基于智能空间的家庭服务机器人混合定位方法

　　目前,机器人进入家庭作业仍受到很大的限制,其中家庭服务机器人的重要功能为定位、导航和物体识别,而家庭环境不同于工业现场固定和可编程的环境,家庭环境由于没有固定的空间结构模型,且存在很多不确定性的因素,如家庭成员随机的移动、家具等物品的位置调换等,从而造成了家庭环境更加的复杂.家庭服务机器人工作环境的复杂性,导致传统的定位方法如GPS等不能满足室内定位的要求;另外,目前服务机器人本体所需携带的传感设备种类繁多、功能有限且价格昂贵,在家庭中的应用受到较多限制.

　　日本AIST的BongKeun Kim提出一种称为u-RT空间的信息空间,构成了一种机器人空间/定位处理能力的知识管理方法[1].德国的JanKoch提出一种基于主动和被动的无线射频标签(RFID, Radio Frequency Identification)技术的智能空间原型,对室内环境中的人、机器人和市场用品进行定位[2].韩国工业科技研究所(KITECH)的Seung-Ho Baeg提出基于RFID和无线传感网络搭建服务机器人的智能家居环境,用于未来服务机器人进行各种家庭辅助操作,并介绍了智能家居的构成及功能的实现[3].国内山东大学的田国会介绍了应用于家庭服务机器人的智能空间的构成、特点及其相关技术[4].上海交通大学的谷红亮设计了一种用于智能空间的室内定位系统Cicada,基于射频和超声波到达时间差来测量距离,并采用滑窗滤波和卡尔曼滤波的方法计算位置[5].

　　本文将智能空间应用于家庭服务机器人,提出了一种家庭环境下服务机器人的智能空间架构.在智能空间的支持下,服务机器人能在复杂的家庭动态环境中进行服务工作.然后,对基于智能空间技术的室内家居环境下的混合定位方法进行了研究,并对信息融合的方法进行了介绍,使得机器人在家庭环境中利用智能空间提供的信息准确地定位控制,从而减少对未知环境的学习,提高自主定位的效率.最后,在家居环境下的实验,验证了该智能空间架构和混合定位方法的有效性。

　　1　智能空间架构

　　针对家庭环境的特点,本文提出了一种应用于家庭服务机器人的智能空间架构,该智能空间中的各部分通过无线传感网络互相连接,包含较少传感器的轻量级服务机器人能够在复杂的家庭环境中执行各种操作.

　　本文提出的智能空间框架见图1.家庭服务机器人的智能空间主要由3部分组成:①智能物品(smartobjects)、具有无线传感功能的设备和无线网络节点(无线AP);②用于数据管理、保持智能设备和家庭服务机器人互联的家庭服务器(家庭网关);③完成家庭操作任务的服务机器人.

　　智能物件(smart items)是具有RFID标签的物品,是本文所提出的智能空间的基本组成元素,只能被读卡器或其他智能设备识别;智能物品具有RFID读卡器或发射器,具有独立的处理器和家庭服务器进行通讯.家庭服务器对智能物品进行管理,采集智能设备网络中的数据信息,并基于采集到的数据做出决策,进而发出指令进行控制和操作.家庭服务机器人通过传感器网络和周围的环境发生交互,控制和管理周围的智能物品,进行可靠的操作和服务.