智能跟随机器人项目申请书

1 申请编号 入选编号 上海市研究生创新创业能力培养计划项目申请书 项目名称 智能跟随机器人 所在高校 申请部门负责人 申请部门负责人职务 职称 上海市大学生科技创业基金会制表 填表日期 年月日 2 填 表 说 明 一 填写本申请书前 应仔细阅读 上海市研究生创新创业能力培养计划管理上海市研究生创新创业能力培养计划管理 办法办法 关于开展关于开展 20172017 年上海市研究生创新创业能力培养计划申报工作的年上海市研究生创新创业能力培养计划申报工作的 通知通知 等有关文件 务必实事求是地填写 二 本申请书作为上海市研究生创新创业能力培养计划评审入选与培养创业项 目存档备查之用 用 A4 纸打印 使用骑马钉左侧装订 封面之上不得另加 其他封面 申请单位须在规定时间内将本申请书一式 2 份及表格电子版光 盘报送上海市大学生科技创业基金会 三 研究生申请书须经研究生教育管理单位 部门 审核 本科生申请书须经 创业基金会分会审核 签署明确意见并加盖公章后方可上报 四 部分栏目填写说明 1 封面上 申请编号申请编号 入选编号入选编号 由创业基金会填写 2 学科门类名称 学科名称及其代码按照国务院学位委员会颁布的 学位 授予和人才培养学科目录 2011 年 填写 3 本表中涉及的人员均指人事关系隶属本单位的在编人员 兼职人员不计 在内 除学术带头人简况外 表中涉及的成果 论文 专著 专利 科 研奖项 教学成果等 指本学科人员署名本单位获得的成果 凡署名其 他单位所获得的成果不填写 不统计 4 封面 申请部门负责人申请部门负责人 一般应为高校研究生教育管理部门或者分会负一般应为高校研究生教育管理部门或者分会负 责人 申请内容中的责人 申请内容中的 项目申请人项目申请人 应为申请培训的研究生或本科生 项应为申请培训的研究生或本科生 项 目团队成员不超过目团队成员不超过 5 5 人人 5 本表填写内容不涉及国家秘密并可公开 6 本申请书所有信息必须全部填写 空白处请一律填 无 3 一 项目申请人信息一 项目申请人信息 申请人联系手机 政治面貌群众电子邮箱 博士 硕士 本科年级 博士三年级所在院系计算机 就读专业 计算机应用 技术 所属一级 学科 计算机科学与技术 拟创业项目 所属领域 新材料 新能源 通信技术 先进制造业 互联网与移动技术 软件和信息技术 生物医药 农业技术及产业 文化创意 其它 二 拟创业项目情况二 拟创业项目情况 拟创业项目 成熟度 处在项目立项研发阶段 已通过小试鉴定 已通过中试鉴定 技术水平 国际先进 国内先进 一般水平 推广范围 国际推广 国内推广 区域推广 特定地区推广 知识产权 状态 授权国外有效发明专利 授权国内有效发明专利 国内有效实用新型专利 其它知识产权 奖项名称获奖时间获奖等第 拟创业项目 获奖情况 各类基金资 助情况 名称资助时间资助金额 是否已成立 创业企业 是 否创业企业成立时间年 月 创业企业全 称 三 申请人导师信息三 申请人导师信息 导师姓名所在院系计算机工程与科 学学院 4 职务职称教授手机号码 四 项目团队成员信息四 项目团队成员信息 序 号 姓名所在高校 博士 硕士 本科 专业电子邮箱联系电话导师姓名 1 上海大学博士 计算机 应用技 术 2 黄宗文上海大学硕士 计算机 科学与 技术 3 上海大学硕士 软件工 程 4 5 五 申请人科研工作情况五 申请人科研工作情况 本课题组是上海大学计算机学院 智能信息处理实验室 导师徐凌宇教授 是上海大学计算机学院博士生导师 国家海洋局重点实验室客座研究员 主持 国家自然科学基金 国家 十二五 