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如今,我国人口呈现出老龄化的趋势,老人陪护问题日益突出;另外,独生子女缺少陪伴也成为大多数家庭存在的问题。随着机器人技术的发展,陪护机器人逐渐进入大众的家庭中,解决了老人与儿童的陪护问题,改变了人们的生活方式。本文基于ROS设计了家庭陪护机器人系统,使陪护机器人的建图与导航功能更快更精准,语音交互功能更加丰富智能,以此满足人们的陪护需求。本文主要工作为:(1)系统的总体设计。总体设计分别从系统框架设计、机器人模型设计、硬件平台设计与ROS架构分析进行阐述。系统框架给出了总体设计思路,将系统分为控制层、功能层和硬件层;机器人模型设计包括机器人系统模型、传感器观测模型、机器人URDF模型的设计;硬件平台设计主要完成器件的选型与机器人的整体搭建;ROS架构分析主要通过系统架构、通信机制与常用组件进行阐述。(2)SLAM与导航设计。SLAM设计采用对RBPF-SLAM改进的Gmapping算法,通过改进建议分布和自适应重采样减少粒子个数并解决粒子退化问题。导航设计包括定位与路径规划。定位采用自适应的蒙特卡洛算法,保证定位的精度的同时提高反应速度。路径规划设计包括全局路径规划和局部路径规划,全局路径规划采用平滑处理后的A*算法,最大程度减少冗余拐点以获取最优路径;局部路径规划采用DWA算法,以评估函数的形式计算在相邻节点之间运行时的局部最优路径。(3)语音交互设计。在完成语音交互设计框架后,分别设计基于HMM的语音识别系统和基于波形拼接的语音合成系统。在语音交互的实现分析中完成语音对话、语音控制和表情切换等任务,实现家庭陪护机器人的教育学习、互动娱乐、情绪表达等功能。在性能测试与分析中,SLAM与导航测试采用URDF模型、真实机器人两种方式完成,测试结果表明机器人建图、导航的速度和准确度较算法改进前有明显的提高;语音交互测试包括对语音对话、语音控制、表情切换等功能的测试。系统整体测试结果验证了设计的家庭陪护机器人的实用性及有效性。