朱麒融

（吉林大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

傳感器在智能輪椅中的應(yīng)用研究

朱麒融

（吉林大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

21世紀(jì)以來(lái)，在世界人口老齡化趨勢(shì)加快、自然與人為災(zāi)難頻發(fā)、老人和殘障人士的數(shù)量逐年增加的全球大環(huán)境下，老年健康產(chǎn)業(yè)和特殊人士群體的需求日趨多元化[1].普通手動(dòng)輪椅可以解決很大一部分的出行問(wèn)題，但仍有許多問(wèn)題未能企及.與此同時(shí)，被稱(chēng)為現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一的傳感器技術(shù)正得到蓬勃的發(fā)展，應(yīng)用傳感器設(shè)計(jì)智能輪椅成了許多學(xué)者和企業(yè)的研究對(duì)象.傳感器在智能輪椅中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在搜集人體信號(hào)和探測(cè)環(huán)境信息兩方面，以給予使用者最大的方便和安全，此技術(shù)發(fā)展空間及前景相當(dāng)可觀.

傳感器；智能輪椅；信號(hào)收集；環(huán)境探測(cè)

智能輪椅是智能機(jī)器人的一種，其智能性主要體現(xiàn)在能夠根據(jù)接收到的人類(lèi)傳遞的信息在規(guī)定的路徑上自動(dòng)避障進(jìn)行安全行駛.在智能輪椅應(yīng)用中，傳感器主要用于收集人類(lèi)傳遞給輪椅的信息和在自動(dòng)避障過(guò)程中對(duì)周?chē)h(huán)境的感知過(guò)程.

圖1 傳感器在智能輪椅中的結(jié)構(gòu)

1 傳感器在收集人類(lèi)信息方面的應(yīng)用

對(duì)于一些無(wú)法手動(dòng)操作控制輪椅的特殊人士，獲知他們的運(yùn)動(dòng)意圖是非常困難的.傳感器作為測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件,能夠?qū)⑤斎胱兞哭D(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào).因此，應(yīng)用傳感器收集特殊人士發(fā)出的信息是解決問(wèn)題的關(guān)鍵.隨著傳感器的發(fā)展，大到手勢(shì)小到瞳孔運(yùn)動(dòng)，外顯如語(yǔ)音要求[2]隱秘如腦電波變化，都能成為傳感器收集的信號(hào).

1.1 Kinect傳感器

Kinect指游戲主機(jī)XBOX360的體感周邊外設(shè)，由微軟于2010年6月推出，本質(zhì)上是一臺(tái)3D體感攝像機(jī).由于3D體感攝像機(jī)具有瞬間捕捉、圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別和外界信息交換的性能，將其設(shè)計(jì)為3D深度傳感器.該傳感器工作原理是紅外線發(fā)射器對(duì)整個(gè)待測(cè)區(qū)域發(fā)射出紅外線，紅外線攝影機(jī)接受反射光線生成深度圖像.光編碼技術(shù)工作原理是激光照射到粗糙物體形成隨即衍射斑點(diǎn)，由于斑點(diǎn)的唯一性，近紅外光對(duì)衍射斑點(diǎn)進(jìn)行編碼，從而形成三維縱深的體型編碼.紅外線攝像頭獲取反射光線后將信息傳送給芯片，制作成圖像即可通過(guò)算法獲得障礙物信息.

2012年羅元等人利用Kinect傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)出了利用手勢(shì)識(shí)別的人體信息收集系統(tǒng)，[3]驗(yàn)證了該方案的魯棒性（robustness），證明了基于Kinect傳感器技術(shù)的避障系統(tǒng)可以有效避免光照和背景對(duì)檢測(cè)手勢(shì)的干擾，而其缺陷在于有相似模板識(shí)別障礙的困擾.

