本实用新型专利技术公开了基于视觉和三点定位的智能轮椅及其控制系统的跟随方法，属于智能轮椅技术领域，以解决智能轮椅的路径规划全局目标清晰性欠缺，目标跟随和路面障碍物的有效规避精准度不高的问题。轮椅包括包括座椅、扶手、手柄、前轮、后轮、踏板、驱动装置和智能跟随模块，智能跟随模块包括智能标签、上位机、下位机；下位机包括驱动控制主板、激光雷达、惯性测量单元、至少一组超声波雷达、至少一组可视化装置、手柄控制模块、按钮组件、三点定位基站。本实用新型专利技术使轮椅具备一定的环境感知与应对能力，其跟随方法适用于智能轮椅和智能搬运等环境，不需过多调整就能应用在不同行业。
Intelligent Wheelchair Based on vision and three-point positioning
【技术实现步骤摘要】
基于视觉和三点定位的智能轮椅
本专利技术属于智能轮椅
，具体涉及基于视觉和三点定位的智能轮椅及其控制系统的跟随方法。
技术介绍
随着人口老龄化程度的不断加剧和科技水平的深入发展,弱势群体对于高质量生活诉求在逐步提高。传统的电动轮椅一般只是在手动轮椅基础上增加动力源和控制单元，智能化程度低和人机交互能力低下。轮椅仅仅可以提供日常的出行，不能满足老年人及残疾人的出行的安全性要求，也不能帮助他们运输重物。电动轮椅作为运输工具有时不太适合年龄较大或者肢体不方便的老年人及残疾人操作，看护人员伴行时也需要与智能轮椅进行交互，轮椅的智能化程度也有待进一步提高，包括具备自主导航和智能避障的性能。当今电动轮椅向智能化和多功能化方向发展。目前市场上虽然已经有一些自动跟随系统，包括使用了蓝牙定位、超声波定位、射频定位等技术。但蓝牙传输和窄带通讯等系统易受噪声信号干扰且射频作用距离近等影响，跟随的效果不是太好。基于机器视觉的人工智能技术又得到了快速的发展，将基于机器视觉的人工智能技术和穿透力强和功耗低超宽带系统结合起来，将能提高自动跟随精确度。因此，基于ROS机器人操作系统设计一款视觉和超带宽定位技术结合的跟随轮椅具有一定的技术优势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于视觉和三点定位的智能轮椅，以解决智能轮椅的路径规划全局目标清晰性欠缺的问题。本专利技术的另一个目的在于提供一种基于视觉和三点定位的智能轮椅及其控制系统的跟随方法，以解决目标跟随和路面障碍物的有效规避精准度不高的问题。>为了解决以上问题，本专利技术技术方案为：基于视觉和三点定位的智能轮椅，包括座椅、扶手、手柄、前轮、后轮、踏板；还包括驱动装置和智能跟随模块，驱动装置用于驱动后轮行走；智能跟随模块包括智能标签、上位机、下位机；上位机为ROS机器人系统嵌入式主板，下位机包括驱动控制主板、激光雷达、惯性测量单元(IMU)、至少一组超声波雷达、至少一组可视化装置、手柄控制模块、按钮组件、三点定位基站，三点定位基站包括基站一、基站二、基站三；ROS机器人系统嵌入式主板分别与激光雷达、可视化装置、驱动控制主板连接；驱动控制主板分别与基站一、手柄控制模块、按钮组件、驱动装置、超声波雷达、惯性测量单元连接，驱动控制主板与超声波雷达之间设有超声波雷达控制模块；基站一、基站二、基站之间无线连接；智能标签与基站一之间无线连接；激光雷达安装在踏板前端，至少一组超声波雷达分别安装在左右两个扶手的外侧，可视化装置分别安装在同一侧扶手的前侧和外侧中部，基站一和基站二安装在可视化装置一侧的扶手的前后两端，基站三安装在另一侧扶手的前端，ROS机器人系统嵌入式主板、驱动控制主板和惯性测量单元安装在座椅下方。进一步的，驱动装置包含电池、PID增量控制模块和霍尔无刷电机，PID增量控制模块包括霍尔测速模块、PID增量闭环调速单元和电动车无刷控制器；电池给电机供电，PID增量控制模块驱动对应的后轮行走。