CN108272565A - 智能安全轮椅及其智能安全控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能安全轮椅，由双闭环控制***控制驱动轮转速，以实现对速度的精确控制，同时提供使用者操纵杆控制和自主导航2种控制方式，自动避障及实时检测用户身体状况是否发生异常并采取相应保护措施的智能安全轮椅，以给老年人、残障人士的出行提供便捷与安全保障。与传统轮椅相比，该智能安全轮椅能够检测用户的身体状态，当判断用户身体状况异常时，及时发出警报，停止电机动作，安全性高，特别适合老年人以及残障人士使用。
Description
技术领域：
本发明属于智能辅助设备技术领域，特别涉及一种智能安全轮椅，还涉及该轮椅的智能安全控制方法。
背景技术：
根据***预测，1990-2020 年世界老龄人口平均年增速度为 2.5%，同期我国老龄人口的递增速度为 3.3%，老龄化速度快于世界老龄化速度。与其他国家相比，中国社会人口老龄化程度高，已逐步进入老龄化社会，与此同时还有肢体残疾的人口近 6000 万。-随着我国社会文明的发展进步，保障和提高老年人以及残障人士等弱势群体的生活质量，已经越来越受到社会各界人士的普遍关注。大量研究表明，有效增强老年人以及残障人士的行动能力，不仅使得他们的日常生活变得方便，而且对他们的心理健康、自我评价、精神状态也有着深远的影响。因此，一种能为老年人提供方便的代步轮椅应运而生，并得到了广泛的推广应用。较早的轮椅是手动的，由人转动一个手轮前进，这需要消耗体力，不适合那些体力太弱以及残障人士使用。随后又发明了电动轮椅，这种电动轮椅一般包括车体、前后轮、驱动电机、操作杆和电机驱动器，驱动电机由蓄电池供电，驱动后轮前进，坐在轮椅上的人只需按动操作杆，即可实现轮椅的前进、后退及左右转弯。电动轮椅比手动轮椅有很大的进步，但仍存在一些问题，例如，一些老年人反应较慢，需要辅助的避障功能保护用户的安全。同时由于用户在操纵轮椅时可能会发生一些意外情况，需要智能安全轮椅能够识别用户的身体状态，及时发现异常，并采取保护措施。因此，需要开发一种操作更加方便、使用更加安全的新型智能安全轮椅，以满足这类人群的需要。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种智能安全轮椅，以及及该轮椅的智能安全控制方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种一种智能安全轮椅的智能安全控制方法，其特征在于：按照如下步骤进行：
S1：环境虚拟地图构建，用户将智能安全轮椅沿着室内环境中可行进路线推行一周，视觉传感器扫描室内环境自动进行虚拟地图的构建，构建的环境地图映射到平板显示器；
S2：用户选择控制方式，当用户选择自主导航模式时进入S3，当用户选择操纵杆控制方式时进入S4；
S3：自动推送行进路线，用户在平板显示器上打开环境地图，用户主需要在平板显示器显示的地图上，点击想要移动到的位置；无风扇嵌入式工控机根据用户选择的目的位置，发出导航控制信号，所述导航控制信号依次通过平板电脑和工业控制计算机传输给底层核心控制模块，进入S5；
S4：用户操纵控制，底层核心控制***通过计算得到操纵杆位置信息，分析得到用户控制意图并进入S5；
S5：轮椅行走底层核心控制模块将用户控制意图转换成左右电机的速度与方向的控制信息；接着底层核心控制模块控制根据上述计算得到的控制信息驱动左右两个电机，进而带动随动轮转动，使轮椅到达用户指定的位置；
S6：智能安全轮椅控制***通过激光避障模块对智能安全轮椅的周围环境信息进行检测，当有障碍物时调整用户对电机的控制信号，保障用户安全；
S7：智能安全轮椅控制***通过上述用户身体状态监测***实时检测用户的身体状态，当用户身体出现异常时，停止电机动作，并发出报警信号。
本发明进一步限定的技术方案为：
优选地，上述技术方案中，在步骤S1开始前，还设有***自检，智能安全轮椅***检测电池电压、螺线管刹车状态、左右马达线缆；检测结果通过智能安全轮椅的平板显示器显示。
