錢月康 / 潘欣裕 / 王 儉 / 陳宏慶

1.蘇州科技大學電子與信息工程學院， 江蘇 蘇州 215009 2.江蘇國貿(mào)醞領(lǐng)智能科技股份有限公司， 江蘇 蘇州 215011

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟與文明建設(shè)的迅速發(fā)展，人口老齡化、殘疾人和病人絕對數(shù)量增大等帶來的特殊人群生活質(zhì)量下降的問題，到了必須解決也具備條件解決的關(guān)口。提高老、殘、病等人群的物質(zhì)和精神生活水平，對于維護個人尊嚴、共建和諧社會，具有重要的意義。

智能家居是近年來出現(xiàn)的旨在提高人們生活質(zhì)量的一種新型高科技信息化住宅應(yīng)用系統(tǒng)。最早的智能家居建筑實例是在1984年由美國聯(lián)合科技公司建造的City Place Building。自那之后，智能家居的發(fā)展便呈現(xiàn)不可阻擋之勢，并快速地成為了當今的一個熱點，其中典型代表就是比爾﹒蓋茨的豪宅。主要產(chǎn)品有微軟的“夢幻之家”、IBM的“家庭主任”、摩托羅拉的“居所之門”等。國內(nèi)企業(yè)在此方面的研究也初具成果，海爾的“e家庭”與清華同方的“數(shù)字家園”都是比較成功的案例。去年，佛羅里達大學的Sumi Helal博士在學術(shù)報告中介紹了他的Gator Tech智能別墅與明德智能家居等研究成果[1-2]，其中涉及了智能地板的構(gòu)想。德國波茨坦普拉特拉學院的團隊還制做了一塊8m2的高分辨率智能壓感地板。

將智能家居的研究與應(yīng)用緊密地和殘、病、老、弱人群的生活相結(jié)合，把智能家居深入引向特殊需求的人群，無疑是一個極具探索價值和研究意義的課題。本文介紹一種面向殘障人服務(wù)的智能家居引導系統(tǒng)驗證性實驗樣機。該樣機既能夠感知自然人和其他物體的位置及其變動，也能夠利用技術(shù)手段對殘、病、老人進行引導。

2 總體設(shè)計

本文將老、殘、病、弱者等統(tǒng)稱為殘障人。在文中研制的智能家居引導系統(tǒng)樣機中，采用輪式小車替代殘障人。輪式小車必須是“低智能”的，即有且僅有一種對環(huán)境的感知能力(如光、磁場、聲波、色度等)，有且僅有兩種簡單行走能力(如僅能前進和轉(zhuǎn)彎)，有簡單表達目的地的能力(如用手指點擊表示某個目的地的按鈕、軟鍵或圖標)。

2.1 設(shè)計理念

殘障人的特點是智力、行動能力、視力、聽力或其他感知力減弱，甚至情緒控制力不強。但是，殘障人希望自食其力、自立于社會，和健全人相互尊重、平等相處。因此，引導系統(tǒng)向殘障人提供的服務(wù)也應(yīng)該遵循平等和尊重的原則。本文介紹的智能家居引導系統(tǒng)樣機，不僅應(yīng)該具有較強大的感知、決策、引導能力，而且這種引導服務(wù)首先應(yīng)該是不過度的、人性化的、自然的、易執(zhí)行的。

2.2 信息流模型

在面向健全人的智能家居系統(tǒng)中，環(huán)境、決策中心和人之間的主要信息流模式如圖1所示，決策中心從環(huán)境和健全人獲取較豐富的信息，在判斷和決策后對健全人發(fā)送服務(wù)信號，同時環(huán)境也可以根據(jù)決策中心指令為健全人提供服務(wù)。

圖1 一般智能家居系統(tǒng)信息流模式

然而，在一個面向殘障人的智能家居引導系統(tǒng)中，信息流模式則應(yīng)該如圖2所示。決策中心必須主要依靠從環(huán)境獲取信息，在判斷和決策后，也必須主要借助于環(huán)境向殘障人提供引導服務(wù)。