规划支撑项目 参与上海市重点学科建设 项目 上海 智慧城市 建设 085 项目等等 本人参与了两项国家科技部重点攻关项目 一项上海市自然科学基金 一 项 八六三 计划 申请发明专利一项 已受理 已发表科研论文 2 篇 目前实验室发表了 20 余篇信息融合科研论文 其中 SCI 检索 5 篇 EI 检 索 7 篇 ISTP 检索 5 篇 中文核心期刊多篇 国家发明专利 已授权 1 项 软件著作权 2 项 实验室目前正在与中国科学院上海高等研究院机器人实验室建立合作联系 与上海三临图像技术有限公司就建立联合研究实验室基本达成一致 近期将成 立 实验室已经进行了 10 余年的海量图像数据处理研究 在多源传感器信息融 合领域有了新的研究成果 将柔性关系加入到融合模型中 目前实验室拥有海 量图像处理数据 并初步探讨形成了一系列研究方法 正努力向成果转化 5 六 拟创业项目简介六 拟创业项目简介 一 项目背景项目背景 当前 中国正处在经济高速增长向中高速增长转换的新常态下 十三五 要解决制约经济新增长的软硬件环节 中央政府推出 中国制造 2025 互 联网 等国家重大战略展开投资 随着我国劳动力成本日益增大 制造业面 临巨大的危机 转型者能制造成为未来发展的大趋势 在此背景下 机器换 人 成为制造业的必然选择 日本早就提出 机器人新战略 2014 年产值 4470 亿日元 出货量 12 7 万台 美国制定国家机器人安全新标准 提出 机 器人技术路线图 2015 年数量超 26 万台 欧洲启动 地平线 2020 战略 韩国提出 机器人未来战略 2022 2013 年底 工信部出台 关于推进工业 机器人产业发展的指导意见 到 2020 年 形成较为完善的工业机器人产业 体系 培育 3 5 家有国际竞争力的龙头企业和 8 10 个配套产业集群 在 中 国制造 2025 规划中明确我国未来十年机器人产业的发展重点为两个方向 一是开发工业机器人本体和关键零部件系列化产品 二是突破智能机器人关 键技术 开发一批智能机器人 十三五 期间 机器人发展必将迎来投资良 机 上海地方政府出台 关于上海加快发展和应用机器人促进产业转型提质 增效的实施意见 机器人产业政策红包密集 市场潜力巨大 工业机器人高 速增长 服务机器人成为新蓝海 机器人是现代传感器技术 人工智能技术 和自动化技术发展的典型体现 机器人技术的发展水平也代表一个国家制造 技术的先进性发展水平 其中 移动机器人的发展最为迅速 已经大规模实 现商业化应用 基于工作中实际应用领域的不同 各种类型机器人采用的技 术也各不相同 本项目旨在开发一种基于引导节点位置的自主跟随机器人 使得机器人跟随引导对象自主规划路径避障前行 该机器人在高尔夫球场 病人看护 物流基地 超市购物 领路导航和军事运输等方面有着重要应用 二 本项目开发过程中遇到的难点本项目开发过程中遇到的难点 1 即时定位与地图构建 SLAM 即时定位与地图构建 SimultaneousLocalization AndMapping 指的是 机器人在自身位置不确定的条件下 在完全未知环境中创建地图 同时利用地 图进行自主定位和导航 SLAM 问题可以描述为 机器人在未知环境中从一个未知位置开始移动 在 移动过程中根据位置估计和传感器数据进行自身定位 同时建造增量式地图 1 定位 localization 机器人必须知道自己在环境中位置 2 建图 mapping 机器人必须记录环境中特征的位置 如果知道自 己的位置 3 SLAM 机器人在定位的同时建立环境地图 其基本原理是运过概率 统计的方法 通过多特征匹配来达到定位和减少定位误差的 