吳宏雷 孟青云，2* 肖軼

（1.上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院，上海 201318；2.上海穿戴式醫(yī)療技術(shù)與器械工程研究中心，上海 201318）

2006年，第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國殘障群體總?cè)藬?shù)為8296萬人（占到了我國當(dāng)時(shí)人口總數(shù)的6.34%左右），這個(gè)數(shù)字比1987年的占比高1.44%。而且其中肢體殘疾的總?cè)藬?shù)約2412萬人，占?xì)埣踩丝倲?shù)的29.07%［1］。為了改善和提高殘疾人的生活質(zhì)量，使他們能夠像正常人一樣自由移動(dòng)來更好地融入社會(huì)，輪椅已經(jīng)成為他們不可或缺的輔助工具。

最初的輪椅是依靠護(hù)理人員的推動(dòng)或使用者手動(dòng)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行移動(dòng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電驅(qū)動(dòng)輪椅進(jìn)入行動(dòng)能力欠缺人群的生活。但由于目前輪椅的使用者多為自我保護(hù)能力不足的老年人和殘疾人，因此在輪椅的移動(dòng)過程中不能對路徑上存在的障礙物進(jìn)行很好的避障或做出相應(yīng)的避障策略而導(dǎo)致輪椅通過障礙物時(shí)發(fā)生抖動(dòng)或傾斜，易對使用者造成傷害，而且市面上輪椅需要使用者持續(xù)操作，對于不能自主活動(dòng)的老人或殘疾人無法使用輪椅準(zhǔn)確地到達(dá)目的地。為此，對智能輪椅的導(dǎo)航系統(tǒng)及避障系統(tǒng)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一種可用于家庭、社區(qū)和康養(yǎng)醫(yī)院等場合的智能導(dǎo)航及避障的電動(dòng)輪椅車。

1 導(dǎo)航系統(tǒng)

導(dǎo)航的方式有多種，根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指標(biāo)信號(hào)類型、導(dǎo)航地域等因素的不同，主要有以下三種：循跡傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人操作系統(tǒng)（robot operating system，ROS）導(dǎo)航系統(tǒng)、路徑記憶導(dǎo)航系統(tǒng)。

1.1 循跡傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1.1 循跡傳感器的原理

循跡傳感器的原理利用了黑、白色對紅外線吸收作用的不同［2］。循跡原理如圖1所示，左側(cè)為紅外光發(fā)射管，通電后能產(chǎn)生肉眼不可見的紅外光，右側(cè)部分是紅外光接收管，它的電阻會(huì)隨著接收到紅外光的多少而發(fā)生變化。由于黑色能夠吸收光線，當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光線照射在黑色表面后被反射回來的部分較少，紅外接收管接收到的紅外線也就較少，表現(xiàn)為電阻較大，通過外接的電路可以讀出檢測的狀態(tài)，同理當(dāng)照射在白色表面時(shí)反射回來的紅外線較多，表現(xiàn)為紅外接收管的電阻較小。這樣就可以通過接收端電平變化來判斷輪椅是否偏離預(yù)設(shè)的路線。

圖1 紅外循跡原理圖

1.1.2 循跡傳感器的導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)

通過紅外循跡原理，在輪椅底部安裝探測距離可調(diào)、精度更高的二路循跡模塊。每路具體硬件電路圖如圖2所示，電位器R2用來調(diào)節(jié)靈敏度，將紅外接收管接收到的電壓信號(hào)通過LM393比較器與預(yù)設(shè)電壓信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)其大于預(yù)設(shè)信號(hào)時(shí)會(huì)輸出高電平，反之則輸出低電平［3］。

圖2 循跡傳感器原理圖

只要事先在使用場所地面上規(guī)劃好黑色的路徑線，用控制器判斷紅外循跡傳感器左右兩路輸出端電平的高低，就能夠判斷輪椅運(yùn)行在黑色的路徑線上方的具體位置，根據(jù)檢測狀態(tài)的不同通過控制器調(diào)整轉(zhuǎn)向使輪椅一直沿著黑色的路徑線行駛，從而實(shí)現(xiàn)智能輪椅的循跡導(dǎo)航功能。這種導(dǎo)航方式的實(shí)現(xiàn)較為簡單且成本不高。

