一种多功能智能轮椅控制系统及相应的控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多功能智能轮椅控制系统，它包括UWB室内定位子系统、智能移动终端以及安装在智能轮椅上的行走驱动装置、控制单元、数据传输模块、场景信息检测装置、操作装置和声光报警装置；UWB室内定位子系统包括若干个设置在要实现导航的建筑物内的定位基站和安装在智能轮椅上的定位标签；控制单元通过行走驱动装置驱动智能轮椅行进，数据传输模块集成有GPS/北斗定位模块。本发明专利技术还公开了一种多功能智能轮椅的控制方法。本发明专利技术不仅能够为使用者提供便捷的导航服务，还具有集成化程度高、体积小、重量轻、成本低、便于安装、操作简单等优点。本发明专利技术适用于医疗护理设备技术领域。

A Multifunctional Intelligent Wheelchair Control System and Its Corresponding Control Method

【技术实现步骤摘要】
一种多功能智能轮椅控制系统及相应的控制方法
本专利技术属于医疗护理设备
，用于满足行动不便人士的代步，具体地说是一种多功能智能轮椅控制系统及相应的控制方法。
技术介绍
轮椅分为电动和手动折叠轮椅，是用于伤员、病员、残疾人在家康复、周转运输、就诊、外出活动的重要移动工具，它不仅满足肢体伤残者和行动不便人士的代步，更重要的是方便家属移动和照顾病员，使病员借助于轮椅进行身体锻炼和参与社会活动；随着科技的进步，人们已经研制出了具有多种功能的智能轮椅以适应不同的应用场景，如导航、避碰等功能。然而，现有的电动轮椅或者智能轮椅在解决以上场景的应用时方面还存在着不足，如操作复杂、人机交互体验不高等。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种多功能智能轮椅控制系统，以期能够解决现有技术存在的问题。本专利技术的另外一个目的是提供一种多功能智能轮椅的控制方法。本专利技术为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种多功能智能轮椅控制系统，它包括UWB室内定位子系统、智能移动终端以及安装在智能轮椅上的行走驱动装置、控制单元、数据传输模块、场景信息检测装置、操作装置和声光报警装置；所述UWB室内定位子系统包括若干个设置在要实现导航的建筑物内的定位基站和安装在智能轮椅上的定位标签；所述控制单元通过行走驱动装置驱动智能轮椅行进，行走驱动装置包括主动轮轮毂电机、转向步进电机，控制单元通过第一驱动器与主动轮轮毂电机相连，控制单元通过转向步进电机自带的转向驱动器与转向步进电机的驱动输入端相连，转向步进电机的反馈信号输出端与控制单元的转向反馈信号输入端相连；所述数据传输模块集成有GPS/北斗定位模块、并通过WIFI或者GPRS信号与智能移动终端相连，数据传输模块和智能移动终端均与互联网相连，所述智能移动终端内置智能轮椅客户端，智能移动终端通过数据传输模块与控制单元相连；所述场景信息检测装置与控制单元的场景信息输入端相连，操作装置与控制单元的命令输入端相连，控制单元的报警信号输出端与声光报警装置的控制信号输入端相连。作为限定：所述场景信息检测装置包括安装于智能轮椅底部的360°激光扫描雷达和安装于智能轮椅前部的固态面阵雷达/双目视觉相机。作为第二种限定：所述一种多功能智能轮椅控制系统还包括安装在智能轮椅上的陀螺仪、压力传感器和越障驱动机构，所述陀螺仪安装于智能轮椅的底座下、并通过总线与控制单元相连，所述压力传感器安装于轮椅的探轮连接轴座上、并与控制单元相连；所述越障驱动机构包括腿板旋转步进电机、探出机构步进电机、车架滑台步进电机、支腿抬升步进电机、支腿伸缩步进电机、脚踏板旋转步进电机、探轮轮毂电机和第二驱动器；所述支腿抬升步进电机包括主动腿抬升步进电机和从动腿抬升步进电机；所述腿板旋转步进电机、探出机构步进电机、车架滑台步进电机、主动腿抬升步进电机、从动腿抬升步进电机、支腿伸缩步进电机、脚踏板旋转步进电机一方面通过各自所安装的驱动器与控制单元的驱动信号输出端相连、另一方面通过各自的编码器与控制单元的越障反馈输入端相连；所述控制单元通过第二驱动器与探轮轮毂电机相连。