用于在配备有传感器的个人移动辅助装置中校正轨迹的改进方法与流程

文档序号:13426408
用于在配备有传感器的个人移动辅助装置中校正轨迹的改进方法与流程
本发明涉及用于辅助人员移动的设备的领域,特别是诸如可由用户从控制接口进行转向的电动轮椅装置。具体地,本发明涉及基于定位在移动辅助设备上的传感器接收的信息以及由设备的用户经由控制接口发送的移动指令信息来确定轨迹控制参数的方法。

背景技术:
诸如电动轮椅的设备通常用于辅助移动能力降低的人员的移动。这些轮椅由其用户以所谓的“向前”或“倒退”移动以及相对于标称移动轴线(左或右方向)行进的方向来控制。通常由用户通过例如“操纵杆”型接口提供行进指令的速度和方向。存在这样的设备的轨迹校正模式,以便根据特定于环境的要素(具体地诸如障碍物)指定移动轨迹。已经开发了通过发送和接收“超声”信号的环境分析模式,但是其使用并不可以以标称行进速度来校正由个人用户驾驶的车辆的轨迹。迄今为止已知的应用涉及例如机器人伺服控制或在相对于给定命令(其独立于乘客运送应用)实行的移动期间的碰撞避免。题为“用于与障碍物的检测相关的车辆控制的控制系统和方法(ControlSystemandMethodforControlofaVehicleinConnectionwithDetectionofanObstacle)”的专利申请WO2014/148978A1(ANDERSONJon等人,斯堪尼亚商用车有限公司(SCANIACVAB);优先权日期:2013年3月19日)公开了自主车辆中的控制系统,该系统经设计以避免碰撞并基于接收与车辆的移动轨迹中存在的障碍物相关的信息。1995年4月25日的专利申请JPH07110711A(日本电装公司(NIPPONDENSOCO))公开了适合于移动并经配置具体地根据障碍物的位置和到达障碍物的距离而避免障碍物的机器人。存在其他系统并且该其他系统使用实施激光技术测距仪的技术以评估障碍物的接近;然而,该技术非常昂贵。最后,存在基于对由一个或多个相机拍摄的照片产生的图像的分析的系统,这使得可以在室内环境(房间内部)中限定移动设备物体的位置,并且允许避免障碍物。然而,它需要使用至少一个相机,或者甚至两个相机,以便增加照片的可靠性;关于透明表面的检测也会出现问题。现有解决方案具有缺点,特别是在处理复杂性和/或实施的成本方面。

技术实现要素:
本发明旨在通过提出在用于至少一个人员的移动辅助装置中校正移动轨迹的方法来改善现有技术的至少一个缺点,移动辅助装置由至少一个马达驱动并由转向控制模块根据第一转动速度和第一平移速度(其根据通过输入接口接收的一个或多个指令确定)进行导向,速度值构成移动坐标系中的命令点的坐标,移动辅助装置配备有至少一个传感器装置和控制单元,传感器装置配置为相对于移动辅助装置的移动轴线在限定的方向上执行测量,该方法包括以下步骤:测量移动辅助装置的至少一个传感器或预定点和存在上述方向上(或围绕所述方向的限定体积中)的障碍物之间的距离,使用至少一条分割直线,将代表平移速度和转动速度的值对的正规坐标系分割成两个半平面,两个半平面中的一个对应于允许行进空间,两个半平面中的另一个对应于移动辅助装置的行进禁止区,通过将命令点投影到因此确定的允许空间中定义第二转动速度和第二平移速度,因此命令点的投影定义允许行进空间中的“控制点”,分别根据第二平移速度和第二转动速度(即根据在允许行进空间中定义的控制点的坐标)控制一个或多个马达和转向控制模块。存在于个人移动辅助装置上的传感器中的每个经配置将代表将它们与障碍物隔开的距离的一个或多个信息项递送到控制单元。根据本发明的一个实施例,传感器装置由一个或多个超声发射器和一个或多个超声接收器构成。根据一个替代方案,传感器可包括成对耦合并适合于提取(产生)距离信息或表示距离的信息的激光束或红外线束发射和接收元件或相机装置。当由用户引导装置时,不管使用的传感器的性质如何,并且只要这些传感器适合于递送关于个人移动辅助装置的预定点与存在于装置周围的一个或多个障碍物之间的距离的信息,就可使用根据本发明的用于校正轨迹的改进方法。