人口老龄化以及大量残疾人的存在带来了很多的社会问题,对护理人员的数量和质量更是提出了迫切的要求。大力发展服务机器人,有助于提高老年人和残疾人的生活质量,减少对护理人员数量和质量的需求,保证社会的稳定发展。以老年人和残疾人为中心,为其提供诸如取物、送水、物品整理等服务是机器人面临的基本任务。为了完成上述任务,服务机器人需要实时、准确、全面地获取环境信息,进行路径规划和自主导航,在大范围空间内识别、定位目标,并能对目标实施抓取、运送,放置在指定位置。本文以智能空间支持下的物品定位和物品管理为中心,主要研究内容包括以下几个方面。(1)针对服务机器人和智能空间的特点,建立了通用的基于改进JDL的信息表示模型和基于分布式数据融合树的多模式信息获取架构。智能空间改变了传统的信息表示和信息获取模式,使计算资源和各种设备趋于公用和共享化。为了充分利用智能空间异构传感器网络提供的丰富服务资源,建立了基于改进JDL模型的智能空间多模式信息表示模型,将QR Code、RFID等不同种类、不同形式的信息用统一的规范表示出来,实现了信息的互通和共用。建立了基于分布式数据融合树的多模式信息获取机制,实现了数据层、特征层和决策层等不同层次的信息获取,并针对该模型不同层次的特点,设计了相应的数据融合算法,实现了对智能空间分布式传感器数据的多级别、多层次处理,使服务机器人和智能空间具备了多模式的信息获取能力,实现了更加丰富的信息服务和共享。(2)针对集中式地图表示存储手段单一、检索难度大、鲁棒性不高等缺点,提出了基于人工地标的分布式环境表示方案。构建了具有拓扑-拓扑-栅格结构的3层树型混合地图来表示户内环境。采用人工地标存储地图信息,利用谱系聚类算法根据各拓扑节点的位置和节点间距离确定人工地标的粘贴位置和数量,采用鱼眼视图对单个地标内存储的局部信息进行优化。该方案减轻了机器人的存储和检索负担,且在保证机器人定位精度的基础上,降低了地标的使用数量,提高了机器人定位导航效率。针对栅格地图信息表示单一和传统路径规划对安全性重视不够的问题,建立了环境信息更为丰富的危险度地图,并提出了基于危险度地图的改进PSO路径规划方法。该方法采用路径危险度和长度的加权和作为PSO的适应度函数,提高了路径规划的安全性和灵活性。提出了基于障碍物变化率的非等间距分布的PSO路径规划方法,增强了PSO对环境的适应性。动态路径规划采用分层的设计策略,利用改进的PSO算法规划初始路径,采用基于动态危险度地图的改进A*算法进行避障。该方法充分利用了环境的先验信息和智能空间提供的动态障碍物的多模式信息,简化了规划流程,实现了灵活避障,能满足复杂环境下的机器人实时导航要求。(3)针对视觉在大范围物品定位的不足,将RFID技术引入到服务机器人物品定位领域,建立了基于贝叶斯规则和粒子滤波的RFID物品粗定位系统。在常规基于参考标签定位的基础上提出利用标签时序进行物品定位的方法,该方法实现简单、实时性好,但是稳定性差。为了提高RFID定位的稳定性,建立了RFID天线识别范围概率模型,提出了基于天线识别范围概率模型和机器人本体位姿的贝叶斯规则和粒子滤波定位方法。基于贝叶斯规则的定位方法速度快,实时性好,定位精度较高；基于粒子滤波的定位方法实时性较差,但是定位精度更高。该粗定位系统充分利用RFID技术识别范围广、搜寻效率高等优势,是对视觉识别技术的有益补充。(4)针对RFID定位精度无法满足物品操作需要的不足,提出了基于人工物标的多种类物品识别、精定位方案和眼注视约束下基于位置的视觉伺服的物品抓取方案。针对家庭环境中物品种类繁多、识别难度大等特点,设计了基于QR Code技术的新型人工物标,能实现物品的快速识别和深层信息的获取,为物品定位和物品操作提供了更充足的信息。提出了基于人工物标的多种类物品识别、定位方案,利用机器人系统模型和目标特征实现了快速高效的物品识别和精定位。建立了六自由度扩展机械臂模型,设计了眼注视约束下基于位置的视觉伺服系统,实现了物品的抓取、运送等操作。该系统有效利用了本体视觉提供的丰富信息,能准确识别室内多种类物品,具有定位精度高、稳定性好等优势,已成功地用于智能空间中以人为中心的主动服务。(5)针对当前物品定位和物品管理效率不高的问题,提出了基于活动理论的智能化物品管理方案。该方案以活动理论为基础,通过分析智能空间中人的行进轨迹和动作行为对物品的状态进行推理。通过附着在目标物品上的RFID标签,使信息空间可以自动觉察物理空间中物品的状态变化,实现物理空间与信息空间的绑定。利用智能空间中的RPID、分布式视觉、惯导模块等多种传感器获取的实时数据,并结合智能空间数据库,实现了物品检测、人体定位和动作识别。构建了面向物品定位的动态贝叶斯网络,通过对人的活动分析实现了物品状态的自动觉察和更新,大大提高了物品搜寻和物品管理的效率。