1.2 ROS導(dǎo)航系統(tǒng)

1.2.1 ROS導(dǎo)航系統(tǒng)的原理

ROS是一個(gè)服務(wù)于機(jī)器人的操作系統(tǒng)，提供了能應(yīng)用于不同機(jī)器人的各種功能包［4］。從基本控制器、模型建立到自主導(dǎo)航功能等，包含了用于構(gòu)建機(jī)器人控制系統(tǒng)的絕大多數(shù)可復(fù)用軟件包。ROS由許多進(jìn)程與主機(jī)在對等的拓?fù)潢P(guān)系下連接。只要配置適當(dāng)，該模塊就可以應(yīng)用到其他機(jī)器人上。當(dāng)然，用戶也可以將自己的某些軟件與之集成，實(shí)現(xiàn)新的功能。

ROS的核心功能是提供一種軟件點(diǎn)對點(diǎn)通信機(jī)制，基于這個(gè)機(jī)制，開發(fā)人員可以非常靈活和高效地組織機(jī)器人的軟件系統(tǒng)?！肮?jié)點(diǎn)”、“消息”、“主題”和“服務(wù)”是ROS的4個(gè)基本概念。不同研究者對輪椅功能的要求不同，但卻有著許多共性的問題，比如易用性、開發(fā)效率、跨平臺(tái)、多編程語言、分布式部署、代碼可重用等。如何解決這些共性問題，ROS領(lǐng)先了其他平臺(tái)。ROS提供類似操作系統(tǒng)所提供的功能，包含硬件抽象描述、底層驅(qū)動(dòng)程序管理、共用功能的執(zhí)行、程序間的消息傳遞、程序發(fā)行包管理以及一些用于獲取、建立、編寫和運(yùn)行多機(jī)整合程序的工具程序和軟件庫。

1.2.2 ROS導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用

導(dǎo)航系統(tǒng)分為兩部分，底層控制由嵌入式電腦組成，它為電機(jī)驅(qū)動(dòng)和傳感器提供接口［5］。上層控制由一個(gè)通過網(wǎng)絡(luò)連接的server／client程序組成。上層導(dǎo)航系統(tǒng)基于ROS導(dǎo)航和差動(dòng)控制功能包。通信節(jié)點(diǎn)則用于封裝客戶端程序、訂閱傳感器信息和發(fā)布控制命令。

圖3 循跡傳感器實(shí)物圖

首先，在生成地圖時(shí)，功能包通過通信節(jié)點(diǎn)接收傳感器數(shù)據(jù)，一旦傳感器消息和轉(zhuǎn)換消息發(fā)布完成，就可生成導(dǎo)航需要的地圖，可觀察到整個(gè)地圖創(chuàng)建的過程。導(dǎo)航則與建圖的過程相反，當(dāng)map文件啟動(dòng)，包含在功能包中的路徑規(guī)劃節(jié)點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)可以利用消息和位姿消息規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑。最后，當(dāng)PID速度控制節(jié)點(diǎn)接收到消息后便可完成運(yùn)動(dòng)控制。輪椅走過的位置會(huì)不斷更新，并在地圖中留下軌跡。這樣的結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的生命力，當(dāng)研究者的領(lǐng)域在導(dǎo)航算法時(shí)，無需再將精力投入到電機(jī)控制、通信或者仿真，只需直接編寫導(dǎo)航功能包，配置相關(guān)文件即可。也可以在此基礎(chǔ)上加入更多諸如腦電信號(hào)控制、輪椅助殘機(jī)械臂等內(nèi)容，大大提高了科學(xué)研究的效率，ROS的通用性得到了極好的體現(xiàn)。

1.3 路徑記憶導(dǎo)航系統(tǒng)

1.3.1 路徑記憶導(dǎo)航系統(tǒng)意義

當(dāng)殘障人士或老年人乘坐智能輪椅外出，若發(fā)生意外，則需要智能輪椅具備一定的記憶功能，將來時(shí)的路徑記錄下來，然后根據(jù)存儲(chǔ)的路徑數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)原路返回［6］。一般情況下，對于所有經(jīng)過的路徑進(jìn)行存儲(chǔ)，為智能輪椅原路返回提供保障，而沒有被記錄的路徑均被假設(shè)為不可行路徑。