6 图 1 SLAM 的基本过程 移动机器人自定位与环境建模问题是紧密相关的 环境模型的准确性依 赖于定位精度 而定位的实现又离不开环境模型 在未知环境中 机器人没 有什么参照物 只能依靠自己并不十分准确的传感器来获取外界信息 如同 一个盲人在一个陌生环境中摸索的情况 这种情况下 定位是比较困难的 有地图的定位和有定位的地图创建都是容易解决的 但无地图的定位和未解 决定位的地图创建如同 鸡 蛋 问题 无从下手 已有的研究中对这类问题 的解决方法可分为两类 一类利用自身携带的多种内部传感器 包括里程仪 罗盘 加速度计等 通过多种传感信息的融合减少定位的误差 使用的融合 算法多为基于卡尔曼滤波的方法 这类方法由于没有参考外部信息 在长时 间的漫游后误差的积累会比较大 另一类方法在依靠内部传感器估计自身运 动的同时 使用外部传感器 如激光测距仪 视觉等 感知环境 对获得的信 息进行分析提取环境特征并保存 在下一步通过对环境特征的比较对自身位 置进行校正 2 热点跟随技术 机器人跟随技术包含两个步骤 知道目标在哪里 能自动跟随目标运动 最常见也是应用最广的就是 GPS 跟随 携带有 GPS 模块的手机或者手环等设 备 与任务设备进行互相通信 不断告知彼此的位置 任务设备按照获得的 GPS 信息调整自己的姿态与速度跟随 在 GPS 跟随模式被激活后 机器人将通 过自带的 GPS 模块确定自身位置 并通过使用者的移动设备 例如手机 上 的 GPS 模块确定使用者所处的位置 因此 GPS 跟随与视觉跟随相比 适用的 场景更加广泛 几个典型的场景 1 机器人与使用者之间暂时出现遮挡物 图 2 视线遮挡 7 遮挡物或突然出现的曜光会使跟随目标暂时丢失 而 GPS 跟随则基本不 受影响 2 特殊环境下跟随目标难以被视觉识别 图 3 光线较暗 光线昏暗的夜晚 反光强烈的雪地等场景都会导致此种情况 GPS 跟随则 均可适用于这些场景 3 识别躲避障碍技术 热点跟随技术虽有诸多好处 但是无法判断障碍物 还需要辅助其他技 术 这里就要提到识别躲避障碍技术 当机器人的传感器 或者是摄像头发 现前方有障碍物的时候 机器人此时要停下来 首先对障碍物进行扫描 以 便做出准确的判断 检测的主要参数应该包括 障碍物的高度 宽度等主要 信息 并将这些检测到的信息上报给机器人的 大脑 由机器人的 大脑 先做出一个判断 该障碍能否通过 如果能够通过 则继续前进 如果不能 通过 机器人的 大脑 应该发送这样的指令 转身 将机器人的身体转过 一个合适的角度 比方说 30 角 等机器人转过身来后 要对其前方重新 进行扫描 判断其前方是否还有障碍物 且是否已绕过该障碍物 如果已绕 过该障碍物 且前方无障碍物的情况下 那么 机器人就可以继续前进了 任务完成 如果前方还有障碍物 且不能不能绕过该障碍物的情况下 就需 要由机器人的 大脑 再次发送指令 命令机器人的身体再旋转 30 角 此 时 重新进行判断 是否可以绕过该障碍物 且前方无其他障碍物 如果这 次 OK 了 那么 机器人就可以顺利绕过该障碍物 任务完成 识别躲避障碍 技术 有两种解决方案 一种是在小车四周安装传感器 当检测到行进路线 上有障碍物是 根据提前设计好的参数调整反向避过障碍 由于使用的传感 器比较简单 并不能判断障碍物轮廓 甚至识别障碍物 但是造价便宜 反 应快速 还有一种方法是使用摄像头 在行进中不断拍摄照片 通过图像识 别技术 识别障碍物 当把两种信息进行信息融合能够有更好的效果 4 智能导航技术 导航技术是移动机器人的一项核心技术之一 它是指移动机器人通过传 