进一步的，基站一、基站二、基站三内均设有UWB芯片，其三者之间执行超宽带连接和通讯；智能标签内也设有UWB芯片，智能标签与基站一、基站二、基站三之间执行超宽带连接和测距。进一步的，激光雷达为单线激光雷达；惯性测量单元为九轴陀螺仪；超声波雷达为3-5组；可视化装置为单目摄像头；UWB芯片集成在可移动装置上，例如智能手环、手机。进一步的，ROS机器人系统嵌入式主板、驱动控制主板和惯性测量单元一起安装在保护盒内，保护盒内位于座椅下方。上述智能轮椅控制系统的跟随方法，其跟随方法为以下步骤：A、跟随指令发送：看护人利用身上的智能标签中UWB芯片发出自动跟随的指令，ROS机器人系统进行响应。B、路面障碍物检测：激光雷达采集路面前方各种较低位的障碍物数据，惯性测量单元采集角速度、加速度和航向角数据，这些数据均传输至ROS机器人系统；超声波雷达采集路面前面和侧方位各种稍高的障碍物数据，将此信号通过驱动控制主板传递至ROS机器人系统。这样高低多方位搭配可以采集到路面中各种高度和角度的障碍物数据，为ROS机器人系统路径规划算法提供基础数据。C、大致测算看护人的方位：看护人身上的智能标签内的UWB芯片首先与三点定位基站UWB芯片建立超宽带通讯通道，通过计算智能标签与基站一、基站二、基站三这三个基站之间的距离，并根据三角形法则进行测算。具体为：智能标签按照不同时间片给三个基站发送信号，同时根据三点定位的原理测量智能标签到三个基站的距离，大致获得看护人的方位，基站一将所有汇总的数据通过驱动控制主板传输至ROS机器人系统；同时可视化装置采集的图像数据也传输至ROS机器人系统；ROS机器人系统根据这些汇总数据进行判断：当可视化装置朝向看护人所在方位时，直接进入步骤D；当可视化装置的朝向与看护人大致的所在方位存在偏差时，ROS机器人系统结合步骤B中的各方位障碍数据进行决策，合理避障并控制电机驱动轮椅转动，使可视化装置朝向看护人所在方位，再进入步骤D。D、锁定看护人的具体坐标：可视化装置采用像素RGB分量比对计算方法或运动方向计算方法进行高速锁定带有智能标签的看护人，并将信息传输至ROS机器人系统；步骤B、C中三点定位基站获取的信息、惯性测量单元、激光雷达、超声波雷达、电机单线霍尔测速以及人体视觉跟踪信息均传输至ROS机器人系统，ROS机器人系统进行决策，进一步保证在复杂人群环境中，快速锁定看护人的方位。E、全局路径规划及驱动行驶:ROS机器人系统根据步骤B-D中获取的所有信息，结合三点定位的坐标和视觉确定的看护人的方位这些数据进行判断，依据move_base导航算法，规划出大致可行的全局路径，并将信息与驱动控制主板进行交互；ROS机器人系统结合步骤B中的各方位障碍物距离数据进行决策，合理避障并控制电机驱动轮椅转动，使轮椅可视化装置在行进过程中朝向看护人大致的所在方位。驱动控制主板控制电机驱动轮椅行走，轮椅在根据不同变化的障碍物，实时局部路径规划，动态调整路径，实现轮椅在基本符合大致方位基础上的局部规划调整的智能跟随和自主避障的功能。进一步的，步骤C中智能标签与三点定位基站之间的距离测算，大致获得看护人的方位的方法具体分为以下几个步骤：已知安装在扶手上基站之间的固定距离，分别定义为基站一和基站二之间距离定义为d12,基站一和基站三之间距离定义为d13；动态测量的智能标签到基站一、基站二和基站三的距离分别定义为d1、d2和d3(如附图5所示)；步骤1：d1、d2和d12组成三角形A1；d1、d3和d13组成三角形A2；智能标签发出自动跟随的指令、检测三角形A1和A2边是否符合基本的三角形法则，即是否满足d1+d2＞d12；d1+d3＞d13；不满足：说明数据干扰严重，再次取数据进行分析；满足：数据校