用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車及其定位方法
【專利摘要】用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車及其定位方法，屬于盲人助行導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】。為了解決目前用于導(dǎo)盲的服務(wù)機(jī)器人在保證定位精度的同時(shí)，過密的鋪設(shè)超聲波信標(biāo)使成本增加的問題。助行小車通過布置在所述室內(nèi)的棚頂?shù)某暡ń邮贞嚵校瑢?shí)現(xiàn)小范圍高精度定位，通過安裝在小車后輪的編碼器與電子羅盤的航跡推算組合實(shí)現(xiàn)大范圍低精度的慣性導(dǎo)航，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；如果助行小車行進(jìn)過程中遇到障礙物，則通過避障系統(tǒng)進(jìn)行提示使用者障礙物的方位，還可以通過語音和主控系統(tǒng)進(jìn)行交互，詢問當(dāng)前位置及指定目的地，主控系統(tǒng)控制通過語音播報(bào)、提示導(dǎo)航路線。它用于盲人導(dǎo)航。
【專利說明】用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車及其定位方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及屬于盲人助行導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]老齡化已經(jīng)成為全球性問題，另據(jù)世界衛(wèi)生組織最新估計(jì)，全球約有4500萬盲 人。隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，已經(jīng)有許多公共設(shè)施及專用設(shè)備得到了應(yīng)用，但是出行 困難依然是老年人群體和盲人群體最困擾的問題。為了方便老年人和盲人出行，具有輔助 行走、康復(fù)訓(xùn)練、導(dǎo)盲等功能的助行系統(tǒng)已逐漸成為國內(nèi)外機(jī)器人與康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究 熱點(diǎn)。
[0003]服務(wù)機(jī)器人是一種可以幫助人類完成服務(wù)性工作的半自主或全自主工作的機(jī)器 人。根據(jù)數(shù)據(jù)資料顯示，全球范圍內(nèi)的服務(wù)機(jī)器人有著廣泛的市場(chǎng)。近年來，服務(wù)機(jī)器人市 場(chǎng)發(fā)展保持了較快的增長速度。隨著勞動(dòng)力價(jià)格日趨上漲，從事保安、看護(hù)、清潔工作的簡(jiǎn) 單勞動(dòng)力越來越少，但全球人口老齡化的加劇，看護(hù)等工作的人員需求卻越來越多。為了彌 補(bǔ)這種供需的巨大差異，服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)由此產(chǎn)生。
[0004] 目前用于導(dǎo)盲的服務(wù)機(jī)器人在定位時(shí)多采用超聲波網(wǎng)絡(luò)定位，超聲波網(wǎng)絡(luò)定位系 統(tǒng)需要一個(gè)光速級(jí)的同步信號(hào)來進(jìn)行測(cè)距時(shí)間上的同步，通過收到的超聲波信標(biāo)的數(shù)據(jù)解 算出機(jī)器人當(dāng)前的位置。超聲波網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)能在信標(biāo)覆蓋區(qū)域重合的位置提供高精度的 定位，但是由于超聲波信標(biāo)鋪設(shè)的密度會(huì)直接影響定位的精度，過密的鋪設(shè)又無疑會(huì)增加 成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決目前用于導(dǎo)盲的服務(wù)機(jī)器人在保證定位精度的同時(shí)，過 密的鋪設(shè)超聲波信標(biāo)使成本增加的問題，本發(fā)明提供一種用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo) 航助行小車及其定位方法。
[0006] 本發(fā)明的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車，
[0007] 盲人導(dǎo)航助行小車包括車體、超聲波避障模塊、避障控制模塊、微震馬達(dá)、超聲波 發(fā)射頭、第一超聲波控制模塊、第二超聲波控制模塊、射頻模塊、超聲波接收陣列、主控模 塊、語音系統(tǒng)、2個(gè)編碼器、編碼器連接板和電子羅盤；
[0008] 超聲波避障模塊、避障控制模塊、超聲波發(fā)射頭、第一超聲波控制模塊、主控模塊 和提示系統(tǒng)均設(shè)置在車體上，其中，超聲波避障模塊安裝在車體的前端，超聲波發(fā)射頭設(shè)置 在車體的頂端，并指向室內(nèi)的棚頂；微震馬達(dá)安裝在車體扶手處；
[0009] 第二超聲波控制模塊、射頻模塊和超聲波接收陣列均設(shè)置在所述室內(nèi)的棚頂；
