面向服务机器人的智能空间中的感知与操控技术研究.doc

投送学科一级学科：控制科学与工程二级学科：模式识别与智能系统如是学科交叉研究，所涉及的一级学科：二级学科：是否涉密：是否校验码：311f7493-c10b-4e99-a209-e520eab5ba57中 国 博 士 后 科 学 基 金面 上 资 助 申 请 书（第 52 批）申 请 者：-博士后全国统一编号： -申报单位：-项目名称：面向服务机器人的智能空间中的感知与操控技术研究研究方向：模式识别与智能系统通讯地址：-邮政编码：-Email：-固定电话：-移动电话：-申请日期：2012年08月20日中国博士后科学基金会制须知1. 申请者应认真阅读中国博士后科学基金资助规定和中国博士后科学基金面上资助实施办法，按有关要求逐项填写申请材料。2. 如申请项目涉密，不得在网上提交申请材料。申请者需下载申报软件，填写后打印3份申请材料，刻录光盘一张，一并报送设站单位进行审核。3.“投送学科”系指申请者所报项目的所属学科。若申报项目是学科交叉研究项目，应填写所涉及的学科名称。4.“项目名称”不得超过25个字。5.“研究方向”系指申请者所报项目的研究方向，不得超过15个字。 6. 填表必须实事求是，认真翔实，不得弄虚作假。一、个 人 信 息姓 名-性 别男出 生 日 期1981-08-17身份证 籍中国民 族汉族进站时间2012年01月15日预计出站时间2014年01月15日进站单位流动站0-工作站0-学位情况学位授予年月授予单位一级学科导师学士2003年06月重庆大学通信与信息工程田逢春硕士博士2009年06月重庆大学控制理论与控制工程柴毅主 要研究工作经历起止年月单 位研究内容项目分工2009-09至今重庆大学自动化学院面向服务机器人的智能空间关键技术研究总体设计与算法实现2008-01至2009-01加拿大guelph大学西红柿采摘机器人的视觉定位系统总体设计与算法实现2006-09至2009-06重庆大学自动化学院火箭视觉跟踪伺服系统总体设计与算法实现曾 获 得 的 研 究 成 果获得科研奖励或基金资助情况（可加项）获得时间项目名称奖励或资助名称等级排名2012-09-01面向服务机器人的智能空间关键技术研究国家自然科学基金青年基金国家级12010-09-01复杂动态环境下基于半监督学习的行为建模与识别研究重庆市自然科学基金面上项目省部级1参加或主持的科研项目（可加项）批准时间项目名称下达部门项目性质项目经费项目进展承担责任2012-09-01面向服务机器人的智能空间关键技术研究国家自然科学基金委自由探索性基础研究24项目启动阶段项目负责人2010-09-01复杂动态环境下基于半监督学习的行为建模与识别研究重庆市科委自由探索性基础研究3主要内容已经完成项目负责人2010-06-15JG2010038中国人民解放军总参谋部应用研究项目143结题验收项目主研2010-01-05基于视频内容的敏感信息检测重庆大学自由探索性基础研究5主要内容已经完成项目负责人2009-10-20PAS控制系统SOE功能开发横向科研项目自由探索性基础研究10结题验收项目主研发表的有代表性论文（包括已被录用、待发表的论文，可加项）发表时间论文题目学术刊物或会议名称学术刊物或会议类型收录情况排名2012-08-01An improved mean-shiftS tracking algorithm using pso-based adaptive feature selectionIntelligent automation & Soft Computing国际刊物SCI12012-04-01An improved gradient pursuits algorithmJournal of Computational Information Systems国际刊物EI22012-01-01Multifocus image fusion and denoising scheme based on homogeneity similarityOPTICS COMMUNICATIONS国际刊物SCI32011-12-01A novel tracking features selection method based on genetic algorithmJournal of Computational Information Systems国际刊物EI12011-08-01Fast-moving target tracking