用于共享控制的目标引导轮椅导航方法及系统

本发明总体上涉及轮椅导航，并且更具体地涉及用于共享控制的目标引导轮椅导航方法及系统。

背景技术：

1、随着许多国家的人口老龄化，对轮椅的需求不断增长。手动控制轮椅需要上肢力量及精细运动控制能力。上肢残障的人可能会发现执行手动控制极其困难，而即使是健康的使用者也可通过减少工作量而受益于辅助轮椅。机器人辅助轮椅旨在利用自主导航功能，通过共享控制为人们提供导航辅助。

2、传统自主导航从起始位置导航到达目标位置的通用框架，由全局规划器及局部规划器组成。给定的环境地图，全局规划器使用a*等启发式搜索算法计算起始位置与目标位置之间的路径。然后，诸如动态窗口方案(dynamic window approach)或定时弹性带之类的局部路径规划器，使用来自激光雷达或摄像机等各种传感器的信息，以局部跟踪该路径，同时满足运动动力学约束。

3、在用于轮椅导航的共享控制框架中，局部路径规划器被修改为也接收用户输入。一些传统框架仅向用户提供局部避障：换言之，其修改用户的输入，使得轮椅不会与障碍物碰撞。此类系统可能没有用户的最终目标的概念，或可能假设用户将遵循全局规划者确定的固定路径。因此，此类系统无法考虑人们的意图。

4、在没有任何最终目标的概念之下，很难协助完成精细的运动控制任务，例如急转弯或进入狭窄的门口的运动控制任务。因此，如果没有意图预测，共享控制系统可能会导致使用者不能转入狭窄的门口。

5、假设使用者将遵循由全局规划器确定的到达最终目标的路径且允许共享控制算法协助精细运动控制任务，然而，使用者可能有一些其他优选路径，因此不利地限制了用户的控制权限。各种研究显示，在得到协助的同时，使用者仍然希望在局部层面进行控制，并期望轮椅能够响应于他们的命令。然而，基于人类意图预测提供协助存在一些挑战，例如定义可能的人类意图集、基于用户提供的控制输入跟踪最可能的人类意图、以及向使用者提供适当的控制权。

6、大部分的基于人类意图预测的共享控制轮椅系统，没有完全解决该全部的挑战。其为非常具体的场景(例如导航到预定目标的门)或针对一组固定的预定的全局目标而开发的，因此不提供用户控制局部路径的选择。

7、因此，需要用于共享控制的目标引导轮椅导航方法及系统，其可协助精细运动任务并且还允许用户遵循他们的优选路径，同时解决了定义可能的人类意图集、跟踪基于用户提供的控制输入最有可能的人类意集，且向用户提供适当的控制的挑战。此外，其他期望的特征及特性从随后的详细描述和所附权利要求中，在结合附图及本公开的背景技术，将变得明显易懂。

技术实现思路

1、根据至少一个方面，本实施例提供一种用于目标引导导航系统的共享控制方法。该方法包括：生成用于导航到达预定目标的多条路径的用户意图集，及响应于计算到达所述预定目标的所述多条路径中的每条路径的概率，将用户意图集中的一个预测为优选路径。该方法还包括使用所述优选路径作为基于共享动态窗口方案(shared dynamic windowapproach)的局部路径规划的指南。

2、根据另一方面，本实施例提供一种具有共享控制方法的目标引导导航系统。该目标引导导航系统包括用户控制设备及共享导航控制器。所述共享导航控制器耦接于所述用户控制设备，并生成用户意图集以用于导航到达预定目标的多条路径。所述共享导航控制器还可响应于计算到达所述预定目标的所述多条路径中的每条路径的概率，将用户意图集中的一个预测为优选路径，以及使用所述优选路径作为基于共享动态窗口方案(shareddynamic window approach)的局部路径规划的指南，其中基于所述共享动态窗口的所述局部路径规划包括识别从所述用户移动控制接收的用户输入。此外，所述共享导航控制器进一步基于所述用户输入确定最终控制命令。

3、根据又一方面，本实施例提供一种计算机可读介质。该计算机可读介质包括用于共享导航控制器以执行用于共享控制的目标引导导航的方法的指令。所述指令使得所述共享导航控制器生成用户意图集以用于导航到达预定目标的多条路径，及响应于计算到达所述预定目标的所述多条路径中的每条路径的概率，将用户意图集中的一个预测为优选路径。所述指令还使得所述共享导航控制器使用所述优选路径为基于共享动态窗口方案(shared dynamic window approach)的局部路径规划的指南，其中所述基于共享动态窗口的局部路径规划包括识别接收到的用户输入。所述指令还使得所述共享导航控制器根据所述用户输入，确定最终控制命令。