[0010] 超聲波避障模塊檢測(cè)的避障信號(hào)輸入至避障控制模塊，避障控制模塊根據(jù)避障信 號(hào)控制微震馬達(dá)震動(dòng)；
[0011] 主控模塊的避障控制信號(hào)輸入至避障控制模塊，
[0012] 超聲波接收陣列接收定位的地址數(shù)據(jù)輸入至第二超聲波控制模塊，第二超聲波控 制模塊通過射頻模塊將地址數(shù)據(jù)發(fā)送至第一超聲波控制模塊，第一超聲波控制模塊將接收 的地址數(shù)據(jù)輸入至主控模塊，主控模塊將發(fā)射控制信號(hào)輸入至第一超聲波控制模塊，第一 超聲波控制模塊將發(fā)射控制信號(hào)輸入至超聲波發(fā)射頭；
[0013] 語音系統(tǒng)將目的地信號(hào)輸入至主控模塊，主控模塊根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)確定 當(dāng)前車體的位置，再結(jié)合目的地信號(hào)規(guī)劃導(dǎo)航路徑，輸出目的地導(dǎo)航信號(hào)輸入至語音系統(tǒng)， 語音系統(tǒng)根據(jù)目的地導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行語音提示；
[0014] 所述車體上還設(shè)置3個(gè)輪，
[0015] 3個(gè)輪包括1個(gè)前輪和2個(gè)后輪，前輪設(shè)置在車體前端的底部，2個(gè)后輪設(shè)置在車 體后端的底部；2個(gè)編碼器分別安裝在2個(gè)后輪上，2個(gè)編碼器的脈沖數(shù)據(jù)均通過編碼器連 接板輸入至主控模塊；
[0016] 電子羅盤將當(dāng)前檢測(cè)到的絕對(duì)角度值輸入至主控模塊，
[0017] 當(dāng)主控模塊接收不到當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)時(shí)，主控模塊根據(jù)輸入的當(dāng)前時(shí)刻脈沖 數(shù)據(jù)、絕對(duì)角度值和上一時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)確定當(dāng)前車體的位置，再結(jié)合目的地信號(hào)規(guī)劃導(dǎo) 航路徑，輸出目的地導(dǎo)航信號(hào)輸入至語音系統(tǒng)。
[0018] 盲人導(dǎo)航助行小車包括3個(gè)超聲波避障模塊，1號(hào)超聲波避障模塊設(shè)置在車體的 前端的左側(cè)，2號(hào)超聲波避障模塊設(shè)置在車體的前端的正前側(cè)，3號(hào)超聲波避障模塊設(shè)置在 車體的前端的右側(cè)，3個(gè)超聲波避障模塊檢測(cè)到的避障信號(hào)均發(fā)送給避障控制模塊。
[0019] 盲人導(dǎo)航助行小車包括2個(gè)微震馬達(dá)，當(dāng)1號(hào)超聲波避障模塊檢測(cè)到障礙物，避障 控制模塊控制1號(hào)微震馬達(dá)震動(dòng)，當(dāng)3號(hào)超聲波避障模塊檢測(cè)到障礙物，避障控制模塊控制 2號(hào)微震馬達(dá)震動(dòng)，當(dāng)2號(hào)超聲波避障模塊檢測(cè)到障礙物，避障控制模塊控制1號(hào)微震馬達(dá) 和2號(hào)微震馬達(dá)同時(shí)震動(dòng)；
[0020] 2個(gè)微震馬達(dá)分別安裝在車體的左右扶手上。
[0021] 盲人導(dǎo)航助行小車還包括蜂鳴器，當(dāng)超聲波避障模塊檢測(cè)到障礙物時(shí)，避障控制 模塊控制蜂鳴器蜂鳴。
[0022] 所述語音系統(tǒng)包括語音模塊、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器；
[0023] 麥克風(fēng)接收語音命令，并將所述語音命令輸入至語音模塊，語音模塊將將語音命 令轉(zhuǎn)換成目的地信號(hào)，
[0024] 語音模塊將目的地導(dǎo)航信號(hào)轉(zhuǎn)換成目的地語音提示信號(hào)輸入至揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器根 據(jù)目的地語音提示信號(hào)進(jìn)行語音提示。
[0025] 所述盲人導(dǎo)航助行小車還包括播報(bào)按鈕；
[0026] 該播報(bào)按鈕用于控制語音模塊接收或停止接收麥克風(fēng)采集的語音指令。。
[0027] 所述超聲波接收陣列包括四個(gè)超聲波接收模塊;所述四個(gè)超聲波接收模塊在棚頂 呈正方形設(shè)置，所述正方形的邊長;
[0028] Η為超聲波發(fā)射頭與四個(gè)超聲波接收模塊形成的平面的距離；
[0029] 爐:為超聲波發(fā)射頭的發(fā)射角。
[0030] 所述盲人導(dǎo)航助行小車還包括顯示裝置，主控模塊控制所述顯示裝置顯示車體的 當(dāng)前位置
[0031] 所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車的定位方法，所述定位方法是 通過在主控模塊內(nèi)嵌入軟件實(shí)現(xiàn)，所述軟件包括如下步驟：
[0032]接收當(dāng)前時(shí)刻超聲波接收陣列定位的地址數(shù)據(jù)的步驟；
[0033] 接收當(dāng)前時(shí)刻電子羅盤輸入的絕對(duì)角度值的步驟；