根据本发明的一个优选实施例,用户在个人移动辅助装置中占据他/她的位置。根据一个替代方案,在第二用户后来占据他/她的位置的情况下,该用户远程引导个人移动辅助装置。在远程引导的情况下,用于输入行进指令的装备包括无线通信装备(例如,诸如在无线信息传输领域中众所周知的那些的射频通信装备)。根据本发明的一个实施例,通过确定落在坐标系的直线上的控制点实行将命令点投影到允许空间中的投影,该直线经过坐标系的原点并经过由对应于装置的一个或多个输入指令的平移速度和转动速度定义的命令点。根据本发明的一个替代实施例,通过确定落在垂直于最接近上述命令点的分割直线的直线上的控制点来实行将命令点投影到允许空间中的投影。根据本发明的另一替代实施例,通过确定落在经过命令点的水平直线上的控制点来实行将命令点投影到允许空间中的投影。有利地,在命令点的投影之前或之后,管控移动辅助装置的机械惯性的步骤包括将坐标系从第一坐标系改变为第二坐标系的步骤,坐标系的改变包括通过缩小比例缩小第一坐标系P,以及第一坐标系的原点朝向平移速度的正值的偏移,所述偏移产生第二坐标系的原点。根据本发明的一个实施例,将投影的命令点投影到允许空间的控制点中的所述投影,使得控制点在小于至少一条分割直线的预定值的距离进行定位。换句话说,命令点的投影不严格地定位在直线上,而是以任意限定的距离定位在由分割直线界定的允许空间内,但具有到达最近线的距离的预定最大值。根据本发明的一个替代实施例,移动辅助装置的移动轨迹的校正包括确定至少与移动辅助装置上存在的传感器一样多的分割直线。附图说明在阅读参照附图提供的以下描述后将更好地理解本发明,并且其它特征和优点将变得显而易见,其中:图1示出根据本发明的一个特定且非限制性实施例的个人移动辅助装置的架构。图2示出其中定义速度的正规坐标系,所述速度是从行进指令和通过应用根据本发明的一个特定且非限制性实施例的方法的全部或部分确定的速度导出的。图3示出其中定义速度的正规坐标系,所述速度是从行进指令和通过应用根据本发明的第一替代实施例的方法的全部或部分确定的速度导出的。图4示出其中定义速度的正规坐标系,所述速度是从行进指令和通过应用根据本发明的第二替代实施例的方法的全部或部分确定的速度导出的。具体实施方式在图1中,示出的模块是功能单元,其可以对应于物理上可区分的单元,或者可以不对应于物理上可区分的单元。例如,将这些模块或其中的一些模块组合在一起成为单个组件。相反,根据其他实施例,一些模块由单独的物理实体构成。图1示出根据本发明的一个特定且非限制性实施例的个人移动辅助装置DADP的架构元件。装置DADP包括由功能模块M1表示的至少一个推进马达或一组推进马达。根据第一实施例,装置DADP进一步包括第二马达M2,使得可以限定行进的方向。推进马达和转向马达分别由速度控制模块VCTRL和转向控制模块DCTRL控制。根据第二实施例,通过调制分别与左轮RG和右轮RD相关联的两个推进马达的速度来控制转向,使得在控制确定的平均速度时,行进的方向根据差速模式由在左轮和右轮的各自速度之间的差值限定。速度控制模块VCTRL和转向控制模块DCTRL将控制信号发送到功能模块M1和M2的元件。根据实施例,必要时,M1包括一个或多个推进马达,并且M2包括转向马达。由确定从信息V3和ω3导出的信号VSIG和DISG的控制单元CU控制模块VCTRL和模块DCTRL,其中,V3是通过合并平移速度V1和平移速度V2而导出的,并且其中ω3是通过合并转动速度ω1和转动速度ω2导出的。V1和ω1分别表示由控制单元CU根据用户指令接收的代表平移速度和转动速度的信息,所述用户指令是经由包括例如控制操纵杆的模块CTRL-IN建立的。控制单元CU从装置DADP的用户接口CTRL-IN接收速度和行进指令信息VCTRL和DCTRL。具体地基于以下信息实现由控制单元CU执行的各种处理操作:所述信息是由定位在移动辅助装置DADP上的一个或多个传感器USCAP以及由用户发送的行进指令信息产生的。