1.3.2 路徑記憶導(dǎo)航模塊原理

在路徑記憶的模式下，智能輪椅系統(tǒng)需隨時(shí)記錄當(dāng)前位置，即所謂的自定位。智能輪椅系統(tǒng)的自定位主要依靠安裝在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上的碼盤，每隔一段時(shí)間，通過對碼盤返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可得到智能輪椅兩個(gè)主動(dòng)輪分別走過的距離，進(jìn)而可以得到輪椅相對于起始點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)過的角度，從而實(shí)現(xiàn)智能輪椅的自定位［7］。

當(dāng)使用智能輪椅的殘障人士或者老年人遇到一些突發(fā)狀況，需要盡快返回起點(diǎn)時(shí)，智能輪椅就需要進(jìn)入路徑重現(xiàn)模式。由于智能輪椅已對走過的路徑有了記錄，對外界環(huán)境有了一定的了解，這時(shí)要返回起點(diǎn)，可能存在多條路徑，需要智能輪椅能夠在多條可達(dá)的路徑中選擇出一條最佳路徑，該智能輪椅系統(tǒng)中要求距離最短的路徑。

2 避障系統(tǒng)

避障系統(tǒng)中最重要的部分是障礙物檢測技術(shù)功能，障礙物檢測技術(shù)是智能輪椅安全行駛的關(guān)鍵性技術(shù)。當(dāng)安裝在智能輪椅上的傳感器檢測到環(huán)境中有障礙物存在時(shí)，智能輪椅的決策模塊根據(jù)觀測到的信息，規(guī)劃出一條能夠避開障礙物的線路，保證輪椅安全行駛而不與障礙物發(fā)生碰撞。目前，障礙物檢測的方法較多，現(xiàn)就比較常用的幾種技術(shù)進(jìn)行比較。

2.1 超聲波傳感器避障系統(tǒng)

2.1.1 超聲波測距的原理

在智能避障輪椅行進(jìn)過程中，超聲波傳感器發(fā)射端向空氣中發(fā)射超聲波。超聲波在沒有遇到障礙物時(shí)不會(huì)被反射，因此當(dāng)傳感器的接收端沒有接收到反射回來的超聲波時(shí)，智能避障輪椅會(huì)繼續(xù)正常地按照原定的路線行駛，一旦超聲波在空氣中傳播的過程中遇到障礙物會(huì)被反射回來，由傳感器的接收端接收，輪椅與障礙物之間的距離通過超聲波發(fā)射時(shí)刻與超聲波接收時(shí)刻的時(shí)間間隔來計(jì)算得到［8］。

超聲波測距的工作原理可簡單表述為由超聲波傳感器的發(fā)射端向空氣中發(fā)射聲脈沖，檢測到障礙物時(shí)由傳感器的接收端接收回波，發(fā)射與接收會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差。已知聲速為c［9］，需要測得回波由傳感器接收端接收回波的時(shí)刻與脈沖發(fā)射時(shí)刻的時(shí)間差t，再通過公式（1）：s＝（t×c），就可得到傳感器與障礙物之間存在的距離s。如圖4所示超聲波的測距的工作原理圖。

圖4 超聲波測距原理圖

2.1.2 超聲波避障的實(shí)現(xiàn)

如圖5所示，超聲波傳感器可以向前方、左右等多個(gè)方向發(fā)射超聲波［10］，通過超聲波傳感器來檢測智能避障輪椅周圍環(huán)境中各個(gè)方向的障礙物情況，即可獲得較大范圍的環(huán)境信息，以便實(shí)時(shí)對路徑上的障礙物做出合理的避障。

圖5 超聲波避障工作流程圖

2.2 視覺傳感器避障系統(tǒng)

2.2.1 常用視覺傳感器避障系統(tǒng)方案

常用的計(jì)算機(jī)視覺方案有多種，比如雙目視覺、基于飛行時(shí)間（time of flight，TOF）法的深度相機(jī)、基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)等。深度相機(jī)可以同時(shí)獲得紅綠藍(lán)（red green blue，RGB）圖和深度圖，不管基于TOF還是結(jié)構(gòu)光，因需要主動(dòng)發(fā)光，在室外強(qiáng)光環(huán)境下效果都不理想。