感器感知环境信息和自身状态 实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动 目前 移动机器人主要的导航方式包括 磁导航 惯性导航 视觉导航等 其中 视觉导航通过摄像头对障碍物和路标信息拍摄 获取图像信息 然后对图像信 息进行探测和识别实现导航 它具有信号探测范围广 获取信息完整等优点 是 移动机器人导航的一个主要发展方向 而基于非结构化环境视觉导航是移动机 器人导航的研究重点 机器人视觉被认为是机器人重要的感觉能力 机器人 8 视觉系统正如人的眼睛一样 是机器人感知局部环境的重要 器官 同时依 此感知的环境信息实现对机器人的导航 机器人视觉信息主要指二维彩色 CCD 摄像机信息 在有些系统中还包括三维激光雷达采集的信息 视觉信息能否正 确 实时地处理直接关系到机器人行驶速度 路径跟踪以及对障碍物的避碰 对系统的实时性和鲁棒性具有决定性的作用 基于计算机视觉的自主机器人 导航一种方法是基于地图的机器人导航 基于地图的导航就是提供给自主机 器人其导航环境的模型 在一些早期的视觉系统中 自主机器人导航环境的知 识都是以网格表征 把三维空间中物体按体积垂直投影到二维水平面上 这种 方式通常被引用为 占用地图 0 后来 占用地图的思想被 虚拟力场 0 改进 虚 拟力场也是一幅 占用地图 0 不同的是在地图中每一个被占用的区域都对机器 人施加斥力 而目的地图则对机器人施加引力 所有的这些力通过向量的加减 运算的共同作用牵引机器人避开障碍物 向目的地运动 该产品的创新点该产品的创新点 本机器人拥有红外传感器 摄像头 扬声器 通过信息融合技术 快速有 效识别障碍 并且可以通过扬声器把识别出的物品告诉使用者 形成良好的 交互 三 三 技术路线 技术路线 我们通过 TensorFlow 框架利用 GPU 运行深度学习算法 来实现图像识别并构 建智能跟随机器人 图 4 是我们的技术路线 图 4 物体识别机器人的体系结构 首先是核心芯片系统的选择 我们选择 Raspberry Pi 它有 WiFi 四核 CPU 和一个千兆字节的 RAM 另外还有一个 microSD 卡可以加载 Raspberian 有关所有组件如何协同工作的概述 请参见图 4 有关 Pi 的 照片 请参见图 5 9 图 5 Raspberry Pi 图 6 机器人底盘 其次是外围设备的选择 和组装 由于直流电动机的运行电流高于 Raspberry Pi 可提供的电流 因此需要单独的控制器 所以我们选择 Adafruit 电机帽 见图 7 图 7 带电机帽和相机的 Raspberry Pi 为了获取图片 我们把相机连接到 Raspberry Pi 并提供可用于识别对象的 实时视频 在众多摄像机中选择提供夜视的红外摄像机 以适应夜间摄影的 需求 我们添加了一个 USB 扬声器 以便后面可以发出声音 提醒并与用户 进行交互 10 图 8 4WD 机器人 右 和 2WD 机器人 配置 Nginx 将摄像机图像的请求直接传递到文件位置 并将其他所有内容 传递给网络服务器 然后 建立了一个简单的 Python 网络服务器 根据遥控 车辆提供的键盘命令来旋转机器人的轮子 最后 安装 TensorFlow 从相机的图像上推导 tensorflow contrib pi examples label image gen bin label image 将 输出排名靠前的五个猜测 图 9 连接在电脑上的机器人 四 四 市场依据 市场依据 2014 年全球服务机器人市场规模为 60 亿美元左右 而 2015 年达到 85 