王榕 趙延浩 郝智誠 陳日莉

摘要：為研究電動(dòng)輪椅的智能避障功能，該研究特點(diǎn)在于將HC-SR04超聲波傳感器和ZY101紅外避障傳感器相結(jié)合使輪椅對(duì)環(huán)境的感知更加準(zhǔn)確，通過多傳感器融合技術(shù)和模糊控制技術(shù)的研究進(jìn)一步提高避障功能計(jì)算的精確度，使電動(dòng)輪椅在實(shí)際行駛中可以自主地完成路線規(guī)劃并躲避障礙物，更安全便捷地抵達(dá)目的地。

關(guān)鍵詞：智能避障;多傳感器融合;模糊控制

中圖分類號(hào)：TP18 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）05-0014-03

1 研究背景及意義

調(diào)查顯示，我國現(xiàn)有殘疾人、失能和半失能老人超過1.5億人，從輔助器具的使用量來看，現(xiàn)有為殘疾人有效提供急需的救助設(shè)施和服務(wù)仍然不足。由此看來，智能避障輪椅擁有廣闊的市場發(fā)展前景，其發(fā)展必不可少。智能輪椅國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)見[1-2]。

基于電動(dòng)輪椅和智能避障系統(tǒng)的研究，使輪椅能夠在實(shí)際操作過程中躲避道路上的障礙物且不斷感知周圍狀況，進(jìn)而自主規(guī)劃和調(diào)整最優(yōu)路線，能夠安全快捷地到達(dá)目的地。此研究利用現(xiàn)代科技幫助弱勢(shì)群體更好地融入社會(huì)、建立良好的人際關(guān)系，且最重要的意義是降低輪椅事故的發(fā)生率和為殘疾人建立安全舒適的生活通道。

2 研究內(nèi)容

本研究采用“Arduino Uno R3”作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，同時(shí)將常見的“HC-SR04”超聲波傳感器和“ZY101”紅外避障傳感器共同作用于障礙物感知和測(cè)距，通過模糊控制算法融合這兩種傳感器的工作結(jié)果，從而在輪椅遇到障礙物時(shí)，遵循模糊規(guī)則進(jìn)行自動(dòng)避障，控制輪椅的轉(zhuǎn)向，使輪椅不與障礙物發(fā)生碰撞。進(jìn)一步，在設(shè)定循跡模式的運(yùn)行中遇到障礙物時(shí)，輪椅先進(jìn)行智能避障，再判斷是否繼續(xù)循跡，實(shí)現(xiàn)輪椅在到達(dá)目的地的過程中能夠智能化進(jìn)行路徑規(guī)劃、躲避障礙物并安全地到達(dá)目的地。下面分別從避障循跡系統(tǒng)控制子模塊和模糊控制兩大方面展開敘述。

2.1 避障循跡系統(tǒng)控制子模塊

基于智能輪椅在朝目標(biāo)地點(diǎn)正常前行或循跡狀態(tài)中，超聲波傳感器測(cè)出各個(gè)方向是否有障礙物及距障礙物的距離，同時(shí)紅外傳感器檢測(cè)各個(gè)方向的障礙物狀況，反饋到“Arduino UNO R3”主控中心。當(dāng)輪椅接收到多個(gè)傳感器的反饋信息時(shí)利用模糊控制算法，進(jìn)行避障繞行分析、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、控制前后左右輪胎速度，進(jìn)行合理準(zhǔn)確的避障、及時(shí)做出應(yīng)對(duì)動(dòng)作，進(jìn)行智能避障。最終輪椅將沿著最優(yōu)路徑重新規(guī)劃路線直至目的地或避障動(dòng)作完成后又繼續(xù)進(jìn)行循跡。如圖1為智能避障系統(tǒng)工作流程圖。

