CN111759598A - 一种智能安全避障轮椅 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能安全避障轮椅，包括触控板操控、跟随及自动导航三种选择模式和自动避障及轮椅控制两个功能模块。触控板操控即用户通过在触控板上手指滑动发出控制意图，跟随模式由激光测距传感器组成，自动导航由触摸显示屏，GPS导航仪组成，自动避障模块包括内部传感器、内部传感器，轮椅控制模块包括碰撞检测器、控制模块、驱动电机和驱动后轮。该智能安全轮椅能够通过自动导航以及跟随模式实现全自动化运行，当受到障碍冲击时会采取一系列紧急措施，可以无需手动操作且安全性高，特别适合老年人以及残障人士使用。

Description

一种智能安全避障轮椅
技术领域
本发明属于轮椅技术领域，涉及一种智能安全避障轮椅，还涉及一种多模式的轮椅控制技术。
背景技术
人口老龄化是一个不以人们意志为转移的客观规律，是人类人口再生产的必然趋势。数据显示，截至2014年，我国60岁及以上的老年人口总数达2.12亿人，占总人口比重达15.5％，中国已成为世界上老年人口总量最多的国家。截至2014年底，我国80岁以上的老年人达2400多万，失能、半失能老人近4000万人。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,“出行难”的问题也成为了一个大家的焦点。
因此，一种能为弱势群体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，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，弥补了他们体力上的缺陷，然而反应速度和思考能力方面,弱势群体一般会低于正常人，遇到障碍时往往难以及时反应过来，需要辅助的避障功能保护安全。同时由于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自身受到的障碍冲击，及时发现异常，并采取保护措施。并且市面上的智能安全轮椅不能兼顾到那些无法操控轮椅的失能人士，让他们出行自由。因此，针对这一现状，迫切需要开发一种新型的智能安全避障轮椅，可以基本依赖机器技术的操控，以满足实际使用的需要。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种智能安全避障轮椅，其目的在于满足绝大部分弱势群体实际使用的需要，做到兼具安全性、可靠性和自动化。
为解决以上问题，本发明采用如下技术方案：
一种智能安全避障轮椅，其特征在于，智能安全避障轮椅包括靠背1、扶手2、触控板3、触摸显示屏4、外部传感器5、碰撞检测器6、GPS导航仪7、脚踏板8、激光测距传感器9、随动前轮10、内部传感器11、控制模块12、驱动电机13、蓄电池14、驱动后轮15。该智能安全避障轮椅有三种控制模式，模式一为自动导航，用户利用触摸显示屏的手写或语音输入到达目的地，导航主机从GPS接收机得到经过计算确定的当前点位置自动计算出一条最合适的推荐路线，然后利用角速度计数据完成对GPS数据的修正，实现轮椅的自动行驶。模式二为同伴跟踪，使用同伴跟踪***跟踪引导者的身***置，用数据关联估计引导者的足迹，根据足迹的位置数据，为轮椅生成目标路径，发送给控制***。模式三为触控板操纵，控制***通过计算得到触控板位置、方向信息，分析得到用户控制意图。进一步，轮椅控制***通过避障模块对周围环境信息进行检测，当有障碍物时调整电机的控制信号，保障用户安全；然后，碰撞检测器对轮椅进行实时检测，当受到冲击力大于一定值时，电机停止。
上述技术方案具有如下有益效果：
1该智能安全避障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，通过结合计算机视觉，触摸，语音和大脑控制的多模式界面，使本智能安全避障轮椅能够容纳所有残疾类型的人。
2来自GPS的本地化信息，收集的机载数据以及充斥公共空间的蓝牙信标数据都将有助于指导智能安全避障轮椅到达特定目的地，体现出该智能安全避障轮椅的可靠性。
3本发明设计的智能安全轮椅能够实时检测轮椅的受冲击信息，并采取措施应对，体现出安全性能。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1为智能安全避障轮椅整体外观示意图
图2为智能安全避障轮椅工作流程图
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
如图1，1为靠背、2为扶手、3为触控板、4为触摸显示屏、5为外部传感器、6为碰撞检测器、7为GPS导航仪、8为脚踏板、9为激光测距传感器、10为随动前轮、11为内部传感器、12为控制模块、13为驱动电机、14为蓄电池、15为驱动后轮。对于所述自动导航***的输出设备包括显示屏幕和语音输出设备，主要显示内容包括:可变比例的地图、车辆的当前位置、推荐路线等,根据用户的设定还可以显示如附近的医院等公共服务单位的名称及地理位置等信息,以方便用户需要。同时，通过扩展卡尔曼滤波器(EKF)设计将GPS测量与车轮测距信息融合。造成GPS定位误差的方式很多种，大多是随机误差，不能任务是零均值白噪声，不能直接用卡尔曼滤波器算法，GPS定位误差除随机分量外，等效认为含幅值和相位作随机跃变的周期扰动分量，扩展卡尔曼滤波器算法将未知周期扰动分量的幅值、相位和频率等参数作为扩展状态变量的一部分，对这些位置参数进行实时估计，融合传感器的测量值,从而实现对精确位置的最佳估计。利用测距增强融合技术，即使在GPS拒绝环境中，也能实现高精度定位。测距增强融合技术如，GPS接收机接收从卫星发出的位置信号，得到GPS-84坐标，由纬度、经度和高度表示，同时将坐标***转化为笛卡尔坐标***，根据轮椅k时刻的二维位置(x,y)坐标，方向角Φ,表示出k+1时刻轮椅的离散运动学模型
Figure BDA0002008650730000021
Figure BDA0002008650730000022
Φk+1＝Φk+ΔΦk
若ΔDkL和ΔDkR分别表示轮椅左、右轮行驶的距离,则其两轮的中间位置行驶的距离可表示为
Figure BDA0002008650730000031
方向角的改变可表示为:
Figure BDA0002008650730000032
由于GPS信号偶尔会发生阻隔,两种信号的融合是基于比较当前估计位置与由GPS信号获得的位置的差值d上。我们定义:
Figure BDA0002008650730000033
定义U为融合系数
U＝exp(K°d)
K——可调参数,它决定了对于差值d的敏感程度。
U一经得出,则GPS信号与测距法融合的融合公式为:
Figure BDA0002008650730000034
Figure BDA0002008650730000035
式中:x0,y0——由测距法得到的相对位置值。
对于所述触控板可以让用户实现手指向各个方向移动，并通过霍尔元件将触控板的位置信息转换为电压信息，随后使用AD转换器将霍尔元件的电压信息转换为数字量,通过触控板的位置信息得到用户的控制意图。对于所述同伴跟踪***由基于卡尔曼滤波器的激光测距传感器组成。对于所述避障模块将来自内部传感器的信息与多个外部传感器融合以定位障碍物，内部传感器为惯性测量单元(IMU)，用来测量轮椅角速率以及加速度，外部传感器为视觉传感器，获取轮椅前方的路面情况图像。
如图2，有三种控制模式，模式一为自动导航，用户利用触摸显示屏的手写或语音输入到达目的地，导航主机从GPS接收机得到经过计算确定的当前点位置自动计算出一条最合适的推荐路线，然后利用角速度计数据完成对GPS数据的修正，实现轮椅的自动行驶。模式二为同伴跟踪，使用同伴跟踪***跟踪引导者的身***置，用数据关联估计引导者的足迹，根据足迹的位置数据，为轮椅生成目标路径，发送给控制***。模式三为触控板操纵，控制***通过计算得到触控板位置、方向信息，分析得到用户控制意图。进一步，轮椅控制***通过避障模块对周围环境信息进行检测，当有障碍物时调整电机的控制信号，保障用户安全；然后，碰撞检测器对轮椅进行实时检测，当受到冲击力大于一定值时，电机停止。

