究生和工程技术人员的参考书。

陈超，副教授，硕士生导师，现任江苏科技大学机械工程学院机械电子教研室主任。2005年3月上海交通大学博士毕业以来致力于机器人领域的研究。2006年开始研究导盲机器人及导盲系统的开发，2009年赴美国伊利诺理工大学阿莫工学院机器人实验室担任访问学者一年。近年来完成各类科研项目二十余项，发表导盲机器人相关的研究论文十余篇。主编教材有《机械工程测试技术基础》，参编教材有《PLC原理与控制》、《机电液综合课程设计指导实践》等。

第1章 概述
1．1 概述
1．2 服务机器人的分类及特点
1．3 导盲机器人的概念及研究历史
1．4 导盲机器人的分类
1．5 导盲机器人的发展趋势

第2章 导盲机器人系统结构
2．1 导盲机器人功能原理
2．2 总体功能方案
2．2．1 系统硬件总体控制方案
2．2．2 PLC主机与各单片机从机的通信
2．2．3 控制系统的执行优先级决策
2．3 机器人结构设计方案
2．3．1 车体结构总体方案
2．3．2 车体运动机构设计
2．3．3 电机和驱动模块方案
2．4 机器人多传感器及手柄设计方案
2．4．1 多路超声波测距和防串扰方案
2．4．2 红外线过道检测方案
2．4．3 语音识别和输出方案
2．4．4 机器人手柄导向控制方案
2．5 RFID读写器方案
2．5．1 RFID读写器与电子标签的选择
2．5．2 RFID读写器与电子标签间的无线通信
2．5．3 RFID读写器与电子标签的结构布置和功能设计

第3章 导盲机器人室内定位技术
3．1 导盲机器人室内定位技术概述
3．2 导盲机器人室内射频定位技术内容
3．3 超高频RFID室内定位的基本方法
3．3．1 到达角度法（Angle of Arrival，AOA）
3．3．2 到达时间法（17ime 0f Arrival，TOA）
3．3．3 到达时间差法（Time Difference of Arrival，TDOA）
3．3．4 接收信号强度法（Received Signal Strength Indication，RSSI）
3．4 多标签同时识别与系统防碰撞方案
3．4．1 多标签RFID系统通信方式
3．4．2 多标签识别与防冲突方法概述
3．4．3 基于ALOHA算法的导盲机器人RFID通信环境防碰撞方案
3．5 基于RSSI的超高频室内全局定位方案
3．5．1 RSSI测距基本原理
3．5．2 RSSI测距干扰因素及实验分析
3．5．3 LANDMARC最邻近距离定位算法在导盲机器人的应用方案
3．5．4 动态k值确定及优化设计
3．5．5 待定标签历史轨迹校准
3．5．6 参考标签可信度检测
3．5．7 导盲机器人超高频室内全局定位算法综合流程
3．6 低频信标局部辅助定位方案
3．6．1 低频信标组的布局
3．6．2 局部定位对权值及k值的影响

第4章 导盲机器人室内路径规划和导航方法
4．1 未知环境下的导盲机器人导航方法简介
4．2 导盲机器人导航模型
4．2．1 导盲机器人避障传感器区域划分模型
4．2．2 导盲机器人车体运动模型
4．3 基于多路超声波探测的环境地图构建方案
4．3．1 局部和全局坐标系的建立及转换
4．3．2 地图标定及点集划分和处理
4．4 导盲机器人在未知环境中的改进的BUG类导航方案
4．4．1 未知障碍物环境下的航向特征提取及判定
4．4．2 机器人行走步长的确定
4．4．3 导盲机器人避障模式下的基本行进方式的实现
4．4．4 基于分段目标改进的BUG类整体路径规划方案
4．5 导航总体算法流程图
4．6 盲机器人实验样机及上位机软件简介
4．6．1 导盲机器人实验样机
4．6．2 实时监控采集及仿真软件
4．7 基于改进LANDMARC的导盲机器人RFID定位实验
4．8 导盲机器人避障绕行实验
4．9 导盲机器人非特定人声语音指令识别实验
4．10 导盲机器人室内导航实验

