一種嵌入式多模態(tài)交互智能輪椅控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明設(shè)及一種嵌入式多模態(tài)交互智能輪椅控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003] 隨著社會老齡化進(jìn)程的加快和各種疾病、事故造成的殘障人±的增加，為老年人 和殘疾人±提供性能優(yōu)越、成本合理并能廣泛應(yīng)用的代步工具已成為整個社會重點(diǎn)關(guān)注的 問題之一。本專利就是圍繞此問題，考慮到人一機(jī)一環(huán)境交互流楊性，使用廣泛性，運(yùn)行安 全性W及成本因素而設(shè)計(jì)的一種基于高性能單片機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊便攜性強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)型嵌入式 多模態(tài)交互智能輪椅控制系統(tǒng)，并可直接用于普通電動輪椅升級為智能輪椅，W滿足不同 的使用對象和使用場合，并使正常老人的使用具有了一定的娛樂性，豐富老人的日常生活。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種經(jīng)濟(jì)型，具有結(jié)構(gòu)輕便、交互流楊、能夠滿足不同對象需 求、使用廣泛、安全性好的經(jīng)濟(jì)型嵌入式多模態(tài)交互智能輪椅的控制盒。本發(fā)明在單片機(jī)的 基礎(chǔ)上可對傳統(tǒng)電動輪椅進(jìn)行了智能化升級，是一種具有手柄控制、語音控制、語音人機(jī)交 互、超聲波自主避障、視覺自主導(dǎo)航功能的嵌入式多模態(tài)交互智能輪椅控制系統(tǒng)。用戶不僅 可W選擇常規(guī)的手柄控制功能，還可W通過語音指令控制輪椅的運(yùn)動W及對各個模態(tài)進(jìn)行 選擇和切換，視覺導(dǎo)航模態(tài)實(shí)現(xiàn)了在不同光線環(huán)境下的標(biāo)識線跟蹤，從而完成到指定路線 的運(yùn)行，同時，自主運(yùn)行模態(tài)實(shí)現(xiàn)了特定場合下的隨機(jī)"散步"運(yùn)行。另外，通過將超聲波避 障技術(shù)和語音播報(bào)技術(shù)融合到其它模態(tài)當(dāng)中，使得輪椅能夠?qū)崟r地對其所處的環(huán)境進(jìn)行檢 測和分析(如障礙物，低法地段），并判斷后續(xù)的控制指令是否能夠安全地執(zhí)行，再通過語音 播報(bào)的形式將信息反饋給用戶，保證了各模態(tài)下的輪椅運(yùn)行安全性;還將手柄干預(yù)運(yùn)行技 術(shù)和強(qiáng)制停止技術(shù)融合到各個模態(tài)當(dāng)中，確保用戶在每一個模態(tài)都可W通過手柄來干預(yù)輪 椅的運(yùn)動W及緊急情況下的腳踏開關(guān)強(qiáng)制停止(抱閩抱死輪椅停止），更進(jìn)一步保證了輪椅 運(yùn)行安全性。另外分模塊的設(shè)計(jì)思想，使得智能輪椅在功能上可根據(jù)不同對象的需求分模 塊定制。
[0005] 本發(fā)明所述系統(tǒng)由視覺導(dǎo)航模態(tài)、語音交互控制模態(tài)、自主運(yùn)行模態(tài)、手柄控制模 態(tài)組成，分為傳感器(包括超聲波傳感器和視覺傳感器XSPCE061A單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換模塊、電 動輪椅平臺、人機(jī)交互設(shè)備W及相關(guān)外圍控制電路等6個部分，嵌入式多模態(tài)智能輪椅控制 系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，傳感器用來實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境和單片機(jī)之間的信息交 流，SPCE061A單片機(jī)對外界環(huán)境信息和人機(jī)交互設(shè)備輸入的信息進(jìn)行綜合的分析和處理， 最終通過D/A轉(zhuǎn)換模塊和電動輪椅平臺來實(shí)現(xiàn)對輪椅的控制。人機(jī)交互設(shè)備包括操作手柄、 麥克風(fēng)、音箱、鍵盤和Lm)燈，各個人機(jī)交互設(shè)備的作用為:操作手柄用來輸入手柄控制指 令，麥克風(fēng)用來輸入語音控制和語音交互指令，音箱用來播放語音提示音，鍵盤來輸入手柄 控制指令和選擇對應(yīng)的運(yùn)行模態(tài)，Lm)燈則用于指示輪椅當(dāng)前所處的運(yùn)行狀態(tài)，各功能模態(tài) 的運(yùn)行原理如下。