技术特征：

1.一种共享控制的目标引导导航方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生成用于导航到达预定目标的多条路径的用户意图集包括：使用同伦类限制所述多条路径的数量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生成用于导航到达预定目标的多条路径的用户意图集还包括：使用沃洛诺伊图计算所述多条路径中属于每个所述同伦类的路径。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算到达预定目标的多条路径中的每条路径的概率包括：维持所述同伦类中的所述多条路径中每条路径的概率分布。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述维持所述同伦类中的所述多条路径中的每条路径的所述概率分布包括：使用maxentirl维持所述同伦类中的所述多条路径中的每条路径上的所述概率分布。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述计算到达预定目标的多条路径中的每条路径的概率包括：基于成本函数计算所述概率。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述基于共享dwa的局部路径规划包括识别用户输入，所述方法还包括：基于所述用户输入确定最终控制命令。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，其中确定所述最终控制命令以用于所述目标引导导航包括：使用内循环混合确定所述最终控制命令以用于所述目标引导导航。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其特征在于，所述确定所述最终控制命令以用于所述目标引导导航包括：确定所述最终控制命令以用于所述目标引导导航，同时计算所述基于共享dwa的局部路径规划中的各个可能速度的奖励。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述基于所述用户输入确定所述最终控制命令包括：基于加权用户输入确定最终控制命令，其中所述加权用户输入的加权因子由响应于所述优选路径的环境的拥挤测量值确定。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述加权用户输入的所述加权因子由响应于通过可能的同伦类导航到达所述预定目标的行动进一步确定。

12.一种共享控制的目标引导导航系统，其特征在于，所述系统包括：

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述共享导航控制器生成用户意图集以用于导航到达预定目标的多条路径包括：使用同伦类限制所述多条路径的数量，以及使用沃洛诺伊图计算所述多条路径中属于每个所述同伦类的路径。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述共享导航控制器通过维持所述同伦类中的所述多条路径中的每条路径的概率分布，计算到达所述预定目标的所述多条路径中的每条路径的所述概率。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的系统，其特征在于，所述共享导航控制器通过基于成本函数计算所述概率，计算到达所述预定目标的所述多条路径中的每条路径的所述概率。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的系统，其特征在于，所述共享导航控制器使用内循环混合确定所述最终控制命令以用于所述目标引导导航。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的系统，其特征在于，所述共享导航控制器确定所述最终控制命令以用于目标引导导航，同时计算基于共享dwa的局部路径规划中的各个可能速度的奖励。

18.根据权利要求12至17中任一项所述的系统，其特征在于，所述共享导航控制器基于加权用户输入以确定所述最终控制命令，其中所述共享导航控制器响应于优选路径的环境的拥挤测量值，以计算所述加权用户输入的加权因子。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述共享导航控制器进一步响应于通过可能的同伦类，导航到达所述预定目标的行动，进一步计算所述加权用户输入的所述加权因子。

20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述共享导航控制器为轮椅导航控制器。

21.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质包括用于共享导航控制器以执行用于共享控制的目标引导导航的方法的指令，其特征在于，所述指令使得所述共享导航控制器：

技术总结
提供了用于目标引导轮椅导航的共享控制方法、系统及计算机可读存储器。根据另一方面，本实施例提供一种共享控制的目标引导导航系统。目标引导导航系统的共享控制包括用户控制设备及共享导航控制器。共享导航控制器耦接于用户移动控制设备，并生成用户意图集以用于导航到达预定目标的多条路径。共享导航控制器还响应于计算到达所述预定目标的所述多条路径中的每条路径的概率，预测用户意图集中的一个为优选路径，及使用所述优选路径为基于共享动态窗口方法(DWA)的局部路径规划的指南，基于共享DWA的局部路径规划识别从所述用户移动控制接收的用户输入。此外，共享导航控制器基于用户输入确定最终控制命令。

技术研发人员：洪维德,尼哈·普里雅达什尼·加尔格,雷震,陈邦毅,李磊,林仁丰
受保护的技术使用者：南洋理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15