專利名稱：一種嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于輪椅技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及智能式輪椅控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
隨著移動機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展和成熟，較低成本的機(jī)器人將會真正進(jìn)入人們的生活，視覺交互是人-機(jī)-環(huán)境進(jìn)行交互的重要交互模式。經(jīng)過調(diào)研，很多輪椅使用者在某些固定場合(如家庭、醫(yī)院、機(jī)場)使用輪椅時，往往需要頻繁地在固定的路線上來回移動。因此，可以在這些路線上鋪設(shè)好標(biāo)記線，輪椅通過自動追蹤這些不同走向的標(biāo)志線，實(shí)現(xiàn)到指定路徑與地點(diǎn)的移動。省去了人為的操控，從而為用戶提供方便。因此，成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、便攜性強(qiáng)的視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)將備受輪椅使用者的青睞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制方
法及裝置。本發(fā)明所述的嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)(如圖1所示)，包括照明裝置、 圖像傳感器、主控制器、超聲波測距模塊、手動控制器、電機(jī)驅(qū)動裝置和直流電機(jī)，其中，智能輪椅通過照明裝置和圖像傳感器來采集指定運(yùn)行路線的圖像信息，通過主控制器對圖像信息進(jìn)行分析和處理來獲得相應(yīng)的控制策略，通過超聲波測距模塊來判斷輪椅周圍是否有障礙物或低洼地段實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)運(yùn)行，通過手動控制器來實(shí)現(xiàn)緊急或其他情況下手柄干預(yù)保護(hù)運(yùn)行，通過主控制器語音播報功能實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)與運(yùn)行狀態(tài)提示，通過電機(jī)驅(qū)動裝置將控制信號進(jìn)行放大轉(zhuǎn)換為驅(qū)動直流電機(jī)的驅(qū)動信號，最終通過直流電機(jī)運(yùn)行控制智能輪椅進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動。為了更加詳細(xì)地對視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)進(jìn)行說明，下面從具體的硬件體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行闡述(如圖2所示)。圖1所述的主控制器由單片機(jī)、DA轉(zhuǎn)換芯片、繼電器組、監(jiān)測電路、 揚(yáng)聲器、鍵盤和LED組成，其中單片機(jī)用來對指定運(yùn)行路線的圖像信息進(jìn)行處理和分析，DA 轉(zhuǎn)換模塊將控制策略轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動裝置所需的四路模擬電壓信號，繼電器組用來選擇輪椅是處于自動控制模式還是手動控制模式，監(jiān)測電路用來實(shí)時的檢測用戶是否有手動控制指令發(fā)出，揚(yáng)聲器用來播放語音提示音，實(shí)現(xiàn)輪椅與用戶之間的語音交互，鍵盤用來接收用戶輸入的控制指令，LED則用于指示輪椅當(dāng)前所處的運(yùn)行狀態(tài)。圖1所述的直流電機(jī)分為左、右直流電機(jī)。在控制原理上，本發(fā)明所述的視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)(如圖3所示)。其中輪椅中心的位置作為給定環(huán)節(jié)的輸入量，用于確定被控對象輪椅的目標(biāo)值。標(biāo)識線的中心位置作為測量環(huán)節(jié)的輸出量和控制系統(tǒng)的反饋量。通過比較環(huán)節(jié)得到輪椅中心位置和標(biāo)識線中心位置的偏差，再通過放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)對偏差量進(jìn)行轉(zhuǎn)換和功率放大，執(zhí)行環(huán)節(jié)接收放大環(huán)節(jié)輸出的控制信號，驅(qū)動被控對象輪椅按照預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)動。最終實(shí)現(xiàn)輪椅的轉(zhuǎn)向和速度控制。
