介入式主动操控智能轮椅的控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种介入式主动操控智能轮椅的控制系统和方法，包括数据采集模块，采集轮椅的椅面和脚踏的压力，以及轮椅的运行加速度；唤醒模块根据采集到的椅面的压力，在轮椅有人时解除锁定；状态判断模块根据轮椅的加速度，判断轮椅是否处于行驶状态；坐姿提醒模块用于在行驶状态下保持在不良坐姿的时间超时则发出报警并发送减速信号；脚踏提醒模块用于在行驶状态下当脚不当放置或者离开脚踏时间超时则发出报警并发送减速信号；减速控制模块用于控制轮椅的两个电机接口，将行驶速度降低到安全速度以内，并解除报警状态。本发明专利技术实现对轮椅使用者坐姿状态和轮椅运行状态的监测，不仅可以有效监测用户的身体姿态，而且可以提升轮椅的安全性能。

Control system and method for active control of intelligent wheelchair access

Control system and method of the invention provides an intrusive active control of intelligent wheelchair, including data acquisition module, a chair surface and a wheelchair pedal acquisition pressure, acceleration and running the wheelchair seat surface pressure; wake up module according to the collected, release the lock in wheelchair; state judging module according to the acceleration of the wheelchair, judge whether in a wheelchair driving state; posture reminding module used to keep the poor posture in time out and send alarm signal in the deceleration driving state; pedal module is used to remind the running condition when the foot pedal or improperly placed left timeout alarm and sends a deceleration signal; deceleration control module for two motor control interface for wheelchair the speed will be reduced to a safe speed, and lift the alarm state. The invention realizes the monitoring of wheelchair users' sitting posture and wheelchair running state, not only can effectively monitor the user's body posture, but also can improve the safety performance of the wheelchair.

【技术实现步骤摘要】
介入式主动操控智能轮椅的控制系统及方法
本专利技术属于智能机器人轮椅领域，具体涉及一种介入式主动操控智能轮椅的控制系统及方法。
技术介绍
随着信息和通信技术的不断进步，科技正在融入到我们的日常生活，并带来了无限的便利与舒适。随着世界人口老龄化的严重，报道表明人口老龄化的比率已经由1994年的9％达到2014年的12％，预计到2050年将达到21％。严重的老龄化形势以及包括残疾人在内的行动不便人群的数量日益增多，而轮椅作为残疾人和老年人等行动不便人群的重要代步工具，设计更好的智能轮椅成为迫切需求。因此，能够科学有效的监测残疾人和老年人的活动状态，并为这样的弱势群体提供一种更好的智能轮椅具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种介入式主动操控智能轮椅的控制系统及方法，能够实现对轮椅使用者坐姿状态和轮椅运行状态的监测，不仅可以有效监测用户的身体姿态，而且可有效提升轮椅的安全性能。