CN113101079A - 基于多约束条件的智能轮椅、动态共享控制方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多约束条件的智能轮椅、动态共享控制方法及***,其包括:基于轮椅运行过程中获取的监测数据,综合多方面约束条件动态获取相应的权重系数;线性组合上述权重系数获取头姿控制指令和自主导航控制指令的权重系数;根据头姿控制指令和自主导航控制指令的权重系数确定轮椅的共享控制指令;根据共享控制指令对轮椅进行动态共享控制;其中,多方面约束条件包括轮椅距离障碍物的安全距离、用户颈部肌肉的疲劳程度和头姿控制轮椅轨迹的平滑度。本发明能够实现对轮椅的动态共享控制,既能有效降低用户的疲劳感,又可以赋予用户尽可能多的控制权,提高用户驾驶轮椅的安全性、舒适性、连续性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于多约束条件的智能轮椅、动态共享控制方法及***,属于轮椅控制技术领域。
背景技术
近年来,智能轮椅逐渐成为行动不便及老残人士的代步工具。传统的电动轮椅使用操纵杆控制轮椅,但对于上肢有运动障碍的用户来说难以实现。利用用户仅存的一些技能,例如头姿控制轮椅时,长时间维持一种头部姿态会使用户产生疲劳感。利用智能轮椅自主导航,使轮椅完全自主移动,为用户提供过度帮助会导致用户丧失剩余的技能。在人-机共享控制模式下,用户与智能轮椅相互辅助,共同完成移动控制任务,共享控制关键在于如何将用户指令与自主导航指令融合切换。传统的共享控制方法,使用额外的开关在不同模式之间进行切换,这会导致行驶过程中有不必要的间断;估计用户意图,根据用户输入选择最有可能的驾驶轨迹,只能选择预先准备好的轨迹,用户得不到足够多的控制权;线性组合人-机控制指令,权重系数固定,不随驾驶环境改变而改变,有一定的安全隐患。
为了解决上述问题,本申请提出了一种基于多约束条件的智能轮椅、动态共享控制方法及***。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供一种基于多约束条件的智能轮椅、动态共享控制方法及***,综合多方面因素,动态调整分配给头姿控制指令和自主导航指令的权重系数,实现对轮椅的动态共享控制;既能有效降低用户的疲劳感,又可以赋予用户尽可能多的控制权,提高用户驾驶轮椅的安全性、舒适性、连续性。
为达到上述目的,本发明是采用下述技术方案实现的:
第一方面,本发明提供了一种基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制方法,包括以下步骤:
基于轮椅运行过程中获取的监测数据,综合多方面约束条件动态获取相应的权重系数;
线性组合上述权重系数获取头姿控制指令和自主导航控制指令的权重系数;
根据头姿控制指令和自主导航控制指令的权重系数确定轮椅的共享控制指令;
根据共享控制指令对轮椅进行动态共享控制;
其中,多方面约束条件包括轮椅距离障碍物的安全距离、用户颈部肌肉的疲劳程度和头姿控制轮椅轨迹的平滑度。
优选的,所述获取相应的权重系数包括:
根据监测数据获取当前轮椅距障碍物的最短距离d,动态更新安全距离因素权重系数kd,其表达式如下:
根据监测数据获取用户颈部肌肉的实时肌电信号的信号值IEMG,动态更新疲劳程度因素权重系数kf,其表达式如下:
根据监测数据获取前一段时间的移动轨迹数据,根据移动轨迹数据中的曲率半径r获取轨迹的平滑度,动态更新平滑度因素权重系数ks,其表达式如下:
优选的,所述获取头姿控制指令和自主导航控制指令的权重系数包括:
头姿控制指令的权重系数k,其表达式如下:
其中,a、b、c分别为权重系数kd、权重系数kf和权重系数ks的比例系数;
自主导航控制指令的权重系数s,其表达式如下:
s=1-k。
优选的,所述确定轮椅的共享控制指令包括:
U(v,w)=kU(vh,wh)+(1-k)U(vr,wr)
其中,U(v,w)表示轮椅的共享控制指令中的速度信息,U(vh,wh)表示头姿控制指令中的速度信息,U(vr,wr)表示自主导航指令中的速度信息。
第二方面,本发明提供了一种基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制***,包括:
自主导航控制单元,用于生成自主导航控制指令;
用户头姿控制单元,用于生成头姿控制指令;
人机共享控制单元,用于根据自主导航控制指令和头姿控制指令基于上述任一项基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制方法生成共享控制指令,并通过共享控制指令控制轮椅动作。
第三方面,本发明提供了一种智能轮椅,包括:
轮椅主体结构以及设置于轮椅主体结构上的附属结构;
所述附属结构包括深度相机以及PC控制器;