[0034] 接收當(dāng)前時(shí)刻兩個(gè)編碼器的脈沖數(shù)據(jù)的步驟；
[0035]根據(jù)接收的脈沖數(shù)據(jù)，分別獲得2個(gè)后輪的當(dāng)前移動(dòng)距離；
[0036]當(dāng)沒收到當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)時(shí)，則將絕對(duì)角度值通過擴(kuò)展卡爾曼濾波的狀態(tài)更 新方程與獲得的當(dāng)前移動(dòng)距離進(jìn)行融合，獲得車體的位置數(shù)據(jù)的步驟；
[0037]當(dāng)收到當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)時(shí)，則將當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)和電子羅盤數(shù)據(jù)通過擴(kuò) 展卡爾曼濾波的狀態(tài)更新方程與獲得的當(dāng)前移動(dòng)距離進(jìn)行融合，獲得車體的位置數(shù)據(jù)的步 驟。
[0038]本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車集 定位、導(dǎo)航、語首交互、實(shí)時(shí)避障為一體，在大型公共場(chǎng)所為盲人提供助行服務(wù)。盲人可以通 過語音和助行小車系統(tǒng)進(jìn)行交互，詢問當(dāng)前位置及指定目的地，助行小車系統(tǒng)也可以通過 語音播報(bào)、提示導(dǎo)航路線；助行小車通過超聲波網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)（布置在關(guān)鍵位置的超聲波 接收陣列）實(shí)現(xiàn)小范圍高精度定位，通過編碼器與電子羅盤的航跡推算組合實(shí)現(xiàn)大范圍低 精度的慣性導(dǎo)航，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；如果助行小車行進(jìn)過程中遇到障礙 物，則會(huì)激活在小車周圍布置的超聲波避障系統(tǒng)，通過聲音提示和安裝在助行小車兩個(gè)把 手內(nèi)的微震馬達(dá)提醒使用者障礙物的方位。
[0039]本發(fā)明的助行小車結(jié)合了航跡推算成本低，方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)和超聲波定位高精度 的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又避免了航跡推算誤差積累和超聲波網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)信標(biāo)鋪設(shè)密度大的缺點(diǎn)， 極大地提高了定位精度,降低了成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0040] 圖1為本發(fā)明的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車的電氣原理示意圖。
[0041] 圖2為本發(fā)明所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042] 圖3為圖2的A向視圖。
[0043] 圖4為圖3的B向視圖。

【具體實(shí)施方式】

【具體實(shí)施方式】 [0044] 一：結(jié)合圖1、圖2、圖3和圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的 用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車，盲人導(dǎo)航助行小車包括車體7、超聲波避障 模塊、避障控制模塊、微震馬達(dá)3、超聲波發(fā)射頭 6、第一超聲波控制模塊、第二超聲波控制 模塊、射頻模塊、超聲波接收陣列、主控模塊、語音系統(tǒng)、2個(gè)編碼器、編碼器連接板和電子羅 盤；
[0045] 超聲波避障模塊、避障控制模塊、超聲波發(fā)射頭6、第一超聲波控制模塊、主控模塊 和提示系統(tǒng)均設(shè)置在車體7上，其中，超聲波避障模塊安裝在車體7的前端，超聲波發(fā)射頭 6設(shè)置在車體7的頂端，并指向室內(nèi)的棚頂；微震馬達(dá)3安裝在車體7扶手處；
[0046] 第二超聲波控制模塊、射頻模塊和超聲波接收陣列均設(shè)置在所述室內(nèi)的棚頂；
[0047] 超聲波避障模塊檢測(cè)的避障信號(hào)輸入至避障控制模塊，避障控制模塊根據(jù)避障信 號(hào)控制微震馬達(dá)3震動(dòng)；
[0048] 主控模塊的避障控制信號(hào)輸入至避障控制模塊，
[0049]超聲波接收陣列接收定位的地址數(shù)據(jù)輸入至第二超聲波控制模塊，第二超聲波控 制模塊通過射頻模塊將地址數(shù)據(jù)發(fā)送至第一超聲波控制模塊,第一超聲波控制模塊將接收 的地址數(shù)據(jù)輸入至主控模塊，主控模塊將發(fā)射控制信號(hào)輸入至第一超聲波控制模塊，第一 超聲波控制模塊將發(fā)射控制信號(hào)輸入至超聲波發(fā)射頭6 ;