第5章 导盲机器人室外定位技术
5．1 导盲机器人室外定位技术概述
5．1．1 室外定位技术
5．1．2 通信技术
5．1．3 室外导航技术
5．2 机器人总体功能方案
5．3 机器人总体控制方案
5．4 机器人各功能单元设计方案
5．4．1 运动执行单元
5．4．2 定位通信单元
5．4．3 人机语音交互单元
5．4．4 视觉反馈与物体识别单元
5．5 室外GPS定位
5．5．1 GPS组成与原理
5．5．2 NMEA通信协议
5．5．3 GPS导航数据获取
5．5．4 Google Map地图定位
5．5．5 RFID标签对定位精度的辅助修正
5．6 机器人对定位信息的反馈方案
5．7 GPRS远程通信
5．7．1 GPRS通信原理及技术
5．7．2 基于短信息形式的数据传输
5．7．3 基于GPRS网络的数据传输
5．7．4 基于Winsock的远程监控端的数据传输

第6章 导盲机器人室外路径规划及导航方法
6．1 普通行走道路的识别
6．1．1 道路图像预处理
6．1．2 图像滤波处理
6．1．3 图像的阈值分割
6．1．4 图像的形态学修正处理
6．1．5 道路边缘检测
6．1．6 道路直线特征检测
6．1．7 道路图像识别检测结果
6．1．8 导航参数提取
6．2 盲道及斑马线的识别
6．2．1 盲道的识别
6．2．2 斑马线的识别
6．3 Dijkstra算法最优路径选择
6．4 导盲机器人实验样机及上位机控制软件简介
6．4．1 导盲机器人实验样机
6．4．2 上位机控制及数据交互软件
6．5 导盲机器人远程监控软件
6．6 导盲机器人运行试验
6．6．1 GPS卫星数据接收试验
6．6．2 短消息接收试验
6．6．3 GPRS网络数据发送接收试验
6．6．4 RFID阅读器读取标签数据试验
6．6．5 机器人行走路径监控试验
6．6．6 机器人路径规划及搜索试验

第7章 导盲机器人人机交互技术研究
7．1 导盲机器人的人机交互问题
7．1．1 人机交互的概念
7．1．2 人机交互的理论和方法基础
7．1．3 导盲机器人人机交互的研究内容
7．2 导盲设备用于人机交互的主要应用
7．3 导盲机器人人机交互的主要方式
7．3．1 盲文键盘和盲文按钮
7．3．2 射频识别物体
7．3．3 语音交互

第8章 多导盲机器人信息交互系统设计
8．1 多机器人系统概述
8．1．1 多机器人系统的优点
8．1．2 多机器人系统的应用领域
8．1．3 多机器人系统的性能衡量指标
8．2 基于ROS的多导盲机器人实现方案
8．2．1 多导盲机器人体系结构概述
8．2．2 多导盲机器人系统实验平台
8．2．3 多导盲机器人系统软件平台
8．3 多导盲机器人系统研究的意义