based on mean shift and frame-difference methodsJOURNAL OF SYSTEMS ENGINEERING AND ELECTRONICS国际刊物SCI12011-07-01Ripe tomato detection for harvesting robot vision system in greenhouses,Transactions of the ASABE国际刊物SCI12011-01-01An improved mean-shift tracking algorithm based on adaptive multiple feature fusionInformatics in Control Automation and Robotics国际刊物EI12010-06-01A moving target tracking algorithm based on adaptive multiple cues fusion光电子激光国内核心期刊EI12010-04-01Application of improved mean-shift algorithm in rocket target tracking重庆大学学报（自然科学版）国内核心期刊EI12010-01-20An Improved Moving Target Tracking Algorithm Based on MeanshiftJournal of Computational Information Systems国际刊物EI12009-07-01A target tracking algorithm based on adaptive multiple feature fusionICINCO 2009 - 6th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics国际学术会议EI12009-04-01Ripe tomato extraction for a harvesting robotic system2009 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, SMC 2009国际学术会议EI12009-01-01Ripe tomato recognition and localization for a tomato harvesting robotic systemInternational Conference on Soft Computing and Pattern Recognition, SoCPaR 2009国际学术会议EI1出版的有代表性的专著（可加项）出版时间论著名称独著或合著出版社合著排名获专利情况（可加项）受理（授权）时间名称类型排名其他荣誉或成果（可加项）获得时间荣誉或成果二、申报项目基本信息名称中文面向服务机器人的智能空间中的感知与操控技术研究英文the perception and control technology research of service robot oriented intelligence space研究类别基础研究应用基础技术开发项目来源自选项目国家自然科学基金项目863高技术研究项目973计划项目国家社科基金项目其它国家级重点项目省市或部门重大项目其它项目研究经费来源及数额无项目简要介绍 面向服务机器人的智能空间技术研究具有重要的社会意义和研究价值，是服务机器人研究领域中一个具有挑战性的前沿方向。本项目针对服务机器人智能空间中对智能空间的感知和对服务机器人的控制这两大具有共性的关键问题展开研究。通过研究识别智能空间中的人、物、服务机器人等要素的数字化标准信源技术着手，建立智能空间中各要素的“泛物电子镜像”，实现空间要素从物理维度到信息维度的映射,在信息维度上构建智能空间的“镜像型虚拟空间”。进而突破时空条件约束，在信息维度上对智能空间进行“全景感知”，实时获取准确、完备、全局的智能空间要素及环境信息并对空间中发生的事件进行感知与理解；从系统全局优化的角度对服务机器人“科学操控”，优化、协调各类服务机器人为人提供支撑和服务。从而破解智能空间对空间要素及环境信息的感知与对服务机器人控制两大难题。探索一种依靠信息维度上的虚拟空间，解决物理维度智能空间中问题的新思路和新方法。