[0050]語音系統(tǒng)將目的地信號(hào)輸入至主控模塊，主控模塊根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)確定 當(dāng)前車體7的位置，再結(jié)合目的地信號(hào)規(guī)劃導(dǎo)航路徑,輸出目的地導(dǎo)航信號(hào)輸入至語音系 統(tǒng)，語音系統(tǒng)根據(jù)目的地導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行語音提示；
[0051] 所述車體7上還設(shè)置3個(gè)輪，
[0052] 3個(gè)輪包括1個(gè)前輪9和2個(gè)后輪8,前輪9設(shè)置在車體7前端的底部，2個(gè)后輪8 設(shè)置在車體7后端的底部；2個(gè)編碼器分別安裝在2個(gè)后輪8上，2個(gè)編碼器的脈沖數(shù)據(jù)均 通過編碼器連接板輸入至主控模塊；
[0053] 電子羅盤將當(dāng)前檢測(cè)到的絕對(duì)角度值輸入至主控模塊，
[0054]當(dāng)主控模塊接收不到當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)時(shí)，主控模塊根據(jù)輸入的當(dāng)前時(shí)刻脈沖 數(shù)據(jù)、絕對(duì)角度值和上一時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)確定當(dāng)前車體7的位置，再結(jié)合目的地信號(hào)規(guī)劃 導(dǎo)航路徑，輸出目的地導(dǎo)航信號(hào)輸入至語音系統(tǒng)。本實(shí)施方式中，
[0055] 根據(jù)超聲波網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的工作原理，第二超聲波控制模塊的工作流程如下： [0056] (1)啟動(dòng)超聲波接收陣列，模塊初始化后，進(jìn)入等待狀態(tài)并等待接收定位信號(hào)。
[0057] (2)主控模塊控制第一超聲波控制模塊向超聲波發(fā)射頭發(fā)送定位指令，超聲波發(fā) 射頭接收到定位指令后首先通過射頻模塊向超聲波接收陣列發(fā)送同步信號(hào)并等待信號(hào)返 回。
[0058] (3)超聲波接收陣列收到同步信號(hào)后返回確認(rèn)信號(hào)并開始計(jì)時(shí)，超聲波接收陣列 開始接收超聲波。
[0059] (4)超聲波發(fā)射頭接收到確認(rèn)信號(hào)之后開始發(fā)射40kHz超聲波，并且開始進(jìn)入等 待狀態(tài)，等待預(yù)設(shè)的時(shí)間。
[0060] (5)超聲波接收陣列每一個(gè)接收模塊接收到超聲波之后便屏蔽相應(yīng)的接收模塊并 記錄時(shí)間，當(dāng)超聲波接收陣列全部接收到超聲波信號(hào)或者超過最大接收時(shí)間時(shí)，停止計(jì)時(shí)， 沒有收到超聲波的超聲波接收模塊相應(yīng)的接收時(shí)間記錄為溢出標(biāo)志。
[0061] (6)當(dāng)預(yù)設(shè)的時(shí)間到達(dá)之后，第二超聲波控制模塊發(fā)送返回?cái)?shù)據(jù)指令到超聲波接 收陣列，并等待數(shù)據(jù)返回。
[0062] (7)超聲波接收陣列接收到返回?cái)?shù)據(jù)指令之后，將超聲波接收陣列的計(jì)時(shí)時(shí)間打 包成數(shù)據(jù)幀返回，之后進(jìn)入等待狀態(tài)。
[0063] (8)超聲波發(fā)射頭接收到數(shù)據(jù)幀之后將數(shù)據(jù)返回給主控模塊，并進(jìn)入等待狀態(tài)，等 待下次測(cè)量命令。
[0064] 本實(shí)施方式中，在小車的2個(gè)后輪上分別安裝兩個(gè)編碼器，同時(shí)在小車上安裝一 個(gè)電子羅盤，通過記錄小車兩后輪的脈沖數(shù)，便可以通過編碼器航跡推算計(jì)算出相對(duì)于上 一時(shí)刻助行機(jī)器人的行走距離及旋轉(zhuǎn)角度。同時(shí)根據(jù)電子羅盤當(dāng)前輸出的絕對(duì)角度值、超 聲波定位的坐標(biāo)，通過擴(kuò)展卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得出當(dāng)前位置的最優(yōu)估計(jì)值。
[0065]本實(shí)施方式中，主控模塊主要完成以下工作：
[0066] (1)定期向第一超聲波發(fā)射控制模塊發(fā)送定位指令，并循環(huán)檢測(cè)超聲波接收陣列 返回的數(shù)據(jù)幀，如果收到便執(zhí)行相應(yīng)的坐標(biāo)計(jì)算程序；
[0067] (2)定期向電子羅盤發(fā)送測(cè)量指令，并循環(huán)檢測(cè)電子羅盤返回的數(shù)據(jù)幀，如果收到 便將當(dāng)前絕對(duì)角度值更新；
[0068] (3)循環(huán)檢測(cè)編碼器的脈沖數(shù)，如果收到脈沖，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向確定脈沖值正負(fù)并記 錄，計(jì)算出移動(dòng)距離；
[0069] (4)檢測(cè)語音系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，如果收到則根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀執(zhí)行相應(yīng)的處理 函數(shù)；
