一种多功能智能轮椅控制系统及相应的控制方法与流程

本发明属于医疗护理设备技术领域，用于满足行动不便人士的代步，具体地说是一种多功能智能轮椅控制系统及相应的控制方法。

背景技术：

轮椅分为电动和手动折叠轮椅，是用于伤员、病员、残疾人在家康复、周转运输、就诊、外出活动的重要移动工具，它不仅满足肢体伤残者和行动不便人士的代步，更重要的是方便家属移动和照顾病员，使病员借助于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动；

随着科技的进步，人们已经研制出了具有多种功能的智能轮椅以适应不同的应用场景，如导航、避碰等功能。然而，现有的电动轮椅或者智能轮椅在解决以上场景的应用时方面还存在着不足，如操作复杂、人机交互体验不高等。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种多功能智能轮椅控制系统，以期能够解决现有技术存在的问题。

本发明的另外一个目的是提供一种多功能智能轮椅的控制方法。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：

一种多功能智能轮椅控制系统，它包括uwb室内定位子系统、智能移动终端以及安装在智能轮椅上的行走驱动装置、控制单元、数据传输模块、场景信息检测装置、操作装置和声光报警装置；

所述uwb室内定位子系统包括若干个设置在要实现导航的建筑物内的定位基站和安装在智能轮椅上的定位标签；

所述控制单元通过行走驱动装置驱动智能轮椅行进，行走驱动装置包括主动轮轮毂电机、转向步进电机，控制单元通过第一驱动器与主动轮轮毂电机相连，控制单元通过转向步进电机自带的转向驱动器与转向步进电机的驱动输入端相连，转向步进电机的反馈信号输出端与控制单元的转向反馈信号输入端相连；

所述数据传输模块集成有gps/北斗定位模块、并通过wifi或者gprs信号与智能移动终端相连，数据传输模块和智能移动终端均与互联网相连，所述智能移动终端内置智能轮椅客户端，智能移动终端通过数据传输模块与控制单元相连；

所述场景信息检测装置与控制单元的场景信息输入端相连，操作装置与控制单元的命令输入端相连，控制单元的报警信号输出端与声光报警装置的控制信号输入端相连。

作为限定：所述场景信息检测装置包括安装于智能轮椅底部的360°激光扫描雷达和安装于智能轮椅前部的固态面阵雷达/双目视觉相机。

作为第二种限定：所述一种多功能智能轮椅控制系统还包括安装在智能轮椅上的陀螺仪、压力传感器和越障驱动机构，所述陀螺仪安装于智能轮椅的底座下、并通过总线与控制单元相连，所述压力传感器安装于轮椅的探轮连接轴座上、并与控制单元相连；

所述越障驱动机构包括腿板旋转步进电机、探出机构步进电机、车架滑台步进电机、支腿抬升步进电机、支腿伸缩步进电机、脚踏板旋转步进电机、探轮轮毂电机和第二驱动器；

所述支腿抬升步进电机包括主动腿抬升步进电机和从动腿抬升步进电机；

所述腿板旋转步进电机、探出机构步进电机、车架滑台步进电机、主动腿抬升步进电机、从动腿抬升步进电机、支腿伸缩步进电机、脚踏板旋转步进电机一方面通过各自所安装的驱动器与控制单元的驱动信号输出端相连、另一方面通过各自的编码器与控制单元的越障反馈输入端相连；

所述控制单元通过第二驱动器与探轮轮毂电机相连。

作为第三种限定：所述操作装置包括内置电路、操作面板和设于操作面板上的万向手柄；

所述内置电路包括cpu、a/d转换模块、x轴霍尔传感器、y轴霍尔传感器、z轴霍尔传感器、光耦模块、电源模块、can总线控制器和外部接口；

所述x轴霍尔传感器、y轴霍尔传感器和z轴霍尔传感器均设置在万向手柄内，并分别通过a/d转换模块与cpu相连；

所述电源模块一方面通过外部接口与外界电源相连、另一方面与cpu相连，cpu通过can总线控制器与外部接口相连；

所述操作面板上还设置有按键矩阵，按键矩阵包括设置在万向手柄上的手柄按键和设置在操作面板上的快捷键，按键矩阵通过光耦模块与cpu相连。

一种多功能智能轮椅的控制方法，采用上述的一种多功能智能轮椅控制系统来实现，该控制方法按照以下步骤顺序进行：

一、标定uwb室内定位子系统坐标和世界坐标

使用者首先通过智能轮椅客户端将uwb室内定位子系统的坐标系与世界坐标系进行标定，以实现uwb室内定位子系统的坐标系和世界坐标系的统一；

二、建立室内平面布置图

移动智能客户端利用内置工具在统一后的坐标系下构建室内平面布置图；

所述室内平面布置图包含室内家具、门窗的位置、尺寸以及室内的预设坐标点；

三、规划路径并优化路径

移动智能终端根据当前点智能轮椅的坐标和使用者选定的目标点的坐标以及室内平面布置图，采用路径规划算法自动规划路径并优化路径，然后根据内置的程序逻辑将规划结果转换为路径信息并通过数据传输模块发送至控制单元；

