随着移动机器人的不断发展,目标跟踪技术作为其关键技术对移动机器人的研究和发展具有重要的推动作用,因此成为许多学者研究的热点之一。同时,随着人口老龄化的加快,社会对老年人和残障人士等行动不便人群关注度也在不断增加,轮椅作为他们的辅助工具,将在很大程度上提高他们的生活自理能力,发展以轮椅为载体的跟随服务机器人,辅助他们恢复健康,提高其生活质量具有广阔的应用前景。本文在咸阳市科学技术研究计划项目“具有目标自动跟随功能及摔倒检测功能的智能轮椅控制系统研究”(2018K2-06)的资助下,以轮椅为载体,重点研究目标检测与目标跟踪为核心的动态目标跟踪控制技术,并在此基础上以嵌入式为硬件平台搭载多个传感器,设计了一种具有自动跟随功能的智能轮椅系统。该系统能够通过计算机视觉传感器检测和跟随轮椅用户,并在跟随的过程中实现安全、准确的避障,为处于康复阶段或身体虚弱的人群提供帮助。论文的主要研究内容如下:(1)系统整体方案设计在对具有目标跟随功能的轮椅的任务需求进行分析之后,完成了整个轮椅跟随系统的总体方案设计:即通过计算机视觉传感器实时获取目标的视频图像,利用目标检测跟踪算法与双目视觉定位算法得到目标的位置信息,结合激光雷达测距传感器、姿态传感器、GPS传感器等获取轮椅自身的位置和周围障碍物信息,将其搭载到嵌入式平台中,从而控制轮椅电机的运动状态,实现对目标的跟随与行进过程中的避障。(2)目标检测跟踪与定位算法的研究目标检测跟踪与定位算法主要分为三部分,首先是对目标检测算法的研究,针对常用的帧间差分法和高斯混合模型的背景减除法存在目标检测信息不完整,背景误检等问题,提出了基于自适应高斯混合背景建模的背景减除法,并通过仿真验证了该算法的优越性;其次为目标跟踪算法,针对粒子滤波算法和TLD跟踪算法利用单一特征进行目标跟踪中存在目标漂移和丢失的问题,提出了基于多特征融合的粒子滤波的TLD跟踪算法,同时融合方向预判算法对检测模块进行改进,提高检测模块的处理速度,通过仿真实验表明了该算法能够实现长时间安全、稳定的跟踪;最后通过相应的实验完成了摄像头的标定、匹配以及双目测距定位实验,为目标跟随控制系统的实现奠定了基础。(3)轮椅跟随系统软硬件设计根据系统总体方案和功能要求,确定了基于ARM Cortex-A内核的树莓派4B处理器作为视频图像数据和激光雷达数据处理的上位机控制器,以及基于ARM Cortex-M3的STM32作为下位机控制器,并对电源电路、下位机控制器电路、外围接口电路进行了设计,结合轮椅控制系统的图像处理的实时要求,对系统中其他传感器进行了介绍和选型。为实现轮椅跟随系统对使用者进行实时、准确跟踪和避障的功能,完成了跟随轮椅控制系统的主程序设计以及目标跟踪子程序、系统跟随与避障控制子程序、姿态传感器数据采集子程序以及GPS定位子程序的设计。(4)功能测试在系统搭建完成之后,完成在室内静态环境中、复杂环境下的跟随避障测试,同时对GPS定位效果进行测试分析,检验系统各个功能的实现效果,测试表明,在各种场景下轮椅跟随系统对目标人员均有较好的跟随避障效果。通过对轮椅跟随系统各项功能的测试,表明:该系统不仅能够完成对使用者的实时跟随,同时也能实现对障碍物安全的躲避。系统的实现能够为处于康复阶段或身体虚弱的人提供便捷的服务,同时提高使用者的生活自信心,改善他们的生活质量,而且所设计的系统具有良好的通用性和移植性,可移植到其它移动体上,同时自动跟随轮椅中研究的关键技术问题对移动机器人的研究和发展也有一定的帮助作用。