[0006] 視覺導(dǎo)航模態(tài)由視覺傳感器完成環(huán)境和SPCE061A單片機(jī)中屯、控制器之間的環(huán)境 信息交流，再由中屯、控制器完成與普通電動輪椅平臺的控制/狀態(tài)信息交流。視覺導(dǎo)航模態(tài) 的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由視覺傳感器采集標(biāo)識線信息，由照明裝置實(shí)現(xiàn)不同光線環(huán)境下的 視覺傳感器信息采集，方法為SPCE061A單片機(jī)根據(jù)視覺傳感器輸出的VSYNC(場同步信號）、 HREF(行同步信號)和PCLK(像素同步信號）的時序來完成圖像數(shù)據(jù)的采集，并通過有效的數(shù) 字圖像處理算法提取智能輪椅與標(biāo)識線間的位置和角度偏差，再根據(jù)該路徑信息查詢模糊 控制表來獲得相應(yīng)的控制策略，最終通過D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出的四路模擬電壓來控制輪椅的 運(yùn)動。具體實(shí)現(xiàn)見視覺導(dǎo)航模塊。
[0007] 語音交互控制模態(tài)由麥克風(fēng)、耳機(jī)或音箱實(shí)現(xiàn)用戶和SPCE061A單片機(jī)中屯、控制器 之間的語音信息交流，再由中屯、控制器完成與普通電動輪椅平臺的控制/狀態(tài)信息交流。語 音交互控制模態(tài)的具體構(gòu)成如圖3所示，主要由語音訓(xùn)練和語音識別兩部分組成，語音訓(xùn)練 的方法為用戶首先通過麥克風(fēng)訓(xùn)練語音命令，SPCE061A單片機(jī)提取出語音命令的特征參數(shù) 并存儲到單片機(jī)的閃存中構(gòu)成語音模型庫;語音識別的方法為用戶通過麥克風(fēng)輸入語音指 令，由麥克風(fēng)將語音指令轉(zhuǎn)化為電信號，再通過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道采集語音指令信息， 然后再根據(jù)庫函數(shù)將待測語音信號與語音模型庫中的模型進(jìn)行相似度比較來實(shí)現(xiàn)語音識 另IJ。識別成功智能輪椅則進(jìn)入相應(yīng)的模態(tài)或進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動。語音交互的方法為程序開始 進(jìn)行初始化，并啟動計(jì)時程序，在特定的時間之內(nèi)，用戶可W通過鍵盤選擇進(jìn)入6種功能模 態(tài)，在經(jīng)過一定的時間之后，系統(tǒng)便進(jìn)入語音交互模式，并播報(bào)提示音。具體實(shí)現(xiàn)見下語音 交互控制模塊。
[0008] 自主運(yùn)行模態(tài)由多組超聲波傳感器完成環(huán)境與中屯、控制器之間的環(huán)境信息交流， 再由中屯、控制器完成與普通電動輪椅平臺的控制/狀態(tài)信息交流。自主運(yùn)行模態(tài)的具體構(gòu) 成如圖4所示，方法為SPCE061A單片機(jī)通過測量從超聲發(fā)射模塊發(fā)射超聲波到超聲接收模 塊接收超聲波的時間間隔來計(jì)算出輪椅到障礙物或地面之間的距離，再采用適當(dāng)?shù)目刂撇?略來實(shí)現(xiàn)輪椅的實(shí)時避障和避開低法地段，具體實(shí)現(xiàn)見下自主運(yùn)行模塊。
[0009] 手柄控制模態(tài)由手柄完成用戶、控制器與輪椅之間的用戶信息交流，具體借助普 通電動輪椅平臺的手柄，通過繼電器組切換電路實(shí)現(xiàn)。
[0010] 智能輪椅的安全保護(hù)運(yùn)行主要借助將超聲波避障技術(shù)和手柄干預(yù)運(yùn)行技術(shù)融合 到各個模態(tài)中實(shí)現(xiàn)，通過將自主運(yùn)行模態(tài)中的超聲波避障技術(shù)融合到其它模態(tài)當(dāng)中，使得 輪椅在其它模態(tài)下也能夠?qū)崟r地檢測周圍是否有障礙物W及低法地段，一旦檢測到障礙物 或者是低法地段，輪椅會立即停止運(yùn)動，直至障礙物移開或者是執(zhí)行用戶其它的控制指令； 通過將手柄控制模態(tài)中的手柄干預(yù)技術(shù)融合到其它模態(tài)當(dāng)中，使得輪椅在其它模態(tài)下任何 時候都可W通過手柄來自主的干預(yù)輪椅的運(yùn)動，具有手柄最高優(yōu)先級控制功能，具體實(shí)現(xiàn) 見智能輪椅安全保護(hù)運(yùn)行技術(shù)。