关键词服务机器人 智能空间 环境感知 机器人控制 电子镜像三、项目立论依据内容包括：研究意义、国内外研究现状综述、项目创新之处、主要参考文献及出处（注：可加页）。3.1研究意义2005年全国1%人口抽样调查主要数据公报显示，我国60岁及以上人口为14408万人，占总人口的11.03%(其中，65岁及以上人口为10045万人,总人口的7.69%)1，按照联合国制定的人口老龄化标准，我国已经进入老龄化社会。与此同时，老年人口还将以年均3.32%的速度持续增长，预计到2015年可超过2亿，约占总人口的14%。其中，老年病患者约有50%需要护理服务。另外，我国还有各类残疾人约6000万，约占总人口的5%2。可以预见，在不久的将来，老年人和残疾人的护理将成为我国社会的重要负担。因此，大力发展服务机器人，让机器人代替人为老年人和残疾人提供日常服务，具有非常重要的社会意义3。此外，服务机器人作为现代科技革命的一个必然延伸，将成为继家用电器和个人电脑之后，第三个以超规模速度走向家庭的产品。可以预见,服务机器人技术必将成为一个热门领域并随之产生一个巨大的产业市场4。为此，日本经济产业省为今后10年到30年的服务机器人科技发展制作了“技术战略蓝图”5。“韩国信息技术839战略”将智能服务机器人确定为21世纪推动国家经济增长的9个新增长引擎之一6。在我国，服务机器人研发作为国家科技发展的战略要求，不仅被列为“863”计划先进制造技术领域的重点研究项目，而且国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)也把智能服务机器人列入未来15年内重点发展的前沿技术之一7。服务机器人是21世纪高科技服务业的重要组成部分，是我国高科技产业发展的重大机遇。服务机器人的发展不仅将形成一个大的产业，而且将是国家综合国力的代表，对于提升国家科技竞争力具有重要的战略意义8。服务机器人要完成指定的任务，通常需要具备环境感知、地图构建、路径规划、定位导航、服务对象的行为理解等功能。然而，服务机器人往往工作于非确定的复杂环境。与传统工业机器人相比，操作物品的复杂多样、人和障碍物的随机移动、工作环境的动态变化等使得服务机器人要完成指定任务具有更大难度和挑战性。服务机器人要在这种复杂环境下完成任务必然要配备种类繁多的传感、执行和计算设备，这导致服务机器人成本居高不下，从而大大限制了服务机器人的推广应用。此外，仅仅依靠自身配备的传感器，服务机器人所能感知到的环境范围相对狭窄，所能获得的服务对象信息十分有限，因此难以高质量地并行地完成导航定位等自身的控制和指定的服务任务，这也是目前服务机器人广泛应用的制约瓶颈之一9。近年来，智能空间技术开始与服务机器人研究相结合9-11，并提出了服务机器人智能空间的概念8。服务机器人智能空间为服务机器人的任务理解、执行和人机交互提供了一个良好的信息空间，使得服务机器人技术突破了原有集中式模块构建技术的束缚，将服务机器人的部分传感、计算、执行等模块分布到空间中，成为智能空间中的节点。这些节点通过网络实现信息交互，从而使服务机器人能够实现空间信息的全面感知和理解，从而解决单靠服务机器人自身无法解决或难于解决的问题，实现复杂动态环境中自主、精确、稳定地完成服务任务。同时，智能空间可以作为大量不同种类服务机器人系统的统一共用平台，各服务机器人的任务规划、定位导航等均由智能空间统筹完成或由智能空间提供必要的丰富的信息，从而使服务机器人可以减少配置种类繁多的传感器。这不仅可以大大降低成本，而且也降低了对服务机器人本身计算能力的要求。从而，服务机器人可以更加专注于个体服务任务要求下的操作性能，保证了多数量、多类型的服务机器人能够在统一的平台支持下“轻装上阵”，快速适应环境动态变化，有效、稳定、精确地工作。综上所述，智能空间技术的研究具有重要的社会意义和研究价值，是服务机器人研究领域中一个具有挑战性的前沿方向12。尽管国内外研究机构已对智能空间的相关技术开展了一些研究，但总体而言尚处于起步阶段，一些应用中的关键技术难题还没有解决。对智能空间的感知和对服务机器人的控制是服务机器人智能空间研究的关键共性问题。现有智能空间的研究大多都是借鉴人的认知机理，通过构建以视频信息为主融合红外、激光测距、RFID等信息的感知网络，感知空间中事件的变化，并指导服务机器人给人提供相应的支持和服务。但是现有的以视频图像信息为主的传感技术不足以支撑在复杂动态环境下对周围环境的感知与对人的行为理解，无法对整个空间的动/静态信息进行感知，更做不到在系统全局优化的角度来优化、协调智能空间中的各类服务机器人对人提供相应的支撑和服务。