传感器USCAP1和传感器USCAP2是适合于在数字总线C1BUS和C2BUS上递送表示感知环境(相对于与行进的方向相关的预定的方向)的信号的传感器,该数字总线配置用于将关于到达一个或多个障碍物的距离的信息传送到控制单元CU的处理存储器中。所有模块都由能量储存模块BAT供电,该能量储存模块BAT可从主电源插座再充电。控制单元CU包括模块CU1、CU2和CU3。模块CU1是用于确定指令速度和参考坐标系P的校正速度的模块,所述参考坐标系P表示平移速度值和转动速度值的速度值对。CU2是用于根据以下信息和速度值限定转动速度ω3和平移速度V3的模块:由一个或多个传感器(USCAP)接收的信息以及由根据本发明的一个实施例的校正方法校正的校正速度值。CU3是适合于根据第三平移速度V3和转动速度ω3来分别控制一个或多个行进马达(功能块M1)和转向控制模块的控制单元。根据本发明的一个实施例,V3和ω3分别等于V2和ω2。或者,V3和ω3经计算考虑运送用户的个人移动装置特定的机械惯性。根据本发明的一个特定且非限制性实施例,所提及的控制单元模块包括控制单元的所有常规架构元件,诸如一个或多个微控制器、一个或多个易失性工作存储器(随机存取存储器)、一个或多个非易失性存储存储器、数据通信总线、一个或多个缓冲电路、复位电路、电源和电源监控电路、一个或多个时钟电路以及传统上对实施控制功能有用的任何其他功能。在本文中不再进一步描述这些模块中的每个的架构,因为对本发明的理解并不有用。根据本发明的一个特定且非限制性实施例,控制单元CU在正规坐标系中执行平移速度和转动速度(就像通过个人移动辅助装置的操纵杆型输入接口限定的平移速度和转动速度)的表示P(ω,ν),其中:X轴ωS表示转动速度值ω,并且Y轴Vs表示平移速度值ν(或V)。平移速度值在下面的段落中可无关紧要地写成ν或V。因此,举例来说,书写的ν1对应于幅值ν的离散值V1,其表示装置DADP的平移速度的瞬时值。在传感器USCAP1和传感器USCAP2之间测量的距离允许限定两条直线LP1和LP2,所述线将坐标系P(ω,ν)的总空间相对于所述直线中的每条直线分别分割成两个半平面,并且因此限定禁止空间和允许行进空间。然后通过将禁止空间的命令点CP投影到(先前在坐标系P(ω,ν)中限定的)允许空间的控制点CTRLP中,从而在坐标系P(ω,ν)中限定校正速度。使用指示相对于障碍物的距离的传感器USCAP还使得可以确定障碍物的取向,并且特别是当传感器USCAP包括多个发送器和/或接收器元件时或当它们彼此联接以便识别由多个接收器发送的信号时。因此,并且例如在是墙壁的情况下,可以在障碍物的两个或更多个点处实行测量,并确定其在空间中的取向。根据一个替代实施例,垂直和水平极限(直线)限定与最大输入指令界限(通过经由输入接口“操纵杆”的输入命令所表示的期望行进界限)相对应的允许行进空间。具体地根据由一个或多个传感器USCAP(USCAP1,USCAP2,...USCAPn)发送的表示距离障碍物的距离的信息,由控制单元执行确定坐标系P(该坐标系P对应于分割成半个平面的平面(ω,V))的一个或多个分割直线。根据本发明的一个优选实施例,(在平面(ω,V)中的)坐标系P的分割直线的方程为:Jvν+Jωω≤λ(s-s*)因此,坐标系P的半平面的方程在对P中的允许行进空间MA的限定中起作用,并且由至少对到达障碍物的距离s的一个测量值来限定,其中:ν是装置DADP的瞬时平移速度,也称为V,ω是装置DADP的瞬时转动速度,λ是常数,s是到达障碍物的测量距离,并且s*是到达障碍物的最小距离,也称为传感器的极限位置,Jv和Jω是分别从坐标系(ω,v)中的对应传感器的速度cv和cω导出的标量分量:Jv=LsTvJω=LsTω其中Ls是与传感器相关的交互矩阵(该矩阵为传感器所特定的矩阵,并且在其设计阶段期间被特征化)。Tv和Tω是矩阵元素,其允许装置DADP的给定传感器的平移速度cv和转动速度cω根据(例如通过其重心而参考的)总体装置DADP的平移V速度和旋转ω速度而限定。