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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