亿美 元左右 预计 2016 2020 年全球服务机器人市场将以 13 增长率成长 到 2020 年全球服务型机器人市场规模将近 160 亿美元左右 2015 年中国服务机 器人市场规模为 85 亿元人民币 按照我国 机器人产业发展规划 2016 11 2020 年 预计到 2020 年 服务机器人年销售收入有望超过 300 亿人民币 跟随机器人属于服务机器人的一种 有广阔的发展前景 目前国际上正在研 发和测试跟随型机器人 而国内并没有看到跟随机器人产品 4 65 5 4 4 4 5 5 5 5 2014年2015年 销量 单位 百万台 销量比较 21 22 20 5 21 21 5 22 22 5 2014年2015年 单位 亿美元 销售额比较 3100 1100 540 270 465 190 0 1000 2000 3000 4000 家庭服务机器人娱乐休闲机器人 销售量 单位 万台 服务机器人销售量预测 2016 201920152014 图 10 市场分析 同类机器人比较同类机器人比较 图 11 沃尔玛研究的机器人 12 BudgeeBudgee 机器人机器人 Five Elements Robotics 推出的 Budgee 机器人最高速 度为每小时 3 9 公里左右 其重量只有 9 公斤左右 如果主人的行进速度太 快 它就会用消息推送的方式提醒主人慢一些 同时用户还可以对它大小不 一的两个眼睛的颜色进行设定 功能方面 Budgee 能够轻松折叠起来 但是 却能搭负约 23 公斤的东西 同时 Budgee 充电一次能够持续使用 10 个小时 此外 Budgee 采用了防水设计 其所内置的传感器能够有效防止其掉下楼梯 和在遇到障碍时摔倒 Budgee 的跟随功能通过嵌入在 耳朵 中的声纳传感 器来实现 而在正常工作时 主人需要将一个小巧的模块安置在自己的腰带 上 然后在对应的移动应用中设置 Budgee 的跟随距离 图 12 Gita 机器人 GitaGita 私人货物运输机器人私人货物运输机器人 图中这个淡蓝色的机器人 名为 Gita 发音 为 jee ta 意大利语意为 短途旅行 的意思 目前它处于概念机阶段 目前它处于概念机阶段 Gita 运载的主体不是人 而是物品 它不仅可以跟随用户进行购物 并 且还可以帮助用户将所购商品搬运回家 Gita 的制造商是 Piaggio 比亚乔 比亚乔是欧洲规模最大的摩托车制造企业 是全球第一辆踏板车 VESPA 的 制造商 Gita 在 2 月 2 日发布 但是公司并没有透露 Gita 机器人的售价 也没有提及该款 Gita 机器人与公众见面的具体日期 本项目优势本项目优势 1 更实惠 目前 Budgee 机器人售价 13991399 美元美元 而 Piaggio 并未公布 Gita 的具体售 价 由于最初发布的版本并非面向消费市场 因此价格不会太低 相对于 前面提到的跟随机器人的高昂价格 我们所设计的机器人 由于采用通用 元器件 在硬件方面所花费的金钱较少 所以我们所设计的机器人价格可 以更低 目前预订价 2000 3000 元 相对比来说更加实惠 拥有更大的受 众人群 13 2 更智能 采用信息融合技术 在尽可能降低设备造价的基础上 提供尽可能快速智 能的反馈 采用传感器进行检测躲避障碍的同时 识别出障碍 并通过扬 声器告诉使用者 这样在导航或者跟随的时候人机交互更友好 更智能 人机交互更友好 更智能 3 更便捷 同样是采用 GPS 跟随机制 目前研发的机器人都需要在人身上穿戴设备 而且设备比较笨重 不美观 而我们设计的机器人 以手机代替穿戴设备 