介入式主动操控智能轮椅的控制系统及方法与流程

本发明属于智能机器人轮椅领域，具体涉及一种介入式主动操控智能轮椅的控制系统及方法。

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。因此，能够科学有效的监测残疾人和老年人的活动状态，并为这样的弱势群体提供一种更好的智能轮椅具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种介入式主动操控智能轮椅的控制系统及方法，能够实现对轮椅使用者坐姿状态和轮椅运行状态的监测，不仅可以有效监测用户的身体姿态，而且可有效提升轮椅的安全性能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种介入式主动操控智能轮椅的控制系统，其特征在于，它包括：

数据采集模块，用于采集轮椅的椅面和脚踏的压力，以及轮椅的加速度；

唤醒模块，用于根据采集到的椅面的压力，判断轮椅上是否有人，若没有人则保持在童锁状态，若有人则解除锁定；

状态判断模块，用于在启动轮椅后根据轮椅的加速度，判断轮椅是否处于行驶状态；

坐姿提醒模块，用于在行驶状态下，根据采集到椅面的压力判断坐姿是否正确，当保持在不良坐姿的时间超过tthres1，则发出报警，并发送减速信号至减速控制模块；

脚踏提醒模块，用于在行驶状态下，根据采集到脚踏的压力判断脚是否正确的放置在脚踏上，当脚不当放置或者离开脚踏时间超过tthres2，则发出报警，并发送减速信号至减速控制模块；

减速控制模块，用于控制轮椅的两个电机接口，将当前行驶速度vwheelchair降低到安全速度vsafe以内，并解除报警状态。

按上述系统，所述的数据采集模块包括设置在轮椅椅面上的6个压力传感器和轮椅脚踏上的2个压力传感器，以及设置在轮椅轮辐上的加速度传感器；

设置在轮椅椅面上的6个压力传感器布局方式为：将椅面坐垫以长为行、宽为列平均分为5*5的方格，以椅面中心的一个方格为原点、行为横坐标、列为纵坐标构建二维坐标系，以方格为坐标单位，椅面上的6个压力传感器fsr1、fsr2、fsr3、fsr4、fsr5、fsr6的相对位置布局坐标分别为(1，-2),(-1，-2),(2，0),(-2，0),(1，2),(-1，2)；

放置在轮椅脚踏上的2个压力传感器fsr7和fsr8，分别放置在2个轮椅脚踏板的中央位置。

放置在轮椅轮辐上的加速度传感器位于轮辐中心点的位置。

按上述系统，所述的唤醒模块将用于收集椅面上的6个压力传感器的值，如果6个压力传感器的值同时小于fsrmin，则判断为轮椅上无人乘坐，否则为有人乘坐；所述的fsrmin为预设的在压力传感器上没有施加压力所产生的扰动值。

按上述系统，所述的加速度传感器采集轮椅在运行状态下的加速度(ax,ay,az)，ax、ay、az分别为加速度传感器模块基于重力原理产生的三个轴向的加速度；

所述的状态判断模块具体用于求出轮椅在运行状态下的加速度的合成值smv，若smv大于或等于预设的状态阈值amthres，则判断轮椅处于行驶状态，否则判断轮椅为静止状态。

按上述系统，所述的坐姿提醒模块具体用于将采集到的椅面上6个压力传感器的压力值(f1,f2,f3,f4,f5,f6)，按以下公式得出三维特征向量(copx,copy,copz)；

copx＝∑fi*xi/∑fi

copy＝∑fi*yi/∑fi

式中，copx和copy分别为椅面所在二维坐标系下两个轴向压力中心值；copz为两个轴向压力中心值的合成模值；fi为第i个压力传感器的压力值，xi和yi分别为第i个压力传感器的横坐标和纵坐标；

利用决策树分类器，来判断用户的坐姿状态。

按上述系统，所述的决策树分类器通过以下方式建立：

首先，定义5种姿态，正常、左倾、右倾、前倾、后倾，选取若干个测试者进行数据采集；通过提取可以反映人体姿态特征的压力传感器的特征量，利用决策树分类器对姿态进行人工预分类，得出各种不同姿态的特征量的阈值，识别出具体的姿态。

按上述系统，所述的脚踏提醒模块用于采集两个脚踏上的2个压力传感器的压力值，如果2个压力传感器的压力值有至少1个小于fsrmin，则判断为轮椅上的人的脚未正确放置在脚踏上，否则为正确放置；所述的fsrmin为预设的在压力传感器没有施加压力所产生的扰动值。