在功能上，本發(fā)明所述的視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)分為圖像采集、圖像處理、控制決策、 安全保護(hù)和動力系統(tǒng)驅(qū)動五個子功能模塊，其組成框圖如圖4所示。其中，圖像采集模塊對圖像傳感器輸出的視頻信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲得路徑的數(shù)字圖像；圖像處理模塊通過有效的數(shù)字圖像處理算法，提取出智能輪椅與標(biāo)識線間的位置和角度偏差；控制決策模塊對智能輪椅的轉(zhuǎn)向和速度采用模糊控制算法，根據(jù)圖像處理模塊提取出的路徑信息查詢模糊控制表來獲得相應(yīng)的控制策略；安全保護(hù)模塊分為超聲波避障、手動控制、語音播報以及緊急停止等安全保護(hù)方式，其中超聲波避障安全保護(hù)用于判斷輪椅周圍是否有障礙物或者是低洼地段，手動干預(yù)安全保護(hù)使得用戶可以通過手柄自主的干預(yù)輪椅的運(yùn)動；動力系統(tǒng)的驅(qū)動模塊在控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速上分為兩種方式第一種控制方式是通過主控制器輸出的 PWM信號來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；第二種控制方式是將控制策略通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，再通過電壓信號接管直流電機(jī)的控制器來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。下面通過將本發(fā)明應(yīng)用到普通電動輪椅當(dāng)中，來對本發(fā)明的技術(shù)方案逐一進(jìn)行闡述。圖像采集模塊由數(shù)字圖像傳感器以及安裝在圖像傳感器四周的照明裝置組成。由于數(shù)字圖像傳感器將光敏元陣列、驅(qū)動電路、信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和接口電路等完全集成在同一芯片內(nèi)，故僅需設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。單片機(jī)根據(jù)數(shù)字圖像傳感器輸出的VSYNC (場同步信號),HREF (行同步信號)和PCLK (像素同步信號) 的時序來完成圖像數(shù)據(jù)的采集，通過安裝在圖像傳感器四周的照明裝置，可以實(shí)現(xiàn)對外界不同光線環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，并通過自適應(yīng)閾值調(diào)整方法，從而完成在不同光線環(huán)境下的視覺導(dǎo)航功能。下面首先分別對各個信號進(jìn)行說明。VSYNC(場同步信號)用來判斷一副圖像是否已經(jīng)開始，VSYNC信號的周期為20ms。 另外VSYNC信號需要通過下降沿來捕捉，這和單片機(jī)外部中斷的觸發(fā)方式相同，所以一旦單片機(jī)進(jìn)入場中斷，便可立即采集數(shù)據(jù)。HREF(行同步信號)用來判斷一行圖像是否已經(jīng)開始，HREF信號的周期為Mus， 其中有效的灰度數(shù)據(jù)是在行中斷后40us的上升沿內(nèi)，而在行中斷后的Mus的下降沿內(nèi)采集到的都是不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。為了保證能夠采集到正確的數(shù)據(jù)，行中斷必須通過上升沿捕捉， 而單片機(jī)外部中斷的觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，所以這里需要另外串聯(lián)一個反相器，這樣一旦單片機(jī)進(jìn)入行中斷，便可立即采集數(shù)據(jù)。PCLK(像素同步信號)用來判斷灰度數(shù)據(jù)是否有效，PCLK信號的周期為112ns。 由于單片機(jī)的處理速度有限，所以單片機(jī)根本捕捉不到PCLK信號。要采集到正確的灰度數(shù)據(jù)，可以根據(jù)HREF信號來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。具體的方法是在HREF信號處于高電平的40us內(nèi)通過軟件延時來采集，其中延時的時間需要借助于示波器等預(yù)先獲得。只要保證每次采集數(shù)據(jù)的時候PCLK信號都處于高電平狀態(tài)，就保證采集到的灰度數(shù)據(jù)全是正確的。