付宏圖 單超穎 趙日升 季 旭 張 旭

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110167）

隨著社會(huì)發(fā)展，全球老齡化人口逐漸增多，尤其是進(jìn)入21 世紀(jì)以來，中國人口老齡化進(jìn)程明顯加深，根據(jù)2022 國家統(tǒng)計(jì)局1 月17 日發(fā)布的數(shù)據(jù)，從年齡構(gòu)成看，2021 年60 歲以上（含60 歲）人口數(shù)量為2.6736 億人，占總?cè)丝诘?8.9%，其中65 歲及以上人口2.0056 億人，占全國總?cè)丝跀?shù)量的14.2%。11.9%家庭對(duì)老人及殘障人士的看護(hù)成本加重，對(duì)輪椅尤其是智能輪椅的需求與日俱增。據(jù)國家輔具研究中心數(shù)據(jù)顯示，實(shí)際輪椅適配比例僅為10%左右，而普通電動(dòng)輪椅僅解決了動(dòng)力問題。

為了提高輪椅的安全性和智能性，滿足殘障人員及行動(dòng)不便的老人的需求，廣大研究人員在已有的電動(dòng)輪椅中進(jìn)行了智能化的研究，產(chǎn)生了智能輪椅這一產(chǎn)品。智能輪椅的開發(fā)，需要根據(jù)其應(yīng)用的大環(huán)境，滿足使用者的生理與心理需要，以達(dá)到環(huán)境安全、舒適、操作方便、緩解操作疲勞的目標(biāo)。本系統(tǒng)采用單點(diǎn)式傳感器將坐姿辨識(shí)與輪椅控制系統(tǒng)相結(jié)合，系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)方案是：坐姿類型、地圖環(huán)境信息、障礙物距離等，使機(jī)體的速度和角度輸出達(dá)到自主、躲避開障礙，并自動(dòng)選取最佳線路。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該智能輪椅運(yùn)行系統(tǒng)由坐姿辨識(shí)、數(shù)據(jù)采集、障礙物距離測(cè)量三部分組成，總體系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 中：單片機(jī)3 負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息部分和障礙物距離測(cè)算。單片機(jī)2 是壓力傳感器的電壓收集，并將電壓傳感器的電壓數(shù)據(jù)傳遞到樹莓派，并以此為樹莓派構(gòu)建分類器的模型。單片機(jī)1 是整個(gè)系統(tǒng)的中央控制器，收集單片機(jī)3 傳輸?shù)淖祟愋秃蛦纹瑱C(jī)2 傳送的環(huán)境信息，并由模糊控制智能傳感器根據(jù)接收的信息實(shí)現(xiàn)輪椅自主識(shí)別前方障礙物從而設(shè)定避開障礙物的行進(jìn)路線并執(zhí)行。

圖1 總體系統(tǒng)框架圖

2 坐姿辨識(shí)

由于人體的坐姿和身體尺寸的區(qū)別，使其壓力不均勻。我們將單點(diǎn)式壓力傳感器成散點(diǎn)式排列分布并進(jìn)行多輪壓力測(cè)試及數(shù)據(jù)采集，具體分布如圖2 所示。選擇特定的傳感器為FSR 毫米薄膜壓力傳感器，數(shù)量為20，按陣列式進(jìn)行合理布置。所采用的壓力傳感器為電阻式傳感器，此傳感器可以根據(jù)所受壓力的變化使電阻值發(fā)生變化，它與分壓電阻串聯(lián)，并供以3.30V 參考電壓，因此A/D(仿真/數(shù)字變換)所獲取的分壓電阻電壓變化數(shù)據(jù)可以反映出壓力數(shù)據(jù)的變化值。最終記錄數(shù)據(jù)為20 次記錄的壓力變化平均值，由此降低其他因素影響如光線、噪聲等。