1.2 腦電波傳感器

人類(lèi)每時(shí)每刻都在產(chǎn)生腦電波，腦電波(神經(jīng)信號(hào))的頻率并不是雜亂無(wú)章的.在不同的精神狀態(tài)下，人類(lèi)會(huì)發(fā)出不同頻率的腦電波.大腦的神經(jīng)元活動(dòng)可通過(guò)離子傳導(dǎo)到達(dá)大腦皮層，導(dǎo)電電極感應(yīng)到這種微弱的電壓變化，通過(guò)差分放大，濾波，A/D轉(zhuǎn)化等一系列過(guò)程最終將電信號(hào)變成腦電波的原始數(shù)據(jù)[4].感應(yīng)電極通常有三種，濕電極、干電極以及植入電極.濕電極法指濕電極上涂抹導(dǎo)電膠，導(dǎo)電膠中離子與電極之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成原電池，此時(shí)腦電波信號(hào)被放大，較容易收集.濕電極法的優(yōu)點(diǎn)是接觸電阻小，干擾小，誤差小，數(shù)據(jù)精確.干電極法將電極直接貼近頭皮感測(cè)到腦電波，清潔快捷但電阻大，數(shù)據(jù)有相對(duì)較大誤差.植入電極指將電極植入頭皮內(nèi)以捕捉神經(jīng)信號(hào)，干擾最少，精度最高.腦電波傳感器收集到信號(hào)后可通過(guò)藍(lán)牙等方式發(fā)送用戶(hù)眨眼、放松度等數(shù)據(jù).

美國(guó)NeuroSky科技公司的Emotiv傳感器受到許多院校實(shí)驗(yàn)室及開(kāi)發(fā)者的青睞并為之所采用.產(chǎn)品Emotiv Insight裝有一套腦電波編譯系統(tǒng)，傳感器接收到腦電波活動(dòng)后，編譯為指令傳輸?shù)诫娔X.

1.3 差動(dòng)空氣流動(dòng)傳感器

差動(dòng)空氣流動(dòng)傳感器的工作原理是收集用戶(hù)的呼吸信號(hào)將輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)控制單元處理后送入系統(tǒng)導(dǎo)航模塊作為用戶(hù)指令.空氣流動(dòng)傳感器的信號(hào)輸出被分成五個(gè)等級(jí)水平：強(qiáng)吹、弱吹、無(wú)動(dòng)作、弱吸、強(qiáng)吸等，控制輪椅線速度和角速度，達(dá)到在危險(xiǎn)時(shí)刻急停[5].

西班牙的SIAMO系統(tǒng)應(yīng)用了差動(dòng)空氣流動(dòng)傳感器，設(shè)計(jì)出根據(jù)人呼吸強(qiáng)度不同而控制輪椅方向的的智能輪椅系統(tǒng).

2 傳感器在收集環(huán)境感知信號(hào)的應(yīng)用

智能輪椅作為服務(wù)型機(jī)器人，關(guān)鍵用途在于自主導(dǎo)航避障.導(dǎo)航是指智能輪椅根據(jù)傳感器所獲得的環(huán)境信息做出路徑規(guī)劃，并在路徑規(guī)劃時(shí)不斷感知周?chē)h(huán)境變化，自主調(diào)整避障從而達(dá)到安全行駛的目的.導(dǎo)航分為基于路標(biāo)的導(dǎo)航、基于傳感器的導(dǎo)航和基于地圖的導(dǎo)航.智能輪椅為了實(shí)現(xiàn)自主避障必須實(shí)時(shí)感知周?chē)h(huán)境信息，隨時(shí)調(diào)整，自主決策.而智能輪椅所處的環(huán)境障礙是動(dòng)態(tài)不確定的，所以采用基于傳感器的導(dǎo)航避障有較大的優(yōu)勢(shì)[6].只有通過(guò)傳感器收集動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、獲得智能輪椅的即時(shí)環(huán)境信息，才能為后續(xù)利用算法進(jìn)行路徑規(guī)劃、自主決策與避障等步驟提供基礎(chǔ).

