基于ROS的室内导盲机器人设计

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截至2022年,全球约有2.85亿名视力受损患者,我国约有0.17亿名,其中超过800万人完全失明。视障人士出行不便的问题亟待解决。随着信息技术与人工智能技术的发展、国家有关政策的推动,采用具有导航能力的机器人为盲人导盲,实现自由出行成为可能。为实现这一目标,本文以机器人操作系统(ROS)为平台,设计了一种小巧便携,适用于大型购物中心、医院、康复养老中心等场所的室内导盲机器人。该机器人能够跟踪设定目标,同步构图、自主导航、避障,引领视障者安全、快捷到达目的地。本文对室内导盲机器人涉及到的算法进行分析研究,包括SLAM、路径规划、避障等算法,完成了室内导盲机器人的总体设计和软硬件系统设计。以下是完成的主要研究工作:对视障人士导盲方式进行了分析研究,确定了机器人引导、盲人跟随的导盲方式。分析研究了涉及到的关键技术,包括底盘运动学模型建立、激光雷达测距原理、地图模型的原理分析和设计。完成了室内导盲机器人的总体设计方案、机械结构设计、软硬件系统结构设计,对机器人的核心元器件进行了计算选型,并且搭建了导盲机器人的样机。通过仿真平台搭建实验场景和机器人模型,机器人能够顺利在仿真环境下建立地图,为导盲功能的实际应用奠定基础。分析了主流的Gmapping、Hector、Cartographer三种SLAM算法原理,并通过样机在模拟环境下试验建图,对比研究三种算法构建出的栅格地图,解析出三种算法的建图质量和优缺点,确定使用Cartographer建图算法,并结合Lazy Decision算法,优化构建出的栅格地图。对室内导盲机器人自主导航采用的定位算法、A*全局规划导航算法、动态窗口路径规划算法进行了理论分析和算法设计。并使用MATLAB软件进行路径规划仿真实验,通过实验验证机器人导航的可行性。设计了导盲机器人的人机交互系统,使导盲机器人能够反馈信息与自主调速。最后,将样机应用在实际场景中,对室内导盲机器人的建图功能、导盲功能进行测试。通过试验结果表明室内导盲机器人能够胜任机器人引导、盲人跟随的导盲任务。
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