圖2 座椅部分傳感器陣列分布

2.1 壓力傳感器

FSR402 型薄膜壓力傳感器工作原理是通過將作用在FSR 傳感器薄膜區(qū)域內(nèi)的壓力轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，以獲取壓力信息。獲得的壓力越大，電阻的值就越低。其應(yīng)用場(chǎng)合的壓力在0g～10kg 的范圍。在輸出管腳間的電阻及壓力關(guān)系方面，有兩種不同的表現(xiàn)。在初始階段，當(dāng)壓力突破某一壓力門限后，導(dǎo)通電阻會(huì)出現(xiàn)突破，在該門限前，F(xiàn)SR 就像是一個(gè)切換。在超出了該閾值時(shí)，F(xiàn)SR的電阻與壓力之間存在著持續(xù)的變化（圖3-4）。

圖3 FSR402 壓力與電阻之間的關(guān)系

根據(jù)所測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在各種位置下，各壓力傳感器的電壓資料會(huì)發(fā)生變化，篩除變化不大的分布點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，將各傳感器再移動(dòng)到其它點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行了多次試驗(yàn)測(cè)量的最優(yōu)布置。

圖4 傳感器與不同的壓力范圍內(nèi)的電導(dǎo)和壓力的關(guān)系

2.2 分類器的采用-支持向量機(jī)

SVM 的關(guān)鍵在于核函數(shù)。低維空間矢量集一般難以進(jìn)行分類，而解決這個(gè)問題的方法是將低維空間矢量集信息映射到高維空間中，這種方法在一定程度上解決了問題；但這種方法的難度在于運(yùn)算量的增多，而SVM 的核函數(shù)可以很好的解決這種問題。即只需要選擇適合系統(tǒng)的核函數(shù)，SVM 就會(huì)通過核方法進(jìn)行非線性分類，就可以獲得在高維空間中的分類函數(shù)。在SVM 理論中，選擇不同的核函數(shù)，會(huì)對(duì)SVM 算法的產(chǎn)生不同的影響，其處理流程見圖5。

圖5 SVM 處理算法流程

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 激光雷達(dá)信息的獲取

激光雷達(dá)由激光發(fā)射器、光接收器、轉(zhuǎn)臺(tái)裝置、信息處理裝置等構(gòu)成，發(fā)射器將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)為光脈沖信號(hào)發(fā)射出去，再由光接收器將目標(biāo)反射的光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)為電脈沖信號(hào)，將顯示器這一系統(tǒng)設(shè)置的激光雷達(dá)工作區(qū)域?yàn)檩喴吻胺?50°扇形區(qū)域內(nèi)，對(duì)道路情況、障礙物情況、交通情況等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人障礙物的檢測(cè)方法有激光雷達(dá)、視覺傳感器、紅外或超聲傳感器等。

3.2 超聲波傳感器信息的獲取

超聲波傳感器是根據(jù)超聲波的一些特性制造出來的，用于完成對(duì)超聲波的發(fā)射和接收；超聲波的頻率高、波長短、方向性好、具有不錯(cuò)的穿透效果。超聲波傳感器主要由發(fā)送、接收、控制和電源部分組成；發(fā)送部分由發(fā)送器和換能器組成，接收部分由換能器和放大電路組成，超聲波測(cè)距原理是超聲波的發(fā)送部分發(fā)射超聲波，發(fā)射同時(shí)并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，由于聲波具有反射性，聲波就會(huì)反射回來，當(dāng)超聲波接收部分接收到反射回來的超聲波時(shí)，計(jì)時(shí)停止。傳播介質(zhì)為空氣，傳播速度為340m/s，利用公式，可以計(jì)算出障礙物的距離。智能輪椅工作環(huán)境中大部分為細(xì)小的障礙物，正常反饋聲波太小，無法將足夠多的聲波反射回要檢測(cè)的傳感器，由于測(cè)量波束角大，方向性不強(qiáng)，測(cè)距不精確，不能提供障礙物的邊界信息。輪椅在室內(nèi)外部運(yùn)動(dòng)環(huán)境變化較大，綜合考慮性能、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素，將激光雷達(dá)和超聲波傳感器結(jié)合起來，對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。超聲波傳感器安裝在車輪的中間70cm 上，在轉(zhuǎn)彎時(shí)能觸碰到更低的障礙物。同時(shí)，為了匹配超聲波傳感器的檢測(cè)距離，采用匹配超聲波傳感器的檢測(cè)距離，即檢測(cè)半徑設(shè)置2.5 米。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 坐姿識(shí)別測(cè)試與分析

