论文总字数：24691字

摘 要

人类获取的外界环境信息很大程度上来源于视觉，视力障碍严重影响了人类的正常生活。传统的手杖和导盲犬等导盲方式存在着各种各样的问题，已经不能满足视力障碍人群的需要。随着移动机器人技术和人机交互技术的发展，加快了为人导航系统的实用化进程，出现了各种新型的导盲辅助设备。本文设计了一套基于触觉运动知觉的为人导航系统，使用能够自主导航的移动机器人引导视力障碍人士的行走。

本文基于已有的移动机器人平台，在机器人操作系统ROS上进行控制程序的编写。移动机器人通过激光雷达获取环境距离信息，然后提供给上位PC机用于地图构建和自主导航。Arduino MEGA 2560作为下位机控制器接收上位机的速度指令，控制电机转动，并返回电机的转速给上位机。本文最后设计了基于触觉运动知觉的交互装置，为使用者提供方向和速度信息。

本文在室内平坦地面的环境下，对设计的为人导航系统进行了实验。首先，控制移动机器人完成了实验场地的环境地图构建，然后使用该地图进行了为人导航系统的可行性实验。最终，在机器人的引导下，受试者到达了预设终点，达到了为人导航的要求。

关键词：触觉运动知觉，移动机器人，导盲，导航定位

Abstract

The environmental information acquired by human largely comes from vision. Visual impairment affects human normal life to a great extent. There are various problems in guiding visually-impaired in traditional ways like white canes and guide dogs, which no longer meet the needs of the visually impaired. With the development of mobile robot technology and human-computer interaction technology, the research of the human navigation system has been greatly improved, and some new types of guide aids have emerged. A human navigation system is introduced in this paper which based on haptic kinesthetic perception and uses autonomous mobile navigation robots to guide people with visual impairments.

This program is based on an existing mobile robot, using the robot operating system ROS as a software development platform. The mobile robot acquires the distance information through the laser radar and provides it to computer for map construction and autonomous navigation. The Arduino MEGA 2560 receives the speed command from the computer, controls the motor rotation, and returns the motor speed to the computer. An interactive device is designed which based on haptic kinesthetic perception to provide users with direction and speed information.

Experiments on the design of human navigation systems were conducted in a flat indoor environment. First, construct the map of the experimental site, and then use the map to conduct a feasibility experiment for a human navigation system. In the end, under the guidance of the robot, the user reached the preset end point, and meet the requirement for human navigation.

KEY WORDS: haptic kinesthetic perception, mobile robot, guidance, navigation and positioning

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 本文主要研究内容 4

1.3.1 研究目的和意义 4

1.3.2 本文的主要工作 5

1.3.3 论文结构与内容安排 5

第二章 移动机器人硬件设计 6

2.1 移动机器人总体设计 6

2.2 电机模块 6

2.3 运动控制模块 7

2.4 测距模块 8

2.5 陀螺仪 8

第三章 移动机器人软件架构 10

3.1 总体设计 10

3.2 ROS机器人操作系统简介 10

3.2.1 ROS的特点 10

3.2.2 ROS总体框架 11

3.3 下位机控制程序设计 12

3.4 上位机控制程序设计 12

第四章 SLAM地图构建与导航 14

4.1 SLAM问题简介 14

4.2 地图构建与模型 14

4.2.1 gmapping简介 14

4.2.2 占据栅格地图模型 14

4.3 导航与定位 15

4.3.1 机器人自身定位 15

4.3.2 全局路径规划 16

4.3.3 局部路径规划 17

第五章 触觉运动知觉交互装置设计 19

5.1 触觉运动知觉交互装置设计方案 19

5.2 工作原理 20

第六章 实验与结果分析 21

6.1 环境地图构建实验 21

6.2 为人导航实验 21

第七章 总结与展望 23

7.1 总结 23

7.2 展望 23

致 谢 25

参考文献 26

绪论

研究背景与意义

人类获取外界信息主要通过视觉、嗅觉、听觉、触觉，其中很大一部分来源于视觉，视力障碍严重影响了人类的正常生活。根据第六次全国人口普查，以及第二次全国残疾人抽样调查, 2010年末我国残疾人总人数为8502万人。其中，视力残疾的人数大约为1263万人，占14.86%，相当于一个特大城市的人口数^[1-2]。由于视力缺陷，盲人和视力障碍人群无法获得精确的环境信息，导致活动范围受到极大限制，而且安全性无法保证。随着社会的发展，人类生活的日常环境越来越复杂，为视力障碍人群开发辅助行走的导盲设备的研究日益受到关注。

目前，实际应用的导盲设备仍以传统的导盲杖为主，使用者可以通过它获得长度范围内的路面信息。但其获得的信息十分有限，且使用者必须通过训练才能正确判断环境信息，在辅助视力障碍人群行走方面还有诸多不足。因此，各国开始训练导盲犬用于辅助盲人行走。相对于传统的盲杖，由于导盲犬具有通过其听觉和视觉获取环境信息的能力，使用者可以获得更多外界环境信息，出行更安全。导盲犬虽然可以引导视力障碍者比较安全的行动，但由于需要专门的机构训练，训练周期长，在公共场所接受度比较低等原因，不能被广泛的使用。综合以上分析，本文设计了一种具有自主导航功能和友好人机交互的新型导盲设备，能有效地提高视力障碍人士的生活质量。

国内外研究现状

国外研究现状

目前为止，国外学者对于导盲助航设备进行了各种研究。Mounir Bousbia-Salah，Maamar Bettayeb和Allal Larbi设计了穿戴式与导盲手杖相结合的导盲辅助设备^[3]。手杖的末端安装有超声波发生器来探测使用者周围的障碍物信息，左右肩部的接收器接收反射回来的超声波，通过穿戴在左右手臂上的振动装置的振动反馈提示使用者障碍物的位置。G. Sainarayanan和R.Nagarajan等人设计了基于摄像机图像处理的NAVI导盲系统^[4]。该系统由图1-1所示的头戴式的摄像机和耳机以及装有电池和处理装置的背心组成。摄像机摄取的障碍物图像由处理器转换为灰度图，转换为相应频率的声音，传给使用者。Brian F. G. Katz和Slim Kammoun等人设计了基于卫星定位系统和摄像机的NAVIG导盲辅助系统^[5]（如图1-2所示），该系统分为三个模块：数据输入、人机交互和处理控制。系统接收卫星定位数据，与自身存储的GIS数据和摄像头图像结合定位并进行导航，通过加速度计和方向传感器获取自身位姿。导航信息通过立体声耳机传递给使用者。Giuseppe Ghiani和Barbara Leporini等人设计了一种应用在博物馆的盲人移动导游系统^[6]，该系统通过扫描识别特定位置安装的RFID标签，得到使用者所在的位置，然后通过语音—振动触觉多模式反馈，将信息传达给实验者。

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