智能轮椅室内导航系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能控制技术领域，具体涉及一种智能轮椅室内导航系统，本发明还 涉及一种智能轮椅室内导航系统的控制方法。
【背景技术】
[0002] 目前，国内外室内定位导航技术研宄进行的如火如荼，现有的定位技术大致可分 为两种：基于计算机视觉的定位技术和基于非计算机传感器（如超声、激光等）的定位技 术。常用定位方法有GPS、无线网连接点定位、惯性陀螺、光码盘、路标匹配、广义路标匹配、 磁罗盘等，每一种方法各有优点及局限性。美国已将无线网连接点定位技术应用于智能轮 椅定位了，已安装了包含环境信息的节点，只要遵循同样的标准，轮椅就可利用网络节点 信息来方便地进行自定位和与环境交互。很多定位技术也都开发了适用于自己的定位系 统，形式多样，但精确度离用户正常使用有一定距离，所以如何提高定位的精度是需要着 重研宄的问题之一。导航方法很多：基于地图导航、基于航标导航、基于视觉导航、基于传 感器导航或是其中一种或几种结合起来构成导航系统等。但现有的导航技术具有成本高、 实时性不好等缺点，例如基于Wi-Fi热点和基站所设计的室内导航系统的稳定性和准确性 有待提高。大部分技术应用在移动机器人上面，不能针对轮椅的特殊情况，轮椅作为特殊的 服务机器人要求平稳、安全、智能。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种智能轮椅室内导航系统，解决了现有技术中存在的成本 高、精度差、实时性低等问题。
[0004] 本发明的另一个目的是提供一种智能轮椅室内导航系统的控制方法。
[0005] 本发明所采用的第一技术方案是，一种智能轮椅室内导航系统，包括设置于室内 的四个超声波发射器、设置于智能轮椅前后两端的2个超声波接收器、设置于智能轮椅上 的控制器和移动终端，控制器与2个超声波接收器通过导线连接，移动终端通过无线装置 与控制器相连接。
[0006] 本发明所采用的第二技术方案是，一种智能轮椅室内导航系统的控制方法，具体 按照以下步骤实施：
[0007] 步骤1、智能轮椅的自定位，对智能轮椅进行定位并优化；
[0008] 步骤2、对智能轮椅进行路径规划，选出最优路径；
[0009] 步骤3、智能轮椅根据步骤2中选出的最优路径达到目的地。
[0010] 本发明的特点还在于，
[0011] 智能轮椅的自定位具体按照以下步骤实施：
[0012] 步骤1. 1、四个超声波发射器循环向外发射不同的超声波频率；超声波接收器接 收四个超声波发射器的超声波频率并将超声波频率传递给控制器；
[0013] 步骤1. 2、控制器通过空间几何算法确定轮椅在室内的位置；控制器根据超声波 频率识别出信号来源于哪个超声波发射器，并通过空间几何算法得到轮椅在室内的位置；
[0014] 步骤1. 3、采用UMBmark校核方法对测程法进行改进，优化轮椅在室内的位置；
[0015] 步骤1. 4、采用神经网络算法将步骤1. 2和步骤1. 3中的两种定位方法进行融合， 优化智能轮椅的最终位置，以提高智能轮椅的定位精度。
[0016] 步骤1. 2通过空间几何算法得到轮椅在室内的位置具体按照以下步骤实施：
[0017] 设声波在空气中的速度为V，超声波发射器（1)发射声波到超声波接收器接收声 波的时间为t则这之间的距离为L=vt;设在A(a，0,0)、B(0,b，0)、C(0,0,0)、D(a，b，0) 四个位置安装上超声波发射器（1)，在智能轮椅最前端和最后端装两个超声波接收器（3)， 智能轮椅在〇(x，y，z)处，四个超声波发射器（1)到智能轮椅前端A的距离为 到智能轮椅后端B的距离为凡、MpM2、M3;
[0018] 采集 1^山山各自与L。的差值I\= (L「L0)、T2= (L2-L0)、T3= (L3-L0);