按上述系统，所述减速控制模块用于控制轮椅的两个电机接口，将当前行驶速度(vwheelchair)降低到安全速度(vsafe)以内，并解除报警状态。

一种智能轮椅，它包括轮椅本体，其特征在于：轮椅本体上设有所述的介入式主动操控智能轮椅的控制系统。

一种介入式主动操控智能轮椅的控制方法，其特征在于，它包括：

数据采集：采集轮椅的椅面和脚踏的压力，以及轮椅的加速度；

唤醒：根据采集到的椅面的压力，判断轮椅上是否有人，若没有人则保持在童锁状态，若有人则解除锁定；

状态判断：在启动轮椅后根据轮椅的加速度，判断轮椅是否处于行驶状态；

坐姿提醒：在行驶状态下，根据采集到椅面的压力判断坐姿是否正确，当保持在不良坐姿的时间超过tthres1，则发出报警，并发送减速信号至减速控制模块；

脚踏提醒：在行驶状态下，根据采集到脚踏的压力判断脚是否正确的放置在脚踏上，当脚不当放置或者离开脚踏时间超过tthres2，则发出报警，并发送减速信号至减速控制模块。

按上述方法，数据采集时，利用设置在轮椅椅面上的6个压力传感器和轮椅脚踏上的2个压力传感器，以及设置在轮椅轮辐上的加速度传感器；

设置在轮椅椅面上的6个压力传感器布局方式为：将椅面坐垫以长为行、宽为列平均分为5*5的方格，以椅面中心的一个方格为原点、行为横坐标、列为纵坐标构建二维坐标系，以方格为坐标单位，椅面上的6个压力传感器fsr1、fsr2、fsr3、fsr4、fsr5、fsr6的相对位置布局坐标分别为(1，-2),(-1，-2),(2，0),(-2，0),(1，2),(-1，2)；

放置在轮椅脚踏上的2个压力传感器fsr7和fsr8，分别放置在2个轮椅脚踏板的中央位置。

放置在轮椅轮辐上的加速度传感器位于轮辐中心点的位置。

按上述方法，坐姿提醒具体包括：将采集到的椅面上6个压力传感器的压力值(f1,f2,f3,f4,f5,f6)，按以下公式得出三维特征向量(copx,copy,copz)；

copx＝∑fi*xi/∑fi

copy＝∑fi*yi/∑fi

式中，copx和copy分别为椅面所在二维坐标系下两个轴向压力中心值；copz为两个轴向压力中心值的合成模值；fi为第i个压力传感器的压力值，xi和yi分别为第i个压力传感器的横坐标和纵坐标；

利用决策树分类器，来判断用户的坐姿状态。

本发明产生的有益效果是：结合用户检测和人体姿态识别，更好的控制智能轮椅的运行状态；并且采用多种特征值与对应的阈值相比较的方法，易于实施，算法的稳定性强；同时，克服了单一传感器的功能局限性，增强了智能轮椅的安全性能。

附图说明

图1是本发明一实施例的方法流程图；

图2是本发明一实施例的椅面的压力传感器安装示意图；

图3是本发明一实施例的硬件框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种介入式主动操控智能轮椅的控制系统，它包括：

数据采集模块，用于采集轮椅的椅面和脚踏的压力，以及轮椅的加速度。数据采集模块包括设置在轮椅椅面上的6个压力传感器和轮椅脚踏上的2个压力传感器，以及设置在轮椅轮辐上的加速度传感器；设置在轮椅椅面上的6个压力传感器布局方式为：如图2所示，将椅面坐垫以长为行、宽为列平均分为5*5的方格，以椅面中心的一个方格为原点、行为横坐标、列为纵坐标构建二维坐标系，以方格为坐标单位，椅面上的6个压力传感器fsr1、fsr2、fsr3、fsr4、fsr5、fsr6的相对位置布局坐标分别为(1，-2),(-1，-2),(2，0),(-2，0),(1，2),(-1，2)；放置在轮椅脚踏上的2个压力传感器fsr7和fsr8，分别放置在2个轮椅脚踏板的中央位置。