优选地，上述技术方案中，对于操纵杆控制模式，STM8操纵杆可以向各个方向转动，并通过霍尔元件将操纵杆的位置信息转换为电压信息，随后使用AD将霍尔元件的电压信息转换为数字量,通过操纵杆的位置信息得到用户的控制意图。
优选地，上述技术方案中，对于自主导航模式，***需要预先通过视觉传感器Kinect对室内地图进行建模，Kinect相机可以不断地跟踪其拍摄范围内的对象，根据已知的信息和三维数据，可以做出精确的测量，绘制出整个房间的静态地图；通过平板显示建立的地图，用户通过地图指定目的地，接着控制***自动规划出路径信息得到相应的控制策略，接着电机控制模块驱动直流电机运动。
优选地，上述技术方案中，激光避障模块，用户身体状态监测模块和***故障检测模块，红外测距是采用三角测距的原理，智能安全轮椅的红外发射器按照一定角度发射红外光束，遇到物体之后，光会反向回来，检测到反射光之后，通过结构上的几何三角关系，就可以计算出障碍物距离；用户身体状态监测模块，视觉传感器Kinect可以将采集到的用户图像信息传送给工业控制计算机，由无风扇嵌入式工控机对用户图像进行分析。
优选地，上述技术方案中，无风扇嵌入式工控机首先运用基于Haar特征的AdaBoost级联分类器算法，并根据该算法对视觉传感器采集的图像进行分析，该视觉传感器能够获取图像的深度信息，用于进行用户身体状态检测，通过数据传感器采集用户图像信息，通过识别用户眼部状态判断用户的身体状态。当识别到用户身体状态异常时，自动停止电机工作，通过发出报警。同时持续检测用户身体状态，若检测到用户身体仍处于异常状态，则通过无风扇嵌入式工控机进行远程报警。；轮椅控制器具有多种故障检测功能，包括电压异常检测，螺线管刹车故障，控制器故障，左、右马达电缆断开故障；当控制器检测到故障时，将自动停止输出PWM波驱动电机，等待手动解除故障后恢复驱动电机；
本发明的目的是提供一种具有操纵杆和自主导航两种操作模式，自动避障及实时检测用户身体状况是否发生异常并采取相应保护措施的智能安全轮椅，以给老年人、残障人士的出行提供便捷与安全保障。
一种智能安全轮椅，包括电动轮椅***，电动轮椅***主要由轮椅车体、两个驱动后轮、两个随动前轮、蓄电池、操作杆，测速模块，驱动电机，其特征在于，还包括智能安全轮椅***，所述智能安全轮椅***主要由底层核心控制模块、无风扇嵌入式工控、视觉传感器、激光避障模块和操纵面板组成；
底层核心控制模块通讯连接驱动电机的控制单元、操纵杆、无风扇嵌入式工控机；操纵面板、视觉传感器分别通讯连接无风扇嵌入式工控机；
两个驱动后轮均装设有直流电机，根据具体情况输入电机运行的期望速度，利用光电编码器感知计算车轮的实时转速信息，给定转速与反馈的实时转速做差运算，并输入到比例积分速度控制器，输出指令电流值；
霍尔传感器将转子实时电流进行监测经 A/D 转换成数字信息，电流与反馈电流进行比较输入到 PI 电流控制器中，输出信号经过 MOSFET 管构成的功率驱动器后，信号就可以驱动H桥电路，进而控制直流电机的运转。
电动轮椅***：两个防后倾轮轮12、轮椅车体包括扶手13和两个脚踏。
优选地，上述技术方案中，所述的智能安全轮椅控制***主要包括视觉传感器，无风扇嵌入式工控机，DSP控制器，以DSP控制器为核心控制电机，操纵杆、无风扇嵌入式工控机均采用RS232总线与DSP控制器相连，传递电机速度信息给DSP控制器，视觉传感器通过USB总线与无风扇嵌入式工控机相连，传递图像信息给无风扇嵌入式工控机。
优选地，上述技术方案中，所述的视觉传感器模块采用Kinect视觉传感器，视觉传感器Kinect，激光避障模块，通过USB接口与无风扇嵌入式工控机相连。
优选地，上述技术方案中，所述智能安全轮椅控制***同时具路障检测***；所述路障检测***由激光路障检测器，声光报警器组成；当智能安全轮椅检测到前方有路障时，调整用户对电机的控制指令，防止轮椅与障碍物发生碰撞。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明设计的智能安全轮椅，在普通电动轮椅基础上，装配了多种传感器，使轮椅拥有环境感知能力，自主运动能力,体现出智能性。同时本发明设计的智能安全轮椅能够实时检测用户的身体状态信息，体现出安全性能。该智能安全轮椅本质上融合多项机器人领域关键技术，包括机器人视觉，路径规划，定位与导航等。