圖像采集模塊程序流程圖如圖5所示，其方法為單片機(jī)首先通過場中斷信號觸發(fā)外部中斷來開始進(jìn)行一場圖像數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)入場中斷程序之后，再通過行中斷信號來進(jìn)行特定行圖像數(shù)據(jù)的采集，即為提高單片機(jī)處理速度和處理能力，采用隔數(shù)行采集數(shù)據(jù)的方法，并根據(jù)調(diào)整的攝像頭視域，形成圖像數(shù)據(jù)矩陣。圖像處理和控制決策模塊程序流程圖如圖6所示，其方法為根據(jù)標(biāo)識線和地面所對應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)之間的差異，由于受周圍環(huán)境光線強(qiáng)弱影響，通過自適應(yīng)閾值調(diào)整的方法， 選取一個灰度值作為閾值，對圖像數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行處理，提取出標(biāo)識線中心線的位置，進(jìn)而計(jì)算出輪椅與標(biāo)識線間的位置偏差d和角度偏差θ (如圖7所示)，d = Lcenter_data [ητ] -C，
H
^ = arctan(-^-^) ’其中Lcenter_data[nT]為視覺圖像數(shù)據(jù)第％行(特定行，實(shí)現(xiàn)例為離
輪椅主動輪軸線最近距離的一行)的標(biāo)識線中心數(shù)據(jù)，C為攝像頭安裝固定后輪椅中心參數(shù)，D是指在每個控制周期內(nèi)智能輪椅按照原方向運(yùn)行的距離參數(shù)(如用圖7b中θ角度偏差表示，則上式中分子Hx則變?yōu)镠x-d)。根據(jù)輪椅和標(biāo)識線之間的位置和角度偏差查詢模糊控制規(guī)則表(如圖8所示，NB/負(fù)大、NM/負(fù)中、NS/負(fù)小、ZE/零、PS/正小、PM/正中、 PB/正大)，便可智能的獲得相應(yīng)的控制策略，進(jìn)行輪椅運(yùn)行控制(速度和方向)。自適應(yīng)閾值調(diào)整的方法即自適應(yīng)動態(tài)灰度閾值Dt = Dh min+ λ (Dh _-Dh min)，其中Dh為實(shí)際采得的視覺區(qū)域圖像點(diǎn)的灰度數(shù)據(jù)值，λ為自適應(yīng)閾值的調(diào)整系數(shù)，在規(guī)則標(biāo)識線下λ可取0.05 0. 1。為了去除干擾噪聲，通常采用連續(xù)N個點(diǎn)滿足閾值條件，則判斷該起始點(diǎn)為標(biāo)識線數(shù)據(jù)，否則認(rèn)為是噪聲干擾數(shù)據(jù)。安全保護(hù)模塊分為超聲波避障、手動控制、語音播報以及緊急停止等安全保護(hù)方式，其中超聲波避障和手動控制的控制程序流程圖如圖6所示，超聲波避障安全保護(hù)的方法為在輪椅執(zhí)行相對應(yīng)的控制策略之前，通過調(diào)用安裝在輪椅四周的超聲波測距模塊來判斷輪椅即將運(yùn)行的方向上是否有障礙物或者是低洼地段，一旦檢測到障礙物或者是低洼地段，輪椅會立即停止運(yùn)動，并給出語音播報，直至障礙物移開或者是執(zhí)行用戶其它的控制指令；手動干預(yù)安全保護(hù)的方法為將輪椅自帶的手動控制器的四路模擬電壓輸出線接到四路電壓比較器(LM339)上，并與基準(zhǔn)電壓(2. 5V)進(jìn)行比較，當(dāng)用戶操作手柄時，手動控制器輸出的四路模擬電壓信號之中必有一路大于基準(zhǔn)電壓，故四路電壓比較器中必有一路輸出為高電平，之后經(jīng)過或門輸出高電平，再經(jīng)過放大電路驅(qū)動接通用于手動控制的繼電器動作， 將輪椅切換到手動控制模式，便實(shí)現(xiàn)了手柄最高優(yōu)先級的控制，當(dāng)用戶不使用手柄時，輪椅將切換到自動控制模式。主控制器的語音播報安全保護(hù)是通過主控制器的圖像處理與識別，到停止點(diǎn)或者無導(dǎo)航路徑信息時，主控制器將強(qiáng)制輪椅停止并給出語音播報信息提示。 緊急停止保護(hù)是在緊急或意外情況下通過緊急開關(guān)斷開，抱閘抱死，輪椅緊急停止。動力系統(tǒng)的驅(qū)動模塊由DA轉(zhuǎn)換芯片、電動輪椅自帶的控制器以及相應(yīng)的外圍電路組成，其方法是通過控制信息轉(zhuǎn)化的DA信號接管電動輪椅直流電機(jī)控制器對輪椅運(yùn)行進(jìn)行控制。首先建立DA轉(zhuǎn)換芯片輸出的四路模擬電壓信號和直流電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系，其次通過DA轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的模擬電壓信號實(shí)現(xiàn)對輪椅轉(zhuǎn)角和速度的控制。