作为第三种限定：所述操作装置包括内置电路、操作面板和设于操作面板上的万向手柄；所述内置电路包括CPU、A/D转换模块、X轴霍尔传感器、Y轴霍尔传感器、Z轴霍尔传感器、光耦模块、电源模块、CAN总线控制器和外部接口；所述X轴霍尔传感器、Y轴霍尔传感器和Z轴霍尔传感器均设置在万向手柄内，并分别通过A/D转换模块与CPU相连；所述电源模块一方面通过外部接口与外界电源相连、另一方面与CPU相连，CPU通过CAN总线控制器与外部接口相连；所述操作面板上还设置有按键矩阵，按键矩阵包括设置在万向手柄上的手柄按键和设置在操作面板上的快捷键，按键矩阵通过光耦模块与CPU相连。一种多功能智能轮椅的控制方法，采用上述的一种多功能智能轮椅控制系统来实现，该控制方法按照以下步骤顺序进行：一、标定UWB室内定位子系统坐标和世界坐标使用者首先通过智能轮椅客户端将UWB室内定位子系统的坐标系与世界坐标系进行标定，以实现UWB室内定位子系统的坐标系和世界坐标系的统一；二、建立室内平面布置图移动智能客户端利用内置工具在统一后的坐标系下构建室内平面布置图；所述室内平面布置图包含室内家具、门窗的位置、尺寸以及室内的预设坐标点；三、规划路径并优化路径移动智能终端根据当前点智能轮椅的坐标和使用者选定的目标点的坐标以及室内平面布置图，采用路径规划算法自动规划路径并优化路径，然后根据内置的程序逻辑将规划结果转换为路径信息并通过数据传输模块发送至控制单元；四、控制单元控制智能轮椅动作控制单元根据路径信息和接收到的反馈信息输出驱动信号，通过行走驱动装置驱动智能轮椅向目标点行进。作为限定，所述路径规划算法包括全局规划算法；所述全局规划算法为A*启发式搜索算法，按照以下步骤顺序进行：（一）将构建好的室内平面布置图按照智能轮椅平面尺寸为最小栅格进行栅格化，栅格化形成的栅格地图包含了可走区域和不可走区域；（二）将智能轮椅周边的可走区域加入到开放列表中,将智能轮椅走过的方格加入到封闭列表，将智能轮椅所在方格设置为“父节点”；（三）按照等式F=G+H计算开放列表中各每个方格的F值，并选择最小F值的方格作为目标点进行移动，同时将出发点方格加入封闭列表并设置为“父节点”；所述G表示从起点移动到指定方格的移动代价，H表示从指定方格移动到目标点的估算成本；（四）重复步骤（三），直至将目标点加入开放列表中，此时将所有“父节点”方格连接起来后形成的路线就是从起点到目标点的最优路径；当最优路径上突然出现障碍物时，采用局部算法对最优路径进行调整以避开障碍物，调整方法是等待或者按照沿墙搜索的方式绕开障碍物后继续行进。作为第二种限定，所述场景信息检测装置包括安装于智能轮椅底部的360°激光扫描雷达和安装于智能轮椅前部的固态面阵雷达\双目视觉相机；在步骤四向目标地点行过程中，360°激光扫描雷达实时扫描环境信息并反馈至控制单元，如果检测到“真实障碍物”且障碍物距离小于轮椅报警数值，则控制单元进行“避碰处理”并同时通过声光报警装置发出警报；避碰处理结束后，控制单元再通过主动轮轮毂电机驱动主动轮带动智能轮椅行进；所述“真实障碍物”是指不能跨越或者爬升通过的障碍物；所述“避碰处理”按照以下步骤顺序进行：S1、在行进过程中，360°激光扫描雷达实时扫描周围环境并把被测点距与自身之间的角度和距离值发送至控制单元；S2、控制单元经过数据处理之后经过数据空间重构、坐标转换、点位筛选、距离标定、报警逻辑控制后，对智能轮椅进行避碰动作控制和声光报警控制，或者直接通过人机界面显示由数据空间重构形成的2D点云图；其中，所述空间重构，是将360°激光雷达发送的角度和距离值还原成空间内的360度点云图信息；所述坐标变换，是将360度点云图信息的坐标原点依据360°激光扫描雷达和智能轮椅安装平面的相对位置，把雷达的坐标当成轮椅的坐标；所述点位筛选，是在点云图信息中屏蔽掉360°激光扫描雷达安装支撑件、轮椅结构件和自身体积占空间信息；所述距离标定，是设定智能轮椅与障碍物之间的报警距离值；所述报警逻辑控制，是当智能轮椅和障碍物之间的距离达到报警距离值时，控制单元将控制声光报警装置报警。