圖2 面向殘障人智能家居的信息流模式

顯然，在傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)中，決策中心和環(huán)境兩者與健全人的信息交互幾乎是并重的。而本文則承認并重視殘障人能力弱化的事實，更重視環(huán)境的智能化和人性化、以期依靠高智能環(huán)境與殘障人的交互來實現(xiàn)對弱能力殘障人的幫助和服務(wù)。

2.3 “跬步”引導模式

殘障人通常難以按照系統(tǒng)一次提供完整路徑的方式，在移動障礙物環(huán)境中進行連續(xù)較長距離的行走。對殘障人的引導，必須是足夠簡單和有效的，即能夠被殘障人理解、接受并執(zhí)行的。雖然決策中心每次均完整地規(guī)劃出從殘障人所在地點到目的地的可行且最短路徑，但是地板向殘障人提供的引導信號只能是整條路徑的一小段甚至一小步。

將決策中心規(guī)劃出的從殘障人所在位置到目的地的完整路徑拆分成一小段一小段的路徑，由地板提供給殘障人的引導信號僅僅是需要殘障人當下完成的那一小步所走的路段。本文將這一模式稱之為跬步引導模式。它貫穿于殘障人行動的起始點到目的地的整個過程中。跬步引導除了使長距離連續(xù)行走任務(wù)化簡為單步行走任務(wù)以外，還可以及時規(guī)避環(huán)境中的移動障礙物，當然這需要實時路徑規(guī)劃模式及策略的實施。

2.4 系統(tǒng)架構(gòu)

引導系統(tǒng)由三大主功能模塊組成：殘障人、智能地板和決策中心。系統(tǒng)主功能模塊架構(gòu)(圖3)設(shè)置按照“信息流”設(shè)想，刻意降低引導系統(tǒng)對殘障人的智能水平和身體機能的要求，加強智能地板與決策中心之間的信息交互。

圖3 系統(tǒng)主模塊架構(gòu)

3 實驗樣機主要功能及其應(yīng)用

3.1 地板本體及功能

引導系統(tǒng)中智能地板的功能模塊框圖如圖4所示。地板采用木制底座，外觀參見圖5。地板的尺寸需結(jié)合小車尺寸、轉(zhuǎn)彎半徑與容錯空間等因素綜合考慮確定。地板材料采用透明有機玻璃板，以保證光引導方式的可視效果。

圖4 智能地板功能框圖

圖5 引導實例

3.2 地板對物體的感知和引導信號顯示

地板上物體的定位采用通用的RFID技術(shù)[3]，感知模塊由安裝在地板木制底座上的固定無源RFID和物體攜帶的讀卡器組成。地板上共敷設(shè)24塊標準RFID空白卡，決策中心可以接收各個RFID讀卡器通過藍牙無線方式發(fā)來的編碼信息實現(xiàn)對小車(殘障人)和家具等物體的位置監(jiān)控。

參考其他設(shè)計，用普通光帶實現(xiàn)疏散引導，引導模塊利用LED燈帶實現(xiàn)。24條燈帶以正方形棋盤格的形式排列，每一次只能有一條燈帶點亮，負責引導小車移動過程中的一小步。

3.3 小車的視覺和行走

為使小車能夠進行光帶循跡，在小車前部裝有5路感光探頭，探頭的靈敏度可以調(diào)節(jié)。雙驅(qū)小車可以通過分別調(diào)節(jié)兩只輪子的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)行走。

3.4 典型引導例描述

首先殘障人自己在用戶界面中指出想去的目的地，接著殘障人便看到地板上自己身前很近處的一段點亮的光帶，殘障人即在此信號的引導下移動一小段。在這樣的一小步一小步“積跬步”——移向目的地的過程中，決策中心每次根據(jù)監(jiān)測到的殘障人和地板上其他物體當前的實際位置，動態(tài)規(guī)劃出避障且完整的路徑，并通過智能地板向殘障人發(fā)出跬步引導信號。