只需要在手机中安装对应程序 机器人就可以进行跟随了 在几乎人人都 有手机的社会中 这样的做法 不但节约了设备造价 而且更加美观便捷 五 五 经济和社会效益经济和社会效益 本项目产品推广后 节约了用户的时间 方便了用户的出行 使广大人民共 享科技发展红利 提升人民幸福感 有利于社会的可持续发展和长治久安 另外改变生活方式 激发人民创造性 推动社会的进步 在经济上 我们拟售价 2000 3000 元每台机器人 推广阶段预计每月销售 30 台 创造收入 6 万元 带动就业和相关领域行业的发展 六 六 拟采用商业模式拟采用商业模式 产品的推广采用以线下推广为主 网上推广为辅 相结合的推广方法 网络宣传和推广 首先搜索引擎是最大的宣传平台 因此把自己的网站做好 并做好产品关键字和增加产品关键字权重 其次在网络上 新浪 网易 腾 讯 搜狐 凤凰网 CCTV 新华网 人民网等投放软文广告 同样的可以发 布产品供求信息 选阿里巴巴 慧聪网 环球资源等 还可以在唛网发布 专注新产品宣传的网站 另外在百度知道跟踪问答关键字 以上这些都是比 较有效的网络宣传推广手段 线下宣传和推广包括印发传单 媒体宣传 搞 宣传活动 口碑推广 印名片 印塑料带 和当地相关产品销售点合作 企 事业单位或政府合作推广 大客户直接定制整套解决方案 下游代理商加盟 等等 之后是稳定的发展 稳定的发展说得直白一点就是在基本推广方法基础 上不时的结合公司新产品搞促销活动 不定期的发送优惠卷 参与行业内的 排行评比等活动 以期获得新闻价值 媒体的曝光 相对于推广的多样化 要将相关产品长期稳定的发展 有效的向市场上推广的话 那么就要合理的 14 安排线下跟网上推广方法相结合 进行长期的相关推广 最后推广效果 对产品推广的效果进行跟踪 定期从使用人群中分析 改进或者取消效果不佳的推广手段 在效果明显的推广策略方面加大投入比 重 这样才有利于产品长期稳定的发展 七 七 项目团队项目团队 成员介绍成员介绍 博士 1 人 硕士 2 人 人员配置较好 目前本项目已有 3 名成员 各个阶层人员比例较好 由一名教授带头 1 名博 士与 2 名硕士参加 从理论到技术实现了完美的搭档 徐凌宇教授负责整个 项目的全局管理 XXX 负责整个智能跟随型机器人的核心技术设计 XXX XXX 硕士负责用两个月去相关机器人行业进行调研 大部分时间用于业务开展 以满足用户需求 本人对创业的看法 本人认为创业带动就业 1 一个好的团队 事情的成败 的决定因素在人 所谓谋事在人 只有人才能把事情做出来 所以一个好的 创业团队是创业成功的关键 这个团队的成员也许不都是最优秀的 但一定 要是能互补的 不论从性格上还是能力上 中国讲究的是中庸之道 其意就 是这个世界本没有好坏之分 只有合不合适 何不合理 合适的 合理的就 是最好的 2 一个好的项目 一个好的项目 可以收到出其不意 先发制人 的效果 让人以最快的方式赚到人生的第一桶金 并为以后的事业打下坚实 的基础 3 好的执行力 这个很重要 有了执行力 你才能说你是在真正的 创业 否则就是赵括将兵 纸上谈兵了 就算你手上有一个好的项目 也只 是帮别人铺路而已 佳人年年忙红装 为她人做嫁衣裳 4 及时有效的沟通 有道理是话不说不清 理不辨不明 在这个信息化爆炸辐射的时代 及时有 效的沟通变得尤为重要 只有沟通才能增强团队的凝聚力 才能发挥团队的 集体智慧 才能统一团队的目标 才能集中团队的全部力量 才能消除团队 的不和谐的声音 才能提高团队的执行能力 15 七 创业实践申请经费预算七 创业实践申请经费预算 总经费总经费 万元 万元 3 申请经