四、控制单元控制智能轮椅动作

控制单元根据路径信息和接收到的反馈信息输出驱动信号，通过行走驱动装置驱动智能轮椅向目标点行进。

作为限定，所述路径规划算法包括全局规划算法；

所述全局规划算法为a*启发式搜索算法，按照以下步骤顺序进行：

（一）将构建好的室内平面布置图按照智能轮椅平面尺寸为最小栅格进行栅格化，栅格化形成的栅格地图包含了可走区域和不可走区域；

（二）将智能轮椅周边的可走区域加入到开放列表中,将智能轮椅走过的方格加入到封闭列表，将智能轮椅所在方格设置为“父节点”；

（三）按照等式f=g+h计算开放列表中各每个方格的f值，并选择最小f值的方格作为目标点进行移动，同时将出发点方格加入封闭列表并设置为“父节点”；

所述g表示从起点移动到指定方格的移动代价，h表示从指定方格移动到目标点的估算成本；

（四）重复步骤（三），直至将目标点加入开放列表中，此时将所有“父节点”方格连接起来后形成的路线就是从起点到目标点的最优路径；

当最优路径上突然出现障碍物时，采用局部算法对最优路径进行调整以避开障碍物，调整方法是等待或者按照沿墙搜索的方式绕开障碍物后继续行进。

作为第二种限定，所述场景信息检测装置包括安装于智能轮椅底部的360°激光扫描雷达和安装于智能轮椅前部的固态面阵雷达\双目视觉相机；

在步骤四向目标地点行过程中，360°激光扫描雷达实时扫描环境信息并反馈至控制单元，如果检测到“真实障碍物”且障碍物距离小于轮椅报警数值，则控制单元进行“避碰处理”并同时通过声光报警装置发出警报；避碰处理结束后，控制单元再通过主动轮轮毂电机驱动主动轮带动智能轮椅行进；

所述“真实障碍物”是指不能跨越或者爬升通过的障碍物；

所述“避碰处理”按照以下步骤顺序进行：

s1、在行进过程中，360°激光扫描雷达实时扫描周围环境并把被测点距与自身之间的角度和距离值发送至控制单元；

s2、控制单元经过数据处理之后经过数据空间重构、坐标转换、点位筛选、距离标定、报警逻辑控制后，对智能轮椅进行避碰动作控制和声光报警控制，或者直接通过人机界面显示由数据空间重构形成的2d点云图；

其中，所述空间重构，是将360°激光雷达发送的角度和距离值还原成空间内的360度点云图信息；

所述坐标变换，是将360度点云图信息的坐标原点依据360°激光扫描雷达和智能轮椅安装平面的相对位置，把雷达的坐标当成轮椅的坐标；

所述点位筛选，是在点云图信息中屏蔽掉360°激光扫描雷达安装支撑件、轮椅结构件和自身体积占空间信息；

所述距离标定，是设定智能轮椅与障碍物之间的报警距离值；

所述报警逻辑控制，是当智能轮椅和障碍物之间的距离达到报警距离值时，控制单元将控制声光报警装置报警。

作为第三种限定，所述场景信息检测装置包括安装于智能轮椅底部的360°激光扫描雷达和安装于智能轮椅前部的固态面阵雷达\双目视觉相机；

该控制系统还包括安装在智能轮椅上的陀螺仪、压力传感器和越障驱动机构，所述陀螺仪安装于智能轮椅的底座下、并通过总线与控制单元相连，所述压力传感器安装于轮椅的探轮连接轴座上、并与控制单元相连；

所述越障驱动机构包括腿板旋转步进电机、探出机构步进电机、车架滑台步进电机、支腿抬升步进电机、支腿伸缩步进电机、脚踏板旋转步进电机、探轮轮毂电机和第二驱动器；

所述支腿抬升步进电机包括主动腿抬升步进电机和从动腿抬升步进电机；

所述腿板旋转步进电机、探出机构步进电机、车架滑台步进电机、主动腿抬升步进电机、从动腿抬升步进电机、支腿伸缩步进电机、脚踏板旋转步进电机一方面通过各自所安装的驱动器与控制单元的驱动信号输出端相连、另一方面通过各自的编码器与控制单元的越障反馈输入端相连；

