一种主动介入式智能轮椅控制方法及装置与流程

本发明属于智能轮椅辅具设计领域，尤其涉及一种主动介入式智能轮椅控制方法及装置。

背景技术：

随着信息和通信技术的不断进步，科技正在融入到我们的日常生活，并带来了无限的便利与舒适。随着世界人口老龄化的严重，报道表明人口老龄化的比率已经由1994年的9％达到2014年的12％，预计到2050年将达到21％。严重的老龄化形势以及包括残疾人在内的行动不便人群的数量日益增多，而轮椅作为残疾人和老年人等行动不便人群的重要代步工具，设计更好的智能轮椅成为迫切需求。

而现有的智能轮椅控制器控制形式单一，只能通过操纵杆、按钮等传统设备对轮椅进行控制，缺乏智能性，且控制接口封闭，这加大了外部控制信号接入轮椅的难度。现今的人机交互方式多种多样，同时随着传感器技术的发展，智能感知设备也越来越多，因此设计一款开放接口的智能轮椅控制装置具有极大的应用价值。

但目前各种传感器和感知设备的智能性还不足，单一的采用外部的感知设备实现轮椅的智能控制还有一定难度，同时安全性也难以保证。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种主动介入式智能轮椅控制方法及装置，在智能控制的基础上，补充主动介入手段，从而保证安全性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种主动介入式智能轮椅控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

轮椅有两种控制模式：主动控制模式，使用者通过操纵面板手动控制，操纵面板上设有按钮和操纵杆；智能控制模式，通过外部环境传感器采集的信号自动控制；

启动轮椅时自动进入智能控制模式；智能控制模式下，实时判断是否存在异常情况，若存在，则报警，提醒使用者进行主动介入；

在使用者对操纵面板有输入信号时进入主动控制模式；主动控制模式下，在一段时间内操纵杆信号的幅度均小于预设的幅度阈值，则自动切换为智能控制模式；

所述的异常情况包括：1)信号传输异常，即外部环境传感器采集的数据与主控模块之间的信号传输出现异常；2)外部环境传感器数据异常，即外部环境传感器采集的数据失真，或者根据采集的数据组成判断当前环境过于复杂；3)轮椅运行状态异常，即轮椅速度过快或倾斜角度过大。

按上述方法，所述的信号传输异常具体判断方法如下：

外部环境传感器与所述的主控模块之间无线连接；查询无线连接的信号强度值r，若r小于阈值rthres1则判断信号传输异常；若r在阈值rthres1和阈值rthres2之间，且在时间段t内此状况发生的次数k大于阈值kthres，则判断信号传输异常。

按上述方法，所述的外部环境传感器数据异常具体判断方法如下：

所述的外部环境传感器包括超声波测距传感器、红外测距传感器和摄像头；将超声波测距传感器和红外测距传感器采集的障碍物距离相比较，当得到的障碍物距离差值大于预设的距离差阈值，则判断外部环境传感器数据失真异常；当采集的障碍物距离过近，障碍物数量过多，则判断环境过于复杂异常。

按上述方法，所述的主动控制模式下，在一段时间内操纵杆信号的幅度均小于预设的幅度阈值，则自动切换为智能控制模式，具体判断方法如下：

获取操纵杆2个控制方向的模拟信号x和y，分别计算x和y与预设的各自的中位信号mx和my的差值；判断在一定时间范围内，所述的差值均在规定的阈值范围内，则切换为智能控制模式。

一种主动介入式智能轮椅控制装置，其特征在于：它包括主控模块，以及分别与主控模块连接的外部环境传感器、轮椅运行状态监测模块、操纵面板、报警显示模块、电源模块和轮椅驱动电机；所述的操纵面板上设有调档按钮、开关按钮和操纵杆；所述的主控模块用于执行权利要求1所述的主动介入式智能轮椅控制方法。

按上述装置，所述的外部环境传感器通过无线通信模块与所述的主控模块连接。

按上述装置，所述的轮椅运行状态监测模块包括速度检测模块和加速度传感器。

按上述装置，所述的报警显示模块包括蜂鸣器和led显示模块。

按上述装置，所述的电源模块包括充电电池，以及与充电电池链接的充电电路和稳压电路。

本发明的有益效果为：在智能控制的基础上，补充主动介入手段，对异常状况进行自动判断报警，提醒使用者主动介入，操纵主动控制模块来控制轮椅运行，以避免危险的发生，从而保证安全性。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例的工作流程图。

图3为主动控制模式切换为智能控制模式的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种主动介入式智能轮椅控制装置，包括主控模块，以及分别与主控模块连接的外部环境传感器、轮椅运行状态监测模块、操纵面板、报警显示模块、电源模块和轮椅驱动电机；所述的操纵面板上设有调档按钮、开关按钮和操纵杆；所述的主控模块用于执行以下主动介入式智能轮椅控制方法。外部环境传感器通过无线通信模块与所述的主控模块连接。轮椅运行状态监测模块包括速度检测模块和加速度传感器。

报警显示模块包括蜂鸣器和led显示模块。当出现异常情况时可通过蜂鸣器和led来提醒使用者注意安全，并且led可显示轮椅当前的档位情况。所述电源模块包括电源接口、充电电路、充电电池、5v稳压电路和24v稳压电路稳压，电源通过5v稳压电路与24v稳压电路稳压后分别给微控制器和电机进行供电。所述电源接口和左右电机接口均采用当前电动轮椅的通用接口，以增加控制装置的通用性。

