一种嵌入式多模态交互智能轮椅控制系统的制作方法
【技术领域】
[0002] 本发明设及一种嵌入式多模态交互智能轮椅控制系统。
【背景技术】
[0003] 随着社会老龄化进程的加快和各种疾病、事故造成的残障人±的增加，为老年人 和残疾人±提供性能优越、成本合理并能广泛应用的代步工具已成为整个社会重点关注的 问题之一。本专利就是围绕此问题，考虑到人一机一环境交互流杨性，使用广泛性，运行安 全性W及成本因素而设计的一种基于高性能单片机的结构紧凑便携性强的经济型嵌入式 多模态交互智能轮椅控制系统，并可直接用于普通电动轮椅升级为智能轮椅，W满足不同 的使用对象和使用场合，并使正常老人的使用具有了一定的娱乐性，丰富老人的日常生活。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种经济型，具有结构轻便、交互流杨、能够满足不同对象需 求、使用广泛、安全性好的经济型嵌入式多模态交互智能轮椅的控制盒。本发明在单片机的 基础上可对传统电动轮椅进行了智能化升级，是一种具有手柄控制、语音控制、语音人机交 互、超声波自主避障、视觉自主导航功能的嵌入式多模态交互智能轮椅控制系统。用户不仅 可W选择常规的手柄控制功能，还可W通过语音指令控制轮椅的运动W及对各个模态进行 选择和切换，视觉导航模态实现了在不同光线环境下的标识线跟踪，从而完成到指定路线 的运行，同时，自主运行模态实现了特定场合下的随机"散步"运行。另外，通过将超声波避 障技术和语音播报技术融合到其它模态当中，使得轮椅能够实时地对其所处的环境进行检 测和分析(如障碍物，低法地段），并判断后续的控制指令是否能够安全地执行，再通过语音 播报的形式将信息反馈给用户，保证了各模态下的轮椅运行安全性;还将手柄干预运行技 术和强制停止技术融合到各个模态当中，确保用户在每一个模态都可W通过手柄来干预轮 椅的运动W及紧急情况下的脚踏开关强制停止(抱闽抱死轮椅停止），更进一步保证了轮椅 运行安全性。另外分模块的设计思想，使得智能轮椅在功能上可根据不同对象的需求分模 块定制。
[0005] 本发明所述系统由视觉导航模态、语音交互控制模态、自主运行模态、手柄控制模 态组成，分为传感器(包括超声波传感器和视觉传感器XSPCE061A单片机、D/A转换模块、电 动轮椅平台、人机交互设备W及相关外围控制电路等6个部分，嵌入式多模态智能轮椅控制 系统硬件基本结构图如图1所示。其中，传感器用来实现外界环境和单片机之间的信息交 流，SPCE061A单片机对外界环境信息和人机交互设备输入的信息进行综合的分析和处理， 最终通过D/A转换模块和电动轮椅平台来实现对轮椅的控制。人机交互设备包括操作手柄、 麦克风、音箱、键盘和Lm)灯，各个人机交互设备的作用为:操作手柄用来输入手柄控制指 令，麦克风用来输入语音控制和语音交互指令，音箱用来播放语音提示音，键盘来输入手柄 控制指令和选择对应的运行模态，Lm)灯则用于指示轮椅当前所处的运行状态，各功能模态 的运行原理如下。
[0006] 视觉导航模态由视觉传感器完成环境和SPCE061A单片机中屯、控制器之间的环境 信息交流，再由中屯、控制器完成与普通电动轮椅平台的控制/状态信息交流。视觉导航模态 的具体结构如图2所示，由视觉传感器采集标识线信息，由照明装置实现不同光线环境下的 视觉传感器信息采集，方法为SPCE061A单片机根据视觉传感器输出的VSYNC(场同步信号）、 HREF(行同步信号)和PCLK(像素同步信号）的时序来完成图像数据的采集，并通过有效的数 字图像处理算法提取智能轮椅与标识线间的位置和角度偏差，再根据该路径信息查询模糊 控制表来获得相应的控制策略，最终通过D/A转换模块输出的四路模拟电压来控制轮椅的 运动。具体实现见视觉导航模块。
[0007] 语音交互控制模态由麦克风、耳机或音箱实现用户和SPCE061A单片机中屯、控制器 之间的语音信息交流，再由中屯、控制器完成与普通电动轮椅平台的控制/状态信息交流。语 音交互控制模态的具体构成如图3所示，主要由语音训练和语音识别两部分组成，语音训练 的方法为用户首先通过麦克风训练语音命令，SPCE061A单片机提取出语音命令的特征参数 并存储到单片机的闪存中构成语音模型库;语音识别的方法为用户通过麦克风输入语音指 令，由麦克风将语音指令转化为电信号，再通过单片机的A/D转换通道采集语音指令信息， 然后再根据库函数将待测语音信号与语音模型库中的模型进行相似度比较来实现语音识 另IJ。识别成功智能轮椅则进入相应的模态或进行相应的运动。语音交互的方法为程序开始 进行初始化，并启动计时程序，在特定的时间之内，用户可W通过键盘选择进入6种功能模 态，在经过一定的时间之后，系统便进入语音交互模式，并播报提示音。具体实现见下语音 交互控制模块。