所述控制单元通过第二驱动器与探轮轮毂电机相连；

在步骤四向目标地点行过程中，当遇到需要跨越的障碍物时，控制单元将控制智能轮椅完成越障流程，所述越障过程按照以下步骤顺序进行：

①、固态面阵雷达/双目视觉相机实时扫描智能轮椅前方360°激光扫描雷达识别的区域的场景并得到该场景的深度信息，然后发送至控制单元；

所述深度信息由厘米级的点云数据组成，点云数据包含了该点的深度信息，即该点到固态面阵雷达/双目视觉相机的空间相对位置信息；

②、控制单元从获得的深度信息中提取障碍物的特征信息；

③、控制单元控制行走驱动装置和越障驱动机构驱动智能轮椅完成越障流程；

在步骤三进行的过程中，还包括以下过程，使用者通过操作装置终止或者干预越障流程或者切换至手动模式后通过手动操作完成越障流程；

在步骤三进行的同时，陀螺仪检测智能轮椅的水平角度以及加速度信息并反馈至控制单元，当智能轮椅的水平角度或者加速度值不在正常范围内时，控制单元控制声光报警装置报警，并控制行走驱动装置和越障驱动机构执行故障处理、令智能轮椅停止行进。

作为进一步限定，所述步骤②中，控制单元提取障碍物的特征信息之前要对收到的深度信息进行误差修正；

所述误差修正按照以下步骤顺序进行：

首先根据固态面阵雷达\双目视觉相机的安装水平度、高度、倾斜度，确定安装误差，然后利用三维坐标变换的方式，对深度信息中的每个点进行校正，消除安装误差所带来的影响，最后将坐标原点移动至智能轮椅的座椅的水平高度。

作为对越障流程的第二种限定，当障碍物是“台阶类障碍物”时，越障流程按照方法一执行，当障碍物是“门槛类障碍物”越障流程按照方法二执行；其中，

ⅰ、方法一

方法一包括依次进行的以下步骤：

a1、控制单元通过支腿伸缩步进电机驱动智能轮椅升高到与台阶等高位置，通过腿板旋转步进电机驱动腿板旋转至水平；

a2、控制单元通过第一驱动器带动主动轮轮毂电机驱动智能轮椅向前移动直至探轮位于障碍物上方，然后再次通过腿板旋转步进电机控制腿板向下旋转，同时通过探出机构步进电机驱动探轮向外伸出直至压力传感器检测到符合条件的轮压并反馈至控制单元时，控制单元控制腿板旋转步进电机停止运行，并通过第二驱动器带动探轮轮毂电机控制探轮原地制动，接着控制单元通过车架滑台步进电机驱动智能轮椅底座向前滑动直至其重心位于障碍物上方；

a3、控制单元通过主动腿抬升步进电机驱动主动轮所在支腿收起；

a4、控制单元通过第二驱动器带动探轮轮毂电机驱动探轮带动智能轮椅向前移动直至主动轮位于障碍物上方；

a5、控制单元通过主动腿抬升步进电机驱动主动轮下降并着地，然后通过从动腿抬升步进电机驱动从动轮所在支腿收起；

a6、控制单元通过第一驱动器带动主动轮轮毂电机、通过第二驱动器带动探轮轮毂电机分别驱动主动轮、探轮带动智能轮椅向前移动直至从动轮位于障碍物上方；

a7、控制单元通过支腿伸缩步进电机驱动主动轮、从动轮各自所在支腿伸长/收缩直至智能轮椅恢复初始状态；

ⅱ、方法二

方法二包括依次进行的以下步骤：

b1、控制单元通过腿板旋转步进电机驱动腿板旋转至水平位置，同时控制脚踏板旋转步进电机驱动脚踏板旋转至使用者指定的位置；

b2、控制单元通过第一驱动器带动主动轮轮毂电机驱动智能轮椅向前移动直至探轮越过障碍物，然后通过腿板旋转步进电机控制腿板向下旋转、通过脚踏板旋转步进电机调整脚踏板的位置，同时通过探出机构步进电机驱动探轮向外伸出直至压力传感器检测到符合条件的轮压并反馈至控制单元时，控制单元控制腿板旋转步进电机停止运行，并通过第二驱动器带动探轮轮毂电机控制探轮原地制动；

b3、控制单元通过主动腿抬升步进电机驱动主动轮所在支腿收起，然后控制单元通过第二驱动器带动探轮轮毂电机驱动探轮带动智能轮椅向前移动直至主动轮越过障碍物之后，通过主动腿抬升步进电机驱动主动轮下降并着地；