2.1 外界環(huán)境感知部分所應(yīng)用的傳感器

目前，在障礙物距離測(cè)量時(shí)常用的傳感器主要是:超聲波、雷達(dá)、激光燈主動(dòng)型傳感器和以機(jī)器視覺(jué)為代表的被動(dòng)型傳感器.主動(dòng)型傳感器測(cè)量直接，對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力要求低，對(duì)氣候的依賴(lài)性小，在障礙物識(shí)別和距離測(cè)量方面應(yīng)用廣泛.但是主動(dòng)傳感器在機(jī)器類(lèi)型、尺寸信息的獲取以及道路檢測(cè)方面較為欠缺，信息量較為匱乏.視覺(jué)被動(dòng)型傳感器可以提供最大的信息量，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件算法柔性大，適應(yīng)性強(qiáng)[7].

2.2 紅外傳感器

紅外測(cè)距傳感器有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，紅外測(cè)據(jù)傳感器發(fā)射一束紅光，經(jīng)物體反射接收，利用CCD圖像處理發(fā)送與接收的時(shí)間差.信號(hào)處理器處理后獲得物體的距離.測(cè)量距離遠(yuǎn)，頻率響應(yīng)高.按照工作方式可以分為光子探測(cè)器和熱探測(cè)器[8].

近年來(lái)，紅外傳感器正向著著微型化、高精度、低能耗、智能化方向發(fā)展.傳感器內(nèi)置微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器和控制單元的雙向通信，從而形成獨(dú)立的智能紅外傳感器.

2.3 激光傳感器

激光傳感器工作時(shí)先由激光傳感器對(duì)準(zhǔn)障礙物發(fā)射激光脈沖，經(jīng)障礙物反射后向各個(gè)方向散射，部分散射光返回到接收傳感器，接收其微弱的光信號(hào)，記錄并處理光脈沖發(fā)射到返回所經(jīng)歷的時(shí)間即可測(cè)定距離，即用往返時(shí)間的一半乘以光速就能得到距離[9].

激光掃描測(cè)距定位傳感器是最近研究使用較多的自主移動(dòng)機(jī)器人全局定位方法，與一般光源相比，激光測(cè)距有許多優(yōu)點(diǎn)如良好的單色性、方向性、相干性和功率集中性.

2.4 超聲波傳感器

超聲波傳感器由超聲波發(fā)生器與超聲波接收器組成.超聲波發(fā)生器通過(guò)電氣方式或者機(jī)械方式放出超聲波，傳感器不僅可以用來(lái)測(cè)量距離也可以測(cè)量方向[10].測(cè)量方向一般是采用時(shí)間差和相位差法；測(cè)量距離為主動(dòng)測(cè)距法和被動(dòng)測(cè)距法.主動(dòng)測(cè)距法指發(fā)射聲波遇到障礙物經(jīng)反射后被超聲波傳感器接收.將發(fā)射與接受聲波的時(shí)間間隔與聲波在空氣中的傳播速度通過(guò)各種算法計(jì)算出智能輪椅當(dāng)前位置和障礙物之間的相對(duì)距離.具體方法有TOF法，脈沖回波法，F(xiàn)M-CM法，通常為民用.被動(dòng)測(cè)距法主要應(yīng)用于軍事.

在環(huán)境條件相對(duì)理想的情況下，超聲波傳感器的測(cè)量精度和測(cè)量速度比較完善.但是在實(shí)際情況中，由于受到空氣溫度和濕度、超聲波散射角、聲波在物體表面漫反射等因素的影響，超聲波傳感器的測(cè)距信息還存在著很強(qiáng)的不確定性.超聲波測(cè)距存在誤差，如果要提高其精度，可以考慮加入溫度補(bǔ)償修正聲速或者對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合處理[11].

2.5 視覺(jué)傳感器

視覺(jué)傳感器可分為單目視覺(jué)和雙目視覺(jué)，指模仿人類(lèi)利用單目或雙目獲知周?chē)h(huán)境距離信息的方法.單目為一臺(tái)攝像機(jī)對(duì)物體成像，通過(guò)算法得出信息.雙目視覺(jué)為立體視覺(jué).所以在現(xiàn)實(shí)中，需利用兩臺(tái)或多臺(tái)攝像機(jī)對(duì)同一事物在不同位置成像，根據(jù)視差原理通過(guò)計(jì)算得出信息.