[0008] 自主运行模态由多组超声波传感器完成环境与中屯、控制器之间的环境信息交流， 再由中屯、控制器完成与普通电动轮椅平台的控制/状态信息交流。自主运行模态的具体构 成如图4所示，方法为SPCE061A单片机通过测量从超声发射模块发射超声波到超声接收模 块接收超声波的时间间隔来计算出轮椅到障碍物或地面之间的距离，再采用适当的控制策 略来实现轮椅的实时避障和避开低法地段，具体实现见下自主运行模块。
[0009] 手柄控制模态由手柄完成用户、控制器与轮椅之间的用户信息交流，具体借助普 通电动轮椅平台的手柄，通过继电器组切换电路实现。
[0010] 智能轮椅的安全保护运行主要借助将超声波避障技术和手柄干预运行技术融合 到各个模态中实现，通过将自主运行模态中的超声波避障技术融合到其它模态当中，使得 轮椅在其它模态下也能够实时地检测周围是否有障碍物W及低法地段，一旦检测到障碍物 或者是低法地段，轮椅会立即停止运动，直至障碍物移开或者是执行用户其它的控制指令； 通过将手柄控制模态中的手柄干预技术融合到其它模态当中，使得轮椅在其它模态下任何 时候都可W通过手柄来自主的干预轮椅的运动，具有手柄最高优先级控制功能，具体实现 见智能轮椅安全保护运行技术。
[0011] 中屯、控制器与普通电动轮椅平台之间的控制/状态信息交流，主要通过D/A转换模 块输出控制信息，接管普通电动轮椅控制器的控制信号实现，我们称之为控制/状态信息公 共硬件平台，具体主要由SPCE061A单片机中屯、控制器、D/A模块、电动轮椅平台构成，可见图 2、图3和图4中的右半部分，具体实现见下控制/状态信息公共硬件平台实现，但控制信息在 中屯、控制器的处理依据不同交互模态而有所不同，具体见各对应控制模块的实现部分。
[0012] 视觉导航模块实现： 视觉导航模块的结构示意图如图2所示，主要包括提供光源的照明装置，指定智能轮椅 运行轨迹的标识线，采集路径信息的视觉传感器，对图像数据进行处理和产生控制决策的 主控制器，将控制策略转换为对应的模拟电压信号的D/A转换模块，通过模拟电压信号对轮 椅的转向和速度进行控制的电动轮椅平台。其中照明装置能够根据所采集到图像数据的质 量来自适应的调整照明光源的光强，可完成不同光线环境下的视觉导航功能，视觉传感器 为数字图像传感器，主控制器采用单片机SPCE061A作为微控制单元(MCU)，电动轮椅平台包 括轮椅自带的手柄控制器和直流电机。
[0013] 视觉导航模块的控制原理如图5所示，该模块的控制系统是一个单输入单输出的 闭环控制系统。其中轮椅中屯、的位置作为给定环节的输入量，用于确定被控对象轮椅的目 标值。标识线中屯、的位置作为测量环节的输出量和控制系统的反馈量。通过比较环节得到 轮椅中屯、位置和标识线中屯、位置的偏差，再通过放大及运算环节对偏差量进行转换和功率 放大，执行环节接收放大环节输出的控制信号，驱动被控对象轮椅按照预期的目标运动。最 终实现轮椅的转向和速度控制。
[0014] 视觉导航模块在功能上分为图像采集、图像处理、控制决策、安全保护和动力系统 的驱动五个子功能模块。其组成框图如图6所示。其中，图像采集模块对图像传感器输出的 视频信号进行A/D转换，获得路径的数字图像;图像处理模块通过有效的数字图像处理算法 提取智能轮椅与标识线间的位置和角度偏差;控制决策模块对智能轮椅的转向和速度采用 模糊控制算法，根据图像处理模块提取出的路径信息查询模糊控制表来获得相应的控制策 略;安全保护模块分为超声波避障、手柄控制、语音播报W及紧急停止等安全保护方式，其 中超声波避障安全保护用于判断轮椅周围是否有障碍物或者是低法地段，手柄干预安全保 护使得用户可W通过手柄自主的干预轮椅的运动;动力系统的驱动模块在控制直流电机的 转速上是将控制策略通过D/A转换为模拟电压信号，再通过电压信号接管直流电机的控制 器来控制直流电机