通過單點(diǎn)壓傳感器的布置，獲取不同身高體重用戶坐姿壓力資料，結(jié)合使用者的坐姿測(cè)量并運(yùn)用SVM 技術(shù)。測(cè)量無使用者狀態(tài)時(shí)各傳感器的電壓值，選用3.30V的電源為傳感器提供工作電壓，在無測(cè)試者的狀態(tài)下傳感器輸出的電壓在3.26V 至3.30V 之間，當(dāng)測(cè)試者在輪椅上的坐姿發(fā)生改變時(shí)，各傳感器電壓也將隨之變化。分別測(cè)量輪椅在空載和有測(cè)試者使用時(shí)的電壓情況，測(cè)得結(jié)果如表1 所示。從表1 可以看出，將測(cè)得的電壓值與傳感器理想電壓值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)測(cè)得的傳感器電壓值與理想電壓3.30V 存在0～0.4V 的偏差。這主要是因?yàn)閷?shí)際的電路中需要接入電阻導(dǎo)致，而且實(shí)際的測(cè)量儀器也會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定的干擾，屬于正?，F(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)誤差的范圍內(nèi)，不影響實(shí)際的測(cè)試。

表1 空載與使用者正常坐姿的傳感器電壓（單位V）

4.2 自主避障測(cè)試與分析

利用超聲波傳感器和激光雷達(dá)對(duì)渦輪和障礙物的間距進(jìn)行檢測(cè)，并利用模糊控制來完成。6個(gè)超聲波傳感器對(duì)輪椅左、右兩邊的超聲波傳感器具有其重要意義。通過分析，提出將輪椅的行進(jìn)方向設(shè)定在兩個(gè)障礙物連線的中點(diǎn)與輪椅的連線上，以兩個(gè)障礙物連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，輪椅的行進(jìn)路線、障礙物的連線為坐標(biāo)軸，并建立幾何關(guān)系，見圖6。

圖6 障礙物方位

將兩個(gè)障礙物的連線的中點(diǎn)到輪椅間的距離記為L0；輪椅與障礙物1、障礙物2 之間的距離記為L1、L2；用超聲波傳感器測(cè)得的兩個(gè)數(shù)據(jù)分別記為L′1和L′2；將此作為輪椅測(cè)試時(shí)行進(jìn)路線的起點(diǎn)，輪椅向順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)表示角度正增長，向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)表示角度負(fù)增長，將障礙物1 與輪椅行進(jìn)路線之間的夾角記為φ1，障礙物2 與輪椅行進(jìn)路線之間的夾角記為φ2；用激光雷達(dá)測(cè)得障礙物1、2 的夾角分別為φ′1和φ′2。輪椅從遠(yuǎn)處開始運(yùn)行工作，不斷接近兩個(gè)障礙物，輪椅每通過0.1m，激光雷達(dá)與兩個(gè)超聲波傳感器都會(huì)發(fā)出信號(hào)并接收，不斷地采集周圍環(huán)境信息。

用記錄的數(shù)據(jù)來求出L0，記為L′0，計(jì)算二者之間的偏移，為ΔL，并得到了目前的環(huán)境類型，利用激光雷達(dá)和超聲波傳感器對(duì)障礙物方位信息進(jìn)行準(zhǔn)確性測(cè)試，而且該系統(tǒng)識(shí)別了其他環(huán)境類型，滿足了預(yù)期的結(jié)果，因此，采用設(shè)計(jì)的輪椅系統(tǒng)可以進(jìn)行障礙物方位的識(shí)別。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)主要以坐姿傳感及超聲波傳感器測(cè)距系統(tǒng)為核心,運(yùn)用不同的驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)輪椅的自動(dòng)感知、可靠控制等多樣功能。利用獲取用戶坐姿壓力，將其歸類為坐姿控制。研究發(fā)現(xiàn)，此輪椅控制系統(tǒng)是具有坐姿傳感識(shí)別及坐姿控制的智能輪椅系統(tǒng)，是一種可以自動(dòng)探測(cè)并躲避障礙物的坐姿控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的坐姿控制其輪椅方向，增強(qiáng)輪椅的駕駛安全。