概念基礎(chǔ)提出后，許多學(xué)者根據(jù)概念提出了不同的設(shè)計(jì).如閆麗[12]等設(shè)計(jì)了一臺(tái)攝像機(jī)和兩組反射鏡組合的單目立體視覺(jué)傳感器，避免了雙目或者多目視覺(jué)傳感器中攝像機(jī)之間非嚴(yán)格同步造成測(cè)量誤差的同時(shí)利用反射鏡實(shí)現(xiàn)了光路折疊，提高了精度.

2.6 多傳感器混合

多傳感器信息融合是指對(duì)不同傳感器采集的環(huán)境信息進(jìn)行融合實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)環(huán)境的更好理解，具有以下優(yōu)點(diǎn)[13]：

（1）提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，減少某一傳感器系統(tǒng)故障對(duì)智能輪椅整體系統(tǒng)的影響.

如激光傳感器與紅外傳感器融合系統(tǒng)中，激光傳感器輸出功率小，較易受到溫度的影響，而紅外傳感器受到環(huán)境溫度的影響小.因此在環(huán)境溫度變化較大的情況下，紅外傳感器可以保障環(huán)境信息的可靠性.

（2）增加了信息的準(zhǔn)確度，對(duì)同一觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行多傳感器的多次多方位測(cè)量，增加了目標(biāo)信息的準(zhǔn)確度.

（3）增加了觀測(cè)視野，多傳感器從不同角度的測(cè)量可以增加觀測(cè)范圍.

如激光傳感器能夠有效檢測(cè)到輪椅兩邊和前方的障礙物，但是探測(cè)較低高度的障礙物的能力較弱.單目視覺(jué)傳感器能夠有效檢測(cè)到前方低矮障礙物，但是檢測(cè)兩旁的障礙物經(jīng)常有漏洞.融合兩種傳感器收集信息就可以使智能輪椅對(duì)周?chē)h(huán)境有更好的認(rèn)知，為下一步避障策略提供可靠的條件.

3 傳感器在輪椅自身調(diào)整上的應(yīng)用

為了讓用戶(hù)坐在輪椅上更加舒是的，角度傳感器通過(guò)計(jì)算得出使用者的坐姿從而調(diào)整輪椅的傾斜角.角度傳感器測(cè)量智能輪椅在行駛過(guò)程中顛簸如上下坡路段中姿態(tài)的傾斜角，通過(guò)控制電機(jī)的輸出與制動(dòng)裝置，應(yīng)用壓力傳感器為不同的路徑情況提供力并對(duì)輪椅行走中的過(guò)度傾斜進(jìn)行報(bào)警，從而保證自動(dòng)行駛過(guò)程的穩(wěn)定和安全.

4 結(jié)論

目前傳感器在收集信號(hào)和探測(cè)周?chē)h(huán)境兩方面已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，人類(lèi)可以通過(guò)眨眼、手勢(shì)、腦電波以及呼吸等許多細(xì)微的方面給出指令，智能輪椅系統(tǒng)也可以通過(guò)多種傳感器組合來(lái)探測(cè)周?chē)h(huán)境，越來(lái)越多的學(xué)者正在研究不同傳感器融合的算法問(wèn)題.傳感器應(yīng)用的未來(lái)有無(wú)限的可能性.下面關(guān)于傳感器的幾點(diǎn)是未來(lái)一段時(shí)間研究者們必須關(guān)注的重點(diǎn)：

（1）利用腦電波收集信息的方式尚不完善，具有相當(dāng)?shù)牟淮_定性；

（2）使傳感器更為智能化，如有自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)的功能；

（3）在節(jié)約能源的大環(huán)境下，減少傳感器使用時(shí)的能源消耗.

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2016-09-11