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1、摘要导盲机器人是为视觉障碍者行动提供导航帮助的一种服务机器人，它利用多种传感器对周围环境进行探测，将探测的信息进行处理然后做出相应的反馈提供给驱动装置和视障者，以帮助使用者有效地避开障碍。世界上视觉障碍者数量众多，而他们只能用60%的感觉来获取经验。因而设计一款实用的导盲机器人来帮助视觉障碍者是十分必要的。 本文在综述国内外现有导盲辅助工具特点的基础上，确定了导盲机器人的总体方案。机器人行走机构采用1个万向轮和2个差动轮的轮式结构，在两个差动轮中，有一个是由驱动电机，从而控制车体行进方向，机器人前进的动力由使用者自身提供。机器人采用西门子S7-200控制，配备射频传感器、红外传感器、超声波传感
2、器等检测环境信息，并具有语音提示功能。机器人的主体控制思想为BP神经网络算法，基于这种算法，机器人可以选择合适的转动角度，确定最优运动路径。关键词: 导盲机器人；避障；传感器；BP神经网络算法AbstractAs one of serving robots, The blind guiding robot is a novel device designed to help blind or visually impaired users navigate safely. it detects the environment information by the many kinds of s
3、ensors. And it sends the information to the blind and robot, and helps him/her know the environment and avoid the obstacle efficiently. Throughout the world, the number of blind is numerous, and the blind have to use 60% abilities of sensory. Designing a sort of practical blind guiding robot to help
4、 thevisual impaired persons has great significance. According to the characters in the blind guiding robot at home and abroad, a portable and reasonable general scheme is designed. The walking mechanism of the robot is the wheel-structure. It has one steering wheel and two universal wheels. and one
5、of universal wheels is driven by the motor. The steering wheel controls the marching direction of the robot. The progressive power of robot is provided by the user. A PLC is used to control the behaviors of the robot. And the robot detects the environment with three types of sensors including Ultras
6、onic Sensor, Infrared Sensor, and a RFID sensor. The main program of robot is based on BP neural network algorithm, And the robot can select the appropriate rotation angle, to determine the optimal motion path. Key words: The blind guiding robot；Avoiding Obstruction；Sensor；BP neural network algorith
7、m第一章 绪 论1.1 引言世界卫生组织估计全世界有盲人4000万到4500万，低视力人数是盲人的3倍，约1.4亿人，我国曾在上世纪80年代进行过视力残疾状况调查。结果显示，我国有视力残疾患者近1300万，其中盲约550万，低视力约750万。据报道，我国每年会出现新盲人大约45万，低视力135万，即约每分钟就会出现1个盲人，3个低视力患者。如果不采取有力措施，到2020年我国视力残疾人数将为目前的4倍，即将达到5000余万。 对于视障人士来说如何掌握行走的方式和特性是日常生活的重要部份，他们可以依赖一定的辅助设施，比如传统的盲杖、加入声波探测障碍物的电子盲杖，还有其他的盲人导航设备等等，这一切
8、都有它们的优点和缺点。80%的视力残疾人士觉得，现时所能提供的辅助设施实际上不能满足他们的活动需要，它们不能给用户提供正确的路径和躲避障碍。几乎所有的视力残疾人士都希望有一个辅助导航设施可以让他们和正常人一样的，能确保他们在路上感觉方便和安全。中国在2006年4月将第一批导盲犬交于第一人使用。但是，导盲犬的日常费用是相当昂贵的，对一般普通盲人来说是相当大的开销，因此，发明一款适合于中国盲人的导盲机器或者行动辅具是十分有必要的。1.2 国内外发展概况在导盲机器人的发展历程中，人们首先是以室内环境为背景，开始了移动机器人的探索性研究。此时并没有针对具体的任务或应用背景，而是面向室内结构化环境的基本