附图说明：
图1为智能安全轮椅整体外观示意图；
图2为智能安全轮椅工作流程图；
具体实施方式：
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护 范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或 组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
本发明的整体外观示意图如图 1 所示，智能安全轮椅包括电动轮椅***和智能安全控制模块，电动轮椅***包括轮椅车体1、两个驱动后轮2、两个随动前轮3、两个防后倾轮轮12、蓄电池4、操作杆6，测速模块7，驱动电机8，轮椅车体包括扶手13和两个脚踏板14，提高乘坐人员的舒适度。智能安全轮椅***包括底层核心控制模块15与无风扇嵌入式工控11，视觉传感器9，激光避障模块10、操纵面板5。
本发明首先具备电车轮椅车的运动功能，可以通过电机带动两个驱动轮实现轮椅车移动。本发明按照电动轮椅***的运动规则即阿卡曼运动模型，通过分析用户的控制意图计算得到左右轮的速度大小与方向。从而实现轮椅加速、减速、左转、右转的功能。同时轮椅车体的速度由双闭环控制***控制实现。两个驱动后轮均装设有直流电机，根据具体情况输入电机运行的期望速度。利用光电编码器感知计算车轮的实时转速信息。给定转速与反馈的实时转速做差运算，并输入到比例积分(Proportional Integra， PI) 速度控制器，输出指令电流值。霍尔传感器将转子实时电流进行监测经 A/D 转换成数字信息，电流与反馈电流进行比较输入到 PI 电流控制器中，输出信号经过 MOSFET 管构成的功率驱动器后，信号就可以驱动H桥电路，进而控制直流电机的运转。这样由双闭环控制***控制的电动轮椅能够达到对速度高精度和高稳定性的控制。
本发明采用触摸平板显示器实现人机交互，平板显示器通过USB接口与无风扇嵌入式工控机相连。触摸平板显示器与无风扇嵌入式工控机相连，可以显示轮椅的状态信息包括电量，速度，模式状态，故障状态，同时用户可直接通过触摸显示屏控制智能安全轮椅的模式选择。
本发明具有两种控制模式：操纵杆控制模式和自主导航控制模式。对于操纵杆控制模式，STM8操纵杆可以向各个方向转动，并通过霍尔元件将操纵杆的位置信息转换为电压信息，随后使用AD将霍尔元件的电压信息转换为数字量。通过操纵杆的位置信息得到用户的控制意图；对于自主导航模式，***需要预先通过视觉传感器Kinect对室内地图进行建模，Kinect相机可以不断地跟踪其拍摄范围内的对象，根据已知的信息和三维数据，可以做出精确的测量，绘制出整个房间的静态地图。通过平板显示建立的地图，用户通过地图指定目的地，接着控制***自动规划出路径信息得到相应的控制策略。接着电机控制模块驱动直流电机运动。
本发明设计有激光避障模块，用户身体状态监测模块和***故障检测模块，这些模块的存在体现出本发明具有良好的安全性。激光避障模块，使用红外测距技术。红外测距是采用三角测距的原理。智能安全轮椅的红外发射器按照一定角度发射红外光束，遇到物体之后，光会反向回来，检测到反射光之后，通过结构上的几何三角关系，就可以计算出障碍物距离；用户身体状态监测模块，视觉传感器Kinect可以将采集到的用户图像信息传送给工业控制计算机，由无风扇嵌入式工控机对用户图像进行分析。无风扇嵌入式工控机首先运用基于Haar特征的AdaBoost级联分类器算法，并根据该算法对视觉传感器采集的图像进行分析，检测用户的人脸信息。并根据据此得到用户的人眼的信息。通过对人眼上下眼脸距离信息判断用户的身体状态，判断***是否需要提醒用户注意安全；轮椅控制器具有多种故障检测功能，包括电压异常检测，螺线管刹车故障，控制器故障，左、右马达电缆断开故障。当控制器检测到故障时，将自动停止输出PWM波驱动电机，等待手动解除故障后恢复驱动电机。视觉传感器Kinect，激光避障模块，通过USB接口与无风扇嵌入式工控机相连。
本智能安全轮椅控制***具体工作流程如图2所示，并做以下具体说明：