[0011] 中屯、控制器與普通電動輪椅平臺之間的控制/狀態(tài)信息交流，主要通過D/A轉(zhuǎn)換模 塊輸出控制信息，接管普通電動輪椅控制器的控制信號實(shí)現(xiàn)，我們稱之為控制/狀態(tài)信息公 共硬件平臺，具體主要由SPCE061A單片機(jī)中屯、控制器、D/A模塊、電動輪椅平臺構(gòu)成，可見圖 2、圖3和圖4中的右半部分，具體實(shí)現(xiàn)見下控制/狀態(tài)信息公共硬件平臺實(shí)現(xiàn)，但控制信息在 中屯、控制器的處理依據(jù)不同交互模態(tài)而有所不同，具體見各對應(yīng)控制模塊的實(shí)現(xiàn)部分。
[0012] 視覺導(dǎo)航模塊實(shí)現(xiàn)： 視覺導(dǎo)航模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要包括提供光源的照明裝置，指定智能輪椅 運(yùn)行軌跡的標(biāo)識線，采集路徑信息的視覺傳感器，對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和產(chǎn)生控制決策的 主控制器，將控制策略轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬電壓信號的D/A轉(zhuǎn)換模塊，通過模擬電壓信號對輪 椅的轉(zhuǎn)向和速度進(jìn)行控制的電動輪椅平臺。其中照明裝置能夠根據(jù)所采集到圖像數(shù)據(jù)的質(zhì) 量來自適應(yīng)的調(diào)整照明光源的光強(qiáng)，可完成不同光線環(huán)境下的視覺導(dǎo)航功能，視覺傳感器 為數(shù)字圖像傳感器，主控制器采用單片機(jī)SPCE061A作為微控制單元(MCU)，電動輪椅平臺包 括輪椅自帶的手柄控制器和直流電機(jī)。
[0013] 視覺導(dǎo)航模塊的控制原理如圖5所示，該模塊的控制系統(tǒng)是一個單輸入單輸出的 閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中輪椅中屯、的位置作為給定環(huán)節(jié)的輸入量，用于確定被控對象輪椅的目 標(biāo)值。標(biāo)識線中屯、的位置作為測量環(huán)節(jié)的輸出量和控制系統(tǒng)的反饋量。通過比較環(huán)節(jié)得到 輪椅中屯、位置和標(biāo)識線中屯、位置的偏差，再通過放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)對偏差量進(jìn)行轉(zhuǎn)換和功率 放大，執(zhí)行環(huán)節(jié)接收放大環(huán)節(jié)輸出的控制信號，驅(qū)動被控對象輪椅按照預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)動。最 終實(shí)現(xiàn)輪椅的轉(zhuǎn)向和速度控制。
[0014] 視覺導(dǎo)航模塊在功能上分為圖像采集、圖像處理、控制決策、安全保護(hù)和動力系統(tǒng) 的驅(qū)動五個子功能模塊。其組成框圖如圖6所示。其中，圖像采集模塊對圖像傳感器輸出的 視頻信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲得路徑的數(shù)字圖像;圖像處理模塊通過有效的數(shù)字圖像處理算法 提取智能輪椅與標(biāo)識線間的位置和角度偏差;控制決策模塊對智能輪椅的轉(zhuǎn)向和速度采用 模糊控制算法，根據(jù)圖像處理模塊提取出的路徑信息查詢模糊控制表來獲得相應(yīng)的控制策 略;安全保護(hù)模塊分為超聲波避障、手柄控制、語音播報(bào)W及緊急停止等安全保護(hù)方式，其 中超聲波避障安全保護(hù)用于判斷輪椅周圍是否有障礙物或者是低法地段，手柄干預(yù)安全保 護(hù)使得用戶可W通過手柄自主的干預(yù)輪椅的運(yùn)動;動力系統(tǒng)的驅(qū)動模塊在控制直流電機(jī)的 轉(zhuǎn)速上是將控制策略通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，再通過電壓信號接管直流電機(jī)的控制 器來控制直流電機(jī)