Claims (6)

1.一种智能安全避障轮椅，其特征在于，智能安全避障轮椅包括靠背1、扶手2、触控板3、触摸显示屏4、外部传感器5、碰撞检测器6、GPS导航仪7、脚踏板8、激光测距传感器9、随动前轮10、内部传感器11、控制模块12、驱动电机13、蓄电池14、驱动后轮15。
2.如权利要求1所述的一种智能安全避障轮椅，有三种控制模式，模式一为自动导航，用户利用触摸显示屏的手写或语音输入到达目的地，导航主机从GPS接收机得到经过计算确定的当前点位置自动计算出一条最合适的推荐路线，然后利用角速度计数据完成对 GPS数据的修正，实现轮椅的自动行驶。模式二为同伴跟踪，使用同伴跟踪***跟踪引导者的身***置，用数据关联估计引导者的足迹，根据足迹的位置数据，为轮椅生成目标路径，发送给控制***。模式三为触控板操纵，控制***通过计算得到触控板位置、方向信息，分析得到用户控制意图。进一步，轮椅控制***通过避障模块对周围环境信息进行检测，当有障碍物时调整电机的控制信号，保障用户安全；然后，碰撞检测器对轮椅进行实时检测，当受到冲击力大于一定值时，电机停止。
3.如权利要求1所述的一种智能安全避障轮椅，其特征在于：对于所述自动导航***的输出设备包括显示屏幕和语音输出设备，主要显示内容包括:可变比例的地图、车辆的当前位置、推荐路线等,根据用户的设定还可以显示如附近的医院等公共服务单位的名称及地理位置等信息,以方便用户需要。同时，通过扩展卡尔曼滤波器（EKF）设计将GPS测量与车轮测距信息融合。利用测距增强融合技术，即使在GPS拒绝环境中，也能实现高精度定位。
4.如权利要求1所述的一种智能安全避障轮椅，其特征在于：对于所述触控板可以让用户实现手指向各个方向移动，并通过霍尔元件将触控板的位置信息转换为电压信息，随后使用AD转换器将霍尔元件的电压信息转换为数字量 ,通过触控板的位置信息得到用户的控制意图。
5.如权利要求1所述的一种智能安全避障轮椅，其特征在于：对于所述同伴跟踪***由基于卡尔曼滤波器的激光测距传感器组成。
6.如权利要求1所述的一种智能安全避障轮椅，其特征在于：对于所述避障模块将来自内部传感器的信息与多个外部传感器融合以定位障碍物。
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