电动轮椅辅助驾驶系统及方法
【专利摘要】本发明公开一种电动轮椅辅助驾驶系统及方法，主要由带有操纵杆的电动轮椅、超声波测距传感器以及控制器组成，超声波传感器与控制器连接，控制器采用分组点火的策略控制超声波传感器并采集超声波传感器数据，当用户操作操纵杆控制轮椅运动时，控制器计算出轮椅安全行驶的控制指令，控制轮椅安全运动；将前方部位的所有超声波传感器进行分组，每组内的超声波传感器均不相邻，每组内的超声波传感器同时点火启动，为避免连续两组传感器之间的干扰，在连续两组点火之间插入一定的时间间隔。本系统及方法可以全方位的检测轮椅的周边环境，当环境中出现障碍物或发生可能的碰撞时，主动躲避障碍物并为用户计算出安全、可行的行驶方向。
【专利说明】电动轮椅辅助驾驶系统及方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电动轮椅，特别涉及一种基于超声波传感器的智能电动轮椅辅助驾驶系统及方法。
【背景技术】
[0002]目前，公知的电动轮椅只能进行开环控制，即用户通过摇杆或其他交互设备控制轮椅的前后左右运动。但是，对于行动困难，控制能力有限或是手部抖动的病人，对于电动轮椅的控制会有很大的困难。现有的电动轮椅在结构设计、控制方式上尚未考虑涉及躲避障碍及避免会出现的碰撞等情况。
【发明内容】
[0003]针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于超声波传感器的电动轮椅驾驶辅助系统及方法，该系统及方法可以全方位的检测轮椅的周边环境，当环境中出现障碍物或发生可能的碰撞时，主动躲避障碍物并为用户计算出安全、可行的行驶方向。
[0004]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0005]一种电动轮椅辅助驾驶系统，主要由带有操纵杆的电动轮椅、超声波传感器以及控制器组成，轮椅上安装若干超声波传感器，超声波传感器与控制器连接，控制器控制超声波传感器并采集超声波传感器数据，当用户操作操纵杆控制轮椅运动时，控制器计算出轮椅安全行驶的控制指令，控制轮椅安全运动。
[0006]所述超声波传感器包括呈均匀分布于轮椅前方部位向正前方和左右方探测的若干超声波传感器、安装在轮椅前方部位向前下方探测的超声波传感器、安装在轮椅后方部位向正后方探测的超声波传感器。
[0007]还包括一传感器接口板，通过传感器接口板，将所有的超声波传感器的控制及数据线路集成到总线上，超声波传感器通过总线的形式与控制器进行通信，供控制器控制传感器、采集传感器数据。
[0008]一种电动轮椅辅助驾驶方法，采用上述的系统来完成，所述控制器采用分组点火的策略控制超声波传感器并采集超声波传感器数据，所述分组点火的策略如下:
[0009]将前方部位的所有超声波传感器进行分组，每组内的超声波传感器均不相邻，前下方传感器和后方传感器参与分组或单独成组，每组内的超声波传感器同时点火启动，根据传感器的最大量程，避免连续两组传感器之间的干扰，在连续两组点火之间插入一定的时间间隔。
[0010]所述控制器所运行的控制算法采用共享控制策略，具体如下: [0011]首先，控制器同时接受用户操作操纵杆的指令和超声波传感器采集到的数据信息，控制器通过采集到的用户指令分析得出用户的运动意图；
[0012]其次，在得到用户的运动意图后，通过超声波传感器采集到的数据判断在此运动指令下轮椅的行驶是否安全，如果环境安全，则直接将用户指令送给轮椅执行；否则，通过控制器中的算法计算出轮椅行驶安全的运动指令，然后将安全指令下发给轮椅执行，保证轮椅的行驶安全。
[0013]本发明技术方案,在电动轮椅的前后各安装一套超声波传感器,传感器信号被控制器所采集、处理。前方安装的超声波传感器用以探测轮椅前方环境和轮椅前行过程中的楼梯台阶或地面凹陷等。当轮椅行驶的前方地面出现楼梯或台阶时，停止轮椅的前进运动以避免碰撞和危险。当轮椅行驶前方地面状况安全时，控制器通过前方超声波传感器判断前进方向是否存在障碍物，如果不存在障碍物，则判断为环境安全，并将用户的操作杆指令下发到轮椅的运动控制，操控轮椅运动。如果用户前行的方向存在障碍物，则表明存在危险，控制器将传感器获取到的障碍物信息以及用户操作操纵杆的指令信息进行融合，寻找出轮椅运动安全的、可行方向，并控制轮椅按此方向运动、确保运行安全。电动轮椅后方安装的超声波传感器用以判断用户在操纵轮椅倒行时，轮椅的后方环境是否存在障碍物、是否安全，安全时执行用户指令，危险的情况下停止轮椅运动。
[0014]本发明可以在用户操纵、控制轮椅的同时，满足、实现用户意图的情况下，通过超声波传感器对轮椅周边环境的探测，保障轮椅行驶安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0016]图1是本发明所提供的系统中超声波传感器安装结构侧视图；