1）“HC-SR04 ”超聲波傳感器測(cè)距方法：用“Trig”觸發(fā)測(cè)距，先給“Trig”引腳一個(gè)持續(xù)時(shí)間>10μs的高電平，等待“Echo”引腳返回高電平。因?yàn)檎系K物到發(fā)射器/接收器的距離公式：

h=t*c/2，

其中，c=340 m/s為超聲波在空氣中的傳遞速度。所以只需再知道這個(gè)高電平的持續(xù)的時(shí)間t ，就能根據(jù)公式得到超聲波傳輸?shù)木嚯xh[3-5]。

}

2）ZY101傳感器和其他紅外傳感器一樣，靈敏度高，便于對(duì)近距離路面情況的檢測(cè)。它判斷前方有無障礙物的工作方法是：發(fā)光管發(fā)射出去的紅外光束遇到障礙物會(huì)反射回來，接收管接收到反射光會(huì)將信號(hào)傳達(dá)給“Arduino UNO R3”主控模塊。從而根據(jù)接收信號(hào)判斷障礙物遠(yuǎn)近及控制外部驅(qū)動(dòng)模塊、調(diào)節(jié)安全的前進(jìn)方向。在前方檢測(cè)到有障礙物的情況下，則輸出低電平，蜂鳴器響，“LED”燈亮;反之，蜂鳴器不響，“LED”燈不亮。

3）TR5000循跡傳感器也是利用物體的反射性質(zhì)，首先需要在地面貼上要循跡的黑線，因?yàn)楹谏珪?huì)吸收光線，而地面是白色的會(huì)反射光線，其工作方法：分別在實(shí)驗(yàn)小車的底部安裝左右兩個(gè)循跡紅外傳感器檢測(cè)黑色跑道。在循跡傳感器的發(fā)光二極管不斷發(fā)射紅外光線時(shí)，接收不到返回的信號(hào)說明被黑色跑道吸收，并且會(huì)輸出高電平;能接收到信號(hào)，說明在白色區(qū)域，則輸出低電平。當(dāng)左邊的循跡傳感器檢測(cè)不到信號(hào)，而右循跡的紅外傳感器檢測(cè)得到，則表明左循跡傳感器在黑色跑道上，輪椅已經(jīng)向左偏移了軌道，左車輪壓到黑線上，車應(yīng)往左轉(zhuǎn);反之當(dāng)右邊的檢測(cè)不到信號(hào)，而左邊的檢測(cè)得到，則表明輪椅向左偏離軌道，車右輪壓在黑線上，車應(yīng)往右轉(zhuǎn)。如上判斷輪椅是否按照跑道正常運(yùn)行，如偏離跑道則能判斷出如何偏離及如何回歸跑道。

2.2 模糊控制算法研究

為減少外界波動(dòng)因素對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響和彌補(bǔ)單一傳感器測(cè)量不準(zhǔn)確、有缺點(diǎn)的問題，有效地將超聲波和紅外傳感器兩者的優(yōu)缺點(diǎn)融合。同時(shí)在許多研究中，由于實(shí)際實(shí)踐的復(fù)雜多樣性，并不是全部的路障情況都能夠準(zhǔn)確地用物理量關(guān)系來表達(dá)，模糊控制理論開始被選擇去應(yīng)用處理一些由于環(huán)境多變而無法處理的問題。在信息融合的實(shí)際操作中，Arduino主控中心所獲取的信息存在著很大的不確定性。因?yàn)樾枰敵龈_的結(jié)論，所以模糊推理算法在該領(lǐng)域中也獲得了更廣泛的運(yùn)用。模糊邏輯推理的關(guān)鍵，在于在模糊規(guī)則下利用可確定模糊語言集及相應(yīng)的隸屬函數(shù)，來判斷模糊數(shù)據(jù)。當(dāng)輪椅接收到多個(gè)傳感器的反饋信息時(shí)利用模糊控制算法將傳感器收到的信號(hào)進(jìn)行模糊化，對(duì)照模糊規(guī)則庫輸出指令，解模糊化，就會(huì)輸出更加準(zhǔn)確的判斷，實(shí)現(xiàn)輪椅的智能避障繞行分析[6-7]。