作为第三种限定，所述场本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能智能轮椅控制系统，其特征在于：它包括UWB室内定位子系统、智能移动终端以及安装在智能轮椅上的行走驱动装置、控制单元、数据传输模块、场景信息检测装置、操作装置和声光报警装置；所述UWB室内定位子系统包括若干个设置在要实现导航的建筑物内的定位基站和安装在智能轮椅上的定位标签；所述控制单元通过行走驱动装置驱动智能轮椅行进，行走驱动装置包括主动轮轮毂电机、转向步进电机，控制单元通过第一驱动器与主动轮轮毂电机相连，控制单元通过转向步进电机自带的转向驱动器与转向步进电机的驱动输入端相连，转向步进电机的反馈信号输出端与控制单元的转向反馈信号输入端相连；所述数据传输模块集成有GPS/北斗定位模块、并通过WIFI或者GPRS信号与智能移动终端相连，数据传输模块和智能移动终端均与互联网相连，所述智能移动终端内置智能轮椅客户端，智能移动终端通过数据传输模块与控制单元相连；所述场景信息检测装置与控制单元的场景信息输入端相连，操作装置与控制单元的命令输入端相连，控制单元的报警信号输出端与声光报警装置的控制信号输入端相连。

【技术特征摘要】
1.一种多功能智能轮椅控制系统，其特征在于：它包括UWB室内定位子系统、智能移动终端以及安装在智能轮椅上的行走驱动装置、控制单元、数据传输模块、场景信息检测装置、操作装置和声光报警装置；所述UWB室内定位子系统包括若干个设置在要实现导航的建筑物内的定位基站和安装在智能轮椅上的定位标签；所述控制单元通过行走驱动装置驱动智能轮椅行进，行走驱动装置包括主动轮轮毂电机、转向步进电机，控制单元通过第一驱动器与主动轮轮毂电机相连，控制单元通过转向步进电机自带的转向驱动器与转向步进电机的驱动输入端相连，转向步进电机的反馈信号输出端与控制单元的转向反馈信号输入端相连；所述数据传输模块集成有GPS/北斗定位模块、并通过WIFI或者GPRS信号与智能移动终端相连，数据传输模块和智能移动终端均与互联网相连，所述智能移动终端内置智能轮椅客户端，智能移动终端通过数据传输模块与控制单元相连；所述场景信息检测装置与控制单元的场景信息输入端相连，操作装置与控制单元的命令输入端相连，控制单元的报警信号输出端与声光报警装置的控制信号输入端相连。2.根据权利要求1所述的一种多功能智能轮椅控制系统，其特征在于：所述场景信息检测装置包括安装于智能轮椅底部的360°激光扫描雷达和安装于智能轮椅前部的固态面阵雷达/双目视觉相机。3.根据权利要求1或2所述的一种多功能智能轮椅控制系统，其特征在于：所述一种多功能智能轮椅控制系统还包括安装在智能轮椅上的陀螺仪、压力传感器和越障驱动机构，所述陀螺仪安装于智能轮椅的底座下、并通过总线与控制单元相连，所述压力传感器安装于轮椅的探轮连接轴座上、并与控制单元相连；所述越障驱动机构包括腿板旋转步进电机、探出机构步进电机、车架滑台步进电机、支腿抬升步进电机、支腿伸缩步进电机、脚踏板旋转步进电机、探轮轮毂电机和第二驱动器；所述支腿抬升步进电机包括主动腿抬升步进电机和从动腿抬升步进电机；所述腿板旋转步进电机、探出机构步进电机、车架滑台步进电机、主动腿抬升步进电机、从动腿抬升步进电机、支腿伸缩步进电机、脚踏板旋转步进电机一方面通过各自所安装的驱动器与控制单元的驱动信号输出端相连、另一方面通过各自的编码器与控制单元的越障反馈输入端相连；所述控制单元通过第二驱动器与探轮轮毂电机相连。4.根据权利要求1或2所述的一种多功能智能轮椅控制系统，其特征在于：所述操作装置包括内置电路、操作面板和设于操作面板上的万向手柄；所述内置电路包括CPU、A/D转换模块、X轴霍尔传感器、Y轴霍尔传感器、Z轴霍尔传感器、光耦模块、电源模块、CAN总线控制器和外部接口；所述X轴霍尔传感器、Y轴霍尔传感器和Z轴霍尔传感器均设置在万向手柄内，并分别通过A/D转换模块与CPU相连；所述电源模块一方面通过外部接口与外界电源相连、另一方面与CPU相连，CPU通过CAN总线控制器与外部接口相连；所述操作面板上还设置有按键矩阵，按键矩阵包括设置在万向手柄上的手柄按键和设置在操作面板上的快捷键，按键矩阵通过光耦模块与CPU相连。5.