[发明专利]一种嵌入式智能轮椅视觉导航控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于轮椅技术领域，特别涉及智能式轮椅控制系统及控制方法。

背景技术

随着移动机器人技术的快速发展和成熟，较低成本的机器人将会真正进入人们的生活，视觉交互是人-机-环境进行交互的重要交互模式。经过调研，很多轮椅使用者在某些固定场合(如：家庭、医院、机场)使用轮椅时，往往需要频繁地在固定的路线上来回移动。因此，可以在这些路线上铺设好标记线，轮椅通过自动追踪这些不同走向的标志线，实现到指定路径与地点的移动。省去了人为的操控，从而为用户提供方便。因此，成本低、结构紧凑、功耗低、便携性强的视觉导航控制系统将备受轮椅使用者的青睐。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种嵌入式智能轮椅视觉导航控制方法及装置。

本发明所述的嵌入式智能轮椅视觉导航控制系统(如图1所示)，包括照明装置、图像传感器、主控制器、超声波测距模块、手动控制器、电机驱动装置和直流电机，其中，智能轮椅通过照明装置和图像传感器来采集指定运行路线的图像信息，通过主控制器对图像信息进行分析和处理来获得相应的控制策略，通过超声波测距模块来判断轮椅周围是否有障碍物或低洼地段实现安全保护运行，通过手动控制器来实现紧急或其他情况下手柄干预保护运行，通过主控制器语音播报功能实现安全保护与运行状态提示，通过电机驱动装置将控制信号进行放大转换为驱动直流电机的驱动信号，最终通过直流电机运行控制智能轮椅进行相应的运动。

为了更加详细地对视觉导航控制系统进行说明，下面从具体的硬件体系结构上进行阐述(如图2所示)。图1所述的主控制器由单片机、DA转换芯片、继电器组、监测电路、扬声器、键盘和LED组成，其中单片机用来对指定运行路线的图像信息进行处理和分析，DA转换模块将控制策略转换为电机驱动装置所需的四路模拟电压信号，继电器组用来选择轮椅是处于自动控制模式还是手动控制模式，监测电路用来实时的检测用户是否有手动控制指令发出，扬声器用来播放语音提示音，实现轮椅与用户之间的语音交互，键盘用来接收用户输入的控制指令，LED则用于指示轮椅当前所处的运行状态。图1所述的直流电机分为左、右直流电机。

在控制原理上，本发明所述的视觉导航控制系统是一闭环控制系统(如图3所示)。其中轮椅中心的位置作为给定环节的输入量，用于确定被控对象轮椅的目标值。标识线的中心位置作为测量环节的输出量和控制系统的反馈量。通过比较环节得到轮椅中心位置和标识线中心位置的偏差，再通过放大及运算环节对偏差量进行转换和功率放大，执行环节接收放大环节输出的控制信号，驱动被控对象轮椅按照预期的目标运动。最终实现轮椅的转向和速度控制。

在功能上，本发明所述的视觉导航控制系统分为图像采集、图像处理、控制决策、安全保护和动力系统驱动五个子功能模块，其组成框图如图4所示。其中，图像采集模块对图像传感器输出的视频信号进行A/D转换，获得路径的数字图像；图像处理模块通过有效的数字图像处理算法，提取出智能轮椅与标识线间的位置和角度偏差；控制决策模块对智能轮椅的转向和速度采用模糊控制算法，根据图像处理模块提取出的路径信息查询模糊控制表来获得相应的控制策略；安全保护模块分为超声波避障、手动控制、语音播报以及紧急停止等安全保护方式，其中超声波避障安全保护用于判断轮椅周围是否有障碍物或者是低洼地段，手动干预安全保护使得用户可以通过手柄自主的干预轮椅的运动；动力系统的驱动模块在控制直流电机的转速上分为两种方式：第一种控制方式是通过主控制器输出的PWM信号来控制步进电机的转速；第二种控制方式是将控制策略通过D/A转换为模拟电压信号，再通过电压信号接管直流电机的控制器来控制直流电机的转速。下面通过将本发明应用到普通电动轮椅当中，来对本发明的技术方案逐一进行阐述。

图像采集模块由数字图像传感器以及安装在图像传感器四周的照明装置组成。由于数字图像传感器将光敏元阵列、驱动电路、信号处理电路、A/D转换电路和接口电路等完全集成在同一芯片内，故仅需设计相应的外围电路即可实现单芯片成像系统。单片机根据数字图像传感器输出的VSYNC(场同步信号)、HREF(行同步信号)和PCLK(像素同步信号)的时序来完成图像数据的采集，通过安装在图像传感器四周的照明装置，可以实现对外界不同光线环境进行相应的补偿，并通过自适应阈值调整方法，从而完成在不同光线环境下的视觉导航功能。下面首先分别对各个信号进行说明。

VSYNC(场同步信号)用来判断一副图像是否已经开始，VSYNC信号的周期为20ms。另外VSYNC信号需要通过下降沿来捕捉，这和单片机外部中断的触发方式相同，所以一旦单片机进入场中断，便可立即采集数据。