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第1章 概述 1

1.1 概述 1

1.2 服务机器人的分类及特点 2

1.3 导盲机器人的概念及研究历史 3

1.4 导盲机器人的分类 6

1.5 导盲机器人的发展趋势 9

第2章 导盲机器人系统结构 11

2.1 导盲机器人功能原理 11

2.2 总体功能方案 13

2.2.1 系统硬件总体控制方案 15

2.2.2 PLC主机与各单片机从机的通信 16

2.2.3 控制系统的执行优先级决策 16

2.3 机器人结构设计方案 18

2.3.1 车体结构总体方案 18

2.3.2 车体运动机构设计 18

2.3.3 电机和驱动模块方案 20

2.4 机器人多传感器及手柄设计方案 22

2.4.1 多路超声波测距和防串扰方案 22

2.4.2 红外线过道检测方案 25

2.4.3 语音识别和输出方案 25

2.4.4 机器人手柄导向控制方案 30

2.5 RFID读写器方案 33

2.5.1 RFID读写器与电子标签的选择 33

2.5.2 RFID读写器与电子标签间的无线通信 35

2.5.3 RFID读写器与电子标签的结构布置和功能设计 37

第3章 导盲机器人室内定位技术 39

3.1 导盲机器人室内定位技术概述 39

3.2 导盲机器人室内射频定位技术内容 40

3.3 超高频RFID室内定位的基本方法 44

3.3.1 到达角度法（Angle of Arrival,AOA） 44

3.3.2 到达时间法（Time of Arrival,TOA） 44

3.3.3 到达时间差法（Time Difference of Arrival,TDOA） 44

3.3.4 接收信号强度法（Received Signal Strength Indication,RSSI） 45

3.4 多标签同时识别与系统防碰撞方案 46

3.4.1 多标签RFID系统通信方式 46

3.4.2 多标签识别与防冲突方法概述 47

3.4.3 基于ALOHA算法的导盲机器人RFID通信环境防碰撞方案 48

3.5 基于RSSI的超高频室内全局定位方案 53

3.5.1 RSSI测距基本原理 53

3.5.2 RSSI测距干扰因素及实验分析 54

3.5.3 LANDMARC最邻近距离定位算法在导盲机器人的应用方案 56

3.5.4 动态k值确定及优化设计 58

3.5.5 待定标签历史轨迹校准 59

3.5.6 参考标签可信度检测 59

3.5.7 导盲机器人超高频室内全局定位算法综合流程 60

3.6 低频信标局部辅助定位方案 62

3.6.1 低频信标组的布局 62

3.6.2 局部定位对权值及k值的影响 64

第4章 导盲机器人室内路径规划和导航方法 65

4.1 未知环境下的导盲机器人导航方法简介 65

4.2 导盲机器人导航模型 66

4.2.1 导盲机器人避障传感器区域划分模型 67

4.2.2 导盲机器人车体运动模型 68

4.3 基于多路超声波探测的环境地图构建方案 69

4.3.1 局部和全局坐标系的建立及转换 69

4.3.2 地图标定及点集划分和处理 71

4.4 导盲机器人在未知环境中的改进的BUG类导航方案 73

4.4.1 未知障碍物环境下的航向特征提取及判定 74

4.4.2 机器人行走步长的确定 77

4.4.3 导盲机器人避障模式下的基本行进方式的实现 78

4.4.4 基于分段目标改进的BUG类整体路径规划方案 85

4.5 导航总体算法流程图 90

4.6 盲机器人实验样机及上位机软件简介 92

4.6.1 导盲机器人实验样机 92

4.6.2 实时监控采集及仿真软件 93

4.7 基于改进LANDMARC的导盲机器人RFID定位实验 95

4.8 导盲机器人避障绕行实验 97

4.9 导盲机器人非特定人声语音指令识别实验 100

4.10 导盲机器人室内导航实验 101

第5章 导盲机器人室外定位技术 105

5.1 导盲机器人室外定位技术概述 105

5.1.1 室外定位技术 105

5.1.2 通信技术 106

5.1.3 室外导航技术 107

5.2 机器人总体功能方案 109

5.3 机器人总体控制方案 110

5.4 机器人各功能单元设计方案 112

5.4.1 运动执行单元 112

5.4.2 定位通信单元 112

5.4.3 人机语音交互单元 114

5.4.4 视觉反馈与物体识别单元 118

5.5 室外GPS定位 122

5.5.1 GPS组成与原理 122

5.5.2 NMEA通信协议 124

5.5.3 GPS导航数据获取 126

5.5.4 Google Map地图定位 127

5.5.5 RFID标签对定位精度的辅助修正 130

5.6 机器人对定位信息的反馈方案 132

5.7 GPRS远程通信 134

5.7.1 GPRS通信原理及技术 134

5.7.2 基于短信息形式的数据传输 134

5.7.3 基于GPRS网络的数据传输 136

5.7.4 基于Winsock的远程监控端的数据传输 137

第6章 导盲机器人室外路径规划及导航方法 140

6.1 普通行走道路的识别 140

6.1.1 道路图像预处理 140

6.1.2 图像滤波处理 141

6.1.3 图像的阈值分割 142

6.1.4 图像的形态学修正处理 142

6.1.5 道路边缘检测 143

6.1.6 道路直线特征检测 144

6.1.7 道路图像识别检测结果 145

6.1.8 导航参数提取 146

6.2 盲道及斑马线的识别 146

6.2.1 盲道的识别 146

6.2.2 斑马线的识别 147

6.3 Dijkstra算法最优路径选择 148

6.4 导盲机器人实验样机及上位机控制软件简介 150

6.4.1 导盲机器人实验样机 150

6.4.2 上位机控制及数据交互软件 151

6.5 导盲机器人远程监控软件 151

6.6 导盲机器人运行试验 152

6.6.1 GPS卫星数据接收试验 152

6.6.2 短消息接收试验 153

6.6.3 GPRS网络数据发送接收试验 153

6.6.4 RFID阅读器读取标签数据试验 154

6.6.5 机器人行走路径监控试验 156

6.6.6 机器人路径规划及搜索试验 157

第7章 导盲机器人人机交互技术研究 161

7.1 导盲机器人的人机交互问题 161

7.1.1 人机交互的概念 162

7.1.2 人机交互的理论和方法基础 162

7.1.3 导盲机器人人机交互的研究内容 169

7.2 导盲设备用于人机交互的主要应用 170

7.3 导盲机器人人机交互的主要方式 174

7.3.1 盲文键盘和盲文按钮 175

7.3.2 射频识别物体 175

7.3.3 语音交互 177

第8章 多导盲机器人信息交互系统设计 179

8.1 多机器人系统概述 179

8.1.1 多机器人系统的优点 179

8.1.2 多机器人系统的应用领域 180

8.1.3 多机器人系统的性能衡量指标 181

8.2 基于ROS的多导盲机器人实现方案 183

8.2.1 多导盲机器人体系结构概述 183

8.2.2 多导盲机器人系统实验平台 185

8.2.3 多导盲机器人系统软件平台 186

8.3 多导盲机器人系统研究的意义 187

第9章 导盲机器人的应用 189

9.1 概述 189

9.2 导盲机器人的单一服务 189

9.3 公共场所的导盲机器人服务 190

9.4 城市和社区为单位的多导盲机器人系统服务 192

参考文献 195