視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)的總程序流程圖如圖6所示，具體的實(shí)現(xiàn)方法為單片機(jī)在進(jìn)行初始化準(zhǔn)備工作之后，首先通過場中斷信號觸發(fā)外部中斷來開始進(jìn)行一場圖像數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)入場中斷程序之后，再通過行中斷信號來進(jìn)行特定行圖像數(shù)據(jù)的采集，一場圖像數(shù)據(jù)采集完畢后退出中斷程序。此后，通過數(shù)字圖像處理算法來提取出輪椅與標(biāo)識線間的位置和角度偏差，并通過模糊控制算法來獲得對應(yīng)的控制策略，輪椅在執(zhí)行控制策略之前，通過調(diào)用安裝在輪椅四周的超聲波測距模塊來判斷輪椅即將運(yùn)行的方向上是否有障礙物或者是低洼地段，一旦檢測到障礙物或者是低洼地段，輪椅會立即停止運(yùn)動，直至障礙物移開或者是執(zhí)行用戶其它的控制指令，用戶在進(jìn)行視覺導(dǎo)航的過程中，任何時候都可以通過手動控制器來自主的干預(yù)輪椅的運(yùn)動，單片機(jī)最終通過外部DA轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的四路模擬電壓信號來實(shí)現(xiàn)對輪椅轉(zhuǎn)角和速度的控制。
針對智能輪椅的經(jīng)濟(jì)性、安全性和交互流暢性等市場推廣瓶頸，本發(fā)明采用高性能單片機(jī)對普通電動輪椅進(jìn)行智能化升級，使輪椅能夠?qū)崿F(xiàn)在不同光線環(huán)境下對不同走向和形狀標(biāo)識線的視覺跟蹤，從而完成到指定路線的運(yùn)行。并通過融合超聲波避障技術(shù)、手柄干預(yù)控制技術(shù)以及主控制器的圖像識別與語音播報技術(shù)，進(jìn)一步提高智能輪椅運(yùn)行安全性。本發(fā)明在單片機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了智能輪椅按指定路線的視覺導(dǎo)航運(yùn)行，特別適用于需要頻繁地在固定路線來回移動的場合。同時，本發(fā)明無需PC機(jī)或DSP等高性能微處理器，具有成本低，功耗低，便攜性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場前景。


圖1為本發(fā)明嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)的組成框圖。圖4為本發(fā)明視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)的控制原理方框圖。圖5為本發(fā)明圖像采集模塊的程序流程圖。圖6為本發(fā)明視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)的總程序流程圖。圖7為本發(fā)明輪椅與標(biāo)識線位置與角度偏差獲取示意8為本發(fā)明模糊控制規(guī)則表
具體實(shí)施例方式本發(fā)明將通過以下實(shí)施例作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明所述的嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)包括照明裝置⑴、圖像傳感器⑵、主控制器⑶、超聲波測距模塊⑷、手動控制器(5)、電機(jī)驅(qū)動裝置(6)和直流電機(jī)(7)。其中，圖像傳感器( 通過照明裝置(1)來采集指定運(yùn)行路線的圖像信息，主控制器C3)對圖像傳感器( 采集到的圖像信息進(jìn)行處理和分析，提取出所需的路徑位置和角度偏差，并通過模糊控制算法來獲得相應(yīng)的控制策略，同時超聲波測距模塊(4)用來實(shí)時地對輪椅所處的環(huán)境進(jìn)行檢測和分析，判斷輪椅周圍是否有障礙物或低洼地段，并將該信息及時地傳送給主控制器(3)，主控制器(3)再根據(jù)該信息來判斷根據(jù)圖像傳感器(2)所得到的控制策略是否能夠安全地執(zhí)行，并通過語音播報的形式將信息反饋給用戶。手動控制器( 用來接收使用者的手動控制指令，智能輪椅在視覺導(dǎo)航運(yùn)行過程中，一旦主控制器C3)檢測到使用者有手動控制指令發(fā)出，主控制器C3)將立即執(zhí)行手動控制指令，并最終通過電機(jī)驅(qū)動裝置(6)將控制信號進(jìn)行放大轉(zhuǎn)換為驅(qū)動直流電機(jī)(7)的驅(qū)動信號。