b4、控制单元通过从动腿升降步进电机驱动从动轮所在支腿收起，然后通过第一驱动器带动主动轮轮毂电机、通过第二驱动器带动探轮轮毂电机分别驱动主动轮、探轮带动智能轮椅向前移动直至从动轮越过障碍物；

b5、控制单元通过支腿伸缩步进电机驱动主动轮、从动轮各自所在支腿伸长/收缩直至智能轮椅恢复初始状态；

所述“台阶类障碍物”是指能够通过爬升越过的障碍物，所述“门槛类障碍物”是指能够跨越的障碍物。

作为第三种限定，所述操作装置包括内置电路、操作面板和设于操作面板上的万向手柄；

所述内置电路包括cpu、a/d转换模块、x轴霍尔传感器、y轴霍尔传感器、z轴霍尔传感器、光耦模块、电源模块、can总线控制器和外部接口；

所述x轴霍尔传感器、y轴霍尔传感器和z轴霍尔传感器均设置在万向手柄内，并分别通过a/d转换模块与cpu相连；

所述电源模块一方面通过外部接口与外界电源相连、另一方面与cpu相连，cpu通过can总线控制器与外部接口相连；

所述操作面板上还设置有按键矩阵，按键矩阵包括设置在万向手柄上的手柄按键和设置在操作面板上的快捷键，按键矩阵通过光耦模块与cpu相连；

在步骤四向目标地点行过程中，如需转向则按照以下步骤完成转向流程：

c1、使用者通过旋转万向手柄选取转向的目标角度、并通过快捷键选择转向模式；

c2、x轴霍尔传感器、y轴霍尔传感器和z轴霍尔传感器将万向手柄旋转的角度通过a/d转换模块发送至cpu，快捷键选取的转向模式经过光耦模块之后传送到cpu，cpu将收到的目标角度数据和转向模式数据处理之后通过can总线控制器发送至控制单元；

c3、控制单元根据收到的目标角度数据和转向模式数据，经过坐标变换、转向角度计算，然后结合转向步进电机反馈的角度进行pid调节之后，向转向步进电机发出驱动信号；

c4、转向步进电机驱动智能轮椅转向。

作为更进一步限定，所述转向模式包括八字模式、斜行模式、蟹行模式、摆尾模式、摆头模式和原地回转模式，假设主动轮和从动轮的初始朝向都是平行于智能轮椅的前进方向；

所述八字模式是指，位于智能轮椅同一侧的第一组从动轮和主动轮按照相反的方向旋转相同的角度，位于智能轮椅另一侧的第二组从动轮、主动轮旋转至二者与第一组从动轮、主动轮的“相切圆”的圆心三点确定的圆相切；

所述第一组从动轮、主动轮的“相切圆”是指与旋转后的第一组从动轮、主动轮均相切的圆；

所述邪行模式是指，两个主动轮和两个从动轮按照同一方向旋转同一角度，朝向目标前进方向；

所述蟹行模式是指，两个主动轮和两个从动轮的朝向均垂直于智能轮椅的前进方向；

所述摆尾模式是指，两个主动轮的朝向不变，两个从动轮按照同一方向旋转同一个角度；

所述摆头模式是指，两个从动轮的朝向不变，两个主动轮按照同一方向旋转同一个角度；

所述原地回转模式是指，以两个主动轮和两个从动所在的圆为圆心，四者分别旋转至与该圆相切的位置。

本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本发明的uwb室内定位子系统、智能移动终端以及安装在智能轮椅上的行走驱动装置、控制单元、数据传输模块、场景信息检测装置和操作装置一起构成智能轮椅的导航系统，不仅能够为使用者提供便捷的导航服务，还具有集成化程度高、体积小、重量轻、成本低、便于安装、操作简单等优点；

（2）本发明的采用360°激光扫描雷达和安装于智能轮椅前部的固态面阵雷达/双目视觉相机场景信息检测装置，能够获取智能轮椅周围的三维场景信息，为正常行进和能够越障、避碰、转向流程提供更精确的数据；

（3）本发明在智能轮椅上安装陀螺仪、压力传感器，能够为智能轮椅的导航过程提供更精确的数据反馈；在智能轮椅上安装越障驱动机构和固态面阵雷达/双目视觉相机配合，能够驱动智能轮椅完成越障流程，大大降低了手动操作的难度，提升了使用者的应用体验和产品性能；

