英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于多模式信息模型和无线传感器网络的
服务机器人智能家居空间的构建
摘要
本文主要为家庭服务机器人构建模型智能家庭环境。在这一环境中，多模式信息可以通过一些人工智能标记来表现。轻型服务机器人通过无线传感器网络与环境互动可以提供可靠和智能的服务。智能空间包括以下主要组成部分：具有人工智能标记的智能设备、连接智能设备并通过无线传感器网络维护信息的家庭服务器以及与环境协作执行任务的服务机器人。本文建立了多模信息模型，提出了无线传感器网络的构建，介绍了智能灵敏的家庭服务。最后，讨论了智能空间系统的未来方向。
关键词： 智能家居空间 服务机器人 人工标志 无线传感器网络
- 简介
随着人口老龄化问题在许多国家变得越来越严重，为了改善老年人和行动不方便的残疾人的生活质量，促进家庭服务机器人发展以及对家庭服务机器人的实用性的研究变得越来越重要。【1】在近期，这一领域获得了许多关注。
机器人进入家中为人类提供服务是一件很有必要的事。【2】对于家庭服务机器人而言，如何在复杂多样的家庭环境中感知环境变化，了解人类行为并提供自主、准确和智能的家庭服务工作成为一个亟待解决的问题。但是，机器人完成这些任务的一个非常重要的基础就是获取环境信息。目前，在传统的机器人平台中，机器人获取这些信息的主要方法是通过在机器人上安装摄像机和许多昂贵的传感器来实现的。定位、导航和决策等任务是通过大数据下的复杂算法来完成的。同时，机器人通过其本机携带的感知器件获取的信息（如环境信息和人类行为）是有限的，并且其准确性取决于传感器的性能。在这种情况下，面对非结构化的家庭环境，机器人就必须处理大量的信息以及许多动态干扰。这种非结构化的家庭环境对机器人的性能提出了巨大的挑战，增加了机器人的制造成本，并成为了拓展机器人应用的一大瓶颈。【3】
智能空间技术是一个新兴的研究领域【4】，它是普适计算的重要研究领域。“智能空间”的概念是由东京大学Hashimoto实验室于1996年提出的【5】，在最近的15年中对其进行了越来越多的研究。对智能空间的研究已将其意义从人机交互拓展到了与物理空间交互的智能空间系统。与机器人的结合是智能空间的重要应用领域之一，它为机器人特别是家庭服务机器人的研究和应用开辟了新的方向。
面向家庭服务机器人的智能空间（智能家居环境）的关键思想是在家中安装多种类型的传感器与执行器，以此建立人与机器人共存的人工家庭服务环境。智能空间可以通过无线传感器网络感知物体的变化，通过网络与机器人传输信息，在智能空间中记录、跟踪和管理物体。结合智能空间技术，无需在家庭服务机器人中安装更多的传感器，服务机器人就能够获取更完备的环境信息，并对空间中的人类和物体有更完整的感知。
通过这种方法，机器人可以完成更多的服务任务，并且在复杂的家庭环境中也能够“轻装上阵”更好地完成任务，例如，机器人能够完成许多仅依靠本机携带的感知器件无法解决的任务。同时，智能空间可用作多服务机器人系统的通用平台。多台机器人和多种异质机器人可以在同一平台上“轻装上阵”，共享信息资源【3】。这项技术可以拓展服务机器人的应用领域并加快其发展速度。在家庭环境中，如何构建智能空间（也可称为智能家庭环境），如何获取更多、更精确的环境信息是家庭服务机器人完成服务任务的重要基础。
图 1 智能空间的架构
本文在第2节介绍了面向家庭服务机器人的智能空间的结构。在第3节提出了一种新型多模式信息模型。在第4节介绍了一种在智能空间中构建无线传感器网络的方法。在第5节详细介绍了家庭服务机器人基于多模式信息和无线传感器网络所提供的智能灵敏的家庭服务。最后一部分为全文做出了讨论与总结。
- 面向家庭服务机器人的智能空间架构
智能家居是一种运用计算机及信息技术以判断和响应居住者的需求并改善家庭的日常生活的住宅。智能空间的架构如图1所示。