像基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)，發(fā)射出的光會(huì)生成相對隨機(jī)但又固定的斑點(diǎn)圖樣，這些光斑照在物體上，因?yàn)榕c攝像頭距離不同，被攝像頭捕捉到的位置也不相同，之后先計(jì)算拍到的圖的斑點(diǎn)與標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)圖案在不同位置的偏移，利用攝像頭位置、傳感器大小等參數(shù)就可以計(jì)算出物體與攝像頭的距離。

2.2.2 雙目視覺測距原理

雙目立體視覺的基本原理是使兩個(gè)攝像頭處于不同視角，同時(shí)拍攝同一目標(biāo)場景，通過攝像頭的成像原理獲取兩個(gè)二維平面圖像，并計(jì)算空間點(diǎn)映射到左右圖像像素上的坐標(biāo)偏差，由此得到三維場景的空間信息［11］。與結(jié)構(gòu)光方法不同的是，結(jié)構(gòu)光計(jì)算的點(diǎn)是主動(dòng)發(fā)出的、已知確定的，而雙目算法計(jì)算的點(diǎn)一般是利用算法抓取到的圖像特征，如尺度不變特征變換（scale－invariant feature transform，SIFT）或加速穩(wěn)健特征（speeded up robust features，SURF）等，這樣通過特征計(jì)算出來的是稀疏圖。

要做良好的避障，稀疏圖還不夠，需要獲得的整個(gè)場景深度信息的稠密的點(diǎn)云圖。稠密匹配算法分為局部算法和全局算法。局部算法使用像素局部的信息來計(jì)算其深度，而全局算法采用圖像中的全部信息進(jìn)行計(jì)算。一般來說，局部算法的速度更快，但全局算法的精度更高。這兩類各有多種不同方式的具體算法實(shí)現(xiàn)，通過它們的輸出估算整個(gè)場景的深度信息，該深度信息可以幫助尋找地圖場景中的可行走區(qū)域以及障礙物。整個(gè)輸出類似于激光雷達(dá)輸出的3D點(diǎn)云圖，與激光雷達(dá)相比，得到信息更豐富，但測量精度差一些，對計(jì)算能力的要求也較高。

2.3 紅外傳感器避障系統(tǒng)

2.3.1 紅外傳感器避障系統(tǒng)的原理

紅外避障主要是以紅外測距傳感器為主。紅外測距均采用三角測距的原理。紅外發(fā)射器按照一定角度發(fā)射紅外光束，在遇到物體之后，光反射回來，檢測到反射光之后，通過結(jié)構(gòu)上的幾何三角關(guān)系，就可計(jì)算出物體和障礙物的距離。當(dāng)障礙物和輪椅的距離很大時(shí)，測量精度變差。因此，常見的紅外傳感器測量距離都比較近，小于超聲波，同時(shí)遠(yuǎn)距離測量也有最小距離的限制。另外，對于透明的或者近似黑體的物體，紅外傳感器是無法檢測距離的。

2.3.2 紅外傳感器模塊電路圖及參數(shù)

該傳感器模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)（一個(gè)低電平信號(hào)），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍2～30cm，工作電壓為3.3～5V。該傳感器的探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)。

圖6 紅外傳感器電路圖

3 一種電動(dòng)輪椅車的智能導(dǎo)航及避障實(shí)現(xiàn)

對于實(shí)現(xiàn)一種電動(dòng)輪椅車的智能導(dǎo)航及避障主要是在原有電動(dòng)輪椅的基礎(chǔ)上開發(fā)新功能，所以對于電動(dòng)輪椅的機(jī)械設(shè)計(jì)及原有硬件不作詳細(xì)講述。接下來關(guān)于硬件的設(shè)計(jì)和選用的內(nèi)容主要是主控制器芯片的選用和導(dǎo)航及避障模塊的硬件設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是對于智能導(dǎo)航和避障系統(tǒng)的流程圖講解。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 主控制芯片的選用

該設(shè)計(jì)中主控制器芯片的選擇主要考慮以下幾點(diǎn)要求。首先，主控制器需要具備定時(shí)器的作用，因?yàn)橹悄茌喴沃械能囕喰D(zhuǎn)速度都需要經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且超聲波傳感器還需要定時(shí)器的作用才能達(dá)到避障。其次，該芯片須包含A／D轉(zhuǎn)換的功能，因?yàn)檠E傳感器輸出的信號(hào)都需要轉(zhuǎn)換成一種數(shù)字信號(hào)。根據(jù)以上要求，選用STM32芯片，該芯片不僅帶有A／D轉(zhuǎn)換器和定時(shí)器的功能，外接口也非常的多，可以拓展更多的功能模塊，價(jià)格也相對較低，非常適合對此循跡避障智能輪椅功能的控制［12］。