本發(fā)明提出的視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，圖1所述的主控制器由單片機(jī)、DA轉(zhuǎn)換芯片、繼電器組、監(jiān)測電路、揚(yáng)聲器、鍵盤和LED組成，其中單片機(jī)用來對指定運(yùn)行路線的圖像信息進(jìn)行處理和分析，DA轉(zhuǎn)換芯片將控制策略轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動裝置所需的四路模擬電壓信號，繼電器組用來選擇輪椅是處于自動控制模式還是手動控制模式，監(jiān)測電路用來實(shí)時的檢測用戶是否有手動控制指令發(fā)出，揚(yáng)聲器用來播放語音提示音， 實(shí)現(xiàn)輪椅與用戶之間的語音交互，鍵盤用來接收用戶輸入的控制指令，LED則用于指示輪椅當(dāng)前所處的運(yùn)行狀態(tài)。圖1所述的直流電機(jī)分為左、右直流電機(jī)。本發(fā)明所述的視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)的組成框圖如圖3所示，其中，圖像采集模塊對圖像傳感器輸出的視頻信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲得路徑的數(shù)字圖像；圖像處理模塊通過有效的數(shù)字圖像處理算法提取智能輪椅與標(biāo)識線間的位置和角度偏差；控制決策模塊對智能輪椅的轉(zhuǎn)向和速度采用模糊控制算法，根據(jù)圖像處理模塊提取出的路徑信息查詢模糊控制表來獲得相應(yīng)的控制策略；動力系統(tǒng)驅(qū)動模塊將控制策略通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，再通過電壓信號接管直流電機(jī)控制器來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本發(fā)明所述的視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)的控制原理方框圖如圖4所示，該控制系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中輪椅中心的位置作為給定環(huán)節(jié)的輸入量，用于確定被控對象輪椅的目標(biāo)值。標(biāo)識線的中心位置作為測量環(huán)節(jié)的輸出量和控制系統(tǒng)的反饋量。通過比較環(huán)節(jié)得到輪椅中心位置和標(biāo)識線中心位置的偏差，再通過放大及運(yùn)算環(huán)節(jié)對偏差量進(jìn)行轉(zhuǎn)換和功率放大，執(zhí)行環(huán)節(jié)接收放大環(huán)節(jié)輸出的控制信號，驅(qū)動被控對象輪椅按照預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)動。最終實(shí)現(xiàn)輪椅的轉(zhuǎn)向和速度控制。本發(fā)明所述的圖像采集模塊程序流程圖如圖6所示，單片機(jī)首先通過場中斷信號觸發(fā)外部中斷來開始進(jìn)行一場圖像數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)入場中斷程序之后，再通過行中斷信號來進(jìn)行特定行圖像數(shù)據(jù)的采集，直至一場圖像數(shù)據(jù)采集完畢后才退出才中斷程序。本發(fā)明所述的視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)總程序流程圖如圖6所示，其具體實(shí)現(xiàn)例步驟為S6. 1系統(tǒng)初始化輪椅電源開啟之后，單片機(jī)進(jìn)行一系列的初始化工作，主要包括0V6620數(shù)字圖像傳感器各個寄存器中狀態(tài)變量和數(shù)值的初始化、單片機(jī)I/O 口、系統(tǒng)時鐘、中斷以及鍵盤、 指示燈和D/A模塊的初始化工作。S6. 2攝像頭復(fù)位，并關(guān)閉外部中斷當(dāng)單片機(jī)SPCE061A根據(jù)0V6620輸出的VSYNC (場同步信號)、HREF (行同步信號) 的時序完成圖像數(shù)據(jù)的采集之后，單片機(jī)對0V6620圖像傳感器進(jìn)行復(fù)位操作，使其停止工作，并關(guān)閉外部中斷，然后進(jìn)入圖像數(shù)據(jù)處理程序。S6.3根據(jù)周圍光線的強(qiáng)弱來確定閾值由于原始圖像中會存在干擾信息，因此需要對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。為了快速準(zhǔn)確地提取出標(biāo)識線，可以選取一個灰度值作為閾值來區(qū)分標(biāo)識線和地面，但是圖像灰度數(shù)據(jù)的大小會隨著周圍環(huán)境光線的強(qiáng)弱而變化，當(dāng)光線較強(qiáng)時，圖像灰度數(shù)據(jù)較大，而光線較弱時，圖像灰度數(shù)據(jù)較小。