（4）本发明的操作装置包括内置电路、操作面板和设于操作面板上的万向手柄，进一步提高了整个系统的集成化程度、降低了成本，同时降低了操作难度；

（5）本法提供的多功能智能轮椅的控制方法，采用了uwb这样的短距离室内定位技术，因此能够建立起世界坐标系而不是基于智能轮椅自身感知所获取信息来进行引导，这样在同一坐标系下将现实室内布局转化为虚拟场景，结合路径规划算法可以迅速准确地规划出最优路径，大大降低了智能轮椅在室内等复杂环境下的操作难度，简化了操作过程，提升了应用体验；

（6）本发明的控制方法采用了高精度的点云图的信息呈现形式，使能智能轮椅在避碰范围、灵敏度和精度方面都有巨大的提升，可实现全方位无死角的障碍物监测；

（7）本发明的路径规划算法采用全局规划算法和局部算法结合的方式，进一步提高了导航的准确性；

（8）本发明的避碰处理过程逻辑严谨，进一步提高了智能轮椅的灵敏度和精确度；

（9）本发明在越障流程中，能够对障碍物进行识别和测量，从而引导智能轮椅自动完成越障过程，大大降低了手动操作的难度，提升了使用者的应用体验和产品性能；

（10）本发明在提取障碍物的特征信息之前要对收到的深度信息进行误差修正，进一步提了高导航的准确性。

本发明适用于医疗护理设备技术领域。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明实施例1安装在多功能智能轮椅上的局部结构示意图；

图2为本发明实施例1安装在多功能智能轮椅上的另一角度的局部结构示意图；

图3为本发明实施1的原理框图；

图4为本发明实施例1中的uwb室内定位子系统结构示意图；

图5为本发明实施例1的智能轮椅客户端的界面示意图；

图6为本发明实施1的操作装置的局部结构示意图；

图7为本发明实施例1的操作装置的电路框图；

图8为本发明实施例2的流程图；

图9为本发明实施例2的路径规划算法示意图；

图10为本发明实施例2的路径规划算法的另一个示意图；

图11为本发明实施例3的流程图；

图12为本发明实施例4的流程图；

图13为本发明实施4的方法一的越障示意图；

图14为本发明实施例4的方法二的越障示意图；

图15为本发明实施例5的流程图；

图16a为本发明实施例5的八字模式示意图；

图16b为本发明实施例5的斜行模式示意图；

图16c为本发明实施例5的蟹行模式示意图；

图16d为本发明实施例5的摆尾模式示意图；

图16e为本发明实施例5的摆头模式示意图；

图16f为本发明实施例5的原地回转模式示意图。

图中：1、操作装置，2、双目视觉相机，3、探轮，4、压力传感器，5、固态面阵雷达，6、转向步进电机，7、主动轮，8、控制单元，9、腿板旋转步进电机，10、脚踏板旋转步进电机，11、靠背旋转步进电机，12、车架滑台步进电机，13、支腿抬升步进电机，14、支腿伸缩步进电机，15、陀螺仪，16、操作面板，17、万向手柄，18、手柄按键，19、快捷键。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1一种多功能智能轮椅控制系统

如图1-图3所示，本实施例包括uwb室内定位子系统、智能移动终端以及安装在智能轮椅上的行走驱动装置、控制单元8、数据传输模块、场景信息检测装置、操作装置1、声光报警装置、陀螺仪15、压力传感器4和越障驱动机构。

如图4所示，uwb室内定位子系统包括若干个设置在要实现导航的建筑物内的定位基站和安装在智能轮椅上的定位标签。

控制单元8通过行走驱动装置驱动智能轮椅行进，行走驱动装置包括主动轮轮毂电机、转向步进电机6，控制单元8通过第一驱动器与主动轮轮毂电机相连，控制单元8通过转向步进电机6自带的转向驱动器与转向步进电机6的驱动输入端相连，转向步进电机6的反馈信号输出端与控制单元8的转向反馈信号输入端相连。

数据传输模块集成有gps/北斗定位模块、并通过wifi或者gprs信号与智能移动终端相连，数据传输模块和智能移动终端均与互联网相连。如图5所示，智能移动终端内置智能轮椅客户端，智能移动终端通过数据传输模块与控制单元相连，能够用来远程操控智能轮椅、设置移动目标点、监控智能轮椅的状态和报警以及作为uwb室内定位子系统的后台设备，对uwb室内定位子系统进行设置和管理等，如图5中，预设的移动目标点包括厨房、客厅、餐厅、阳台、主卧、客卧、卫生间、出门，使用者还可根据需求设置其它的移动目标点。