另外，可以增设通用接口与主控模块连接，便于其他外部控制设备接入，可实现多种方式对轮椅的协同控制，使轮椅更加智能化。

一种主动介入式智能轮椅控制方法，如图2所示，它包括以下步骤：

轮椅有两种控制模式：主动控制模式，使用者通过操纵面板手动控制，操纵面板上设有按钮和操纵杆；智能控制模式，通过外部环境传感器采集的信号自动控制；

启动轮椅时自动进入智能控制模式；智能控制模式下，实时判断是否存在异常情况，若存在，则报警，提醒使用者进行主动介入；

在使用者对操纵面板有输入信号时进入主动控制模式；主动控制模式下，在一段时间内操纵杆信号的幅度均小于预设的幅度阈值，则自动切换为智能控制模式；

所述的异常情况包括：1)信号传输异常，即外部环境传感器采集的数据与主控模块之间的信号传输出现异常；2)外部环境传感器数据异常，即外部环境传感器采集的数据失真，或者根据采集的数据组成判断当前环境过于复杂；3)轮椅运行状态异常，即轮椅速度过快或倾斜角度过大。

外部环境传感器实时监测轮椅周围的环境情况，通过无线通信模块发送给主控模块，将此情况进行分析，若无异常则对轮椅进行智能控制，在出现异常情况时，则发出报警提醒使用者进行主动介入。

无线通信正常为外部环境传感器对轮椅进行控制的前提，因此当无线通信异常时，需使用者主动介入，不能通过智能控制模式控制轮椅。信号传输异常具体判断方法如下：外部环境传感器与所述的主控模块之间无线连接；查询无线连接的信号强度值r，若r小于阈值rthres1则认为无线通信链路很差，数据传输极易失败，判断信号传输异常；若r在阈值rthres1和阈值rthres2之间，且在时间段t内此状况发生的次数k大于阈值kthres，则表明无线通信链路不稳定，数据传输容易产生丢包，判断信号传输异常。

所述的外部环境传感器包括超声波测距传感器、红外测距传感器和摄像头。对于超声波测距传感器和红外测距传感器因环境的吸收反射等较易受到干扰，特别是在复杂环境下，测量数据本身可靠性大大降低，因此结合两者测量数据进行判断，若超声波测距传感器测量的障碍物距离和红外测距传感器测量的障碍物距离之间的差别大于设置的阈值则认为测量数据本身存在异常。同时采用目前常用的多传感器信息融合算法结合视觉感知系统、超声波测距传感器和红外测距传感器的测量数据等对轮椅周围环境进行综合判断，识别轮椅距离障碍物是否过近，轮椅周围是否存在多个障碍物及是否有人员移动等可能的危险情况。外部环境传感器数据异常具体判断方法如下：将超声波测距传感器和红外测距传感器采集的障碍物距离相比较，当得到的障碍物距离差值大于预设的距离差阈值，则判断外部环境传感器数据失真异常；当采集的障碍物距离过近，障碍物数量过多，则判断环境过于复杂异常。

通过测速模块获取轮椅速度v，若速度v大于速度阈值vthres，则认为轮椅速度过快；通加速度传感器获取加速度信号ax，ay，az，计算出x轴和y轴的合加速度ah，若合加速度ah大于合加速度阈值ahthres，且z轴加速度az大于z轴加速度阈值azthres，则认为轮椅有翻倒的危险；若速度和加速度均不超过阈值，则认为轮椅运行状态正常。轮椅速度过快或轮椅可能会翻倒，均认为轮椅运行状态异常，需要使用者本人进行介入，主动控制轮椅以避免危险的发生。

主动控制模式下，在一段时间内操纵杆信号的幅度均小于预设的幅度阈值，则自动切换为智能控制模式，具体判断方法如下：

获取操纵杆2个控制方向的模拟信号x和y，分别计算x和y与预设的各自的中位信号mx和my的差值；判断在一定时间范围内，所述的差值均在规定的阈值范围内，则切换为智能控制模式。

更具体的，如图3所示，1)获取轮椅操纵杆两个控制方向的模拟信号x和y，并分别计算x和y与各自的中位信号mx和my的差值。

2)判断差值是否在规定的阈值范围内，即|x-mx|<xthres且|y-my|<ythres,若否，则表示操纵杆输入信号较大，因此将计数器count清零，并将外部信号控制标识置为false；若是则表示操纵杆输入信号很小，因此将计数器count加一。

3)判断计数器count是否超出阈值cthres，若否，则认为操纵杆信号虽然很小但不能确定其是否稳定，因此仍将外部信号控制标识置为false；若是，则认为操纵杆信号在一段时间内均很小，故由此可认为操纵杆确实没有信号输入，因此将外部信号控制标识置为true,通过外部控制信号来对轮椅进行控制，同时为防止计数器count数值过大，将其置为其阈值cthres。

本发明采取主动介入的控制方式，将人的主动性和外部设备的强大感知控制能力相结合，一般情况下轮椅可通过外部环境传感器来获取轮椅周围的情况，通过无线通信模块实现轮椅的智能控制，同时当无线连接不稳定、轮椅运行状态异常以及外部设备存在盲区或感知数据异常时，控制系统可能会进行错误决策，因此需要使用者迅速介入，主动控制轮椅的运行状态，以避免危险的发生。外部信号控制与主动控制两种方式的结合，可使轮椅更加智能化，让使用者对轮椅的控制更加方便，同时更提高了智能轮椅的安全性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。