3.1.2 循跡傳感器

在該智能輪椅前方底部安裝兩個(gè)紅外循跡傳感器，用于檢測輪椅的位置信息，輸出端連接至STM32芯片，接收端的電平變化使輪椅沿著黑色的路徑線行駛，也能利用電平的變化使偏離路徑線的小車回到黑色的路徑線上，如下表1所示。

表1 循跡控制邏輯表

3.1.3 超聲波傳感器

在電動(dòng)輪椅的前方安裝多個(gè)HC－SRO4超聲波傳感器，通過上文超聲波傳感器的原理對前方一定方向范圍內(nèi)的障礙物進(jìn)行探測。超聲波頻率超過了20000赫茲，它的穿透性和方向性都較高［13］，在超聲波傳感器測得智能避障輪椅與障礙物之間的距離后，由控制模塊與系統(tǒng)原設(shè)的安全距離作比較，從而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)而控制智能輪椅的運(yùn)動(dòng)。

3.2 程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

首先要對系統(tǒng)的各個(gè)部分和各個(gè)模塊進(jìn)行初始化：包括時(shí)鐘、定時(shí)器以及各個(gè)IO口等。接下來進(jìn)行串口數(shù)據(jù)接收并讀取數(shù)據(jù)來確定運(yùn)行程序的模式：手動(dòng)模式或循跡避障自動(dòng)模式。確認(rèn)模式正確后執(zhí)行相應(yīng)模式下的程序，輸出相應(yīng)指令的PWM控制小車的速度。如果系統(tǒng)運(yùn)行正常就循環(huán)以上程序，如果系統(tǒng)運(yùn)行不正常輪椅則停下。系統(tǒng)主程序的流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主程序的流程圖

3.2.2 循跡避障程序設(shè)計(jì)

輪椅的循跡避障功能通過將循跡功能程序和避障功能程序結(jié)合實(shí)現(xiàn)。循跡功能的作用是使輪椅循線行駛，避障功能的作用是在循跡行駛的時(shí)候探測障礙物并且及時(shí)避障。

循跡避障功能程序啟動(dòng)后，系統(tǒng)初始化，接著運(yùn)行循跡功能程序，輪椅沿著事先在使用場所地面上規(guī)劃好的黑色路徑線行駛，在行駛的同時(shí)運(yùn)行避障程序。避障程序可以在循跡程序運(yùn)行行駛時(shí)持續(xù)探測前方安全距離內(nèi)是否存在障礙物，如果超聲波傳感器發(fā)出的超聲波探測到出現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)定的安全距離內(nèi)的障礙物，輪椅會(huì)馬上停下，然后持續(xù)探測前方障礙物的狀態(tài)，直到障礙物移開或是超出了設(shè)定的安全距離，輪椅就會(huì)繼續(xù)運(yùn)行循跡功能程序行駛。這樣就能實(shí)現(xiàn)在循跡行駛過程中及時(shí)躲避障礙物的功能，循跡避障功能程序總流程圖如圖8所示。

圖8 循跡避障功能程序總流程圖

4 討論

2021年5月11日國家統(tǒng)計(jì)局公布的第七次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示：60歲及以上人口占18.70%（其中65歲及以上人口占13.50%）且呈上升趨勢［14］。目前，越來越多的國家對老年人和殘疾人的生活質(zhì)量十分關(guān)注。美國醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施提供了4000億美元［15］，目標(biāo)是研發(fā)照顧老年人和殘疾人的設(shè)施或系統(tǒng)；我國的“十四五規(guī)劃”也對老年人和殘疾人的康復(fù)輔具智能化和設(shè)施的建設(shè)十分重視。近幾年來，隨著科技水平飛速發(fā)展，越來越多的先進(jìn)技術(shù)被用于提高殘障群體的生活質(zhì)量。對于殘疾人和部分老年人來說，智能輪椅存在的意義在于可以使他們正常進(jìn)行日?；顒?dòng)，并以此種方式使他們的行為自由度獲得提升。