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在15cm以內(nèi)的范圍里，紅外傳感器測(cè)量較為準(zhǔn)確，由“ZY101”紅外傳感器測(cè)量較好;在15cm～400cm范圍則由“HC-SR04”超聲波傳感器測(cè)量。

因此設(shè)定前方障礙物距離的模糊化語言變量為：

D = [0cm，15cm] =>Near

D = [15cm，100cm] =>Far

D = [100cm，400cm] =>Very Far

本研究的實(shí)驗(yàn)過程采用了帶有舵機(jī)云臺(tái)的超聲波傳感器如圖3智能避障實(shí)驗(yàn)小車，可以180度旋轉(zhuǎn)測(cè)距，并安裝在輪椅正前方位置;在輪椅底盤左右兩側(cè)分別安裝紅外避障傳感器。同時(shí)，根據(jù)超聲波傳感器測(cè)量角度范圍設(shè)定舵機(jī)搖頭角度右轉(zhuǎn)為正、左轉(zhuǎn)為負(fù)、垂直于輪椅的正前方為0度。各方向分別為左方[-135°，-45°]，前方[-45°，+45°]，右方[45°，135°]。

則有根據(jù)前方障礙物方向和距離來判斷輪椅規(guī)避動(dòng)作的模糊規(guī)則表[7-10]：

在對(duì)控制中心制定好模糊控制規(guī)則、設(shè)定好安全距離后，主控中心將依據(jù)多個(gè)傳感器接收的信息，進(jìn)行模糊決策及非模糊化處理，同時(shí)結(jié)合設(shè)定的安全距離選擇最優(yōu)路徑。主控中心將下達(dá)最終命令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊，控制前后左右輪胎速度，及時(shí)做出應(yīng)對(duì)動(dòng)作躲避障礙物或沿著最優(yōu)路徑前進(jìn)，以此實(shí)現(xiàn)輪椅的智能避障功能。

4 總結(jié)及展望

通過對(duì)輪椅智能避障功能的研究，初步設(shè)計(jì)了包含三種控制模式的智能避障輪椅方案，分別是循跡模式、自動(dòng)避障模式、紅外遙控模式。本研究根據(jù)多傳感器融合技術(shù)、模糊邏輯控制理論等，實(shí)現(xiàn)了殘疾人輪椅智能避障功能的創(chuàng)新研究。由于“ZY101”紅外傳感器檢測(cè)范圍不遠(yuǎn)、易受自然光的影響和“HC-SR04”超聲波測(cè)距模塊會(huì)因?yàn)闇y(cè)量距離近的情況下產(chǎn)生回波干擾的問題，所以有效地將兩者結(jié)合起來，從而提高測(cè)量精度和對(duì)環(huán)境感知的準(zhǔn)確率。在實(shí)際的應(yīng)用場景中，需要根據(jù)系統(tǒng)特性和檢測(cè)到的環(huán)境特性物理量進(jìn)行信息融合。雖然初見成效，但對(duì)于適合殘疾人的智能避障輪椅的研究仍是冰山一角，許多問題有待進(jìn)一步研究，例如動(dòng)態(tài)避障相比靜態(tài)避障難度更大以及與實(shí)際地圖結(jié)合后產(chǎn)生的問題等。隨著新技術(shù)的發(fā)展，殘疾人輪椅智能避障功能會(huì)越來越完善，期望未來有更多多元化元素的加入，幫助更多殘疾人使用上更安全、自由的智能避障輪椅。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2021-11-08

基金項(xiàng)目：2021年度山東省國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：殘疾人輪椅智能避障功能創(chuàng)新研究（項(xiàng)目編號(hào)：202113006045）;2020年度大學(xué)生專項(xiàng)科研項(xiàng)目：殘疾人輪椅智能避障功能的設(shè)計(jì)與研究（項(xiàng)目編號(hào)：20YCKYXS14）

作者簡介：王榕（2000—），女，山東煙臺(tái)人，本科在讀;趙延浩（2000—），男，山東淄博人，本科在讀;郝智誠（1999—），男，山西呂梁人，本科在讀;陳日莉（1975—），女，山西大同人，通信作者，副教授，碩士，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)。