[0019] L〇2 =x12+x2 2+x32(1)
[0020] Lj2= (a-x j) 2+x22+x32 (2)
[0021 ] L22=xj2+(b-x2) 2+x32 (3)
[0022] L32 = (a-xj) 2+ (b-x2) 2+x32 (4)
[0023] 联立上式，解得：
【主权项】
1. 一种智能轮椅室内导航系统，其特征在于，包括设置于室内的四个超声波发射器 (1)、设置于智能轮椅（2)前后两端的2个超声波接收器（3)、设置于智能轮椅上的控制器 (4)和移动终端（5)，所述控制器（4)与2个超声波接收器（3)通过导线连接，所述移动终 端（5)通过无线装置与控制器（4)相连接。
2. -种智能轮椅室内导航系统的控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施： 步骤1、智能轮椅的自定位，对智能轮椅进行定位并优化； 步骤2、对智能轮椅进行路径规划，选出最优路径； 步骤3、智能轮椅根据步骤2中选出的最优路径达到目的地。
3. 根据权利要求2所述的智能轮椅室内导航系统的控制方法，其特征在于，所述智能 轮椅的自定位具体按照以下步骤实施： 步骤1. 1、四个超声波发射器（1)循环向外发射不同的超声波频率；超声波接收器（3) 接收四个超声波发射器（1)的超声波频率并将超声波频率传递给控制器（4); 步骤1. 2、控制器（4)通过空间几何算法确定轮椅在室内的位置；控制器（4)根据超声 波频率识别出信号来源于哪个超声波发射器（1)，并通过空间几何算法得到轮椅在室内的 位置； 步骤1. 3、采用UMBmark校核方法对测程法进行改进，优化轮椅在室内的位置； 步骤1. 4、采用神经网络算法将步骤1. 2和步骤1. 3中的两种定位方法进行融合，优化 智能轮椅的最终位置，以提高智能轮椅的定位精度。
4. 根据权利要求3所述的智能轮椅室内导航系统的控制方法，其特征在于，所述步骤 1. 2通过空间几何算法得到轮椅在室内的位置具体按照以下步骤实施： 设声波在空气中的速度为v，超声波发射器（1)发射声波到超声波接收器接收声波的 时间为七则这之间的距离为1^ = ￥1设在六(&，0,0)、8(0，13,0)、(：(0,0,0)、0(&，13,0)四个 位置安装上超声波发射器（1)，在智能轮椅最前端和最后端装两个超声波接收器（3)，智能 轮椅在0(x，y，z)处，四个超声波发射器（1)到智能轮椅前端A的距离为，到智 能轮椅后端B的距离为凡、M 2、M3; 采集 U、L2、L3各自与 Ltl的差值 T1= (L「L。)、T2= (L2-Ltl)、T3= (L3-Ltl); L02= X /+X2^x32 (1) L12= (B-X 1) 2+x22+x32 (2) L22= z /+(b~x2) 2+x32 (3) L32= (a_x J2+(b_x2) 2+x32 (4) 联立上式，解得：
同理求得B点x2、y2、z2,得到轮椅的位置如式（7)
5. 根据权利要求2所述的智能轮椅室内导航系统的控制方法，其特征在于，所述步骤2 中对智能轮椅进行路径规划，选出最优路径具体按照以下步骤实施： 步骤2.1、室内三维图进行数学建模，将室内需要导航的区域简称为导航区，将导航区 划分成了方形网格，将室内危险地方以及机密地方设为非导航区，把搜索区域简化成了一 个二维数组；数组的每一个元素是导航区域网格中的一个小方格，方格被标记为可通行方 格和不可通行方格，分别用O和1表示，路径被描述为从起始方格到目标方格需要经过的方 格的集合；室内导航区的确定起方格到目标方格所需要的步数；用障碍物标记点标记障碍 物， 步骤2. 2、根据所需要的步数确定路径数组； 步骤2. 3、对路径数组进行优化，确定转向最少的路径数组； 步骤2. 4、根据转向最少的路径数组设置难度系数，确定最优路径。