[0070] (5)定期得出當(dāng)前位置的最優(yōu)估計(jì)值；
[0071]主控模塊的程序可以寫在一個(gè)主循環(huán)之中，每次循環(huán)對(duì)各個(gè)端口進(jìn)行檢測(cè)，如果 滿足要求便執(zhí)行相應(yīng)的操作，這是最原始的編寫裸機(jī)程序，面向過程的思路，如果其中某個(gè) 端口出現(xiàn)錯(cuò)誤卡住，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)程序卡死出錯(cuò)，這是非常不好的編程方法。
[0072]由于這幾項(xiàng)工作各自可以獨(dú)立執(zhí)行，只是存在變量之前的調(diào)用。又因?yàn)長inux和 Qt對(duì)多線程有著非常好的支持，因此主控程序采用多線程的思路編寫，界面顯示為主線程， 分別為超聲波網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，電子羅盤、編碼器、語音模塊建立四個(gè)次線程，各自的檢測(cè)程 序在各自的線程中獨(dú)立運(yùn)行，這樣能將每個(gè)模塊之間的影響降到最低。

【具體實(shí)施方式】 [0073] 二：本實(shí)施方式是對(duì)一所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所 的盲人導(dǎo)航助行小車的進(jìn)一步限定，盲人導(dǎo)航助行小車包括3個(gè)超聲波避障模塊，i號(hào)超聲 波避障模塊I 2設(shè)置在車體7的前端的左側(cè)，2號(hào)超聲波避障模塊11設(shè)置在車體7的前端的 正前側(cè)，3號(hào)超聲波避障模塊10設(shè)置在車體 7的前端的右側(cè)，3個(gè)超聲波避障模塊檢測(cè)到的 避障信號(hào)均發(fā)送給避障控制模塊。
[0074]【具體實(shí)施方式】三：本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】二所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所 的盲人導(dǎo)航助行小車的進(jìn)一步限定，盲人導(dǎo)航助行小車包括2個(gè)微震馬達(dá)3,當(dāng)1號(hào)超聲波 避障模塊I2檢測(cè)到障礙物，避障控制模塊控制1號(hào)微震馬達(dá)3震動(dòng)，當(dāng)3號(hào)超聲波避障模 塊10檢測(cè)到障礙物，避障控制模塊控制2號(hào)微震馬達(dá)3震動(dòng)，當(dāng)2號(hào)超聲波避障模塊11檢 測(cè)到障礙物，避障控制模塊控制1號(hào)微震馬達(dá)3和2號(hào)微震馬達(dá) 3同時(shí)震動(dòng)；
[0075] 2個(gè)微震馬達(dá)3分別安裝在車體7的左右扶手上。
[0076]超聲波避障模塊需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍出現(xiàn)的障礙物，當(dāng)障礙物接近到預(yù)定距離時(shí)， 相應(yīng)的把手產(chǎn)生震動(dòng)。
[0077]【具體實(shí)施方式】四：本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】三所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所 的盲人導(dǎo)航助行小車的進(jìn)一步限定，盲人導(dǎo)航助行小車還包括蜂鳴器，當(dāng)超聲波避障模塊 檢測(cè)到障礙物時(shí)，避障控制模塊控制蜂鳴器蜂鳴。
[0078]【具體實(shí)施方式】五：本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所 的盲人導(dǎo)航助行小車的進(jìn)一步限定，所述語音系統(tǒng)包括語音模塊、麥克風(fēng)2和揚(yáng)聲器5 ; [0079]麥克風(fēng)2接收語音命令，并將所述語音命令輸入至語音模塊，語音模塊將將語音 命令轉(zhuǎn)換成目的地信號(hào)，
[0080]語首t旲塊將目的地導(dǎo)航彳3號(hào)轉(zhuǎn)換成目的地語音提示信號(hào)輸入至揚(yáng)聲器5,揚(yáng)聲器 5根據(jù)目的地語音提示信號(hào)進(jìn)行語音提示。
[0081]【具體實(shí)施方式】六：本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】五所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所 的盲人導(dǎo)航助行小車的進(jìn)一步限定，所述盲人導(dǎo)航助行小車還包括播報(bào)按鈕4 ;
[0082]該播報(bào)按鈕4用于控制語音模塊接收或停止接收麥克風(fēng)2采集的語音指令。
[0083]【具體實(shí)施方式】七：本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所 的盲人導(dǎo)航助行小車的進(jìn)一步限定，