对于智能空间要素的“全景感知”进而从系统、全局的角度对服务机器人“科学操控”，目前还存在诸多难题。为破解上述学术难题，本项目通过研究标识智能空间中的人、物、服务机器人等要素的数字化标准信源技术着手，建立智能空间中各要素的“泛物电子镜像”； 实现智能空间要素从物理维度到信息维度的映射,从而构建智能空间信息维度上的“镜像型虚拟空间”；进而突破时空约束在信息维度对智能空间进行“全景感知”与对服务机器人的“科学操控”。由此可见，本项目不仅是对智能空间的基础理论研究，也是对“镜像型虚拟空间”理论的初探，更是对从信息维度对物理维度空间感知与操控的新思考，具有理论和实践的双重意义。申请人以“智能空间”为主题词检索了最近几年国家自然科学基金资助情况，结果显示该研究领域受资助项目数目还比较少，分别为1 项（2007）、0 项（2008）、1 项（2009）、2 项（2010）、1 项（2011）和2项（2012），说明对智能空间的研究已有部分学者关注，也得到了评审专家的重视和国家的支持。但是对于智能空间的研究还处在初级阶段，需要众多学者的共同努力进一步推动该研究的开展。同时，申请人遍查历年自然科学基金资助项目，尚无学者专门对“泛物电子镜像”开展专题研究，也无人提出通过建立智能空间的“镜像型虚拟空间”，从信息维度对物理维度空间感知与操控的思考，说明本项目的研究内容具备一定的前瞻性。3.2国内外研究现状到目前为止，国内外尚没有形成智能空间的明确定义。一般地，智能空间是一种新的人机交互协作的复杂系统，它把大量多模式传感器和嵌入式计算设备通过网络相互连接起来，从而将计算智能分布并嵌入到环境中，分析用户的动作和意图，提供各种体贴的服务。智能空间可以看成是物理空间和信息空间的融合，具备信息感知、服务决策、任务执行三大基本功能，具体表现为物理空间与信息空间之间的相互映射，其目的是建立一个以人为中心的具备感知、计算、通信和服务能力的智能化空间，让用户随时随地透明地获得各种需要的服务13-16。智能空间作为研究和谐人机交互原理和技术的典型环境被认为是普适计算思想最集中、最重要的体现，引起国内外研究机构的广泛关注，开展了大量研究计划。例如，欧盟长期资助支持The Disappearing Computer(DC)计划的一系列项目，探讨如何将现代信息技术融入到人们的日常生活中，从而改变目前的人机交互模式，重点研究了用于提高人们生活水平的新一代计算机软硬件技术17。美国国家标准和技术研究院(NIST)在其 Smart Space项目中研究了包括高速传感数据传输和处理、语音信号质量检测、语音身份识别、自然语言理解等下一代多模式人机交互方式中的关键技术18。日本应庆(Keio)大学的智能空间实验室通过网络互联提高各种设备的计算能力，重点研究了可扩展集成设备的物理结构、异构网络设备互联技术和中间件系统19。美国麻省理工学院(MIT)的oxygen能够通过自然语言和计算机视觉与用户自然交流，各种嵌入式传感器和执行设备可以给用户提供最有效的人机交互方式20。国内清华大学的 smart classroom用于远程教学，使教师摆脱了键盘鼠标的束缚，通过手势、语音等控制讲义和多媒体设备21。斯坦福(Stanford)大学的 Interactive workspace、佐治亚理工学院(GIT)的Aware Home、微软研究院 (Microsoft Research)的 Easy Living、华盛顿大学(University of Washington)的Portolano、德国信息技术国家研究中心(GMD)的iLand等都是智能空间思想很好的体现22。此外，我国清华大学徐光佑教授团队23、索岳博士24-25、北京邮电大学梁斌教授团队26、中国海洋大学丁香乾教授团队27、湖南大学宋晓琳教授团队28-30、燕山大学孔令富教授团队31-32、浙江大学李善平教授团队33也均就智能空间中的关键问题展开了系统研究。从上世纪末开始，智能空间技术开始与服务机器人研究相结合，并提出了“服务机器人智能空间的概念8，服务机器人智能空间是服务机器人技术与智能空间技术紧密结合的最新成果。一方面，借助智能空间的分布式多模式信息获取能力，服务机器人只需要通过与智能空间进行交互即可实时地获得丰富的环境信息，从而扩展服务机器人的感知能力并减少对自身携带感知器件的依赖;另一方面，服务机器人作为智能空间中的可移动的感知和执行器件，大大提高了智能空间中感知和执行的主动性。因此，服务机器人智能空间逐渐成为服务机器人和智能空间领域的研究热点。