场景信息检测装置与控制单元8的场景信息输入端相连，操作装置1与控制单元8的命令输入端相连。本实施例中，场景信息检测装置包括安装于智能轮椅底部的360°激光扫描雷达和安装于智能轮椅前部的固态面阵雷达5/双目视觉相机2，固态面阵雷达5/双目视觉相机2两者择其一安装于轮椅即可实现相应功能，通过双目视差测距法或者激光测距法获得一定视场角内的深度信息，用于提取和识别目标障碍物。

控制单元8的报警信号输出端与声光报警装置的控制信号输入端相连

陀螺仪15安装于智能轮椅的底座下、并通过总线与控制单元8相连。压力传感器4安装于轮椅的探轮连接轴座上、并与控制单元8相连。

越障驱动机构包括腿板旋转步进电机9、探出机构步进电机、车架滑台步进电机12、支腿抬升步进电机13、支腿伸缩步进电机14、脚踏板旋转步进电机10、探轮轮毂电机和第二驱动器，支腿抬升步进电机13包括主动腿抬升步进电机和从动腿抬升步进电机；腿板旋转步进电机9、探出机构步进电机、车架滑台步进电机12、主动腿抬升步进电机、从动腿抬升步进电机、支腿伸缩步进电机14、脚踏板旋转步进电机10一方面通过各自所安装的驱动器与控制单元8的驱动信号输出端相连、另一方面通过各自的编码器与控制单元8的反馈输入端相连；控制单元8通过第二驱动器与探轮轮毂电机相连。

如图6和图7所示，操作装置1包括内置电路、操作面板16和设于操作面板16上的万向手柄17；内置电路包括cpu、a/d转换模块、x轴霍尔传感器、y轴霍尔传感器、z轴霍尔传感器、光耦模块、电源模块、can总线控制器和外部接口；x轴霍尔传感器、y轴霍尔传感器和z轴霍尔传感器均设置在万向手柄17内，并分别通过a/d转换模块与cpu相连；电源模块一方面通过外部接口与外界电源相连、另一方面与cpu相连，cpu通过can总线控制器与外部接口相连；操作面板16上还设置有按键矩阵，按键矩阵包括设置在万向手柄17上的手柄按键18和设置在操作面板16上的快捷键19，按键矩阵通过光耦模块与cpu相连。

本实施例还安装有靠背旋转步进电机11，控制单元通过靠背旋转步进电机11驱动智能轮椅的靠背旋转，将其放平，使智能轮椅可以作为床使用。

本实施例中的360°激光扫描雷达、数据传输模块、驱动器与陀螺仪15集成为一个模块安装，以提高智能轮椅控制系统的集成度。

实施例2一种多功能智能轮椅的控制方法

本实施例采用实施例1来实现，如图8所示，本实施例按照以下步骤顺序进行：

一、标定uwb室内定位子系统坐标和世界坐标

使用者首先通过智能轮椅客户端将uwb室内定位子系统的坐标系与世界坐标系进行标定，以实现uwb室内定位子系统的坐标系和世界坐标系的统一；

二、建立室内平面布置图

移动智能客户端利用内置工具在统一后的坐标系下构建室内平面布置图；

所述平面布置图包含室内家具、门窗的位置、尺寸以及室内的预设坐标点；

所述预设坐标点是指预留设备坐标点；

三、规划路径并优化路径

移动智能终端根据当前点智能轮椅的坐标和使用者选定的目标点的坐标以及室内平面布置图，采用路径规划算法自动规划路径并优化路径，然后根据运动控制算法将规划结果转换为路径信息并通过数据传输模块发送至控制单元8；