[0084]所述超聲波接收陣列包括四個(gè)超聲波接收模塊；所述四個(gè)超聲波接收模塊在棚頂 呈正方形設(shè)置，所述正方形的邊長3 s
[0085] Η為超聲波發(fā)射頭6與四個(gè)超聲波接收模塊形成的平面的距離；
[0086]，為超聲波發(fā)射頭6的發(fā)射角。
[0087] 本實(shí)施方式中，對(duì)超聲波接收陣列的布置：
[0088] 在一定的距離內(nèi)，超聲波發(fā)射信號(hào)的覆蓋范圍可以看做是圓錐面，發(fā)射模塊發(fā)射 的超聲波信號(hào)覆蓋到天花板上可近似成一個(gè)半徑為R的圓，圓的半徑與發(fā)射角的關(guān)系見下 式：
[0089] Ε二 2
[0090] 其中於為所用超聲波傳感器的發(fā)射角，η為超聲波發(fā)射端到超聲波接收端的垂直 距離。根據(jù)超聲波網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的工作原理，布置的原則便是：在盡可能收到多的超聲波的 情況下，布置的越分散，精度越高。為了讓超聲波網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)能夠存在同時(shí)收到超聲波接 收陣列中4路超聲波數(shù)據(jù)的位置，因此超聲波接收陣列里面4路超聲波都必須安裝在以R 為半徑的圓內(nèi)。如果一個(gè)超聲波陣列中的4路超聲波安裝正方形布置，則為了能夠存在同 時(shí)收到4路超聲波數(shù)據(jù)的位置，只能布置在以R為半徑的圓的內(nèi)接正方形的頂點(diǎn)處。此時(shí)， 相鄰2路超聲波接收模塊最大間距為：
[0091] L =屬讀=芯權(quán)雙 2
[0092] 有了上述公式，就能夠確定超聲波接收陣列中4路超聲波應(yīng)該如何布置了。通過 超聲波發(fā)射頭的技術(shù)資料得知發(fā)射角為50度。因此只要確定了超聲波發(fā)射模塊與接收模 塊間的垂直距離便可以根據(jù)上式計(jì)算出超聲波接收陣列大致的布置位置。例如走廊棚頂?shù)?地面的距離大約3米，超聲波發(fā)射模塊距離地面大約1. 3米，因此根據(jù)上式可以算出
[0093] ￡ = >/2 y R- *^2 x /f x tan 2 二 (3 -1.3)x tan-= 1.12 m: M
[0094] 因此超聲波接收陣列大致按照lm*lm的正方形布置。

【具體實(shí)施方式】 [0095] 八：本實(shí)施方式是對(duì)一所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所 的盲人導(dǎo)航助行小車的進(jìn)一步限定，所述盲人導(dǎo)航助行小車還包括顯示裝置1，主控模塊控 制所述顯示裝置1顯示車體7的當(dāng)前位置。
[0096]【具體實(shí)施方式】九：本實(shí)施方式是【具體實(shí)施方式】一所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的 盲人導(dǎo)航助行小車的定位方法，所述定位方法是通過在主控模塊內(nèi)嵌入軟件實(shí)現(xiàn)，所述軟 件包括如下步驟：
[0097]接收當(dāng)前時(shí)刻超聲波接收陣列定位的地址數(shù)據(jù)的步驟；
[0098]接收當(dāng)前時(shí)刻電子羅盤輸入的絕對(duì)角度值的步驟；
[0099]接收當(dāng)前時(shí)刻兩個(gè)編碼器的脈沖數(shù)據(jù)的步驟；
[0100]根據(jù)接收的脈沖數(shù)據(jù)，分別獲得2個(gè)后輪8的當(dāng)前移動(dòng)距離；
[0101]當(dāng)沒收到當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)時(shí)，則將絕對(duì)角度值通過擴(kuò)展卡爾曼濾波的狀態(tài)更 新方程與獲得的當(dāng)前移動(dòng)距離進(jìn)行融合，獲得車體7的位置數(shù)據(jù)的步驟；
[0102]當(dāng)收到當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)時(shí)，則將當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)和電子羅盤數(shù)據(jù)通過擴(kuò) 展卡爾曼濾波的狀態(tài)更新方程與獲得的當(dāng)前移動(dòng)距離進(jìn)行融合，獲得車體7的位置數(shù)據(jù)的 步驟。
[0103] 擴(kuò)展卡爾曼濾波（Extended Kalman Filter，簡(jiǎn)稱EKF),應(yīng)用非線性領(lǐng)域之中。EKF 的基本思想就是將非線性系統(tǒng)線性化之后，便可以通過卡爾曼濾波進(jìn)行濾波。因此擴(kuò)展卡 爾曼濾波在計(jì)算之中需要不斷地修改系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測(cè)方程來實(shí)現(xiàn)高精度，高效率的遞 歸濾波。
[0104] 對(duì)本發(fā)明的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：