东京大学的Hashimoto实验室最早于 1996年提出了“智能空(Intelligent Space)”的概念。随后，服务机器人被引入到智能空间中为用户提供服务，并通过智能空间提高服务机器人的环境感知和服务能力34，智能空间通过DIND(分布式智能网络设备)可以把室内室外空间无缝连接，形成一个广义智能空间，各种设备和数据可以通过智能空间平台统一管理和利用35。其主要研究内容包括:基于分布式视觉系统的多目标跟踪36、基于LRF(Laser Range Finder，激光测距仪)的移动目标位姿估计37、基于人类行为习惯的移动机器人控制和路径规划38、分布式智能网络设备和智能空间网络平台39、智能空间中的移动机器人定位与导航40、人体动作识别和行为理解41 等。东京大学的Sato实验室最早开始了智能环境(Intelligent Environment)方面的研究42。Sato认为物品的移动信息是物品管理、寻找、传递的基础，并且是人日常行为和意图的反应，因此开发了多种物品移动、定位和管理系统。如基于多摄像机的物品移动检测系统，基于云台变焦摄像机的物品管理、基于ZigBee的物品定位，基于主动RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)的物品管理等物品定位和管理系统42-45。此外，为改善人机交互方式，Sato实验室还研究了基于统计方法的人体运动跟踪和动作识别及其相关技术46-48。美国北卡罗来纳州立大学(NCSU)的ADAC(Advance Diagnosis, Automation and Control Laboratory)实验室建立了ispace原型系统，从而作为网络控制系统49、机器人导航和路径规划50、动态带宽分配51、网络安全等研究的实验平台52。重点研究了网络延迟、丢包、带宽限制等对网络实时控制系统的影响53。特别地，ADAC实验室与Hashimoto实验室合作实现了洲际智能空间，将传感器和激励设备布置在日本，计算和处理控制设备布置在美国，通过 Internet实现智能空间设备间的信息交换与控制54。山东大学的服务机器人实验室将智能空间技术应用于支持家庭服务机器人完成服务任务，系统地提出了“家庭服务机器人智能空间”，的概念、理论和实现方法8，建立了实验室环境中的智能空间平台，通过智能空间的综合异构互联网络实现了智能空间中分布式多模式信息获取和设备控制55。提出了基于时、空、频场景信息的行为识别方法56，深入研究了基于QReode(Quick Recognition Code，快速识别码)和RFID的物品搜寻、识别和操作方法57，智能空间的语义地图构建58，基于人工地标的机器人自主定位59等服务机器人智能空间中的关键技术。综上所述，服务机器人智能空间的研究涉及机器人、计算机、智能系统、自动控制等学科的众多关键技术，是一个多学科交叉、多技术融合的复杂系统。近年来，国内外对智能空间的研究主要集中在人机交互意义下的智能空间以及智能空间系统相关领域的研究。例如智能空间意义下的信息获取技术60-61、物理空间到网络信息空间的映射62-63、机器人导航避障研究64-66、智能空间意义下的网络化控制系统、多智能体系统的控制67-68。尽管国内外的科研工作者针对服务机器人智能空间已经开展了大量研究工作，但总体而言尚处于起步阶段，对于其中的一些关键技术，尤其是智能空间中的一些关键服务支持技术还有待进一步研究。3.3发展动态分析根据目前对智能空间研究的发展趋势，结合申请人在研究过程中的一些体会，将目前发展趋势归纳如下：1) 对智能空间的研究还处于初级阶段，在其系统边界定义、系统理论框架以及关键技术研究目前还存在诸多难题，值得我们深入研究。2) 智能空间的研究已经从人机交互扩展到与物理空间(过程)的交互。研究依靠信息维度对物理维度空间进行感知和操控是智能空间研究的一个十分重要的方向。3) 智能空间意义下的信息获取技术、物理空间到网络信息空间的映射技术、机器人导航避障研究、智能空间意义下的网络化控制系统、多智能体系统的控制是研究智能空间的核心科学问题。本项目也将顺应上述技术发展的趋势。以智能空间支撑技术的具体实现和其中具有共性的智能空间的感知和对服务机器人的控制两大问题为研究对象。参考文献1 中华人民共和国国家统计局. 2005年全国1%人口抽样调查主要数据公报 R.http:/www.stats. 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