[发明专利]一种自主导航与多模人机交互共享的轮椅控制系统及方法

权利要求书

1.一种自主导航与多模人机交互共享的轮椅控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)自主导航与多模人机交互控制方式共享控制智能轮椅，为输入的话题设置优先级，当轮椅接收到多个节点发布的速度控制话题时，自主导航与多模人机交互共享的轮椅控制系统会选择执行优先级最高的话题执行；所述系统，包括自主导航器、多模人机交互控制器和共享控制器；所述自主导航器和多模人机交互控制器分别向共享控制器发出导航指令和用户指令，并由共享控制器确定最终控制指令控制智能轮椅；所述人机交互控制器包括操纵杆控制方式、头姿控制方式、手势控制方式；所述操纵杆控制方式，通过霍尔元件将操纵杆的位置信息转换为电压信息，再使用AD转换将电压信息转换为数字量，通过操纵杆的位置信息得到用户的控制意图控制轮椅；所述头姿控制方式，采用基于深度图像的随机森林算法结合最近点迭代算法估计实时头部姿态，根据实时人脸朝向控制轮椅；所述手势控制方式，通过实时追踪手掌心位置，输出掌心坐标，根据实时掌心坐标控制轮椅移动；所述多模人机交互控制器还包括切换器，能识别一个特定的手势动作，完成多模人机交互控制方式间的切换；所述自主导航速度控制器与人机交互控制器按照话题优先级实时切换，共同完成智能轮椅的控制任务；所述轮椅控制系统可以同时处理环境信息并根据人机交互控制指令控制轮椅运动；

(2)智能轮椅根据系统规划出的路径自主行进；

(3)在智能轮椅自主行进的过程中通过人机交互控制方式适当地干预以满足用户对轮椅的控制权；

(4)在驾驶轮椅过程中，用户可根据行驶环境与疲劳程度实时切换多模人机交互控制方式；

所述步骤(4)包括以下步骤：

(41)用户输入预定义的手势动作；

(42)PC获取连续输入的视频，并将其转换成易于处理的形式，从中截取手势；通过从当前帧像素的RGB值减去前一帧像素的RGB值得出后续帧之间的差异：

D_k(x,y)＝|R_i(x,y)-R_i-1(x,y)|

其中，R_i(x,y)为当前帧像素的RGB值，R_i-1(x,y)为前一帧像素的RGB值，D_k(x,y)为后续帧之间的差值；

(43)将截取的手势与数据库中手势进行匹配，从而识别手势；

当用户做出手势动作时，会生成一组点，使用每帧中非灰色像素的x和y坐标的平均值，将这些点与数据库中的手势进行匹配，根据其标准差对这些点进行适当的缩放，将对应点差平方和最小的手势作为手势匹配返回，获得最佳匹配，识别相对应的手势：

其中，β_i为用户实时手势的对应点，α_i为数据库中手势的对应点，N表示一个手势对应点的数量；

(44)根据识别的手势，执行相应的命令集，打开或关闭相应的人机交互控制方式。

2.根据权利要求1所述的一种自主导航与多模人机交互共享的轮椅控制方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)激光雷达传感器感知环境信息，对获取的环境特征构建栅格地图；

(22)加载栅格地图，将编码器和惯性测量单元的传感数据融合，实现对轮椅的自定位，在全局环境地图中实现轮椅的全局定位；

(23)在持续定位的同时，全局路径规划器在全局静态地图上生成轮椅当前位置到目标位置的全局路径，局部路径规划器在局部动态地图上生成连续平滑的速度控制指令，发送至运动控制器；

(24)运动控制器根据轮椅的运动学模型将接收到的速度指令分解发送至每个电机上，PID控制器调速实现轮椅的自主运动。

3.根据权利要求1所述的一种自主导航与多模人机交互共享的轮椅控制方法，其特征在于，所述步骤(3)实现过程如下：

智能轮椅按照导航指令自主行进，同时人机交互控制方式发出控制指令，根据话题优先级控制策略，人机交互控制方式控制信息优先于自主导航控制信息，多话题数据选择器输出人机交互控制方式的速度控制信息至驱动器控制轮椅运动；当没有人机交互控制方式控制指令发出时，多话题数据选择器输出自主导航的速度控制信息至驱动器控制轮椅运动：

U(v,w)＝K₁U(v_h,w_h)+K₂U(v_r,w_r)

其中，U(v_h,w_h)为人机交互控制方式速度信息，U(v_r,w_r)为自主导航速度信息，U(v,w)为最终发送至底层驱动器的速度信息。