唤醒模块，用于根据采集到的椅面的压力，判断轮椅上是否有人，若没有人则保持在童锁状态，若有人则解除锁定，此时可以由看护人员或轮椅使用者手动启动轮椅。唤醒模块将用于收集椅面上的6个压力传感器的值，如果6个压力传感器的值同时小于fsrmin，则判断为轮椅上无人乘坐，否则为有人乘坐；所述的fsrmin为预设的在压力传感器上没有施加压力所产生的扰动值。本模块还可以包括解锁按钮，用于在无人乘坐状态时供看护人员手动解除童锁推动轮椅。

状态判断模块，用于在启动轮椅后根据轮椅的加速度，判断轮椅是否处于行驶状态。加速度传感器采集轮椅在运行状态下的加速度(ax,ay,az)，ax、ay、az分别为加速度传感器模块基于重力原理产生的三个轴向的加速度；所述的状态判断模块具体用于求出轮椅在运行状态下的加速度的合成值smv，若smv大于或等于预设的状态阈值amthres，则判断轮椅处于行驶状态，否则判断轮椅为静止状态。

坐姿提醒模块，用于在行驶状态下，根据采集到椅面的压力判断坐姿是否正确，当保持在不良坐姿的时间超过tthres1，则发出报警，并发送减速信号至速度控制模块，防止不必要的危险发生。坐姿提醒模块具体用于将采集到的椅面上6个压力传感器的压力值(f1,f2,f3,f4,f5,f6)，按以下公式得出三维特征向量(copx,copy,copz)；

copx＝∑fi*xi/∑fi

copy＝∑fi*yi/∑fi

式中，copx和copy分别为椅面所在二维坐标系下两个轴向压力中心值；copz为两个轴向压力中心值的合成模值；fi为第i个压力传感器的压力值，xi和yi分别为第i个压力传感器的横坐标和纵坐标；利用决策树分类器，来判断用户的坐姿状态。

决策树分类器通过以下方式建立：首先，定义5种姿态，正常、左倾、右倾、前倾、后倾，选取若干个测试者进行数据采集；通过提取可以反映人体姿态特征的压力传感器的特征量，利用决策树分类器对姿态进行人工预分类，得出各种不同姿态的特征量的阈值，识别出具体的姿态。

脚踏提醒模块，用于在行驶状态下，根据采集到脚踏的压力判断脚是否正确的放置在脚踏上，当脚不当放置或者离开脚踏时间超过tthres2，则发出报警，并发送减速信号至速度控制模块。脚踏提醒模块用于采集两个脚踏上的2个压力传感器的压力值，如果2个压力传感器的压力值有至少1个小于fsrmin，则判断为轮椅上的人的脚未正确放置在脚踏上，否则为正确放置；所述的fsrmin为预设的在压力传感器没有施加压力所产生的扰动值。

减速控制模块，用于控制轮椅的两个电机接口，将当前行驶速度(vwheelchair)降低到安全速度(vsafe)以内，并解除报警状态。

一种智能轮椅，它包括轮椅本体，轮椅本体上设有所述的介入式主动操控智能轮椅的控制系统。

一种介入式主动操控智能轮椅的控制方法，如图1所示，它包括以下步骤：

s1、数据采集：采集轮椅的椅面和脚踏的压力，以及轮椅的加速度。数据采集时，利用设置在轮椅椅面上的6个压力传感器和轮椅脚踏上的2个压力传感器，以及设置在轮椅轮辐上的加速度传感器；设置在轮椅椅面上的6个压力传感器布局方式为：将椅面坐垫以长为行、宽为列平均分为5*5的方格，以椅面中心的一个方格为原点、行为横坐标、列为纵坐标构建二维坐标系，以方格为坐标单位，椅面上的6个压力传感器fsr1、fsr2、fsr3、fsr4、fsr5、fsr6的相对位置布局坐标分别为(1，-2),(-1，-2),(2，0),(-2，0),(1，2),(-1，2)；放置在轮椅脚踏上的2个压力传感器fsr7和fsr8，分别放置在2个轮椅脚踏板的中央位置。

s2、唤醒：根据采集到的椅面的压力，判断轮椅上是否有人，若没有人则保持在童锁状态，若有人则解除锁定，可以由看护人员或轮椅使用者手动启动轮椅。在无人乘坐状态时则由看护人员手动解除童锁推动轮椅。

s3、状态判断：在启动轮椅后根据轮椅的加速度，判断轮椅是否处于行驶状态；

s4、坐姿提醒：在行驶状态下，根据采集到椅面的压力判断坐姿是否正确，当保持在不良坐姿的时间超过tthres1，则发出报警，并发送减速信号至速度控制模块，防止不必要的危险发生。

