基于視覺的嵌入式輪椅床自動對接系統(tǒng)

郭韶華，解迎剛，劉菁林

（北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101）

0 引 言

當(dāng)代中國的老齡化現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，考慮到獨生子女家庭眾多，加之當(dāng)今時代競爭較大，老人的子女忙于工作，往往沒有時間照顧老人；如果選擇雇傭保姆來看護(hù)老人，又將增加一筆較大的開銷。綜上所述，大多數(shù)家庭更愿意購買一款電動輪椅床，在方便老人行動的同時，節(jié)省開銷[1]。目前市面上的普通輪椅床一般不具備避障和床椅自動對接功能，無法解決老年人日常行動不便的問題。多功能護(hù)理床作為醫(yī)療護(hù)理行業(yè)的創(chuàng)新護(hù)理設(shè)備，其外形及功能的創(chuàng)新對老年人（尤其是失能或半失能老年人）護(hù)理起到至關(guān)重要的作用。隨著生活品質(zhì)的提升，對護(hù)理床功能的要求愈加苛刻[2]。

另外，除了滿足家庭需要，醫(yī)院也可以使用。輸液室里的靠背座椅大多無法靈活調(diào)整位置，病人在輸液時身體不適，體驗不佳，如果輪椅床可以通過調(diào)整靠背位置來調(diào)整坐姿，那么病患在輸液時將感到更加舒適、輕松。對于看護(hù)病患的家人而言，在夜晚不方便離開時也可以躺在輪椅床上休息，隨時照顧病患或者老人。當(dāng)家屬不在時，病患若想躺下休息，只需按動控制輪椅床的按鈕，使輪椅和床體對接即可。該輪椅床既方便了家屬和醫(yī)生，又能使病人得到更好的休息，利于康復(fù)。大多數(shù)病人在傷病期間往往心理脆弱，身體虛弱，智能輪椅床不僅提供了可靠的活動方式，同時也減輕了他們的心理負(fù)擔(dān)。目前大多數(shù)研究基于對輪椅的智能化改造實現(xiàn)輪椅的自動感知、自動避障、靈敏控制、無線通信、雙陪護(hù)等功能，具有功耗低、安全性強(qiáng)、功能全面、性價比高等優(yōu)點[3]。

1 設(shè)計方案

基于視覺的嵌入式輪椅床自動對接系統(tǒng)是一款以人工智能和嵌入式技術(shù)為核心的多功能護(hù)理床[4]，通過獲取輪椅與床體精準(zhǔn)的相對位姿，實現(xiàn)可分離式輪椅床的對接[5]。輪椅床自動對接系統(tǒng)流程如圖1所示。首先調(diào)整好電機(jī)轉(zhuǎn)速，啟動程序模型車前進(jìn)，根據(jù)后續(xù)各傳感器返回的電平值，改變2個電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和運(yùn)轉(zhuǎn)速度，如即將碰到障礙物時，模型車轉(zhuǎn)彎實現(xiàn)避障，同時根據(jù)FPGA處理的圖像實時觀測模型車相對于U型對接板塊的位置，借助LED燈顯示左偏或者右偏，實時進(jìn)行位置調(diào)整；當(dāng)模型車正對U型對接板塊時，保持一定的速度前進(jìn)，在對接板塊的終點安裝一個碰撞傳感器作為對接卡扣，對接完成后電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，模型車停止前進(jìn)。

圖1 輪椅床自動對接系統(tǒng)流程

2 裝置工作原理

該系統(tǒng)主要由電機(jī)模塊、圖像處理模塊、傳感器模塊等組成。

2.1 電機(jī)模塊

系統(tǒng)選用5 V電壓驅(qū)動的4相5線步進(jìn)電機(jī)（減速步進(jìn)電機(jī)），其減速比為1∶64，步進(jìn)角為（5.625/64）°[6]。如果需要轉(zhuǎn)動1圈，那么需要360/（5.625/64）=4 096個脈沖信號[7]。步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)與外形尺寸如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)與外形尺寸

實驗采用FPGA模塊控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，先規(guī)定左、右電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，在未碰到傳感器前，電機(jī)以恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)左、右電機(jī)以相同速度運(yùn)轉(zhuǎn)時，模型車保持前進(jìn)狀態(tài)；在收到需要轉(zhuǎn)彎的指令后（如前方有障礙物，或者對接路線需要調(diào)整），控制左、右電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)左邊電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)右邊電機(jī)停止時，模型車向右轉(zhuǎn)，反之模型車向左轉(zhuǎn)。電機(jī)工作流程如圖3所示。

圖3 電機(jī)工作流程

2.2 圖像處理模塊

隨著多媒體的廣泛應(yīng)用，與多媒體密切相關(guān)的圖像處理技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，出現(xiàn)了多種形式的圖像處理技術(shù)，F(xiàn)PGA就是其中一種，具有開發(fā)難度小、應(yīng)用方式靈活以及維護(hù)成本低等優(yōu)點[8]。FPGA的處理速度相比PC機(jī)和DSP更快，故本系統(tǒng)采用FPGA對圖像進(jìn)行處理（對圖像中的紅點進(jìn)行顏色識別）。先在U型床兩側(cè)對稱畫2個紅點用來判斷輪椅的位置，顯示圖像的同時提取2個紅點的位置坐標(biāo)，并計算2個紅點中間處的坐標(biāo)。當(dāng)攝像頭位于2個紅點正中心時，判斷自身位置正對U型輪椅床，可以保持前進(jìn)；當(dāng)攝像頭判斷自身所處位置相對于2個紅點中心位置左偏時，說明目前輪椅相對于U型床的入口位置左偏，其中一個LED燈亮起，提醒用戶右轉(zhuǎn)相應(yīng)角度來調(diào)整位置；當(dāng)攝像頭判斷自身所處位置相對于2個紅點中心位置右偏時，說明目前輪椅相對于U型床的入口位置右偏，另一個LED燈亮起，提醒用戶左轉(zhuǎn)相應(yīng)角度來調(diào)整位置。FPGA提取U型床位置流程如圖4所示。