[0105] 在超聲波定位實(shí)驗(yàn)之前，首先要對(duì)單個(gè)超聲波的測(cè)距精度進(jìn)行測(cè)試，我們將小車 固定到超聲波接收模塊附近位置不動(dòng)，采集收到的超聲波接收模塊距離數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
[0106] 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在室內(nèi)比較擁擠的環(huán)境之中，當(dāng)超聲波接收模塊的最大增益設(shè) 置為11時(shí)，超聲波接收模塊會(huì)很敏感。對(duì)采集的71組測(cè)距數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)際距離應(yīng) 為1505mm，采集的71組數(shù)據(jù)平均值為l 556mm，誤差為51mm，最大偏差為354mra，標(biāo)準(zhǔn)差為 105. 33mm。這已經(jīng)超出了最大誤差的范圍，會(huì)造成超聲波定位誤差很大，無法高精度定位。
[0107] 之后，將超聲波接收模塊的最大增益設(shè)置為6,對(duì)采集的210組測(cè)距數(shù)據(jù)分析發(fā) 現(xiàn)，實(shí)際距離為1505mm，采集數(shù)據(jù)的平均值為1504· 2圓，誤差為0· 8mm，最大偏差為6mra，標(biāo) 準(zhǔn)差為1.283mm。數(shù)據(jù)穩(wěn)定，誤差小，滿足高精度定位要求。這說明在擁擠的環(huán)境中需要設(shè) 置超聲波接收端為低敏感度以減小誤差。
[0108] 在設(shè)置完增益后，進(jìn)行了超聲波定位實(shí)驗(yàn)。將助行機(jī)器人小車放置在坐標(biāo)為 (1100,0)的位置，沿著y軸走一條直線，通過超聲波定位采集的定位數(shù)據(jù)。定位數(shù)據(jù)幾乎和 真實(shí)數(shù)據(jù)相差無幾，行走路線和真實(shí)路線幾乎重合，說明超聲波網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高 精度定位，滿足設(shè)計(jì)要求。本發(fā)明排除了接收增益的干擾，實(shí)現(xiàn)了高精度定位。
【權(quán)利要求】
1.用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車，其特征在于，盲人導(dǎo)航助行小車包括 車體（7)、超聲波避障模塊、避障控制模塊、微震馬達(dá)（3)、超聲波發(fā)射頭（6)、第一超聲波 控制模塊、第二超聲波控制模塊、射頻模塊、超聲波接收陣列、主控模塊、語音系統(tǒng)、2個(gè)編碼 器、編碼器連接板和電子羅盤； 超聲波避障模塊、避障控制模塊、超聲波發(fā)射頭（6)、第一超聲波控制模塊、主控模塊和 提示系統(tǒng)均設(shè)置在車體（7)上，其中，超聲波避障模塊安裝在車體（7)的前端，超聲波發(fā)射 頭（6)設(shè)置在車體（7)的頂端，并指向室內(nèi)的棚頂；微震馬達(dá)（3)安裝在車體（7)扶手處； 第二超聲波控制模塊、射頻模塊和超聲波接收陣列均設(shè)置在所述室內(nèi)的棚頂； 超聲波避障模塊檢測(cè)的避障信號(hào)輸入至避障控制模塊，避障控制模塊根據(jù)避障信號(hào)控 制微震馬達(dá)（3)震動(dòng)； 主控模塊的避障控制信號(hào)輸入至避障控制模塊， 超聲波接收陣列接收定位的地址數(shù)據(jù)輸入至第二超聲波控制模塊，第二超聲波控制模 塊通過射頻模塊將地址數(shù)據(jù)發(fā)送至第一超聲波控制模塊，第一超聲波控制模塊將接收的地 址數(shù)據(jù)輸入至主控模塊，主控模塊將發(fā)射控制信號(hào)輸入至第一超聲波控制模塊，第一超聲 波控制模塊將發(fā)射控制信號(hào)輸入至超聲波發(fā)射頭（6); 語音系統(tǒng)將目的地信號(hào)輸入至主控模塊，主控模塊根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)確定當(dāng)前 車體（7)的位置，再結(jié)合目的地信號(hào)規(guī)劃導(dǎo)航路徑，輸出目的地導(dǎo)航信號(hào)輸入至語音系統(tǒng)， 語音系統(tǒng)根據(jù)目的地導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行語音提示； 所述車體（7)上還設(shè)置3個(gè)輪， 3個(gè)輪包括1個(gè)前輪（9)和2個(gè)后輪（8)，前輪（9)設(shè)置在車體（7)前端的底部，2個(gè)后 輪⑶設(shè)置在車體⑵后端的底部；2個(gè)編碼器分別安裝在2個(gè)后輪⑶上，2個(gè)編碼器的 脈沖數(shù)據(jù)均通過編碼器連接板輸入至主控模塊； 電子羅盤將當(dāng)前檢測(cè)到的絕對(duì)角度值輸入至主控模塊， 當(dāng)主控模塊接收不到當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)時(shí)，主控模塊根據(jù)輸入的當(dāng)前時(shí)刻脈沖數(shù) 據(jù)、絕對(duì)角度值和上一時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)確定當(dāng)前車體（7)的位置，再結(jié)合目的地信號(hào)規(guī)劃 導(dǎo)航路徑，輸出目的地導(dǎo)航信號(hào)輸入至語音系統(tǒng)。