步骤 1 ：开机后***进行自检。智能安全轮椅通过自身设计的故障检测功能进行电池电压检测，螺线管刹车状态检测，左右马达线缆检测。当智能安全轮椅出现问题时通过智能安全轮椅的平板显示器显示出现故障的部件，提醒用户进行处理。
步骤 2 ：用户通过Kinect视觉传感器扫描用户常用的室内环境，通过将智能安全轮椅沿着常用室内环境墙壁推行一周，智能安全轮椅控制***便可以进行虚拟地图的构建。无风扇嵌入式工控机将构建的环境地图映射到平板显示器上；
步骤 3 ：接着用户可以选择智能安全轮椅的控制方式。本智能移动服务***拥有两种控制方式（操纵杆控制方式和自主导航控制方式）。当用户选择自主导航模式时进入步骤4。当用户选择操纵杆控制方式时进入步骤5。
步骤 4 ：用户在平板显示器上打开环境地图，用户主需要在平板显示器显示的地图上，点击想要移动到的位置。无风扇嵌入式工控机根据用户选择的目的位置，发出导航控制信号，所述导航控制信号依次通过平板电脑和工业控制计算机传输给底层核心控制模块，进入步骤6；
步骤 5：操纵杆控制模式下，***通过底层核心控制***中的AD模块将操纵杆霍尔元件得到的模拟量转换为数字量，并通过计算得到操纵杆位置信息，分析得到用户控制意图。
步骤 6 ：智能安全轮椅控制***通过上述激光避障模块对智能安全轮椅的周围环境信息进行检测，当有障碍物时调整用户对电机的控制信号，保障用户安全。
步骤 7 ：智能安全轮椅控制***通过上述用户身体状态监测***实时检测用户的身体状态，当用户身体出现异常时，停止电机动作，并发出报警信号。
步骤8：所述底层核心控制模块通过上述阿卡曼控制模型将用户控制意图转换成左右电机的速度与方向的控制信息。接着底层核心控制模块控制根据上述计算得到的控制信息驱动左右两个电机，进而带动随动轮转动，使轮椅到达用户指定的位置。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。 这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述 教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在 于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实 现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。 本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种智能安全轮椅的智能安全控制方法，其特征在于：按照如下步骤进行：
S1：环境虚拟地图构建，用户将智能安全轮椅沿着室内环境中可行进路线推行一周，视觉传感器扫描室内环境自动进行虚拟地图的构建，构建的环境地图映射到平板显示器；
S2：用户选择控制方式，当用户选择自主导航模式时进入S3，当用户选择操纵杆控制方式时进入S4；
S3：自动推送行进路线，用户在平板显示器上打开环境地图，用户主需要在平板显示器显示的地图上，点击想要移动到的位置；无风扇嵌入式工控机根据用户选择的目的位置，发出导航控制信号，所述导航控制信号依次通过平板电脑和工业控制计算机传输给底层核心控制模块，进入S5；
S4：用户操纵控制，底层核心控制***通过计算得到操纵杆位置信息，分析得到用户控制意图并进入S5；
S5：轮椅行走底层核心控制模块将用户控制意图转换成左右电机的速度与方向的控制信息；接着底层核心控制模块控制根据上述计算得到的控制信息驱动左右两个电机，进而带动随动轮转动，使轮椅到达用户指定的位置；
S6：智能安全轮椅控制***通过激光避障模块对智能安全轮椅的周围环境信息进行检测，当有障碍物时调整用户对电机的控制信号，保障用户安全；
S7：智能安全轮椅控制***通过上述用户身体状态监测***实时检测用户的身体状态，当用户身体出现异常时，停止电机动作，并发出报警信号。
2.根据权利要求1所述的智能安全轮椅的智能安全控制方法，其特征在于：在步骤S1开始前，还设有***自检，智能安全轮椅***检测电池电压、螺线管刹车状态、左右马达线缆；检测结果通过智能安全轮椅的平板显示器显示。