[0017]图2是图1的俯视图；
[0018]图3是本发明中传感器接口板连接示意图；
[0019]图4是本发明的传感器分组点火策略示意图；
[0020]图5是本发明的共享控制策略流程图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0022]如图1、2所示，本发明所提供的电动轮椅辅助驾驶，包括:安装在轮椅I前方的超声波传感器2均匀分布于轮椅I的前方部位,在前方部位同时安装有向前下方探测的超声波传感器3。在轮椅的后方部位，安装有超声波传感器4直接向后方探测。
[0023]由于超声波传感器的输出和控制信号为数字I/O信号，多个传感器的同时使用需要占用大量的数字I/o资源，在本发明中设计了超声波传感器接口电路板。接口电路板将所有传感器的I/o信号收集、汇总到一起，通过或门芯片实现总线功能。具体原理如图3所示。[0024]为降低传感器之间的相互干扰，对超声波传感器的点火策略做优化。以轮椅共安装16个超声波传感器为例，如图4所示，正前方逆时针依次编号为1-13。前方向下探测传感器编号为14,后方传感器编号为15、16。为降低超声波传感器相互之间的噪声干扰,尤其是1-13号超声波传感器之间的干扰，制定如下的分组点火策略:1，5，9，13为组一，2,6,10,15为组二，3，7，11，14为组三，4，8，12，16为组四。下方和后方的传感器由于之间的相互干扰较少，可按照以上方法分组，也可以单组点火。根据传感器的最大量程，为避免连续两组传感器之间的干扰，在连续两组点火之间应插入一定的时间延时。
[0025]本发明所运行的算法采用共享控制策略。共享控制的含义是指人、自主控制系统之间进行协调，共同对机器人进行控制的一种控制策略。
[0026]本发明的控制流程如图5所示:
[0027]根据图5的控制流程，对本发明中共享控制策略的具体描述如下:
[0028]首先，控制器同时接受用户操作操纵杆的指令和超声波传感器采集到的数据信息，控制器通过采集到的用户指令分析得出用户的运动意图。
[0029]其次，在得到用户的运动意图后，通过超声波传感器采集到的数据判断在此运动指令下轮椅的行驶是否安全，如果环境安全，则直接将用户指令送给轮椅执行；否则，通过控制器中的算法计算出轮椅行驶安全的运动指令，然后将安全指令下发给轮椅执行，保证轮椅的行驶安全。
[0030]尽管本发明的内容已经通过上述实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种电动轮椅辅助驾驶系统,其特征在于,主要由带有操纵杆的电动轮椅、超声波传感器以及控制器组成，轮椅上安装若干超声波传感器，超声波传感器与控制器连接，控制器控制超声波传感器并采集超声波传感器数据，当用户操作操纵杆控制轮椅运动时，控制器计算出轮椅安全行驶的控制指令，控制轮椅安全运动。
2.根据权利要求1所述的电动轮椅辅助驾驶系统，其特征在于，所述超声波传感器包括均匀分布于轮椅前方部位向正前方和左右方探测的若干超声波传感器、安装在轮椅前方部位向前下方探测的超声波传感器、安装在轮椅后方部位向正后方探测的超声波传感器。
3.根据权利要求1所述的电动轮椅辅助驾驶系统，其特征在于，还包括一传感器接口板，通过传感器接口板，将所有的超声波传感器的控制及数据线路集成到总线上，超声波传感器通过总线的形式与控制器进行通信，供控制器控制传感器、采集传感器数据。
4.一种电动轮椅辅助驾驶方法，其特征在于，采用如权利要求1、2或3所述的系统来完成，所述控制器采用分组点火 的策略控制超声波传感器并采集超声波传感器数据，所述分组点火的策略如下: 将前方部位的所有超声波传感器进行分组，每组内的超声波传感器均不相邻，前下方传感器和后方传感器参与分组或单独成组，每组内的超声波传感器同时点火启动，根据传感器的最大量程，避免连续两组传感器之间的干扰，在连续两组点火之间插入一定的时间间隔。
5.根据权利要求4所述的电动轮椅辅助驾驶方法，其特征在于，所述控制器所运行的控制算法采用共享控制策略，具体如下: 首先，控制器同时接受用户操作操纵杆的指令和超声波传感器采集到的数据信息，控制器通过采集到的用户指令分析得出用户的运动意图； 其次，在得到用户的运动意图后，通过超声波传感器采集到的数据判断在此运动指令下轮椅的行驶是否安全，如果环境安全，则直接将用户指令送给轮椅执行；否则，通过控制器中的算法计算出轮椅行驶安全的运动指令，然后将安全指令下发给轮椅执行，保证轮椅的行驶安全。
【文档编号】A61G5/10GK104000694SQ201410228199
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】王景川, 张建飞, 陈卫东 申请人:上海交通大学