第9章 导盲机器人的应用
9．1 概述
9．2 导盲机器人的单一服务
9．3 公共场所的导盲机器人服务
9．4 城市和社区为单位的多导盲机器人系统服务

参考文献

服务机器人是机器人家族中的一个年轻成员，可以分为专业领域服务机器人和个人／家庭服务机器人，服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。数据显示，目前，世界上至少有48个国家和地区在发展机器人，其中25个国家已涉足服务型机器人开发。在日本、北美和欧洲，迄今已有7种类型40余款服务型机器人进入实验和半商业化应用。
近年来，全球服务机器人市场保持较快的增长速度，根据国际机器人联盟的数据，2010年全球专业领域服务机器人销量达13741台，同比增长4%，销售额为320亿美元，同比增长15010；个人／家庭服务机器人销量为220万台，同比增长35%，销售额为5.38亿美元，同比增长39%。另外一个方面，全球人口的老龄化带来大量的问题，例如对于老龄人的看护以及医疗问题，这些问题的解决带来大量的财政负担。由于服务机器人所具有的特点使之能够显著地降低财政负担。因而服务机器人能够被大量地应用。
我国在服务机器人领域的研发与日本、美国等国家相比起步较晚。在国家863计划的支持下，我国在服务机器人研究和产品研发方面已开展了大量工作，并取得了一定的成绩，如哈尔滨工业大学研制的导游机器人、迎宾机器人、清扫机器人等；华南理工大学研制的机器人护理床；中国科学院自动化研究所研制的智能轮椅等。
导盲机器人作为服务机器人中的一个重要成员，近几年有关它的研究也逐渐成为一个研究热点。导盲机器人特定的服务群体——盲人或视力障碍者的数量庞大，据世界卫生组织统计全世界有盲人4000万到4500万，低视力是盲人的3倍，约1.4亿人，其中75%即1亿多患者可以通过手术及屈光矫正得以恢复或提高视力，尚有25%的低视力患者需要低视力保健，如需配戴助视器及视觉康复仪等。我国曾在20世纪80年代进行过视力残疾状况调查。结果显示，有视力残疾患者近1300万，其中盲人约550万，低视力约750万。1984年，在沙特阿拉伯首都利雅得召开的世界盲人联盟成立大会上，确定每年的10月15日为“国际盲人节（White-Cane Safety Day）”（又名白手杖节），这使盲人在国际上有了统一的组织和自己的节日。面对如此庞大的服务群体，导盲设备和导盲机器人产品尚没有真正走入市场，形成真正的可靠服务产品。
本书作者结合多年针对导盲机器人的研究成果，将开发导盲机器人的经验和研究经历整理成书，主要针对导盲机器人室内定位、室内路径规划和自动导航、室外定位以及室外路径规划和自动导航等方面进行了深入的分析和探讨，同时也对多导盲机器人系统以及导盲服务监控系统方面内容进行了粗浅的探讨和分析，为下一步导盲机器人走入市场并能够服务广大盲人和视力障碍者提供一些研究基础。本书可以作为机器人爱好者的学习用书，也可以作为相关专业工程技术人员的参考书。全书共分为9章，第1章主要介绍了导盲机器人的概念、意义、分类以及发展概况。第2章主要以作者近几年研究的导盲机器人来介绍导盲机器人的系统结构，主要包括导盲机器人车体结构设计、驱动方案选择、多传感器布置、手柄设计以及RFID标签选择和布置等内容。第3章介绍了导盲机器人室内定位方法。第4章介绍了导盲机器人室内路径规划方法和自动导航算法，从仿真和实验几个方面进行了验证和实践检验。第5章介绍了导盲机器人室外定位方法。第6章介绍了导盲机器人室外路径规划和自动导航算法。第7章介绍了导盲机器人人机交互技术方面的研究内容和研究概况。第8章介绍了多导盲机器人系统应用概况，从多机器人系统角度介绍了多导盲机器人数据交互和信息交互的研究概况。第9章介绍了导盲机器人的应用概况，并且对将来的应用提出作者的看法和展望。
在本书撰写期间，感谢江苏科技大学机械工程学院院长唐文献教授、副院长张冰蔚教授、副院长周宏根副教授以及机械工程学院书记窦培林教授对作者的关心以及在撰写过程中提出了许多宝贵的意见，另外江苏科技大学海洋装备研究院院长蒋志勇教授和副院长卢道华教授也对作者在本书撰写过程中提供了很大的帮助和鼓励。感谢江苏盛德电子仪表有限公司吴建民董事长和杨杰总经理对导盲机器人项目的支持和本书的帮助。本书的出版，得到了江苏科技大学机械工程学院提供的资金资助，以及学院各行政机关和同事们的大力支持，对此表示衷心感谢。本书的撰写过程中，感谢我的研究生靳祖光、唐坚、杨洋、张探、王若怡和刘志对本书材料的整理以及录入工作。最后，感谢所有关心、支持和帮助过我的同事们和朋友们。
限于作者水平，书中如有不当之处，恳请读者们批评指正。