[发明专利]一种嵌入式多模态交互智能轮椅控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种嵌入式多模态交互智能轮椅控制系统。

背景技术

随着社会老龄化进程的加快和各种疾病、事故造成的残障人士的增加，为老年人 和残疾人士提供性能优越、成本合理并能广泛应用的代步工具已成为整个社会重点关注的 问题之一。本专利就是围绕此问题，考虑到人－机－环境交互流畅性，使用广泛性，运行安 全性以及成本因素而设计的一种基于高性能单片机的结构紧凑便携性强的经济型嵌入式 多模态交互智能轮椅控制系统，并可直接用于普通电动轮椅升级为智能轮椅，以满足不同 的使用对象和使用场合，并使正常老人的使用具有了一定的娱乐性，丰富老人的日常生活。

发明内容

本发明的目的是提供一种经济型，具有结构轻便、交互流畅、能够满足不同对象需 求、使用广泛、安全性好的经济型嵌入式多模态交互智能轮椅的控制盒。本发明在单片机的 基础上可对传统电动轮椅进行了智能化升级，是一种具有手柄控制、语音控制、语音人机交 互、超声波自主避障、视觉自主导航功能的嵌入式多模态交互智能轮椅控制系统。用户不仅 可以选择常规的手柄控制功能，还可以通过语音指令控制轮椅的运动以及对各个模态进行 选择和切换，视觉导航模态实现了在不同光线环境下的标识线跟踪，从而完成到指定路线 的运行，同时，自主运行模态实现了特定场合下的随机“散步”运行。另外，通过将超声波避 障技术和语音播报技术融合到其它模态当中，使得轮椅能够实时地对其所处的环境进行检 测和分析（如障碍物，低洼地段），并判断后续的控制指令是否能够安全地执行，再通过语音 播报的形式将信息反馈给用户，保证了各模态下的轮椅运行安全性；还将手柄干预运行技 术和强制停止技术融合到各个模态当中，确保用户在每一个模态都可以通过手柄来干预轮 椅的运动以及紧急情况下的脚踏开关强制停止（抱闸抱死轮椅停止），更进一步保证了轮椅 运行安全性。另外分模块的设计思想，使得智能轮椅在功能上可根据不同对象的需求分模 块定制。

本发明所述系统由视觉导航模态、语音交互控制模态、自主运行模态、手柄控制模 态组成，分为传感器（包括超声波传感器和视觉传感器）、SPCE061A单片机、D/A转换模块、电 动轮椅平台、人机交互设备以及相关外围控制电路等6个部分，嵌入式多模态智能轮椅控制 系统硬件基本结构图如图1所示。其中，传感器用来实现外界环境和单片机之间的信息交 流，SPCE061A单片机对外界环境信息和人机交互设备输入的信息进行综合的分析和处理， 最终通过D/A转换模块和电动轮椅平台来实现对轮椅的控制。人机交互设备包括操作手柄、 麦克风、音箱、键盘和LED灯，各个人机交互设备的作用为：操作手柄用来输入手柄控制指 令，麦克风用来输入语音控制和语音交互指令，音箱用来播放语音提示音，键盘来输入手柄 控制指令和选择对应的运行模态，LED灯则用于指示轮椅当前所处的运行状态，各功能模态 的运行原理如下。

视觉导航模态由视觉传感器完成环境和SPCE061A单片机中心控制器之间的环境 信息交流，再由中心控制器完成与普通电动轮椅平台的控制/状态信息交流。视觉导航模态 的具体结构如图2所示，由视觉传感器采集标识线信息，由照明装置实现不同光线环境下的 视觉传感器信息采集，方法为SPCE061A单片机根据视觉传感器输出的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，并通过有效的数 字图像处理算法提取智能轮椅与标识线间的位置和角度偏差，再根据该路径信息查询模糊 控制表来获得相应的控制策略，最终通过D/A转换模块输出的四路模拟电压来控制轮椅的 运动。具体实现见视觉导航模块。