為了實(shí)現(xiàn)在不同的光線環(huán)境下對不同形狀標(biāo)識線的跟蹤，故需根據(jù)周圍光線的強(qiáng)弱來自適應(yīng)動態(tài)確定閾值。S6. 4計(jì)算標(biāo)識線中心線的位置通過設(shè)定的動態(tài)閾值，從每一行圖像數(shù)據(jù)的最左端開始依次向右比較各個灰度數(shù)據(jù)和閾值的大小。若數(shù)據(jù)大于或等于閾值，則判定該數(shù)據(jù)對應(yīng)的是淺色路面；反之，則判定對應(yīng)的是黑色標(biāo)識線。為了防止外界環(huán)境的干擾，只有當(dāng)連續(xù)數(shù)個數(shù)據(jù)均小于閾值時，才認(rèn)定有黑線存在，此時記錄下黑線左邊緣位置，再根據(jù)黑線在圖像數(shù)組中對應(yīng)的寬度便可確定黑線中心線的位置S6.5計(jì)算標(biāo)識線中心線的位置與角度偏差
根據(jù)標(biāo)識線中心線的位置來計(jì)算出標(biāo)識線中心線和輪椅中心線的位置偏差，根據(jù)水平和垂直方向上的位置偏差來計(jì)算出標(biāo)識線中心線的角度偏差。S6. 6查詢模糊控制規(guī)則表獲取相應(yīng)的控制策略為了實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時控制，可以通過建立模糊控制表，根據(jù)輪椅和標(biāo)識線之間的位置和角度偏差查詢模糊控制規(guī)則表便可獲得相應(yīng)的控制策略S6. 7調(diào)用超聲波測距模塊在輪椅執(zhí)行相對應(yīng)的控制策略之前，通過調(diào)用安裝在輪椅四周的超聲波測距模塊來判斷輪椅即將運(yùn)行的方向上是否有障礙物或者是低洼地段，一旦檢測到障礙物或者是低洼地段，輪椅會立即停止運(yùn)動，直至障礙物移開或者是執(zhí)行用戶其它的控制指令。S6. 8 D/A轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)控制策略輸出多路模擬電壓信號SPCE061A單片機(jī)最終通過外部D/A轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的四路模擬電壓信號實(shí)現(xiàn)對電動輪椅直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，故需將控制指令轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的四路模擬電壓信號來對直流電機(jī)控制器進(jìn)行控制。S6.9電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)手動控制指令對輪椅的轉(zhuǎn)向和速度進(jìn)行控制當(dāng)用戶操作手柄時，放大電路驅(qū)動接通用于手動控制的繼電器動作，將輪椅切換到手動控制模式，當(dāng)用戶不使用手柄時，輪椅將切換到自動控制模式。S6. 10攝像頭正常工作并允許外部中斷一場圖像處理完畢，圖像傳感器恢復(fù)正常工作狀態(tài)，并開始外部中斷，準(zhǔn)備進(jìn)入下一次工作循環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包括照明裝置(1)、圖像傳感器( 、主控制器( 、超聲波測距模塊(4)、手動控制器( 、電機(jī)驅(qū)動裝置(6)和直流電機(jī)(7)，其中，照明裝置⑴和圖像傳感器⑵相連，圖像傳感器O)、超聲波測距模塊 G)、手動控制器(5)均和主控制器(3)互聯(lián)，主控制器(3)又連接于電機(jī)驅(qū)動裝置(6)，電機(jī)驅(qū)動裝置(6)連接于直流電機(jī)(8)；智能輪椅通過照明裝置(1)和圖像傳感器(2)來采集指定運(yùn)行路線的圖像信息，通過主控制器( 對圖像信息進(jìn)行分析和處理來獲得相應(yīng)的控制策略，通過超聲波測距模塊 (4)來判斷輪椅周圍是否有障礙物或低洼地段，通過手動控制器(5)來判斷用戶是否需要通過手柄來自主的干預(yù)輪椅的運(yùn)動，通過電機(jī)驅(qū)動裝置(6)將控制信號進(jìn)行放大轉(zhuǎn)換為驅(qū)動直流電機(jī)(7)的驅(qū)動信號，最終通過直流電機(jī)(7)控制智能輪椅進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，主控制器由單片機(jī)、DA轉(zhuǎn)換芯片、繼電器組、監(jiān)測電路、揚(yáng)聲器、鍵盤和LED組成；單片機(jī)通過DA轉(zhuǎn)換芯片連接到繼電器組，通過繼電器組與電機(jī)驅(qū)動裝置(6)相連；繼電器組用于切換自動或者控制模式，監(jiān)測電路用于實(shí)時地監(jiān)測是否有手動控制指令發(fā)出；單片機(jī)并通過揚(yáng)聲器、鍵盤和LED人機(jī)交互設(shè)備與用戶交互。