一种多功能智能轮椅的控制方法，采用权利要求1-4任意一项所述的一种多功能智能轮椅控制系统来实现，其特征在于，该控制方法按照以下步骤顺序进行：一、标定UWB室内定位子系统坐标和世界坐标使用者首先通过智能轮椅客户端将UWB室内定位子系统的坐标系与世界坐标系进行标定，以实现UWB室内定位子系统的坐标系和世界坐标系的统一；二、建立室内平面布置图移动智能客户端利用内置工具在统一后的坐标系下构建室内平面布置图；所述室内平面布置图包含室内家具、门窗的位置、尺寸以及室内的预设坐标点；三、规划路径并优化路径移动智能终端根据当前点智能轮椅的坐标和使用者选定的目标点的坐标以及室内平面布置图，采用路径规划算法自动规划路径并优化路径，然后根据内置的程序逻辑将规划结果转换为路径信息并通过数据传输模块发送至控制单元；四、控制单元控制智能轮椅动作控制单元根据路径信息和接收到的反馈信息输出驱动信号，通过行走驱动装置驱动智能轮椅向目标点行进。6.根据权利要求5所述的一种多功能智能轮椅的控制方法，其特征在于，所述路径规划算法包括全局规划算法；所述全局规划算法为A*启发式搜索算法，按照以下步骤顺序进行：（一）将构建好的室内平面布置图按照智能轮椅平面尺寸为最小栅格进行栅格化，栅格化形成的栅格地图包含了可走区域和不可走区域；（二）将智能轮椅周边的可走区域加入到开放列表中,将智能轮椅走过的方格加入到封闭列表，将智能轮椅所在方格设置为“父节点”；（三）按照等式F=G+H计算开放列表中各每个方格的F值，并选择最小F值的方格作为目标点进行移动，同时将出发点方格加入封闭列表并设置为“父节点”；所述G表示从起点移动到指定方格的移动代价，H表示从指定方格移动到目标点的估算成本；（四）重复步骤（三），直至将目标点加入开放列表中，此时将所有“父节点”方格连接起来后形成的路线就是从起点到目标点的最优路径；当最优路径上突然出现障碍物时，采用局部算法对最优路径进行调整以避开障碍物，调整方法是等待或者按照沿墙搜索的方式绕开障碍物后继续行进。7.根据权利要求5所述的一种多功能智能轮椅的控制方法，其特征在于，所述场景信息检测装置包括安装于智能轮椅底部的360°激光扫描雷达和安装于智能轮椅前部的固态面阵雷达\双目视觉相机；在步骤四向目标地点行过程中，360°激光扫描雷达实时扫描环境信息并反馈至控制单元，如果检测到“真实障碍物”且障碍物距离小于轮椅报警数值，则控制单元进行“避碰处理”并同时通过声光报警装置发出警报；避碰处理结束后，控制单元再通过主动轮轮毂电机驱动主动轮带动智能轮椅行进；所述“真实障碍物”是指不能跨越或者爬升通过的障碍物；所述“避碰处理”按照以下步骤顺序进行：S1、在行进过程中，360°激光扫描雷达实时扫描周围环境并把被测点距与自身之间的角度和距离值发送至控制单元；S2、控制单元经过数据处理之后经过数据空间重构、坐标转换、点位筛选、距离标定、报警逻辑控制后，对智能轮椅进行避碰动作控制和声光报警控制，或者直接通过人机界面显示由数据空间重构形成的2D点云图；其中，所述空间重构，是将360°激光雷达发送的角度和距离值还原成空间内的360度点云图信息；所述坐标变换，是将360度点云图信息的坐标原点依据360°激光扫描雷达和智能轮椅安装平面的相对位置，把雷达的坐标当成轮椅的坐标；所述点位筛选，是在点云图信息中屏蔽掉360°激光扫描雷达安装支撑件、轮椅结构件和自身体积占空间信息；所述距离标定，是设定智能轮椅与障碍物之间的报警距离值；所述报警逻辑控制，是当智能轮椅和障碍物之间的距离达到报警距离值时，控制单元将控制声光报警装置报警。8.根据权利要求5所述的一种多功能智能轮椅的控制方法，其特征在于，所述场景信息检测装置包括安装于智能轮椅底部的360°激光扫描雷达和安装于智能轮椅前部的固态面阵雷达\双目视觉相机；该控制系统还包括安装在智能轮椅上的陀螺仪、压力传感器和越障驱动机构，所述陀螺仪安装于智能轮椅的底座下、并通过总线与控制单元相连，所述压力传感器安装于轮椅的探轮连接轴座上、并与控制单元相连；所述越障驱动机构包括腿板旋转步进电机、探出机构步进电机、车架滑台步进电机、支腿抬升步进电机、支腿伸缩步进电机、脚踏板旋转步进电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁君，于艳勃，
申请(专利权)人：大连亿斯德环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21