根据以下公式定义传感器的平移速度和转动速度:Tv和Tω表示个人移动辅助装置DADP特定的矩阵元素,并且该矩阵元素在其设计阶段期间就被特征化。Ls是传感器的交互矩阵;cV和cω分别是传感器在坐标系(ω,v)中的平移速度和转动速度。以下公式表征了对于给定传感器而言到达障碍物的距离的变量,并考虑了所述传感器的位移:根据本发明的一个实施例,惯性通过将确定的速度的当前值与其先前值相结合来管控。根据对应于低通滤波器的实施方式的计算来产生权重。根据本发明的一个实施例,个人移动辅助装置的平移速度和转动速度的确定是可配置的,以便具体地促进流畅的移动或诸如使用户感到自信的移动。可通过与装置DADP的控制单元相关联的任何输入装备(例如配置微动开关或适合于配置的控制台的连接件等)来定义参数。因此,借助轨迹校正而实现的对装置的行为的配置可由为该目的而培训的人员所访问,例如职业治疗师、医疗助理或销售该类设备的专业人员。根据一个优选实施例并且考虑到在本发明时的个人移动辅助装置的常规配置,装置DADP包括十五个传感器USCAP,每个传感器能够包括一个或多个发送器和一个或多个接收器。替代地,装置可包括少于或多于15个的多个传感器。V1、V2和V3是装置DADP在坐标系v,ω(坐标系P)中的平移速度V的幅值的离散值,ω1、ω2、ω3是装置DADP在坐标系v,ω(坐标系P)中的转动速度ω的幅值的离散值。图2示出其中定义速度V1和速度ω1的正规坐标系P,所述速度是根据行进指令以及速度V2和速度ω2产生的,所述速度V2和速度ω2是通过应用根据本发明的一个特定且非限制性实施例的方法的全部或部分而确定的。V1和ω1是从由个人移动辅助装置的输入接口模块CTRL-IN发送的信息(信号)VCTRL和DCTRL导出的。V1表示由输入指令请求的装置DADP的平移速度,并且ω1表示由输入指令请求的装置DADP的转动速度。因此V1和ω1从控制装置DADP的操纵杆的位置导出,并且值对(V1,ω1)构成正规坐标系P中的命令点CP的坐标。根据本发明的优选实施例,正速度V1对应于装置DADP的向前移动,并且负速度V1对应于装置DADP的向后移动(倒退)。根据类似的惯例,正速度ω1对应于左转(当V1为正时),并且负速度ω1对应于右转(当V1为正时)。与零速度ω1的同时发生的零速度V1对应于装置DADP的停止。作为正规坐标系的坐标系P由分别表示转动速度大小ω和平移速度大小V的轴ωS和VS来定义。由一个或多个发送器元件和/或一个或多个接收器元件构成的传感器USCAP1、USCAP2、USCAPn中的每一个将信息项递送到移动辅助装置DADP的控制单元UC,所述信息项涉及与装置DADP周围的检测区域中存在的任何障碍物相关的距离。有利地,当检测到障碍物时,将正规坐标系P分割成两个半平面(具体地根据测量的到障碍物的距离):一个是禁止行进的,并且另一个是准许行进的。例如,传感器USCAP1使得可以使用预定义的计算公式来定义坐标系P的分割线LP1。除其他方面之外,在正规坐标系P中的线的取向取决于移动辅助装置DADP上传感器USCAP1的位置和取向。同样地适用于传感器USCAP2,根据相同的原理,传感器USCAP2使得可以定义将正规坐标系P分割成两个半平面的分割线LP2。一个是准许行进的,另一个是禁止行进的。在装置DADP在由行进指令(经由输入操纵杆)的演变所定义的理论路线上行进期间,动态实行的线LP1、LP2、LPn的定义允许所谓的允许行进空间的动态定义。以巧妙的方式,根据本发明的改进的轨迹校正依靠将命令点CP投影到由一条或由多条分割直线LP(LP1,LP2,...LPn)界定的允许行进空间MA中。根据第一替代方案,通过定义控制点CTRLP将命令点CP投影到允许空间中,该控制点CTRLP落在通过坐标系P的原点并通过由输入指令定义的命令点CP的直线上。根据第二替代方案,通过将命令点CP正交投影到最接近命令点CP的直线LP上来定义控制点CTRLP。根据另一替代方案,利用命令点CP的水平或基本上水平的投影从而使装置DADP的平移速度保持在其最大值。