我们的智能家居环境系统主要由三部分组成：智能对象、家庭服务器和服务机器人。智能对象是智能空间的基本元素，它们是带有人造地标的物体，或者是具有传感器功能或执行器功能或两者兼具的物体。它们可以通过无线网络与家庭服务器进行通信。家庭服务器管理智能对象，在智能空间中收集数据，基于手机的数据做出决策并控制智能对象。服务机器人通过无线通讯网络与环境产生共生互动，从而提供可靠的服务。假设机器人出于某种原因需要打开智能家居中的电视：在传统的机器人平台中，机器人应该在移动到电视时通过视觉处理和对象识别系统计算电视开关的位置，然后移动其机械手臂以触摸开关；在我们的智能家庭环境中，机器人仅需知道电视的网络地址就可完成任务。一些复杂的任务可以被轻松的完成。
在智能家居环境研究中有两个重要研究领域：第一个是信息模型表示和多模式采集，第二个是无线传感器网络。机器人可以借助这两种技术获得更多的高级信息，可以更全面地了解和感知环境。
- 智能空间中的多模式信息模型
3.1 多模式信息表现模型
为了完成任务，机器人需要获取大量的环境信息。在对机器人的传统研究中，机器人获取环境信息的主要方法是通过机器人的“眼睛”——摄像机与传感器。经过复杂的算法计算后，机器人可以理解这些信息。通常情况下，通过这种方式所获得的信息是有限且低级的，这些信息会影响机器人的任务执行质量，尤其是在复杂且非结构化的环境中。在智能空间中，采用人工标志来构建信息表示模型，例如地标和对象标记【6-8】。这些低成本的信息媒介是智能空间中信息网络的有效补充。机器人在智能空间中无需配备更昂贵的传感器，就可以通过信息网络获取更多传统方式无法获取的高级信息。
QR码（快速响应码）和RFID（无线射频识别）技术常用于我们的智能家居环境中设计人工地标和对象标记，以构建一个完整的信息网络，并成为多模式信息获取的基础。
- QR码信息表示模型
设计的人工地标应具有以下特征：可检测、可识别和可定位。
我们系统中设计的人工地标包括两个部分：内部信息和外围模式，如图2所示。蓝色外围的作用是确保机器人能远距离快速识别人工地标。内部使用QR码记录环境信息和上下文信息，例如对象的属性和操作信息。QR码是日本Denso公司发明发的一种二维条形码。QR码除了具有二维码的大容量、高可靠性和高安全性等优点外，还具有解码速度快、可以从任意方向识别和可以有效地存储中文字符等优点【9-11】。
我们所设计的新人工地标是真正的二维地标，其外围和QR码均为二维的。与一维地标相比，二位地表可以从任意方向读取，并且可以提供更多信息。
在图2中，左侧是基于QR码的人工地标设计，右侧是粘贴有QR码的物体。
图 3 RFID系统，左边是带有标签的物体，中间是RFID阅读器，右边是RFID天线。
图 2 QR码模型，左侧为基于QR码的人工地标，右侧为粘贴QR码的物体。
- RFID信息表示模型
RFID系统主要包括三个部分：天线，阅读器和RFID标签。由于RFID标签的独特性，一旦将RFID标签粘贴到目标上，读取器就可以定位并跟踪目标。在我们的系统中，我们使用深圳Javs技术公司生产900MHz RFID产品，如图3所示。由于无源标签便宜、寿命长、重量轻且占地面积小，它常被粘贴到目标物体上，如图3所示（左）。图3中间所示的阅读器可以通过RS232与主机通信，一个阅读器最多可以从4个天线接收数据。天线有两种：线极化天线（LPA）和圆极化天线（CPA），它们外观相似，如图3（右）所示。LPA安装在机器人上是应为LPA的窄识别角度可以确保机器人读取标签时的正确时间顺序【12-16】。
RFID具有以下优点：非接触式、同时识别多目标、高速和远距离识别等。RFID和QR码的结合可以构建信息网络，为机器人提供更多更高级别的环境信息【17】。
3.2 基于数据融合的多模式信息获取
智能家居环境是智能物品、传感器和执行器共存的物理空间，它们通过一段连续的网络无形无缝连接。这些设备可以感知环境信息或作为环境信息向机器人展示。为了获得更准确和完备的环境信息，机器人必须融合智能空间所提供的全部类型的信息，通常这些信息都是不完整且不确定的。智能空间中的信息可以分为3个级别：数据级、特征级和决策级。借助智能空间中的计算能力，通过将数据融合到多模式信息中，可以获取更高级别的信息【18，19】。数据融合是智能空间和机器人为人们提供智能和自主服务的基础。智能空间系统中数据融合的结构如图4所示。