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种介入式主动操控智能轮椅的控制系统，其特征在于，它包括：数据采集模块，用于采集轮椅的椅面和脚踏的压力，以及轮椅的加速度；唤醒模块，用于根据采集到的椅面的压力，判断轮椅上是否有人，若没有人则保持在童锁状态，若有人则解除锁定；状态判断模块，用于在启动轮椅后根据轮椅的加速度，判断轮椅是否处于行驶状态；坐姿提醒模块，用于在行驶状态下，根据采集到椅面的压力判断坐姿是否正确，当保持在不良坐姿的时间超过Tthres1，则发出报警，并发送减速信号至减速控制模块；脚踏提醒模块，用于在行驶状态下，根据采集到脚踏的压力判断脚是否正确的放置在脚踏上，当脚不当放置或者离开脚踏时间超过Tthres2，则发出报警，并发送减速信号至减速控制模块；减速控制模块，用于控制轮椅的两个电机接口，将当前行驶速度Vwheelchair降低到安全速度Vsafe以内，并解除报警状态。按上述系统，所述的数据采集模块包括设置在轮椅椅面上的6个压力传感器和轮椅脚踏上的2个压力传感器，以及设置在轮椅轮辐上的加速度传感器；设置在轮椅椅面上的6个压力传感器布局方式为：将椅面坐垫以长为行、宽为列平均分为5*5的方格，以椅面中心的一个方格为原点、行为横坐标、列为纵坐标构建二维坐标系，以方格为坐标单位，椅面上的6个压力传感器Fsr1、Fsr2、Fsr3、Fsr4、Fsr5、Fsr6的相对位置布局坐标分别为(1，-2),(-1，-2),(2，0),(-2，0),(1，2),(-1，2)；放置在轮椅脚踏上的2个压力传感器Fsr7和Fsr8，分别放置在2个轮椅脚踏板的中央位置。放置在轮椅轮辐上的加速度传感器位于轮辐中心点的位置。按上述系统，所述的唤醒模块将用于收集椅面上的6个压力传感器的值，如果6个压力传感器的值同时小于Fsrmin，则判断为轮椅上无人乘坐，否则为有人乘坐；所述的Fsrmin为预设的在压力传感器上没有施加压力所产生的扰动值。按上述系统，所述的加速度传感器采集轮椅在运行状态下的加速度(ax,ay,az)，ax、ay、az分别为加速度传感器模块基于重力原理产生的三个轴向的加速度；所述的状态判断模块具体用于求出轮椅在运行状态下的加速度的合成值SMV，若SMV大于或等于预设的状态阈值amthres，则判断轮椅处于行驶状态，否则判断轮椅为静止状态。按上述系统，所述的坐姿提醒模块具体用于将采集到的椅面上6个压力传感器的压力值(f1,f2,f3,f4,f5,f6)，按以下公式得出三维特征向量(CoPx,CoPy,CoPZ)；CoPx＝∑fi*xi/∑fiCoPy＝∑fi*yi/∑fi式中，CoPx和CoPy分别为椅面所在二维坐标系下两个轴向压力中心值；CoPz为两个轴向压力中心值的合成模值；fi为第i个压力传感器的压力值，xi和yi分别为第i个压力传感器的横坐标和纵坐标；利用决策树分类器，来判断用户的坐姿状态。按上述系统，所述的决策树分类器通过以下方式建立：首先，定义5种姿态，正常、左倾、右倾、前倾、后倾，选取若干个测试者进行数据采集；通过提取可以反映人体姿态特征的压力传感器的特征量，利用决策树分类器对姿态进行人工预分类，得出各种不同姿态的特征量的阈值，识别出具体的姿态。按上述系统，所述的脚踏提醒模块用于采集两个脚踏上的2个压力传感器的压力值，如果2个压力传感器的压力值有至少1个小于Fsrmin，则判断为轮椅上的人的脚未正确放置在脚踏上，否则为正确放置；所述的Fsrmin为预设的在压力传感器没有施加压力所产生的扰动值。按上述系统，所述减速控制模块用于控制轮椅的两个电机接口，将当前行驶速度(Vwheelchair)降低到安全速度(Vsafe)以内，并解除报警状态。一种智能轮椅，它包括轮椅本体，其特征在于：轮椅本体上设有所述的介入式主动操控智能轮椅的控制系统。一种介入式主动操控智能轮椅的控制方法，其特征在于，它包括：数据采集：采集轮椅的椅面和脚踏的压力，以及轮椅的加速度；唤醒：根据采集到的椅面的压力，判断轮椅上是否有人，若没有人则保持在童锁状态，若有人则解除锁定；状态判断：在启动轮椅后根据轮椅的加速度，判断轮椅是否处于行驶状态；坐姿提醒：在行驶状态下，根据采集到椅面的压力判断坐姿是否正确，当保持在不良坐姿的时间超过Tthres1，则发出报警，并发送减速信号至减速控制模块；脚踏提醒：在行驶状态下，根据采集到脚踏的压力判断脚是否正确的放置在脚踏上，当脚不当放置或者离开脚踏时间超过Tthres2，则发出报警，并发送减速信号至减速控制模块。按上述方法，数据采集时，利用设置在轮椅椅面上的6个压力传感器和轮椅脚踏上的2个压力传感器，以及设置在轮椅轮辐上的加速度传感器；设置在轮椅椅面上的6个压力传感器布局方式为：将椅面坐垫以长为行、宽为列平均分为5*5的方格，以椅面中心的一个方格为原点、行为横坐标、列为纵坐标构建二维坐标系，以方格为坐标单位，椅面上的6个压力传感器Fsr1、Fsr2、Fsr3、Fsr4、Fsr5、Fsr6的相对位置布局坐标分别为(1，-2),(-1，-2),(2，0),(-2，0),(1，2),(-1，2)；放置在轮椅脚踏上的2个压力传感器Fsr7和Fsr8，分别放置在2个轮椅脚踏板的中央位置。放置在轮椅轮辐上的加速度传感器位于轮辐中心点的位置。