6. 根据权利要求5所述的智能轮椅室内导航系统的控制方法，其特征在于，所述步骤 2. 1中的确定起方格到目标方格所需要的步数具体按照以下步骤实施：搜索保存起始点到 目标点步数以及每步的方格数组，从起始方格开始先计算需要移动一格才能到达的所有方 格并保存成数组X 1，再计算至少需要移动两个方格才能到达的方格并保存成数组X2，依次 进行下去直到1"里包含目标方格为止。
7. 根据权利要求6所述的智能轮椅室内导航系统的控制方法，其特征在于，所述步骤 2. 2中根据所需要的步数确定路径数组具体按照如下方式实施： 从数组Xlri中找与目标方格邻近的方格并保存到数组M i，再从数组Xn_2中找与从X μ中 找的方格并保存M2，依次进行，同步保存路径数组，这样就得到了若干合适的路径数组。
8. 根据权利要求7所述的智能轮椅室内导航系统的控制方法，其特征在于，所述步骤 2. 3中对路径数组进行优化，确定转向最少的路径数组具体按照以下步骤实施： 根据数组a[x][y]的下标计算出每条路径转向次数，选择出转向最少的那条路径数 组，在智能轮椅进行到第12步方格（a[10] [11])时，第12步方格前一方格为a[10] [10]，后 一格为a[ll] [12]方格数组下标变化趋势不一致，判断在这里有一个转向，如果变化趋势 一致则不存在转向，确定转向最少的路径数组，其中，判断是否有转向具体按照以下方式判 断： 当智能轮椅进行到第m步方格时，设此时的数组为a [q] [p]， 第一种情况：第m步方格的前一个方格的数组为a [q] [p-1]，第m步方格的后一个方格 的数组为a[q] [p+1]，则方格数组下标变化趋势一致，判断智能轮椅沿y轴直行，不存在转 向； 第二种情况：第m步方格的前一个方格的数组为a [q-1] [p]，第m步方格的后一个方格 的数组为a[q+l] [p]，则方格数组下标变化趋势一致，判断智能轮椅沿X轴直行，不存在转 向； 第三种情况：第m步方格的前一个方格的数组为a [q-1] [p-1]，第m步方格的后一个方 格的数组为a[q+l] [p+1]，则方格数组下标变化趋势一致，判断智能轮椅沿X轴直行，不存 在转向。
9.根据权利要求8所述的智能轮椅室内导航系统的控制方法，其特征在于，所述根据 转向最少的路径数组设置难度系数，确定最优路径具体按照以下步骤实施：若转向最少的 路径数组为1时，即确定了最优路径，当转向最少的路径数组大于1时，则引入难度系数，令 正常方格水平或者垂直移动时难度系数为1，对角线方向难度系数为1. 41，轮椅有一定的 宽度，一个方格勉强能通过，在有非导航区时，方格难度系数定位2,在已选路径中计算每条 路径的难度系数和，选择出难度系数最少的路径数组便是最优路径。
【专利摘要】本发明提供一种智能轮椅室内导航系统，包括设置于室内的四个超声波发射器、设置于智能轮椅前后两端的2个超声波接收器、设置于智能轮椅上的控制器和移动终端，控制器与2个超声波接收器通过导线连接，移动终端通过无线装置与控制器相连接。本发明还提供一种智能轮椅室内导航系统的控制方法，具体为：智能轮椅的自定位，对智能轮椅进行定位并优化；对智能轮椅进行路径规划，选出最优路径；智能轮椅根据步骤2中选出的最优路径达到目的地。该智能轮椅室内导航系统能到达预期要求并具有反映快、工作稳定可靠、电路简单、使用灵活方便和扩展性强等优点。
【IPC分类】G01S5-30, G06Q10-04
【公开号】CN104535966
【申请号】CN201410541330
【发明人】陈真诚, 徐彪, 朱健铭, 殷世民, 蒋朝阳
【申请人】桂林电子科技大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年10月14日