2·根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車,其特征在于， 盲人導(dǎo)航助行小車包括3個(gè)超聲波避障模塊，1號(hào)超聲波避障模塊（12)設(shè)置在車體（7)的 前端的左側(cè)，2號(hào)超聲波避障模塊（11)設(shè)置在車體（ 7)的前端的正前側(cè)，3號(hào)超聲波避障模 塊（10)設(shè)置在車體（7)的前端的右側(cè)，3個(gè)超聲波避障模塊檢測(cè)到的避障信號(hào)均發(fā)送給避 障控制模塊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車，其特征在于， 盲人導(dǎo)航助行小車包括2個(gè)微震馬達(dá)（3)，當(dāng)1號(hào)超聲波避障模塊（12)檢測(cè)到障礙物，避障 控制模塊控制1號(hào)微震馬達(dá)（ 3)震動(dòng)，當(dāng)3號(hào)超聲波避障模塊（10)檢測(cè)到障礙物，避障控 制模塊控制2號(hào)微震馬達(dá)（ 3)震動(dòng)，當(dāng)2號(hào)超聲波避障模塊（11)檢測(cè)到障礙物，避障控制 模塊控制1號(hào)微震馬達(dá)（3)和2號(hào)微震馬達(dá)（3)同時(shí)震動(dòng)； 2個(gè)微震馬達(dá)（3)分別安裝在車體（7)的左右扶手上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車，其特征在于， 盲人導(dǎo)航助行小車還包括蜂鳴器，當(dāng)超聲波避障模塊檢測(cè)到障礙物時(shí)，避障控制模塊控制 蜂鳴器蜂鳴。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車，其特征在于， 所述語音系統(tǒng)包括語音模塊、麥克風(fēng)（2)和揚(yáng)聲器（5) ; 麥克風(fēng)（2)接收語音命令，并將所述語音命令輸入至語音模塊，語音模塊將將語音命 令轉(zhuǎn)換成目的地信號(hào)， 語音模塊將目的地導(dǎo)航信號(hào)轉(zhuǎn)換成目的地語音提示信號(hào)輸入至揚(yáng)聲器（5)，揚(yáng)聲器 (5)根據(jù)目的地語音提示信號(hào)進(jìn)行語音提示。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車，其特征在于， 所述盲人導(dǎo)航助行小車還包括播報(bào)按鈕（4);該播報(bào)按鈕（4)用于控制語音模塊接收或停 止接收麥克風(fēng)（2)采集的語音指令。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車，其特征在于， 所述超聲波接收陣列包括四個(gè)超聲波接收模塊；所述四個(gè)超聲波接收模塊在棚頂呈正方形 設(shè)置，所述正方形的邊長1 Η為超聲波發(fā)射頭（6)與四個(gè)超聲波接收模塊形成的平面的距離； #為超聲波發(fā)射頭（6)的發(fā)射角。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車，其特征在于， 所述盲人導(dǎo)航助行小車還包括顯示裝置1，主控模塊控制所述顯示裝置1顯示車體（7)的當(dāng) 前位置。
9·權(quán)利要求1所述的用于大型室內(nèi)公共場(chǎng)所的盲人導(dǎo)航助行小車的定位方法，其特征 在于，所述定位方法是通過在主控模塊內(nèi)嵌入軟件實(shí)現(xiàn)，所述軟件包括如下步驟： 接收當(dāng)前時(shí)刻超聲波接收陣列定位的地址數(shù)據(jù)的步驟； 接收當(dāng)前時(shí)刻電子羅盤輸入的絕對(duì)角度值的步驟； 接收當(dāng)前時(shí)刻兩個(gè)編碼器的脈沖數(shù)據(jù)的步驟； 根據(jù)接收的脈沖數(shù)據(jù)，分別獲得2個(gè)后輪（8)的當(dāng)前移動(dòng)距離； 當(dāng)沒收到當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)時(shí)，則將絕對(duì)角度值通過擴(kuò)展卡爾曼濾波的狀態(tài)更新方 程與獲得的當(dāng)前移動(dòng)距離進(jìn)行融合，獲得車體（7)的位置數(shù)據(jù)的步驟； 當(dāng)收到當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)時(shí)，則將當(dāng)前時(shí)刻的地址數(shù)據(jù)和電子羅盤數(shù)據(jù)通過擴(kuò)展卡 爾曼濾波的狀態(tài)更新方程與獲得的當(dāng)前移動(dòng)距離進(jìn)行融合，獲得車體（7)的位置數(shù)據(jù)的步 驟。
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK104216410SQ201410493884
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】劉文濤, 羅陽 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)