對殘障人來說，他們完全不會察覺決策中心每次規(guī)劃路徑的改變，也不需要在行進中自主地考慮避讓障礙物，只需要重復跟隨跬步引導信號行進就可以順利到達目的地。

4 樣機系統(tǒng)的軟件

4.1 用戶界面

決策中心的環(huán)境地圖界面(圖6)中，黑色線條表示燈帶，綠色方框表示小車當前位置，紅色方塊表示目的地，三角形表示障礙物。軟件界面右側(cè)紅字展示小車刷卡模塊讀到的卡號。啟動軟件后鼠標點擊某一段黑色線條即可預置紅色方塊，隨即引導開始。接著可以看到綠色方塊開始逐格移動，依次到達相鄰黑色線條的中點。當綠色方塊到達紅色方塊(距離為黑色線條長度的一半)后，引導完成。

圖6 用戶界面

4.2 路徑規(guī)劃策略

與跬步引導模式相匹配的實時路徑規(guī)劃策略遵循五個原則：(1)被引導對象不能往回走；(2)新一次路徑規(guī)劃的總距離應(yīng)當盡可能短于前一次的總距離；(3)對障礙物的規(guī)避擁有最高優(yōu)先級；(4)跬步引導的下一位置不能是障礙物的位置；(5)當行走出錯，系統(tǒng)接收到的被引導對象的新位置與預定引導位置不符時，系統(tǒng)能夠根據(jù)當前位置再次規(guī)劃路徑，繼續(xù)引導。

遵循上述原則，本文在“直角策略”和“斜線策略”(圖7)兩種路徑規(guī)劃策略中進行比較選擇，圖7中圓圈表示殘障人當前位置。在這兩種策略中，下一步路徑規(guī)劃所得到的完整路徑，只可以由未被陰影覆蓋的線段(路段)組成。

圖7 兩種規(guī)劃策略

4.3 算法復雜度的比較

設(shè)殘障人所處的矩形地板上有m×n個停留點(參見圖6)，假設(shè)殘障人已在從起點(1, 1)到終點(m,n)的途中，正位于點(i,j)。如果將“直角策

略”算法在此位置進行路徑規(guī)劃的遍歷量記為Nsquare(i,j)，則“斜線策略”算法在此位置的遍歷量Nslash(i,j)應(yīng)滿足式(1)。

Nslash(i,j)≥Nsquare(i,j)+

[Nsquare(i+1,j-1)+Nsquare(i+2,j-2)+…

+Nsquare(i+p,j-q)+]+

[Nsquare(i-1,j+1)+Nsquare(i-2,j+2)+…

+Nsquare(i-p,j+q)]

m-i

(1)

比如，以圖7為例，已知m=5，n=7，i=3，j=4，則依式(1)有Nslash(3, 4)-Nsquare(3, 4)≥Nsquare(4, 3)+Nsquare(5, 2)+Nsquare(2, 5)+Nsquare(1, 6)，即“斜線策略”算法的遍歷量約是“直角策略”的5倍。只要隨機移動的障礙物較少，“直角策略”算法復雜度低且能夠滿足要求。

5 結(jié)束語

本文試制的智能家居引導系統(tǒng)樣機的實際試驗，驗證其可以對殘障人進行簡明、可靠、有效的引導，證實本文闡述的面向殘障人服務(wù)的特殊智能家居引導系統(tǒng)設(shè)計思想具有合理性與可行性。

在實際建筑物內(nèi)部引入引導系統(tǒng)，考慮將射頻卡、激光、紅外，電磁，超聲波等技術(shù)結(jié)合運用于定位和引導雙重功能中，發(fā)揮它們無線、非接觸的優(yōu)點，并提高定位和引導的可靠性和精確度。另外，可以配置一個具有高精度行走機構(gòu)和多傳感器陣列的助殘車，使引導效果更加理想。至于決策中心，希望用一個手機(或其他通用終端)APP程序可以實現(xiàn)。

[1] Sumi Helal, William Mann, Hicham El-Zabadani, eta. The Gator Tech Smart House: A Programmable Pervasive Space. Computer, Vol. 38, No. 3 (2005): 50-60.

[2] Bellavista, Paolo, Axel Kupper, Sumi Helal. Location-Based Services: Back to the Future. Pervasive Computing, IEEE 7, No. 2 (2008): 85-89.

[3] 李志.無線射頻技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用[J].智能建筑電氣技術(shù)，2010，4(2)：18-21.

[4] 李剛.建筑智能疏散引導信息化探討[J].智能建筑電氣技術(shù)，2010，4(4)：88-91.