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，主控制器在完成圖像數(shù)據(jù)處理的同時，還可以根據(jù)超聲波測距模塊的檢測結(jié)果來判斷控制指令是否能夠安全地執(zhí)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是所述的照明裝置能夠根據(jù)所采集到圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量來自適應(yīng)的調(diào)整照明光源的光強(qiáng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是所述的電機(jī)驅(qū)動裝置的控制方式是通過主控制器輸出的PWM信號來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或者將控制策略通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，再通過電壓信號接管普通電動輪椅直流電機(jī)控制器來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，采用分布在輪椅四周以及底下的多個超聲波測距模塊來對輪椅周圍的障礙物和低洼地段進(jìn)行檢測。
7.一種嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制方法，其方法如下單片機(jī)在進(jìn)行初始化準(zhǔn)備工作之后，首先通過場中斷信號觸發(fā)外部中斷來開始進(jìn)行一場圖像數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)入場中斷程序之后，再通過行中斷信號來進(jìn)行特定行圖像數(shù)據(jù)的采集，直至一場圖像數(shù)據(jù)采集完畢后才退出才中斷程序，獲得數(shù)字圖像矩陣；此后，通過數(shù)字圖像處理算法來提取出標(biāo)識線中心線位置以及輪椅與標(biāo)識線間的位置和角度偏差，并經(jīng)過相應(yīng)的控制算法來獲得對應(yīng)的控制策略，輪椅在執(zhí)行控制策略之前，通過調(diào)用安裝在輪椅四周的超聲波測距模塊來判斷輪椅即將運(yùn)行的方向上是否有障礙物或者是低洼地段，一旦檢測到障礙物或者是低洼地段，輪椅會立即停止運(yùn)動，直至障礙物移開或者是執(zhí)行用戶其它的控制指令，用戶在進(jìn)行視覺導(dǎo)航的過程中，任何時候都可以通過手動控制器來自主的干預(yù)輪椅的運(yùn)動，單片機(jī)最終通過外部D/A轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的數(shù)路模擬電壓信號來實(shí)現(xiàn)對輪椅轉(zhuǎn)角和速度的控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制方法，圖像采集處理其特征在于采用間隔數(shù)行采集的方式，并根據(jù)調(diào)整的視覺傳感器視域和標(biāo)識線寬度得到長短適宜的行數(shù)據(jù)，獲得圖像數(shù)據(jù)矩陣，以提高嵌入式系統(tǒng)圖像采集處理速度與能力。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制方法，圖像采集處理其特征是單片機(jī)根據(jù)場同步信號和行同步信號的時序?qū)D像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制方法，圖像采集處理其特征在于采用自適應(yīng)動態(tài)閾值方法確定標(biāo)識線數(shù)據(jù)，以適應(yīng)不同光線環(huán)境。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制方法，其特征為控制輸入量采用輪椅與標(biāo)識線位置與角度偏差，控制算法為模糊控制算法。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制方法，其特征是 S12. 