所述深度相机设置于用户头部的前方,用于获取用户头部的深度图像;所述PC控制器根据用户头部的深度图像获取用户头部姿态,从而生成头姿控制指令;
所述PC控制器安装于用户的前方,用于获取用户的交互指令,从而生成自动导航控制指令;
所述PC控制器根据自主导航控制指令和头姿控制指令基于上述任一项基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制方法生成共享控制指令,并通过共享控制指令控制轮椅动作。
优选的,所述附属结构还包括激光雷达传感器、肌电传感器、轨迹传感器以及编码器;
所述激光雷达传感器设置于轮椅主体结构前方,用于获取轮椅距障碍物的距离;
所述肌电传感器设置于用户颈部的后方,用于获取用户颈部肌肉的实时肌电信号;
所述轨迹传感器设置于轮椅主体结构上,用于获取轮椅移动轨迹数据;
所述编码器设置于轮椅主体结构的轮胎上,用于获取轮椅移动速度数据。
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果:
本发明提供的一种基于多约束条件的智能轮椅、动态共享控制方法及***,线性组合头姿控制指令和自主导航控制指令,用户与智能轮椅共享控制权。综合轮椅距障碍物的安全距离、颈部肌肉的疲劳程度和头姿控制轮椅轨迹平滑度等多种约束条件动态调整分配给头姿指令与自主导航指令的权重系数,可以有效降低用户的疲劳感,尽可能多地赋予用户控制权,提高轮椅驾驶的安全性、连续性和舒适性。
附图说明
图1是本发明实施例一中的基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制方法的工作流程图;
图2是本发明实施例二中的基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制***的***框图;
图3是本发明实施例三中的智能轮椅的结构示意图;
图中标记为:
1、深度相机,2、PC控制器,3、激光雷达传感器,4、肌电传感器,5、轨迹传感器,6、编码器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一:
如图1所示,本实施例提供了基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制方法,包括以下步骤:
步骤1、基于轮椅运行过程中获取的监测数据,综合多方面约束条件动态获取相应的权重系数;多方面约束条件包括轮椅距离障碍物的安全距离、用户颈部肌肉的疲劳程度和头姿控制轮椅轨迹的平滑度。
步骤1.1、根据监测数据获取当前轮椅距障碍物的最短距离d,动态更新安全距离因素权重系数kd,其表达式如下:
当用户控制轮椅即将撞到障碍物,d小于最短安全距离0.2m时,kd为0,用户交出控制权,智能轮椅自主避障。轮椅距离障碍物越远,越便于避障,用户指令权重系数越大;轮椅距离障碍物越近,越不便于避障,用户指令权重系数越小;d大于安全距离1.5m时,kd为1,用户掌握控制权,控制轮椅运动。
步骤1.2、根据监测数据获取用户颈部肌肉的实时肌电信号的信号值IEMG,动态更新疲劳程度因素权重系数kf,其表达式如下:
IEMG为用户的实时积分肌电值。IEMG越大,用户疲劳感越强,kf越小,分配给用户的控制权越少;IEMG越小,用户疲劳感越弱,kf越大,分配给用户的控制权越多。
步骤1.3、根据监测数据获取前一段时间的移动轨迹数据,根据移动轨迹数据中的曲率半径r获取轨迹的平滑度(并在该轨迹上等间距取三个点拟合成曲线y=f(x),利用中间点处的曲率作为该曲线的曲率估计,用以衡量上一时间段轨迹的平滑度),动态更新平滑度因素权重系数ks,其表达式如下:
r为该段曲线在中间点处的曲率半径,r越小,用户头姿控制轮椅轨迹越不平滑,ks越小,降低用户的控制权;r越大,轨迹越平滑,ks越大,分配给用户的控制权越多。当r大于6.389m时,ks为1。
步骤2、线性组合上述权重系数获取头姿控制指令和自主导航控制指令的权重系数。
步骤2.1、头姿控制指令的权重系数k,其表达式如下:
其中,a、b、c分别为权重系数kd、权重系数kf和权重系数ks的比例系数;经过反复调参,a取0.45,b取0.32,c取0.23。
步骤2.2、自主导航控制指令的权重系数s,其表达式如下:
s=1-k。
步骤3、根据头姿控制指令和自主导航控制指令的权重系数确定轮椅的共享控制指令;
U(v,w)=kU(vh,wh)+(1-k)U(vr,wr)
其中,U(v,w)表示轮椅的共享控制指令中的速度信息,U(vh,wh)表示头姿控制指令中的速度信息,U(vr,wr)表示自主导航指令中的速度信息。
步骤4、根据共享控制指令对轮椅进行动态共享控制。
步骤5、根据一定的频率动态更新头姿控制指令的权重系数k,重复执行步骤1-4,直至轮椅到达目标点,停止运动。
实施例二:
如图2所示,本实施提供了基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制***,包括:
自主导航控制单元,用于生成自主导航控制指令;
用户头姿控制单元,用于生成头姿控制指令;
人机共享控制单元,用于根据自主导航控制指令和头姿控制指令基于实施例一中任一项基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制方法生成共享控制指令,并通过共享控制指令控制轮椅动作。
实施例三:
如图3所示,本实施提供了一种智能轮椅,包括:
轮椅主体结构以及设置于轮椅主体结构上的附属结构;
附属结构包括深度相机1以及PC控制器2
深度相机1设置于用户头部的前方,用于获取用户头部的深度图像;PC控制器2根据用户头部的深度图像获取用户头部姿态,从而生成头姿控制指令;
PC控制器2安装于用户的前方,用于获取用户的交互指令,从而生成自动导航控制指令;
PC控制器2根据自主导航控制指令和头姿控制指令基于上述任一项基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制方法生成共享控制指令,并通过共享控制指令控制轮椅动作。
附属结构还包括激光雷达传感器3、肌电传感器4、轨迹传感器5以及编码器6;
激光雷达传感器3设置于轮椅主体结构前方,用于获取轮椅距障碍物的距离;
肌电传感器4设置于用户颈部的后方,用于获取用户颈部肌肉的实时肌电信号;
轨迹传感器5设置于轮椅主体结构上,用于获取轮椅移动轨迹数据;
编码器6设置于轮椅主体结构的轮胎上,用于获取轮椅移动速度数据。
本发明提供的一种基于多约束条件的智能轮椅、动态共享控制方法及***,可根据用户的身体状态和驾驶环境实时调整智能轮椅控制权的分配问题。综合多方面因素,动态调整分配给头姿控制指令和自主导航指令的权重系数,实现对轮椅的动态共享控制。本发明所述的动态共享控制方法既能有效降低用户的疲劳感,又可以赋予用户尽可能多的控制权,提高用户驾驶轮椅的安全性,舒适性,连续性。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
基于轮椅运行过程中获取的监测数据,综合多方面约束条件动态获取相应的权重系数;
线性组合上述权重系数获取头姿控制指令和自主导航控制指令的权重系数;
根据头姿控制指令和自主导航控制指令的权重系数确定轮椅的共享控制指令;
根据共享控制指令对轮椅进行动态共享控制;
其中,多方面约束条件包括轮椅距离障碍物的安全距离、用户颈部肌肉的疲劳程度和头姿控制轮椅轨迹的平滑度。
4.根据权利要求3所述的一种基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制方法,其特征在于,所述确定轮椅的共享控制指令包括:
U(v,w)=kU(vh,wh)+(1-k)U(vr,wr)
其中,U(v,w)表示轮椅的共享控制指令中的速度信息,U(vh,wh)表示头姿控制指令中的速度信息,U(vr,wr)表示自主导航指令中的速度信息。
5.一种基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制***,其特征在于,包括:
自主导航控制单元,用于生成自主导航控制指令;
用户头姿控制单元,用于生成头姿控制指令;
人机共享控制单元,用于根据自主导航控制指令和头姿控制指令基于权利要求1-4任一项基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制方法生成共享控制指令,并通过共享控制指令控制轮椅动作。
6.一种智能轮椅,其特征在于,包括:
轮椅主体结构以及设置于轮椅主体结构上的附属结构;
所述附属结构包括深度相机以及PC控制器;
所述深度相机设置于用户头部的前方,用于获取用户头部的深度图像;所述PC控制器根据用户头部的深度图像获取用户头部姿态,从而生成头姿控制指令;
所述PC控制器安装于用户的前方,用于获取用户的交互指令,从而生成自动导航控制指令;
所述PC控制器根据自主导航控制指令和头姿控制指令基于权利要求1-4任一项基于多约束条件的智能轮椅动态共享控制方法生成共享控制指令,并通过共享控制指令控制轮椅动作。
7.根据权利要求6所述的一种智能轮椅,其特征在于,所述附属结构还包括激光雷达传感器、肌电传感器、轨迹传感器以及编码器;
所述激光雷达传感器设置于轮椅主体结构前方,用于获取轮椅距障碍物的距离;
所述肌电传感器设置于用户颈部的后方,用于获取用户颈部肌肉的实时肌电信号;
所述轨迹传感器设置于轮椅主体结构上,用于获取轮椅移动轨迹数据;
所述编码器设置于轮椅主体结构的轮胎上,用于获取轮椅移动速度数据。
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