圖4 FPGA提取U型床位置流程

2.3 傳感器模塊

歷史的車輪滾滾向前，科學(xué)技術(shù)也在不斷發(fā)展，新技術(shù)、新概念不斷涌出，為傳感器的發(fā)展帶來了新的動力。此次實驗主要使用測距傳感器、碰撞傳感器和避障傳感器，碰撞傳感器和避障傳感器在未被激活時保持在1狀態(tài)，激活后為0狀態(tài)，由此控制模型車轉(zhuǎn)彎、避障。測距傳感器可以實時監(jiān)測模型車距離U型對接模塊的距離，在即將對接完成時改變模型車的速度。通過多傳感器數(shù)據(jù)分析處理，及時算出車身避障所需轉(zhuǎn)動的角度，從而提高四輪小車自動避障的靈敏度和精度[9]。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)識別通過FPGA實現(xiàn)，實驗采用QuartusⅡ13.0編寫程序代碼，編程語言選用Verilog。

3.1 圖像顯示

本次實驗采用的攝像頭為OV5640，對攝像頭進(jìn)行相關(guān)配置并接收攝像頭采集的數(shù)據(jù)信息，將攝像頭傳入的圖像數(shù)據(jù)處理后寫入SDRAM。

3.2 顏色提取

該部分主要包括圖像采集模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、FPGA核心模塊和VGA顯示模塊。通過動態(tài)閾值和自適應(yīng)顏色匹配模板實現(xiàn)顏色識別，使得系統(tǒng)對光照變化的環(huán)境有很好的魯棒性[10]。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖5所示，圖像處理流程如圖6所示。

圖5 FPGA系統(tǒng)框架

圖6 圖像處理流程

3.3 步進(jìn)電機(jī)的控制

普通的ARM和FPGA都可以作為控制芯片實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。但如果步進(jìn)細(xì)分，選擇ARM實現(xiàn)控制，則需要頻繁進(jìn)出定時器來實現(xiàn)高頻率的step脈沖輸出。由于ARM的代碼為順序執(zhí)行，頻繁進(jìn)出定時器勢必會打斷其他操作，對系統(tǒng)性能的提升存在弊端[11]。因此，本次實驗采用FPGA控制步進(jìn)電機(jī)的方式來控制模型車的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎，避障或?qū)幼兯賱t通過各種傳感器輔助實現(xiàn)。2個電機(jī)分別用1個碰撞傳感器來控制其運(yùn)轉(zhuǎn)與停止，當(dāng)碰撞傳感器激活時，其邏輯值由1變?yōu)?，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)并保持狀態(tài)值不變。電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)及其仿真如圖7所示，此時傳感器為高電平，電機(jī)邏輯值不斷改變，控制其持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)碰撞傳感器激活時，電機(jī)狀態(tài)保持不變，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)及仿真如圖8所示。

圖7 電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)及仿真

圖8 電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)及仿真

3.4 對接過程

當(dāng)智能車軌道已正對U型對接板塊時，測距傳感器實時監(jiān)測兩者間的距離。在傳感器前方不同位置放置一個障礙物，改變障礙物與傳感器的距離，并在PC端顯示距離信息。距離顯示信息及流程如圖9所示。

圖9 PC端顯示的距離信息及流程

在監(jiān)測距離時，還需注意輪椅對接時行進(jìn)的速度，當(dāng)即將到達(dá)終點時，激活測距傳感器，改變cnt計數(shù)值與步進(jìn)電機(jī)邏輯值的變化速度，從而降低輪椅床的對接速度。如圖10所示，當(dāng)前方障礙物與臂章傳感器間達(dá)到一定距離時，傳感器被激活，電平值由高變?yōu)榈?，電機(jī)轉(zhuǎn)速改變。

圖10 避障傳感器激活

圖11為實際對接過程的圖片，途中已經(jīng)根據(jù)2個紅點調(diào)整好模型車的位置，準(zhǔn)備進(jìn)行對接。對接過程中，模型車上的避障傳感器會在即將對接完成后改變車速，并通過測距傳感器[12]實時監(jiān)測距離，對接完成后，模型車停下。

圖11 對接過程

4 結(jié) 語

系統(tǒng)實現(xiàn)了一種可以不借助人力控制的輪椅對接系統(tǒng)，在控制對接過程中，采用FPGA開發(fā)板控制步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)對模型車運(yùn)動的控制，并利用傳感器實現(xiàn)避障、控速的功能；調(diào)整位置時通過FPGA進(jìn)行顏色識別，處理圖像中事先畫好的紅色標(biāo)記，同時在顯示屏中顯示采集的圖像，借助LED燈反饋位置信息，便于及時調(diào)整位置；對接時的速度通過激光測距傳感器控制，完成對接。本系統(tǒng)實現(xiàn)了對空巢老人居家?guī)头銎餍档闹悄芑c物聯(lián)網(wǎng)化改造升級，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域和智能家居領(lǐng)域具有一定的實際應(yīng)用價值，應(yīng)用前景廣闊。