嵌入式多模态人机交互智能轮椅

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1、嵌入式多模态人机交互智能轮椅摘要随着社会中老年人和残疾人人口的日益增加，智能轮椅作为比普通电动轮椅运行更安全、使用更方便、性能更优越的代步工具，可以帮助残疾人和老年人提高自身的生活自理能力和工作能力，使他们更好地融入社会。针对智能轮椅的经济性、安全性、交互流畅性等市场推广瓶颈，本作品采用嵌入式系统对传统电动轮椅进行了智能化升级，使之能够在多种场合适用于不同人群。该智能轮椅是一种具有手动控制、语音控制、语音交互、超声波自主避障和视觉自主导航功能的多模态智能轮椅。用户不仅可以选择常规的手动控制，还可以通过语音指令控制轮椅的运行，且视觉导航模态实现了在不同光线环

2、境下的标志线跟踪，完成指定路线的运行，同时，超声波自主避障模态实现了特定需要场合下的随机“散步”运行。另外，通过将超声波避障技术和语音播报技术融合到其它模态当中，使得轮椅能够实时地对其所处的环境进行检测和分析（如障碍物，低洼地段），并判断后续的控制指令是否能够安全地执行，再通过语音播报的形式将信息反馈给用户，安全性好，交互性强；还将手柄干预技术和强制停止技术融合到各个模态当中，更进一步确保了轮椅运行的安全性。另外分模块设计思想，使得智能轮椅可根据不同对象需求分模块定制。作品整体设计实现了结构轻便、成本低、交互流畅、满足不同对象需求、安全性好的设计目标，以达

3、到易于产业化和产品推广的目的。关键词：智能轮椅;人机交互;语音识别;超声波避障;视觉导航;嵌入式系统；SPCE061AI目录摘要I第一章绪论11.1作品研究的现实意义11.2国内外智能轮椅研究现状与发展趋势11.3智能轮椅的市场分析和经济效益预测3第二章嵌入式多模态人机交互智能轮椅的总体设计52.1智能轮椅的总体设计思路52.2智能轮椅的硬件设计62.2.1硬件设计的总体方案62.2.2主控制器72.2.3图像传感器72.2.4超声波传感器72.2.5执行机构82.2.6D/A转换模块8第三章语音控制模态设计103.1语音控制系统总体设计103.2SPCE

4、061A的软件支持103.3语音播报113.4语音训练123.5语音识别13第四章超声波自主避障模态设计144.1超声波测距系统的设计144.1.1避障测距系统的总体设计方案144.1.2测距系统的发射电路154.1.3超声波接收电路154.1.4多通道超声波测距电路164.2超声波数据的采集与处理软件设计174.3测距实验174.3.1盲区分析184.3.2测距精度分析184.3.3循环测距的稳定性分析184.3.4检测低洼地段阈值的确定184.3.5测距角度对测量结果的影响194.4避障算法的设计204.4.1避障策略204.4.2避障流程图及说明22

5、第五章视觉自主导航模态设计255.1引言255.2视觉自主导航模态控制系统的总体设计255.3图像数据的采集与处理265.3.1图像数据的采集265.3.2图像数据的处理285.3.3黑线中心线的提取295.3.4路径特征量的获取305.4控制策略的研究与实现315.4.1智能轮椅转向的模糊控制315.4.2动力系统的驱动33第六章智能轮椅运行时安全保护的实现356.1手柄最高优先级干预功能的设计356.2安全保护在语音控制模态中的实现366.3安全保护在视觉自主导航模态中的实现38参考文献40附录1智能轮椅硬件电路图41附录2SPCE061AI/O资源分

6、配表44附录3实验数据45第一章绪论1.1作品研究的现实意义根据联合国预测，1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5%，同期我国老龄人口的递增速度为3.3%，老龄化速度快于世界老龄化速度。与其他国家相比，中国社会人口老龄化程度高，已逐步进入老龄化社会。许多大城市，如上海、北京，老年人的比例已接近20%。与此同时还有肢体残疾人的人口近6000万。老龄化社会的到来和残障人士的增加使得提高自助能力的助老助残智能护理服务机器人的发展成了迫切需求（老龄化社会的特征之一是劳动力短缺，使得没有足够的护理服务人员，同时现代社会的快节奏生活，使得子女也没有足够的

7、时间照料护理，这一切都使得迫切需要提高老人、残障人士的自助护理服务能力）。轮椅作为助老助残的最传统的自助工具，深得人们的喜爱。但是传统的轮椅除了使用对象外，多数还需要其他人员的辅助帮助，即使对于完全自助情况，也不能走的太远，而且消耗使用对象的大量体力，对于许多老年人和残障人士来说并不是十分方便。因此，设计研究满足不同使用对象，能够流畅交互控制的智能轮椅，正是作品的目的。从国家科技部网站查到的资料看，“国家中长期科学和技术发展规划纲要”和“863计划”先进制造技术领域专门规划出两个专题“服务机器人”和“智能机器人”专题，规划将研发出高性价比的助老/助残服务机

8、器人产品，探索前沿关键技术问题，产出一些高技术成果，形成未来老年人