四、控制单元8控制智能轮椅动作

控制单元8根据路径信息和接收到的反馈信息输出驱动信号，通过行走驱动装置驱动智能轮椅向目标点行进。

本实施中路径规划算法采用全局规划算法和局部算法相结合实现。如图9和图10所示，其中全局规划算法为a*启发式搜索算法，按照以下步骤顺序进行：

（一）将构建好的室内平面布置图按照智能轮椅平面尺寸为最小栅格进行栅格化，栅格化形成的栅格地图包含了可走区域和不可走区域；

（二）将智能轮椅周边的可走区域加入到开放列表中,将智能轮椅走过的方格加入到封闭列表，将智能轮椅所在方格设置为“父节点”；

（三）按照等式f=g+h计算开放列表中各每个方格的f值，并选择最小f值的方格作为目标点进行移动，同时将出发点方格加入封闭列表并设置为“父节点”；

所述g表示从起点移动到指定方格的移动代价，h表示从指定方格移动到目标点的估算成本；

（四）重复步骤（三），直至将目标点加入开放列表中，此时将所有“父节点”方格连接起来后形成的路线就是从起点到目标点的最优路径；

当最优路径上突然出现障碍物时，采用局部算法对最优路径进行调整以避开障碍物，调整方法是等待或者按照沿墙搜索的方式绕开障碍物后继续行进。

实施例3一种多功能智能轮椅的避碰处理方法

实施例2中，在步骤四中，向目标地点行过程中，360°激光扫描雷达实时扫描环境信息并反馈至控制单元8，如果检测到“真实障碍物”且障碍物距离小于轮椅报警数值，则控制单元8进行“避碰处理”并同时通过警报装置发出警报；避碰处理结束后，控制单元8再通过主动轮轮毂电机驱动主动轮7带动智能轮椅行进；“真实障碍物”是指不能跨越或者爬升通过的障碍物。

如图11所示，“避碰处理”按照以下步骤顺序进行：

s1、在行进过程中，360°激光扫描雷达实时扫描周围环境并把被测点距与自身之间的角度和距离值发送至控制单元8；

s2、控制单元8经过数据处理之后经过数据空间重构、坐标转换、点位筛选、距离标定、报警逻辑处理后，对智能轮椅进行避碰动作控制和声光报警控制，或者直接通过人机界面显示由数据空间重构形成的2d点云图；

其中，空间重构，是将360°激光雷达发送的角度和距离值还原成空间内的360度点云图信息；坐标变换，是将360度点云图信息的坐标原点依据360°激光扫描雷达和智能轮椅安装平面的相对位置，把雷达的坐标当成轮椅的坐标；点位筛选，是在点云图信息中屏蔽掉360°激光扫描雷达安装支撑件、轮椅结构件和自身体积占空间信息；距离标定，是设定智能轮椅与障碍物之间的报警距离值；报警逻辑控制，是当智能轮椅和障碍物之间的距离达到报警距离值时，控制单元8将控制声光报警装置报警。

实施例4多功能智能轮椅的越障方法

实施例2中，在步骤四向目标地点行过程中，当遇到需要跨越的障碍物时，控制单元8将控制智能轮椅完成越障流程，如图12所示，越障过程按照以下步骤顺序进行：

①、固态面阵雷达5/双目视觉相机2实时扫描智能轮椅前方360°激光扫描雷达识别的区域场景并得到该场景的深度信息，然后发送至控制单元8；

深度信息由厘米级的点云数据组成，点云数据包含了该点的深度信息，即该点到固态面阵雷达5/双目视觉相机2的空间相对位置信息；

②、控制单元8从获得的深度信息中提取障碍物的特征信息；

③、控制单元8控制行走驱动装置和越障驱动机构驱动智能轮椅完成越障流程；

在步骤三进行的过程中，使用者可以通过操作装置1终止或者干预越障流程或者切换至手动模式后通过手动操作完成越障流程；

在步骤三进行的同时，陀螺仪15检测智能轮椅的水平角度以及加速度信息并反馈至控制单元8，当智能轮椅的水平角度或者加速度值不在正常范围内时，控制单元8控制声光报警装置报警，并控制行走驱动装置和越障驱动机构执行故障处理、令智能轮椅停止行进。

本实施例中，控制单元8提取障碍物的特征信息之前要按照以下步骤对收到的深度信息进行误差修正：

首先根据固态面阵雷达5\双目视觉相机的安装水平度、高度、倾斜度，确定安装误差，然后利用三维坐标变换的方式，对深度信息中的每个点进行校正，消除安装误差所带来的影响，最后将坐标原点移动至智能轮椅的座椅的水平高度。

在越障流程中，当障碍物是“台阶类障碍物”时，越障流程按照方法一执行，当障碍物是“门槛类障碍物”越障流程按照方法二执行；其中，

ⅰ、方法一

如图13所示，方法一包括依次进行的以下步骤：

a1、控制单元8通过支腿伸缩步进电机14驱动智能轮椅升高到与台阶等高位置，通过腿板旋转步进电机9驱动腿板旋转至水平；

a2、控制单元8通过第一驱动器带动主动轮轮毂电机驱动智能轮椅向前移动直至探轮3位于障碍物上方，然后再次通过腿板旋转步进电机9控制腿板向下旋转，同时通过探出机构步进电机驱动探轮3向外伸出直至压力传感器4检测到符合条件的轮压并反馈至控制单元8时，控制单元8控制腿板旋转步进电机9停止运行，并通过第二驱动器带动探轮轮毂电机控制探轮3原地制动，接着控制单元8通过车架滑台步进电机12驱动智能轮椅底座向前滑动直至其重心位于障碍物上方；