数据级的信息主要来自于智能空间和机器人中的传感器（温度、适度等）。特征级信息包括时间、日期、地址、人员等。在数据融合的过程中，可以根据数据的特征采用不同的算法。例如，在第5节的第一个例子中，机器人可以从QR码、RFID和板上安装的传感器中获取不同的信息。我们可以采用某种算法来融合信息，以便机器人来确定访问对象的路径和捕获对象的方式。数据融合的结果可以对设备进行决策，了解人类行为并提供智能服务。
图 4 不同数据级别的数据融合结构
- 无线传感器网络的构建
在智能空间中，诸如传感器、人工地标、摄像机之类的智能设备可以提供许多环境信息。为了实现与智能空间的交互，这些信息必须进行无缝连接与传输。研究智能空间的核心技术之一是将设备与环境相连的通信技术。借助这项通信技术，智能设备之间可以传输各种信息。信息通信的实现依托于网络，为了共享这些信息，多采用Zigbee、Wi-Fi和TCP/IP协议在智能空间系统总构建异构网络。该网络成为信息交流的桥梁。服务机器人、分布式智能节点和智能设备通过无线或有线网络与服务器进行通信。智能空间系统中的异构网络如图5所示。
在智能空间的异构网络模型中，不同的网络被分配给不同的任务。WI-FI用于服务器和机器人间的视频和控制命令传输。TCP/IP用于从分布式网络摄像机传输视频。GRPS将信息传输至移动设备和PDA(个人数字助理)。
图 5 智能空间系统中的异构网络
在内部网络中，采用ZigBee协议在智能空间中构建无线传感器与反应器网络。ZigBee是一种基于无线标准802.15.4的新型无线通信技术【20-24】。与其他协议标准相比，ZigBee技术具有以下优点：1）短程；2）低功耗；3）低传输速率；4）大网络容量；5）网络自组织能力强；6）短时延。在我们的智能空间系统中，ZigBee用于传输温度、湿度等环境传感器数据，还可以将控制命令传输到智能设备，以实现房屋的智能化。
通过建立无线传感器网络，在智能空间中可实现更广范围的传感器信息和控制信息的转换。它拓展了智能空间和家庭服务机器人的工作范围。
- 智能灵敏家庭服务的实例和结果
机器人可以通过与智能空间环境的交互来提供智能灵敏的家庭服务。在本文中，我们将通过两个实例对其进行介绍。
5.1 对象搜索与识别
服务机器人的主要任务之一是为复杂室内环境中的人们提供各种服务，例如运送水和药品。因此，机器人必须具有搜索目标和自动识别目标的能力。机器视觉广泛应用于对象识别领域【25-28】。但是在复杂的室内环境中，通过视觉识别对象存在很多困难【17】。在智能空间系统中，将无源RFID技术和人工物标结合起来为目标提供位置。RFID阅读器和天线安装在可自由在空间中移动的机器人上。随着机器人的移动，RFID阅读器可以一一读取粘贴在大型家具上的参考标签和粘贴在目标上的目标标签，并且可以通过读取参考标签和目标标签的时间顺序来计算目标的大致位置。因为RFID系统智能获取目标的大致位置，所以常使用目标标记在近距离处识别目标。我们在目标物体上粘贴人造目标标记（带有QR码）。我们提出的目标标记不仅可以帮助机器人区分不同情况下的目标，而且可以为机器人提供目标的属性信息和操作信息。目标的属性信息和操作信息存储在QR码中，外围用于远距离快速定位标记。对象搜索和识别的流程图如图6所示。
5.2 老年人异常行为检测和帮助系统
服务机器人的另一个重要任务是发现老年人的异常行为并提供帮助。在我们的智能空间系统中，当发现异常行为（如老人突然摔倒）时，机器人应该移动到老人身边。基于ZigBee无线传感器网络的异常行为检测和帮助系统如图7所示。
图 6 对象搜索和识别流程图
顶棚投影仪用于智能空间中的机器人导航。在智能空间中，信息会被收集和整合，为机器人规划合理的移动路径。路径数据通过ZigBee无线传感器网络发送至顶棚投影仪的控制器，投影仪会投射出路径引导光束。随后，移动机器人通过自身装载的传感器（如CCD摄像机）跟踪运动点。这种导航方法减少了移动机器人上携带的用于导航的
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[240362]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