按上述方法，坐姿提醒具体包括：将采集到的椅面上6个压力传感器的压力值(f1,f2,f3,f4,f5,f6)，按以下公式得出三维特征向量(CoPx,CoPy,CoPZ)；CoPx＝∑fi*xi/∑fiCoPy＝∑fi*yi/∑fi式中，CoPx和CoPy分别为椅面所在二维坐标系下两个轴向压力中心值；CoPz为两个轴向压力中心值的合成模值；fi为第i个压力传感器的压力值，xi和yi分别为第i个压力传感器的横坐标和纵坐标；利用决策树分类器，来判断用户的坐姿状态。本专利技术产生的有益效果是：结合用户检测和人体姿态识别，更好的控制智能轮椅的运行状态；并且采用多种特征值与对应的阈值相比较的方法，易于实施，算法的稳定性强；同时，克服了单一传感器的功能局限性，增强了智能轮椅的安全性能。附图说明图1是本专利技术一实施例的方法流程图；图2是本专利技术一实施例的椅面的压力传感器安装示意图；图3是本专利技术一实施例的硬件框本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种介入式主动操控智能轮椅的控制系统，其特征在于，它包括：数据采集模块，用于采集轮椅的椅面和脚踏的压力，以及轮椅的加速度；唤醒模块，用于根据采集到的椅面的压力，判断轮椅上是否有人，若没有人则保持在童锁状态，若有人则解除锁定；状态判断模块，用于在解除锁定后根据轮椅的加速度，判断轮椅是否处于行驶状态；坐姿提醒模块，用于在行驶状态下，根据采集到椅面的压力判断坐姿是否正确，当保持在不良坐姿的时间超过T

【技术特征摘要】
1.一种介入式主动操控智能轮椅的控制系统，其特征在于，它包括：数据采集模块，用于采集轮椅的椅面和脚踏的压力，以及轮椅的加速度；唤醒模块，用于根据采集到的椅面的压力，判断轮椅上是否有人，若没有人则保持在童锁状态，若有人则解除锁定；状态判断模块，用于在解除锁定后根据轮椅的加速度，判断轮椅是否处于行驶状态；坐姿提醒模块，用于在行驶状态下，根据采集到椅面的压力判断坐姿是否正确，当保持在不良坐姿的时间超过Tthres1，则发出报警，并发送减速信号至减速控制模块；脚踏提醒模块，用于在行驶状态下，根据采集到脚踏的压力判断脚是否正确的放置在脚踏上，当脚不当放置或者离开脚踏时间超过Tthres2，则发出报警，并发送减速信号至减速控制模块。减速控制模块，用于控制轮椅的两个电机接口，将当前行驶速度Vwheelchair降低到安全速度Vsafe以内，并解除报警状态。2.根据权利要求1所述的介入式主动操控智能轮椅的控制系统，其特征在于：所述的数据采集模块包括设置在轮椅椅面上的6个压力传感器和轮椅脚踏上的2个压力传感器，以及设置在轮椅轮辐上的加速度传感器；设置在轮椅椅面上的6个压力传感器布局方式为：将椅面坐垫以长为行、宽为列平均分为5*5的方格，以椅面中心的一个方格为原点、行为横坐标、列为纵坐标构建二维坐标系，以方格为坐标单位，椅面上的6个压力传感器Fsr1、Fsr2、Fsr3、Fsr4、Fsr5、Fsr6的相对位置布局坐标分别为(1，-2),(-1，-2),(2，0),(-2，0),(1，2),(-1，2)；放置在轮椅脚踏上的2个压力传感器Fsr7和Fsr8，分别放置在2个轮椅脚踏板的中央位置。放置在轮椅轮辐上的加速度传感器位于轮辐中心点的位置。3.根据权利要求2所述的介入式主动操控智能轮椅的控制系统，其特征在于：所述的唤醒模块将用于收集椅面上的6个压力传感器的值，如果6个压力传感器的值同时小于Fsrmin，则判断为轮椅上无人乘坐，否则为有人乘坐；所述的Fsrmin为预设的在压力传感器上没有施加压力所产生的扰动值。4.根据权利要求2所述的介入式主动操控智能轮椅的控制系统，其特征在于：所述的加速度传感器采集轮椅在运行状态下产生的三个轴向的加速度(ax,ay,az)，ax、ay、az分别为加速度传感器模块基于重力原理产生的三个轴向的加速度；所述的状态判断模块具体用于求出轮椅在运行状态下的加速度的合成值SMV，若SMV大于或等于预设的状态阈值amthres，则判断轮椅处于行驶状态，否则判断轮椅为静止状态。5.根据权利要求2所述的介入式主动操控智能轮椅的控制系统，其特征在于：所述的坐姿提醒模块具体用于将采集到的椅面上6个压力传感器的压力值(f1,f2,f3,f4,f5,f6)，按以下公式得出三维特征向量(CoPx,CoPy,CoPZ)；CoPx＝∑fi*xi/∑fiCoPy＝∑fi*yi/∑fi式中，CoPx和CoPy分别为椅面所在二维坐标系下两个轴向压力中心值；CoPz为两个轴向压力中心值的合成模值；fi为第i个压力传感器的压力值，xi和yi分别为第i个压力传感器的横坐标和纵坐标；利用决策树分类器，来判断用户的坐姿状态。6.根据权利要求5所述的介入式主动操控智能轮椅的控制系统，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文锋，马聪聪，杨怡，杨镇海，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42