验结束；步骤2：数据经过本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于视觉和三点定位的智能轮椅，包括座椅(1)、扶手(11)、手柄(12)、前轮(13)、后轮(14)、踏板(15)；/n其特征在于：还包括驱动装置(2)和智能跟随模块(3)，驱动装置用于驱动后轮行走；所述智能跟随模块包括智能标签(31)、上位机、下位机；所述上位机为ROS机器人系统嵌入式主板(32)，所述下位机包括驱动控制主板(33)、激光雷达(34)、惯性测量单元(35)、至少一组超声波雷达(36)、至少一组可视化装置(37)、手柄控制模块(38)、按钮组件(39)、三点定位基站(310)，所述三点定位基站包括基站一(311)、基站二(312)、基站三(313)；/n所述ROS机器人系统嵌入式主板(32)分别与激光雷达(34)、可视化装置(37)、驱动控制主板连接(33)；/n所述驱动控制主板(33)分别与基站一(311)、手柄控制模块(38)、按钮组件(39)、驱动装置(2)、超声波雷达(36)、惯性测量单元(35)连接，所述驱动控制主板(33)与超声波雷达(36)之间设有超声波雷达控制模块(314)；/n所述基站一(311)、基站二(312)、基站三(313)之间无线连接；/n所述智能标签(31)与基站一(311)之间无线连接；/n所述激光雷达(34)安装在踏板(15)前端，至少一组超声波雷达(36)分别安装在左右两个扶手(11)的外侧，可视化装置(37)分别安装在同一侧扶手(11)的前侧和外侧中部，基站一(311)和基站二(312)安装在可视化装置(37)一侧的扶手(11)的前后两端，基站三(313)安装在另一侧扶手(11)的前端，所述ROS机器人系统嵌入式主板(32)、驱动控制主板(33)和惯性测量单元(35)安装在座椅下方。/n...
【技术特征摘要】
1.基于视觉和三点定位的智能轮椅，包括座椅(1)、扶手(11)、手柄(12)、前轮(13)、后轮(14)、踏板(15)；
其特征在于：还包括驱动装置(2)和智能跟随模块(3)，驱动装置用于驱动后轮行走；所述智能跟随模块包括智能标签(31)、上位机、下位机；所述上位机为ROS机器人系统嵌入式主板(32)，所述下位机包括驱动控制主板(33)、激光雷达(34)、惯性测量单元(35)、至少一组超声波雷达(36)、至少一组可视化装置(37)、手柄控制模块(38)、按钮组件(39)、三点定位基站(310)，所述三点定位基站包括基站一(311)、基站二(312)、基站三(313)；
所述ROS机器人系统嵌入式主板(32)分别与激光雷达(34)、可视化装置(37)、驱动控制主板连接(33)；
所述驱动控制主板(33)分别与基站一(311)、手柄控制模块(38)、按钮组件(39)、驱动装置(2)、超声波雷达(36)、惯性测量单元(35)连接，所述驱动控制主板(33)与超声波雷达(36)之间设有超声波雷达控制模块(314)；
所述基站一(311)、基站二(312)、基站三(313)之间无线连接；
所述智能标签(31)与基站一(311)之间无线连接；
所述激光雷达(34)安装在踏板(15)前端，至少一组超声波雷达(36)分别安装在左右两个扶手(11)的外侧，可视化装置(37)分别安装在同一侧扶手(11)的前侧和外侧中部，基站一(311)和基站二(312)安装在可视化装置(37)一侧的扶手(11)的前后两端...
【专利技术属性】
技术研发人员：金涛，金启明，金松，
申请(专利权)人：苏州红树林智能科技有限公司，
类型：新型
国别省市：甘肃;62
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