1系統(tǒng)初始化輪椅電源開啟之后，單片機(jī)進(jìn)行一系列的初始化工作，主要包括圖像傳感器各個寄存器中狀態(tài)變量和數(shù)值的初始化、單片機(jī)I/O 口、系統(tǒng)時鐘、中斷以及鍵盤、指示燈和D/A模塊的初始化工作；S12.2攝像頭復(fù)位，并關(guān)閉外部中斷當(dāng)單片機(jī)根據(jù)圖像傳感器輸出的VSYNC(場同步信號)、HREF(行同步信號)的時序完成圖像數(shù)據(jù)的采集之后，單片機(jī)對圖像傳感器進(jìn)行復(fù)位操作，使圖像傳感器停止工作，并關(guān)閉外部中斷，然后進(jìn)入圖像數(shù)據(jù)處理程序； S12.3根據(jù)周圍光線的強(qiáng)弱來確定閾值為了在不同的光線環(huán)境下快速準(zhǔn)確地提取出標(biāo)識線，單片機(jī)需要根據(jù)周圍光線的強(qiáng)弱來確定閾值，以便找到標(biāo)識線在圖像數(shù)據(jù)中對應(yīng)的位置； S12.4計(jì)算標(biāo)識線中心線的位置通過設(shè)定的動態(tài)閾值，從每一行圖像數(shù)據(jù)的最左端開始依次向右比較各個灰度數(shù)據(jù)和閾值的大小；若數(shù)據(jù)大于或等于閾值，則判定該數(shù)據(jù)對應(yīng)的是淺色路面；反之，則判定對應(yīng)的是黑色標(biāo)識線；為了防止外界環(huán)境的干擾，只有當(dāng)連續(xù)數(shù)個數(shù)據(jù)均小于閾值時，才認(rèn)定有黑線存在，此時記錄下黑線左邊緣位置，再根據(jù)黑線在圖像數(shù)組中對應(yīng)的寬度便可確定黑線中心線的位置；S12.5計(jì)算標(biāo)識線中心線的位置與角度偏差根據(jù)標(biāo)識線中心線的位置來計(jì)算出標(biāo)識線中心線和輪椅中心線的位置偏差，根據(jù)水平和垂直方向上的位置偏差來計(jì)算出標(biāo)識線中心線的角度偏差； S12. 6查詢模糊控制規(guī)則表獲取相應(yīng)的控制策略根據(jù)輪椅和標(biāo)識線之間的位置和角度偏差查詢模糊控制規(guī)則表便可獲得相應(yīng)的控制策略；S12. 7調(diào)用超聲波測距模塊在輪椅執(zhí)行相對應(yīng)的控制策略之前，通過調(diào)用安裝在輪椅四周的超聲波測距模塊來判斷輪椅即將運(yùn)行的方向上是否有障礙物或者是低洼地段，一旦檢測到障礙物或者是低洼地段，輪椅會立即停止運(yùn)動，直至障礙物移開或者是執(zhí)行用戶其它的控制指令； S12. 8 D/A轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)控制策略輸出多路模擬電壓信號SPCE061A單片機(jī)最終通過外部D/A轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的四路模擬電壓信號實(shí)現(xiàn)對電動輪椅直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，故需將控制指令轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的四路模擬電壓信號來對直流電機(jī)控制器進(jìn)行控制；S12. 9電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)手動控制指令對輪椅的轉(zhuǎn)向和速度進(jìn)行控制當(dāng)用戶操作手柄時，放大電路驅(qū)動接通用于手動控制的繼電器動作，將輪椅切換到手動控制模式，當(dāng)用戶不使用手柄時，輪椅將切換到自動控制模式； S12. 10攝像頭正常工作并允許外部中斷一場圖像處理完畢，0V6620圖像傳感器恢復(fù)正常工作狀態(tài),并開始外部中斷，準(zhǔn)備進(jìn)入下一次工作循環(huán)。
全文摘要
一種嵌入式智能輪椅視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括照明裝置、圖像傳感器、主控制器、超聲波測距模塊、手動控制器、電機(jī)驅(qū)動裝置和直流電機(jī)，其中，照明裝置和圖像傳感器相連，圖像傳感器、超聲波測距模塊、手動控制器均和主控制器互聯(lián)，主控制器又連接于電機(jī)驅(qū)動裝置，電機(jī)驅(qū)動裝置連接于直流電機(jī)；方法首先獲取數(shù)字圖像矩陣；提取出標(biāo)識線中心線位置以及輪椅與標(biāo)識線間的位置和角度偏差，獲得控制策略；超聲波探測障礙物，通過外部D/A轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的數(shù)路模擬電壓信號實(shí)現(xiàn)輪椅轉(zhuǎn)角和速度的控制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了智能輪椅按指定路線的視覺導(dǎo)航運(yùn)行，特別適用于需要頻繁地在固定路線來回移動的場合，具有成本低，功耗低，便攜性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號A61G5/10GK102188311SQ20101059707
公開日2011年9月21日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者劉繼忠, 吳斌, 夏嘉廷, 張華 , 范冰飛 申請人:南昌大學(xué)