9、技术的初步研究，包括机器人结构设计，控制技术，传感器技术，信息融合，路径规划和不确定性处理等。一些国外大学和研究机构的早期研究得到很多重要的结论。此外，对多传感器信息融合在机器人上的运用，积累了大量宝贵经验。进入八十年代后，人们根据前一阶段的研究技术基础，开始了对室内自主式移动机器人的研究。一直持续到今天，目前来看，导盲机器类型大致可分为以下3类:一. 手杖类导盲辅具视觉障碍者使用最普遍的辅助工具就是白手杖(White-cane)。由于在行动上有诸多受限，所以他们在生活上面临很大的挑战。正因为白手杖的设计简单使用方便，所以便一直被普通盲人所使用。2010年5月20日，日本公开了一种新发明的电子
10、导盲杖，该种导盲杖能够让使用者感受到脸部高度处的障碍物。这种新型导盲杖装有2个超声波感应器，能够感应到前方2米脸部高度处的障碍物，并通过震动手柄通知使用者。该导盲杖重量也控制在300克左右，与传动导盲杖基本相当。二. 穿戴式导盲辅具美国大学机器人实验室Shoval以其所设计的避障系统Obstacle Avoidance System(OAS)为基础开发出了腰带式行动辅具。该辅具在实际使用上可分为引导模式(Guidance Mode)及全景模式(Image Mode)等两种模式。引导模式是带领使用者在不发生碰撞的情况下绕过障碍物，全景模式是以超声波试图描绘出区域内的全景地图，在转变成声音的大小、
11、频率及左右方位差异等发音方式，告知使用者所在区域内障碍物的大小、远近等信息，让视障者判断出周围环境情况。三. 移动式导盲辅具Rentschle研发了一款行动辅具VA-PAMAID(Veterans Affairs Personal Adaptive Mobility Aid)其续航力可以达到10.9公里(充满电时)在行程速度达到1.2m/s时，可正确的避开障碍物。此产品主要适用于老年人，可辅助行动者身体的平衡。虽然，该系统的功能比较强大，但是，其体积过于庞大，对于视障者而言将不适合。日本山梨大学(University of Yamanashi)研制了一种智能手推车ROTA (Robotic T
12、ravel Aid)。这款小车高lm，重60kg，配备视觉系统以及视觉传感器和声音传感器。它可以引导人穿过马路，当它移动的时候，能够意识到周围的环境，并且能够识别路标，例如斑马线，交通信号灯。当它探测到交通信号灯变红或者车和其他步行者的时候，它将会停下来。如果遇到问题，它将与服务中心取得联系，并且允许在轨道上给出额外的信息和命令。目前国内的研究普遍落后于国外。国内的研究重点基本是在拐杖方面下功夫，如北京理工大学研制的“导盲杖”。在导盲机器人上的研究相对而言有所不足。1. 3 发展趋势目前对服务机器人的初步定义为：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作，但不
13、包括从事生产的设备。服务机器人往往是可以移动的，在某些情况下，服务机器人可以由一个移动平台构成，在它上面装有一只或几只手臂，其控制方式与工业机器人手臂的控制方式相同。我们这里所指的室内导盲机器人是在室内工作环境能够自主移动的智能机器人。随着机器人技术的不断成熟和发展，人们对机器人的需求已经不再仅仅满足于工业自动化生产，而把更多的注意力转移到为人类的生活服务上来。机器人的智能化是机器人的发展趋势，各种控制算法的开发与应用也为智能化提供了更多的实现方式。.其中，模糊控制方法在机器人的智能控制中得到了广泛的应用。导盲机器人作为服务机器人的一种，在外界复杂的情况下，要想使其控制方案更加优化、行进轨迹更
14、加合理，模糊控制应用在导盲机器人上是发展的必然趋势。模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。例如，在炼钢，化工，人文系统，经济系统以及医学心理系统中，要得到正确而且精密的数学模型是相当困难的。对于这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息，以及仅仅用语言规定的性能指标。同时，要求过程的操作人员是系统的基本组成部分等。所有这些都是一
15、种不精确性，应用一般的控制理论是很难实现控制的，但是，这类系统由人来控制却往往容易做到。这是因为过程操作人员的控制方法是建立在直观的和经验的基础上，他们凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成控制任务，于是，人们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句，然后运用模糊集合理论将其定量化，使控制器得以接受人的经验，模仿人的操作策略，这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革，它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。如果将模糊控制理论应用在导盲机器人控制系统中，将是导盲机器人领域的一次变革。4 主要工作本文主要是针对导盲机器人在室内环境下进行开发与
16、设计，其中主要包括：导盲机器人机械结构设计；控制系统硬件电路设计。论文的主要内容如下：1.导盲机器人总体方案设计：主要包括导盲机器人工作方案设计；多传感器检测方案设计；系统控制方案设计；系统机械方案设计；以及车体运动学分析。2.系统硬件设计：主要是硬件系统控制方案设计；主控系统设计；外围功能模块设计。第2章 总体方案拟定2. 0 基本任务 本文研究的导盲机器人主要是为了给盲人和视力障碍者在室内行进提供导航。室内导盲机器人最常见的工作环境是结构化环境，如办公室、超级市场、家庭居室等等。这些场所的共同特征是平整的地板、垂直的墙壁、规范的门厅和走廊。在这种环境中，机器人可能和人类经常要发生互动作用。机器人必须