对应于校正的轨迹的速度V2和速度ω2是由命令点CP的投影定义的控制点CTRLP在正规坐标系P的允许空间中的坐标(V的值和ω的值)。以巧妙的方式,必要时,替代方案中的每一个允许向个人移动辅助装置DADP的用户提供改进的适应性(根据其病理概况)。所使用的替代方案对由装置DADP的用户主观感觉到的反应性、灵活性和自信具有直接影响。此外,具体地通过改变坐标系P中的速度值V和ω,惯性得到了管控。可通过校准以及根据装置DADP和/或其用户特有的特点实行该转变。因此,并且根据本发明的一个特定实施例,平移速度V3和转动速度ω3得到定义从而被传送到装置DADP的控制模块VCTRL和DCTRL。在没有惯性管控的情况下,通过总线VSIG和DSIG发送速度V2和速度ω2。根据本发明的一个替代实施例,图3示出正规坐标系P,其中通过将命令点CP投影到控制点PCTRL中来定义速度V2和速度ω2,其中该控制点PCTRL位于允许行进空间中并且位于垂直于最接近CP的分割直线的直线上。图4示出正规坐标系P,其中通过将命令点CP投影到控制点CTRLP中来定义速度V2和速度ω2,该控制点CTRLP位于允许行进空间中并位于通过坐标系P的原点的直线上。然而,并且根据本发明的一个替代实施例,所确定的速度V2是允许行进空间中最可能的平移速度,并且小于或等于命令点CP的指令速度V1。当然,用于定义速度V2和速度ω2的其他替代方案在允许行进空间中也是可行的。在行进空间内的这些速度的确定不仅限于本文所述的替代实施例。有利地,控制单元UC通过通信端口递送代表对轨迹进行的校正的一系列连续的信息,以便例如将其存储在相关联的存储器中。以这种方式,出于执行统计分析或执行技术辅助(校正)的总结的目的(所述技术分析和总结提供给装置DADP的用户),控制单元UC指示已经检测到障碍物的传感器的位置(或传感器的识别、到达障碍物的距离、检测到障碍物时的指令的位置等)。因此,可以分析用户的行为并且根据观察到的行为调整装置DADP的一个或多个控制参数。用户的行为实际上与用户遭受的创伤的病理学和/或性质相关。例如,患有半身感缺失的用户可能意识不到在一侧发生的任何事情。例如,他/她可以对于他/她右手侧的移动(而不是他/她左手侧的移动)确定他/她自己的位置和进行推理。因此,在左侧发生移动的情况下(因为这是不受控制的一侧)或者如果相对于期望的轨迹,在左手边存在障碍物(因为用户将不会看到所述障碍物)的情况下,校正将自然地更频繁。有利地,根据本发明的轨迹校正方法的实施使得可以改进移动轨迹,同时具有低计算复杂度、低功耗架构(其为装置DADP提供更大的自主权)、高执行速度、低延迟,并且使其易于工业化。此外,根据本发明的方法的实施允许新的模块化和灵活性,因为各种可以的配置使得移动辅助装置DADP适合用户的概况。因此,投影到形成的允许空间中的模式取决于例如作为用户的病理和/或心理概况的该配置。本发明进一步涉及用于基于通过传感器确定一个或多个障碍物的存在来校正移动辅助装置的轨迹的任何方法,该方法从正规坐标系P的一条或多条分割直线(其将正规坐标系P分成禁止行进空间和允许行进空间的)确定平移速度和转动速度,所述坐标系是表示在行进方向上感知到的环境的参考,如此确定的速度分别与速度和方向指令合并地使用,该速度和方向指令由移动辅助装置的用户通过适于该用户控制的用户接口输入。本发明进一步涉及实施这样的方法的任何移动辅助装置。最后,本发明涉及实施根据本发明的一个特定且非限制性实施例的方法的步骤的任何计算机程序产品。因此,本发明涉及用于基于以下来校正移动辅助装置的轨迹的任何方法:至少一个传感器USCAP与障碍物之间的距离的测量值;通过将正规坐标系P分割成行进禁止区和允许行进空间MA的至少一个分割界限LP,将代表平移速度V1和转动速度度ω1的值对CV1ω1的坐标系P分割成两个半平面,该两个半平面可以进一步由输入指令界限界定;以及通过将命令点CP投影到正规坐标系P的界定的允许空间MA中来定义第二转动速度ω2和第二平移速度V2。
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