坐姿提醒具体包括：将采集到的椅面上6个压力传感器的压力值(f1,f2,f3,f4,f5,f6)，按以下公式得出三维特征向量(copx,copy,copz)；

copx＝∑fi*xi/∑fi

copy＝∑fi*yi/∑fi

式中，copx和copy分别为椅面所在二维坐标系下两个轴向压力中心值；copz为两个轴向压力中心值的合成模值；fi为第i个压力传感器的压力值，xi和yi分别为第i个压力传感器的横坐标和纵坐标；

利用决策树分类器，来判断用户的坐姿状态。

脚踏提醒：在行驶状态下，根据采集到脚踏的压力判断脚是否正确的放置在脚踏上，当脚不当放置或者离开脚踏时间超过tthres2，则发出报警，并发送减速信号至速度控制模块。更具体的，采集两个脚踏上的2个压力传感器的压力值，如果2个压力传感器的压力值有至少1个小于fsrmin，则判断为轮椅上的人的脚未正确放置在脚踏上，否则为正确放置；所述的fsrmin为预设的在压力传感器没有施加压力所产生的扰动值。

s5、减速控制：接收到减速信号之后，通过控制轮椅的两个电机接口，将当前行驶速度(vwheelchair)降低到安全速度(vsafe)以内，并解除报警状态。

本实施例中，在椅面上设置压力坐垫本体，上面布置了压力传感器fsr1、fsr2、fsr3、fsr4、fsr5、fsr6，其中(fsr3,fsr4)稍微放置在靠近坐垫边缘的位置，主要用来适应不同体型的人群。脚踏压力传感器模块布置了压力传感器(fsr7,fsr8)，主要在每个脚踏板上各布置一个压力传感器，用于监测用户是否在轮椅运行状态下将脚离开脚踏板。加速度传感器模块acc，主要布置在轮椅的右轮上，主要用于判断轮椅是否处于行驶状态。

图3是本发明实施例的电路原理图，微处理器模块主要处理所有的压力传感器和加速度传感器acc的数据，最后将处理后的结果以反馈报警的方式通知用户，通过减速控制模块对轮椅的运行速度进行智能的介入控制。

判断用户是否在轮椅上，使用阈值在微处理器模块上进行实施，在线识别是否有人在轮椅上。

判断轮椅是否处于行驶状态的流程：首先，我们定义两种运行状态，轮椅运行状态和轮椅静止，这两种运行状态的区别是轮椅运行瞬时加速度的不同，利用上述的测试者重新进行两种状态的实验，最后利用阈值法，对两种运行状态进行区分。

判断用户坐姿是否正确，通过采集椅面上6个压力传感器的值(fsr1,fsr2,fsr3,fsr4,fsr5,fsr6)，根据下面的三个公式得出特征向量(copx,copy,copz)。

copx＝∑fi*xi/∑fi

copy＝∑fi*yi/∑fi

然后，通过预设的决策树分类器算法，在硬件平台上实时的判断出坐姿状态。

判断用户脚是否离开脚踏的流程：首先，我们定义两种不同的脚踏状态，用户脚在脚踏上和用户脚不在脚踏上，利用上述的测试者重新进行两种状态的实验，最后利用阈值法，对两种脚踏状态进行区分。

该微处理器模块用于分析以上压力传感器和加速度传感器模块的数据，在轮椅上有人乘坐的情况时，当轮椅在行驶状态下，如果用户的姿态异常(非正常姿态就坐)，超过tthres1就有效的对用户进行报警，并通过减速控制模块降低轮椅的速度，防止不良坐姿造成运行过程中的轮椅倾翻；如果用户在轮椅行驶状态下，双脚离开脚踏，超过tthres2就有效的对用户进行报警，并通过减速控制模块降低轮椅的速度，防止轮椅运行过程中一些不确定因素造成对用户的伤害。本实施例中，tthres1和tthres2取值相等。

本发明通过压力传感器的使用有效实现了使用者的坐姿压力监测；通过脚踏压力传感器模块，有效的监测用户脚是否离开脚踏；通过加速度传感器模块，有效的区分轮椅是否处于行驶状态；该系统易于与轮椅集成、使用简单、成本低。有助于使用者及时了解调整自己的驾驶习惯，对轮椅使用者的人身安全有着重要的保障作用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。