a3、控制单元8通过主动腿抬升步进电机驱动主动轮7所在支腿收起；

a4、控制单元8通过第二驱动器带动探轮轮毂电机驱动探轮3带动智能轮椅向前移动直至主动轮7位于障碍物上方；

a5、控制单元8通过主动腿抬升步进电机驱动主动轮7下降并着地，然后通过从动腿升降步进电机驱动从动轮所在支腿收起；

a6、控制单元8通过第一驱动器带动主动轮轮毂电机、通过第二驱动器带动探轮轮毂电机分别驱动主动轮7、探轮3带动智能轮椅向前移动直至从动轮位于障碍物上方；

a7、控制单元8通过支腿伸缩步进电机14驱动主动轮7、从动轮各自所在支腿伸长/收缩直至智能轮椅恢复初始状态；

ⅱ、方法二

如图14所示，方法二包括依次进行的以下步骤：

b1、控制单元8通过腿板旋转步进电机9驱动腿板旋转至水平位置，同时控制脚踏板旋转步进电机10驱动脚踏板旋转至使用者指定的位置；

b2、控制单元8通过第一驱动器带动主动轮轮毂电机驱动智能轮椅向前移动直至探轮3越过障碍物，然后通过腿板旋转步进电机9控制腿板向下旋转、通过脚踏板旋转步进电机10调整脚踏板的位置，同时通过探出机构步进电机驱动探轮3向外伸出直至压力传感器4检测到符合条件的轮压并反馈至控制单元8时，控制单元8控制腿板旋转步进电机9停止运行，并通过第二驱动器带动探轮轮毂电机控制探轮3原地制动；

b3、控制单元8通过主动腿抬升步进电机驱动主动轮7所在支腿收起，然后控制单元8通过第二驱动器带动探轮轮毂电机驱动驱动探轮3带动智能轮椅向前移动直至主动轮7越过障碍物之后通过主动腿抬升步进电机驱动主动轮7下降并着地；

b4、控制单元8通过从动腿升降进电机动从动轮所在支腿收起，然后通过第一驱动器带动主动轮轮毂电机、通过第二驱动器带动探轮轮毂电机分别驱动主动轮7、探轮3带动智能轮椅向前移动直至从动轮越过障碍物；

b5、控制单元8通过支腿伸缩步进电机14驱动主动轮7、从动轮各自所在支腿伸长/收缩直至智能轮椅恢复初始状态；

所述“台阶类障碍物”是指能够通过爬升越过的障碍物，所述“门槛类障碍物”是指能够跨越的障碍物。

实施例5多功能智能轮椅的转向方法

实施例2中，在步骤四中，向目标地点行过程中，如需转向则按照以下步骤完成转向流程：

c1、使用者通过旋转万向手柄17选取转向的目标角度、并通过快捷键19选择转向模式；

c2、x轴霍尔传感器、y轴霍尔传感器和z轴霍尔传感器将万向手柄17旋转的角度通过a/d转换模块发送至cpu，快捷键19选取的转向模式经过光耦模块之后传送到cpu，cpu将收到的目标角度数据和转向模式数据处理之后通过can总线控制器发送至控制单元8；

c3、控制单元8根据收到的目标角度数据和转向模式数据，经过坐标变换、转向角度计算，然后结合转向步进电机6反馈的角度进行pid调节之后，向转向步进电机6发出驱动信号；

c4、转向步进电机6驱动智能轮椅转向。

图15是上述转向流程的流程图。

转向模式包括八字模式、斜行模式、蟹行模式、摆尾模式、摆头模式和原地回转模式，假设主动轮7和从动轮的初始朝向都是平行于智能轮椅的前进方向；其中：

如图16a所示，八字模式是指，位于智能轮椅同一侧的第一组从动轮和主动轮按照相反的方向旋转相同的角度，位于智能轮椅另一侧的第二组从动轮、主动轮旋转至二者与第一组从动轮、主动轮的“相切圆”的圆心三点确定的圆相切；第一组从动轮、主动轮的“相切圆”是指与旋转后的第一组从动轮、主动轮均相切的圆；

如图16b所示，邪行模式是指，四个轮按照同一方向旋转同一角度，朝向目标前进方向；

如图16c所示，蟹行模式是指，两个主动轮和两个从动轮的朝向均垂直于智能轮椅的前进方向；

如图16d所示，摆尾模式是指，两个主动轮的朝向不变，两个从动轮按照同一方向旋转一个角度；

如图16e所示，摆头模式是指，两个从动轮的朝向不变，两个主动轮按照同一方向旋转一个角度；

如图16f所示，原地回转模式是指，以两个主动轮和两个从动所在的圆为圆心，四者分别旋转至与该圆相切的位置。