3.根据权利要求1所述的智能安全轮椅的智能安全控制方法，其特征在于：对于操纵杆控制模式，STM8操纵杆可以向各个方向转动，并通过霍尔元件将操纵杆的位置信息转换为电压信息，随后使用AD将霍尔元件的电压信息转换为数字量,通过操纵杆的位置信息得到用户的控制意图。
4.根据权利要求1所述的智能安全轮椅的智能安全控制方法，其特征在于：对于自主导航模式，***需要预先通过视觉传感器Kinect对室内地图进行建模，Kinect相机可以不断地跟踪其拍摄范围内的对象，根据已知的信息和三维数据，可以做出精确的测量，绘制出整个房间的静态地图；通过平板显示建立的地图，用户通过地图指定目的地，接着控制***自动规划出路径信息得到相应的控制策略，接着电机控制模块驱动直流电机运动。
5.根据权利要求1所述的智能安全轮椅的智能安全控制方法，其特征在于：激光避障模块，用户身体状态监测模块和***故障检测模块，红外测距是采用三角测距的原理，智能安全轮椅的红外发射器按照一定角度发射红外光束，遇到物体之后，光会反向回来，检测到反射光之后，通过结构上的几何三角关系，就可以计算出障碍物距离；用户身体状态监测模块，视觉传感器Kinect可以将采集到的用户图像信息传送给工业控制计算机，由无风扇嵌入式工控机对用户图像进行分析。
6.根据权利要求1所述的智能安全轮椅的智能安全控制方法，其特征在于：无风扇嵌入式工控机首先运用基于Haar特征的AdaBoost级联分类器算法，并根据该算法对视觉传感器采集的图像进行分析，该视觉传感器能够获取图像的深度信息，用于进行用户身体状态检测，通过数据传感器采集用户图像信息，通过识别用户眼部状态判断用户的身体状态；
当识别到用户身体状态异常时，自动停止电机工作，通过发出报警；同时持续检测用户身体状态，若检测到用户身体仍处于异常状态，则通过无风扇嵌入式工控机进行远程报警；轮椅控制器具有多种故障检测功能，包括电压异常检测，螺线管刹车故障，控制器故障，左、右马达电缆断开故障；当控制器检测到故障时，将自动停止输出PWM波驱动电机，等待手动解除故障后恢复驱动电机。
7.一种智能安全轮椅，包括电动轮椅***，所述电动轮椅***主要由轮椅车体、两个驱动后轮、两个随动前轮、蓄电池、操作杆、测速模块、驱动电机，其特征在于，还包括智能安全轮椅***，所述智能安全轮椅***主要由底层核心控制模块、无风扇嵌入式工控、视觉传感器、激光避障模块和操纵面板组成；
底层核心控制模块通讯连接驱动电机的控制单元、操纵杆、无风扇嵌入式工控机；操纵面板、视觉传感器分别通讯连接无风扇嵌入式工控机；
两个驱动后轮均装设有直流电机，根据具体情况输入电机运行的期望速度，利用光电编码器感知计算车轮的实时转速信息，给定转速与反馈的实时转速做差运算，并输入到比例积分速度控制器，输出指令电流值；
霍尔传感器将转子实时电流进行监测经 A/D 转换成数字信息，电流与反馈电流进行比较输入到 PI 电流控制器中，输出信号经过 MOSFET 管构成的功率驱动器后，信号就可以驱动H桥电路，进而控制直流电机的运转；
电动轮椅***：两个防后倾轮轮、轮椅车体包括扶手和两个脚踏。
8.根据权利要求7所述的智能安全轮椅，其特征在于：所述的智能安全轮椅控制***主要包括视觉传感器，无风扇嵌入式工控机，DSP控制器，以DSP控制器为核心控制电机，操纵杆、无风扇嵌入式工控机均采用RS232总线与DSP控制器相连，传递电机速度信息给DSP控制器，视觉传感器通过USB总线与无风扇嵌入式工控机相连，传递图像信息给无风扇嵌入式工控机。
9.根据权利要求7所述的智能安全轮椅，其特征在于：所述的视觉传感器模块采用Kinect视觉传感器，视觉传感器Kinect，激光避障模块，通过USB接口与无风扇嵌入式工控机相连。
10.根据权利要求1所述的智能安全轮椅，其特征在于：所述智能安全轮椅控制***同时具路障检测***；所述路障检测***由激光路障检测器，声光报警器组成；当智能安全轮椅检测到前方有路障时，调整用户对电机的控制指令，防止轮椅与障碍物发生碰撞。
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